高炉からの二酸化炭素排出量削減に向けた石炭の気泡形成機構の解明

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製鉄用コークスを製造する際,原料となる石炭は加熱により乾留される,石炭は乾留途中で軟化溶融状態となり,揮発分が生成され,それにより軟化溶融状態の石炭粒子の内部に気泡が生成されるとともに気泡が成長することにより石炭粒子が膨張する.そこで本研究では,その現象を明らかとするために非線形有限要素法と石炭熱分解(CPD)モデルを連成し,昇温中に石炭が膨張する挙動を解析するトータルシミュレーションの開発を行った.前年度行った非線形有限要素法解析モデルおよびCPDモデル間のインターフェースとして,気液界面の物質移動速度式,気泡内圧力の算出式および石炭基質,石炭粒子内部の気泡および石炭粒子外の物質収支式を導入し,定式化した,次に,石炭粒子内部の基質の大変形挙動を精度よく算出するため,大変形した解析対象に対する要素分割の逐次的な再構築を行うためのアルゴリズムを導入した.これらを連成し,トータルシミュレーションを開発することを達成した.このとき,軟化溶融状態においてクリープ解析を行う際に,時間刻みを非現実的な大きさまで小さくする必要があったが,本研究では,物性値を考慮した時間刻みを提案することにより,現実的な計算時間を達成することができた.上記のことを実施し,前年度測定した実験結果と数値解析の比較を行った.その際,解析対象は実験結果を模擬し,膨張させる気泡を粒子内に配置し,気泡が成長する様子を解析した,その結果,昇温にともなう膨張挙動を再現し,実験結果と同様の挙動となった。このとき,膨張を開始する温度および膨張率の最大値を比較すると,数値解は実験結果を良好に再現した.以上のことから,本研究により気泡の成長およびそれに伴う石炭粒子の膨張を再現する数値モデルが構築された.