2. TEMA 2: EL CARBÓN COMO MATERIA PRIMA, COMBUSTIÓN. Página 2
CONTENIDO GENERAL
1. CARBÓN-INTRODUCCIÓN
A. TIPOS DE CARBÓN
B. EXTRACCIÓN DEL CARBÓN
C. PROCESO DE PREPARACIÓN DEL
CARBÓN
D. USOS DEL CARBÓN Y VENTAJAS QUE OFRECE
E. IMPACTO AMBIENTAL
2. COMBUSTIÓN
A. TIPOS DE COMBUSTIÓN
B. COMBUSTIBLES
C. CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
3. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
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1. CARBÓN.
El carbón o también conocido como, Carbón Mineral, es un combustible fósil, una roca
combustible sedimentaria de color negro, de origen orgánico y como nos indica su
nombre está constituida principalmente de carbono y también de hidrógeno y oxígeno.
Normalmente lo podemos localizar bajo una capa de roca, llamada pizarra y sobre una
capa de arena y arcilla.
¿SABES CÓMO SE HA FORMADO EL CARBÓN MINERAL?
De verdad que esto ha ocurrido durante muchísimos años…
Se ha originado por la descomposición de materias vegetales
como: hojas, maderas, cortezas, y esporas, que se han
acumulan en el fondo de cuencas que son zonas de poca
profundidad, quedando cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire que los
destruiría. De esta manera comienza una pausada transformación por la acción de
bacterias anaerobias (microorganismos que no pueden vivir en presencia de oxígeno) y
así, con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono.
Posteriormente se cubren con depósitos arcillosos, lo cual es propicio para mantener
el ambiente anaerobio adecuado para que continúe el proceso de carbonificación, el
cual depende también de la profundidad y condiciones de presión, temperatura,
entorno, etc., hasta formar las vetas de carbón mineral. Veamos la siguiente figura:
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A. TIPOS DE CARBÓN
De acuerdo al grado de carbonificación que haya experimentado la materia vegetal que
originó el carbón, podemos tener diferentes tipos de carbones minerales, así podemos
encontrar desde el carbón con menor alteración, llamado Turba, hasta el carbón más
evolucionado conocido como Antracita; considerando que el rango de un carbón
mineral se determina en función de criterios tales como: contenido en materia volátil,
contenido en carbono fijo, humedad, poder calorífico, etc. Así tenemos que a mayor
rango, mayor es el contenido en carbono fijo y mayor sería también el poder calorífico,
mientras que disminuyen su humedad natural y la cantidad de materia volátil.
Podemos tener entonces la siguiente clasificación de Carbón Mineral, la cual es desde
el de mayor rango hasta el de menor rango:
ANTRACITA
Es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de
alto poder calorífico. Es un carbón muy duro que posee un
color negro lustroso brillante, tiene un elevado porcentaje de
carbono y menos del 8% de materias volátiles. La antracita
arde sin llama o con llamas muy cortas y azuladas. Este
carbón esta muy indicado cuando es esencial una
combustión sin humo.
BITUMINOSO
Conocido como Hulla es un carbón mineral muy rico en
carbono y tiene un alto poder calorífico, por lo que es muy
usada en las plantas de producción de energía. Posee un
elevado porcentaje de materias volátiles y arde con llamas
largas amarillas y humeantes. Su porcentaje de materias
volátiles, humedad, ceniza y azufre varía considerablemente.
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SUB-BITUMINOSO
Se conocen algunas veces con el nombre de lignitos
negros. Son carbones bituminosos de baja calidad que han
perdido la estructura leñosa de los lignitos. Los carbones
sub-bituminosos se desintegran cuando se exponen al aire,
y requieren mucha vigilancia mientras están almacenados.
Su porcentaje de materias volátiles varía desde 35 hasta el
45% y su contenido de humedad oscila entre 17 y 20%.
LIGNITO
Los lignitos constituyen el estado de transición entre la
turba y el carbón sub-bituminoso. Tienen aspecto de
madera y frecuentemente de arcilla. Posee potencias
caloríficas bajas y elevado contenido de humedad y
cenizas: la humedad inicial llega hasta 30-45% pero la
pierden fácilmente exponiéndolas al aire, lo cual puede
producir una rápida desintegración de este combustible.
De no adoptar grandes precauciones al almacenarlos,
están sujetos al riesgo de la combustión espontánea.
TURBA
La turba es un combustible muy mediocre, empleado en
algunos países como medio de calefacción doméstica.
En estado natural está impregnada de agua, debido a lo
cual ha de secarse siempre antes de su empleo. Está
formado por materias vegetales más o menos
carbonizadas. La turba contiene el 60% de carbono y es
un combustible de poco poder calorífico que desprende
mucho humo y deja como residuo cenizas.
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Observemos toda la información anterior plasmada en el siguiente esquema que
muestra el porcentaje de reserva mundial, los usos de los diferentes tipos de carbones
minerales y como varían las condiciones de Contenido de Carbono, Poder calorífico y
contenido de humedad:
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B. EXTRACCIÓN DEL CARBÓN
Actualmente, las reservas de carbón se encuentran dispersas contándose con 70
países con yacimientos que son aprovechables y según el ritmo de consumo se ha
calculado que existen reservas seguras para unos 133 años, comparándolos con 42 y
60 años pronosticados o calculados para el petróleo y el gas, respectivamente.
El Carbón ha sido extraído desde la edad media, según narran algunos autores.
Existen dos tipos de extracción de carbón, descritos a continuación:
EXTRACIÓN EN SUPERFICE: Se realiza normalmente los yacimientos pocos
profundos. El material superior del suelo y la roca se rompe primero con
explosivos, después se retira con excavadoras. Una vez expuesta la veta de
carbón, se perfora, fractura y extrae de forma sistemática en tiras.
EXTRACCIÓN SUBTERRANEA: Cuando el mineral se encuentra a grandes
profundidades se realiza minería subterránea, donde se cavan pozos hasta
llegar a la veta y después se extrae. Este tipo de extracción es predominante, ya
que generalmente, las vetas se encuentran a cientos de metros de profundidad.
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C. PROCESO DE PREPARACIÓN DEL CARBÓN
El carbón obtenido al salir de la mina, tiene tamaños
muy heterogéneos, por lo que es necesario
clasificarlo definiendo las calidades deseadas y los
tamaños requeridos para la aplicación final de ese
carbón. Lugo se realiza un lavado, un secado y
posteriormente un briquetado o mezclado de
carbones.
La Clasificación del Carbón: Se trata de realizar una selección o bien, una
clasificación minuciosa del carbón para así darle los diferentes usos y aplicaciones
que posee.
Inicialmente se realiza una separación de acuerdo al aspecto, se aplica siempre y
cuando las vetas estén bien definidas, utilizando para esto un equipo llamado
picador. Luego se procede a tamizar, clasificando los carbones en función al tamaño
de las partículas. Las tamices que se emplean a nivel industrial pueden ser
cilíndricos o de tambor, oscilatorios (criba de vaivén). Éstos últimos son bandejas
rectangulares que tienen un movimiento de vaivén. La velocidad aumenta al ir
disminuyendo el tamaño de partícula. Cuando se tienen carbones de gran tamaño,
se realiza una selección a mano, utilizando para ello cintas a la cual se le aplican
movimientos lentos con el fin de detectar los carbones más grandes.
También se busca reducir tamaños, mediante trituración o quebramiento del carbón,
esto con el propósito de tener mejor manejo y comercialización. Para ello se aplican
diferentes fuerzas mecánicas, predominando alguna de ellas o combinándolas entre
sí para obtener mejores resultados. Entre estas fuerzas mecánicas tenemos:
Compresión, Rodadura, Impacto, Flexión, Desgaste o rozamiento.
De esta forma clasificamos el carbón y podemos tener los siguientes tipos:
Cribado, Menudo y Polvo.
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Lavado Y Secado: El Lavado, consiste
en separar por diferencia de tamaños y
densidades el cribado, disminuye
compuestos asociados, como las cenizas
obtenidas en el proceso de combustión,
reduciendo el coste de proceso. Se deben
tener en cuenta características como
tamaño, forma, elasticidad, conductividad y
densidad, siendo esta última característica
la más importante.
Los procesos de lavado pueden ser en seco, el cual se basan en las diferencias de
densidad y fricción en seco. También en las diferencias de elasticidad, y en
húmedo, basándose en las diferencias de tamaño y forma. También en la densidad
y fricción en húmedo, así como en la humectabilidad y densidad.
Luego, para mejorar las condiciones de todos los carbones luego del proceso de
lavado, se realiza una disminución de la humedad, la cual puede hacerse por
muchos medios, que van a depender de la empresa, aunque normalmente se
utilizan secadores de bandejas.
Briquetado o mezclado de carbones: Este proceso consiste en recuperar
polvo fino de carbón del proceso de lavado, buscando usar el carbón en procesos
posteriores, añadiendo para ello una especie de aglomerante o coagulante como:
almidón, alginatos, peptatos, alumbre (sulfato de alúmina). De esta manera se
forman los flóculos. Este proceso se ayuda a veces de ciclones y se le aplica
temperatura con el fin de obtener la plasticidad necesaria y posteriormente
prensarlo mezclándolo con varias clases de carbones y obtener así un carbón con
requisitos necesarios para usarse.
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ESTRUCTURA DEL PROCESO:
EL CARBÓN PUEDEN APROVCHARSE EN DIFERENTES PROCESOS UTILIZANDO
LAS SIGUIENTES TÉCNICAS:
• Combustión: Como combustible doméstico,
calefacción, locomotoras.
• Destilación o pirogenación: Se realiza en
recipientes cerrados hasta 1000 ºC se
descompone en gases y líquidos. El residuo
obtenido, aproximadamente 65-80% se conoce
como coque.
• Hidrogenación: Al carbón caliente se le añade
H2, buscando romper la estructura, de esta
manera se forman líquidos, que tiene alto valor
comercial y se llaman petróleos artificiales.
• Gasificación: Busca transformar el carbón en
gases haciéndolo reaccionar con O2, aire, vapor
de agua, SO2, según sea el caso se obtienen
nuevas materias primas y/o nuevos combustibles.
CLASIFICACION
LAVADO Y
SECADO
BRIQUETADO
CARBON
DE LA
MINA
DESTINO
FINAL
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D. USOS DEL CARBÓN Y VENTAJAS QUE OFRECE
El carbón mineral tiene excelentes y
diversos usos, entre los cuales se
mencionan:
Electricidad, Cemento, Producción de acero,
Fabricantes del papel, Industria farmacéutica
y Petroquímica, Obtención del amoniaco,
Plásticos y fibras (Rayón, Nylon), Carbón
activado y Uso doméstico.
A continuación vamos a dar prioridad a ciertos usos:
• Combustible: El primer uso que tiene el carbón es como combustible
doméstico, hoy en día calefacción países en vías de desarrollo, e inclusive en
Europa. Proporciona una fuente de energía más limpias que el gas natural
(GN), propano C3, butano C4 y la electricidad.
• Carboquímica: El carbón al aplicar técnicas de gasificación, se obtiene un gas
de síntesis (CO y H2), el cual es materia prima para la producción de amoníaco,
metanol, gasolina y gasóleo (por licuefacción indirecta).
• Generación de energía eléctrica: Utilizado en centrales térmicas como carbón.
• Coque: Producto de pirólisis anaerobia. Combustible y reductor en distintas
industria. Amplio uso en siderúrgicas (2/3 producción acero consume 12%
carbón, para el 2003)
• Petróleo sintético: Por licuefacción directa (hidrogenación), aunque hoy en día
no se usa, la última planta data de 1940.
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VENTAJAS QUE OFRECE EL USO DEL CARBÓN:
Abundante: Las reservas de carbón son extensas y están presentes en
muchos países.
Seguro: El carbón es estable y por tanto es el combustible fósil más
seguro desde los puntos de vista de su transporte, almacenamiento y
utilización.
Suministro Garantizado: La abundancia de las reservas significa que a
los usuarios de carbón se les puede garantizar la seguridad de los
suministros del recurso.
Limpio: Usando tecnologías adecuadas, puede ahora quemarse el
carbón limpiamente en todo el mundo.
Económico: A nivel mundial, el carbón es un combustible competitivo
para la generación de electricidad.
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E. IMPACTO AMBIENTAL
Las explotaciones mineras de carbón tienen un gran
impacto ambiental, las de cielo abierto un gran
impacto visual y los líquidos que de ellas se
desprenden son muy contaminantes.
Para mejorar esto, en los países desarrollados, las
empresas carboníferas son obligadas a dejar el
paisaje restituido cuando han terminado su trabajo,
para ello reforestan y rellenan los agujeros para que
no queden a la vista las tierras removidas y los
derrubios de ganga.
Es importante controlar y depurar el agua de lixiviación (el agua que empapó y
recorrió las acumulaciones de mineral y derrubios) y que al salir de la mina fluye hacia
ríos o los alrededores, cargada de materiales muy tóxicos, como metales pesados y
productos químicos usados en la minería.
En el proceso de uso del carbón los daños
ambientales son considerables, al quemarlo se
generan cenizas, se liberan grandes cantidades de
gases, responsables de efectos como: lluvia ácida,
efecto invernadero, formación de smog, etc.
Esto empeora enormemente cuando el
combustible de mala calidad, porque las impurezas
que contiene se transforman en óxidos de azufre y
otros gases tóxicos.
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De una manera los ingenieros han buscado
la forma de mejorar ciertos impactos, en
función de esto, se han desarrollado
equipos, tales como ciclones, precipitadores
electrostáticos, filtros húmedos y secos,
destinados a atrapar partículas y polvo
emitidos en la combustión de carbón y
lignito y en plantas de gasificación, los
cuales pueden adquirirse fácilmente y son
perfectamente capaces de alcanzar los
estándares establecidos.
Como tipos de contaminantes tenemos los sólidos y los gases. Dentro de los sólidos
están las cenizas. Estas si es posible se incorporan a la conformación de firmes de
carretera y / o a la preparación de materiales cerámicos de construcción. Dentro de los
gaseosos se encuentran el NOX, SO2, CO2, CO y N2.
La emisión admitida de partículas sólidas en suspensión en los gases de combustión
debe ser inferior a 80 mg/m3 lo que implica la recuperación de al menos el 99,5% de
las cenizas arrastradas. Su separación se consigue por los métodos bien conocidos
con son los ciclones, filtros de mangas y electrofiltros.
Algo muy importante de controlar son las emisiones de gases nitrosos, NO, NO2 y
N2O, por ello se pueden buscar reducir realizando excelente diseño y acertada
operación en quemadores y calderas, junto a la reducción catalítica selectiva de los
gases de combustión mediante la reacción con amoniaco para llegar a nitrógeno y
vapor de agua. En el proceso de combustión del carbón, si se quema con defecto de
aire, no se dispone de oxígeno suficiente para combinar con el nitrógeno, y así se
reduce la formación de óxidos de nitrógeno. Al mismo tiempo se limita la combustión
total del carbón, siendo preciso idear los medios para completar la combustión en una
fase posterior, a temperaturas inferiores.
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2. COMBUSTIÓN
Es una reacción química en la que un elemento
combustible se combina con comburente (normalmente
el Oxígeno del aire), desprendiendo gran cantidad de
energía térmica y luminosa, y produciendo un óxido.
La Temperatura mínima necesaria para producir
combustión, es llamada Temperatura de ignición o de
inflamación.
Las combustiones pueden presenciarse con y sin llamas, así describimos lo siguiente:
Procesos en la combustión con llama:
Cuando una sustancia se calienta ésta
desprende unos vapores o gases, combinándose
con el oxígeno del aire que en presencia de una
fuente de ignición arden. Hasta este momento la
combustión se ha comportado como una reacción
endotérmica, es decir, necesita el aporte de calor
para que pueda iniciarse. Una vez que estos
vapores empiezan a arder, se desprende calor y
la reacción es exotérmica.
Procesos en la combustión sin llama: En la
combustión sin llama se oxida la superficie
carbonizada, generando localmente el calor
suficiente para producir una nueva carbonización
del combustible adyacente aún sin quemar. Se
trata de un proceso muy lento que, en algunos
casos, puede llegar a producir llamas y provocar
un incendio que se propagará a gran velocidad.
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A. TIPOS DE COMBUSTIÓN
Las reacciones de combustión se dividen en dos grandes
tipos, los cuales van a depender de la cantidad de combustible
que reacciona con el oxígeno proveniente generalmente de
aire (compuesto, 79% nitrógeno y 21% oxígeno), donde el
nitrógeno proveniente del aire no tiene protagonismo en las
reacciones.
Tenemos de esta manera las siguientes combustiones:
Combustión completa:
Las sustancias combustibles reaccionan totalmente con el Oxígeno, no quedando
residuos de combustible sin quemar y en consecuencia, no habrá sustancias
combustibles en los humos.
En los productos de esta combustión se puede encontrar principalmente CO2, H2O y
otros óxidos como SO2.
Combustión incompleta:
En este tipo de reacción el combustible no se oxida completamente, por lo que se
forman sustancias que todavía pueden seguir oxidándose; por ejemplo, monóxido de
carbono, CO. Estas sustancias se denominan inquemados. Otros inquemados pueden
ser H2, H2S y C.
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B. COMBUSTIBLES
Es cualquier material que pueda arder o sufrir una
rápida oxidación Y capaz de liberar energía cuando
se cambia o transforma su estructura química. La
mayoría de los combustibles usuales son
compuestos de carbono e hidrógeno, que al arder se
combinan con el oxígeno formando dióxido de
carbono (CO2) y agua (H2O) respectivamente. La
principal propiedad de los combustibles es su poder
calorífico (calor desprendido por la combustión
completa de una unidad de masa de combustible).
Características de los combustibles
Dentro d e las características de los combustibles podemos citar:
Composición Química: Dependiendo de esta y de los elementos que componen
el material combustible (sea sólido, líquido o gas), su reacción química con el
comburente y en presencia de calor puede ser distinta, de esta manera puede
favorecerse o retardando la velocidad de propagación, los productos residuales
procedentes de la combustión, entre otros.
Estado físico: Se tiene que cualquier combustible, en la mayoría de los casos
bien sea sólido o líquido, para reaccionar con el comburente, debe gasificarse,
haciendo que la cantidad de calor inicial para que el estado físico sea un gas
varíe considerablemente.
Superficie libre de contacto: Es la superficie que el combustible presenta al
comburente y cuanto mayor sea esta superficie, mayor es la posibilidad de
iniciarse un incendio a igualdad de aportación de calor inicial.
Frente de llama: Es la zona del espacio en la que se produce y desde la que
avanza una combustión con llama.
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Propiedades de los combustibles
Dentro de las propiedades de los combustibles se puede distinguir lo siguiente:
Poder Calorífico: Expresa la energía máxima que puede liberar la unión química
entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía
unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada
en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases)
formadas en la combustión. La magnitud del poder calorífico puede variar según
como se mida. Según la forma de medir se utiliza la expresión poder calorífico
superior (abreviadamente, PCS) y poder calorífico inferior (abreviadamente,
PCI), de esta forma se usó la denominación poder calorífico superior para el
calor verdaderamente producido en la reacción de combustión y poder
calorífico inferior para el calor realmente aprovechable, el producido sin
aprovechar la energía de la condensación del agua y otros procesos de pequeña
importancia.
Temperaturas: Entre las temperaturas y límites de temperatura debemos
considerar:
Temperatura de ignición: Temperatura a la cual un material combustible
empieza a emitir vapores combustibles. Puede ser incluso bajo cero para ciertos
líquidos (gasolina), con lo que a temperatura ambiente ya desprenden vapores
combustibles. Esta presencia de vapores no significa que exista un incendio.
Temperatura de incendio: Temperatura a la cual un material que ya está
desprendiendo vapores combustibles y en presencia de una llama exterior, se
incendia, generando un calor tal que sin aportación de calor externo el
combustible sigue emitiendo vapores combustibles que realimentan el propio
incendio. Esta temperatura es 1 ó 2 grados superior a la de ignición.
Temperatura de auto-ignición: Es la temperatura mínima a la que una sustancia
combustible es capaz de inflamarse y mantener la combustión en ausencia de
una fuente de ignición. Llegar a esta temperatura es altamente peligroso puesto
que sin previo aviso podemos tener una zona instantáneamente en llamas con el
peligro que ello representa. Tenemos dos variantes en este tipo de fenómeno
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que son el FLASHOVER (rápida transición a un estado de total envolvimiento de
todas las superficies en un fuego de materiales combustibles dentro de un
compartimiento) y el BACKDRAFT (explosiva combustión de gases calentados
que ocurre cuando el oxígeno es introducido en un edificio que no ha sido
adecuadamente ventilado y en el que se ha reducido el suministro de oxigeno
debido al fuego).
Límites de inflamabilidad: Para que se produzca un incendio se deben mezclar
en fase gaseosa combustible y comburente y dicha mezcla se debe dar en unas
concentraciones determinadas que se conocen como Límite de Inflamabilidad.
Estos límites son inferior y superior, sin embargo, entre ambas concentraciones
es posible la inflamación de la mezcla combustible/comburente.
Así tenemos que, el Límite inferior de inflamabilidad (LII), se trata de una
concentración de gas o vapor combustible en el aire por debajo de la cual no se
produce la combustión. Por otro lado, el Límite superior de inflamabilidad (LSI),
esta en una concentración de gas o vapor combustible en el aire por encima de
la cual no se produce la combustión.
Los límites de inflamabilidad (LII y LSI) varían en función de la temperatura.
Tenemos que a mayor temperatura, el Límite inferior de inflamabilidad (LII)
desciende y el Límite superior de inflamabilidad (LSI) aumenta. Veamos el
siguiente diagrama:
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C. TIPOS DE COMBUSTIBLES
Los combustibles se han clasificado de acuerdo a la naturaleza o forma como se
encuentran y se han tipificado en letras, de la forma como describimos a continuación:
Tipo A: Combustibles sólidos ordinarios que producen brasas en su combustión
(madera, papel, textil, cartón, etc.).
Tipo B: Combustibles líquidos (gasolina, aceites, disolventes, etc.), con
superficie horizontal de combustión. Hay que incluir en este tipo a aquellos
sólidos que se licuan a bajas temperaturas (asfalto).
Tipo C: Combustibles gaseosos o líquidos bajo presión.
Tipo D: Metales químicamente muy activos (sodio, magnesio, potasio, etc.),
capaces de desplazar el hidrógeno del agua u otros componentes, originando
explosiones por la combustión de este gas.
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3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
TEXTOS:
FELDER, R Y Rousseau. (2005). Principios
Elementales de los Procesos Químicos. México:
LIMUSA WILEY.
HIMMELBLAU, David. (1997). Principios Básicos y Cálculos en Ing. Química.
México: PRENTICE HALL.
PERRY, R. (1992). Manual del Ing. Químico. México: MC GRAW-HILL.
GUIAS DE CONSULTA:
BARRENO, D. y ROBAYO, F. (2006). Guía Nº 02: Fundamentos de los Balance
de Materia. UNEFM.
ENLACES:
www.bizkaia.net/Home2/Temas/DetalleTema.asp?Tem_Codigo=3734&Idioma=
CA#descripcion2
es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3n
