del I cata za I dtl - Universidad Nacional de Colombia ... · PDF filede petroleo combustible...

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Entrada del cata Ii za dor

NjveJ solido flquidO

Nivel dtl cctafizador

Tubo de IIIIlKI recircu laelan

Entrada del solido

Entrada del I(quido

Salida del eatalizador

Liquido claro

Liquido solido

Ni veJ de sedimentaCion del catalizador

Entrada del gas

FIGURA 60 Carb6n-H reactor de lecho ebullated (Johnson et all971)

Con carbones adecuados la produccion de gasolina motor puede ser del 50 en el caso de carbones bituminosos y mas del 40 en Iignitos

En el proceso un slurry compuesto de carbon fino un catalizador basado en hierro y una pasta de aceite se bombea atraves de un reactor bajo presion de hidrogeno La composicion de los productos de hidrogenaci6n dependen de la masa de hidrogeno transferida a el carbon (Figura 61) Y este a su vez depende de la presion la temperatura y el tiempo de reaccion tambien como el catalizador y la composicion de la pasta de aceite

Una comparacion de las propiedades de la gasolina y del diesel elaborado a partir de carbones bitwninosos y lignitos por el proceso de hidrogenacion se presenta en laTabla 19

EI carbon bitwninoso produce gasolina de mejor calidad y el lignito produce combustible diesel de mejor calidad En el caso de los carbones bituminosos la integracion de la sintesis Fischer -Topsch con la hidrogenacion podria probablemente necesitarse para producir gasolina y combustible diesel a las especificaciones normales

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100 g j bullc 80

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60

bull 40 11

~ 20 Q11 CI

Do 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9

Conslllo de hldrogl1lo (KGIOO Kc CQrbono en carbon)

tmiddot FIGURA 61 Produccion de productos de hidrogenacion en funcion de la masa de hidrogeno consumida en el proceso LG Faben (Kronig 1977)

TABLA 19 Datos caracteristicos c7 -- - --- ~ - shy~

Gasolina Gravedad eSQecifica(glmI)

Aromaticos( en peso) Numero octano investigadoO15 ml

tetraetil plomo 1-1 Aceite diesel obtenido de

carbonebituminosos datos lurgi Gravedad especifica(gml)

Aromaticos( en peso) Naftenos( en peso) Parafinas( en peso)

Numero octano

del combustible motor obtenido de la -- _ - ___ - - --- - -- - - --- - - - _ -- - --- - -- _ --

Carbon bituminoso

082 - 085 70 -75 98 - 100

0855 8 56 36

44-46

4935 Proceso Synthoil para la conversion del carbon contaminante

Ventajas de la licuefaccion

Carbon subbituminoso

I081 - 082 I== 70 I97 -100

083 - 085 lt 10

50-60 40-30

50

en combustoleo no

Aun cuando elcarbon se puede convertir en combustibles no contaminantes mediante la Iicuefaccion 0 la gasificacio~ el metoda de la licuefaccion tiene una eficiencia termica mas elevada requiere de menos agua para el proceso y un impacto menos grave en el ambiente Por otra parte los combustibles Uquidos tienen una densidad de energia mas elevada que los combustibles gaseosos y por 10 tanto son mas baratos en cuanto a su almacenamiento y transporte Las plantas de licuado brindaran igualmente la base para desarrollar la energia de conversion del carbon en gasolina consideraci6n

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imponante ya que las reservas conocidas de petroleo del pais se agotanin mucho antes que las reservas de carbon

EI proceso Synthoil ( En la Figura 62 Aparece un diagrama de flujo del proceso Synthoil EI hidrogeno y una suspension de carbon pulverizado en una parte del aceite producido se introducen simultaneamente en un reactor lIeno de bolas de catalizador CO-Mo 2- 203 EI

Si0 A1flujo del producto se conduce a un separador de gas en donde se separa de los gases los Jiquidos y los solidos no que no reaccionan EI f1ujo Jiquido pasa por una centrifuga para eliminar los solidos que no reaccionan tales como los fonnados por materia mineral y refractaria del carbon EI producto Jiquido centrifugado constituye un petroleo combustible no contaminante pound

Carbon J Acefte recicfableMezclador shy

bull Suspension

~ -iIo ~ Fluio alimentador

Hz de I Hz reciclable reposcion

t Reactor Gasificador JH2 0Oz - convertidor por

despJazam ienfo

bullbull t Flujo de productosCeniza

Gases de hidrocarburos Gases

Separador

de gas

NH 3 H z S t H z O Liquidos J sOlidos

reaccionados Residuos ~r

carbonosos Solid os Separadar

de solidos

t Uquidos Combustoleo no contaminante

CombustoJeo no contaminanteFlGURA 62 Elementos principales del proceso Synthoil

(Akhtur S Y Yavorsky 1986)

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Los solidos de lei centrifuga van a un pirolizador~ el cual entrega una cantidad adicional de petroleo combustible no contaminante y un residuo fonnado principalmente por materia mineral con algun material carbonoso Este residuo se alimenta a un gasificador para preparar hidrogeno para el proceso Puede agregarse al gasificador algun carbon para preparar suficiente hidrogeno para las necesidades del proceso

Los gases del separador de gas se llevan a 10 largo de un tren de purificacion para eliminar el amo~iaco (NH3) el sulfuro de hidrogeno el agua el metana (CH4) el etano (C2H6) y otros compuestos gaseosos fonnados durante la licuefaccion del carbon el hidrogeno purificado se recicla hacia el reactor

La purificacion del gas se lleva a cabo a la presion de la planta para reducir al minima ~

el costa de reciclado del hidrogeno purificado Algunas de las impurezas separadas del gas reciclado resultan utHes coino subproductos NH3 y H2S se pueden convertir en sulfato de amonio para el mercado de fertilizantes y el CH4 y el C2H6 pueden venderse a los distribuidores de gas natural 0 convertirse en hidrogeno mediante reforma por vapor para su uso en la pro pia planta La ceniza del gasificador se puede utilizar como relleno de minas

494 Calidad del Carbon e hidrogenacion Producida

EI porcentaje de conversion de carbon seco libre de ceniza a productos de licuefaccion en la hidrogenacion depende en gran medida del range y del tipo de carbon utilizado

De acuerdo a Cudmore 1977 las conversiones mas significativas (mayores del 60 en carbon seco libre de cenizas) se obtienen de carbones con las siguientes caracteristicas

bull Retlectancia de la vitrinita menor del 08 bull Contenido de vitrinita + liptinita mayor que el 60 bull Materia volatil (seca libre de ceniza) mayor que e135 bull Relacion atomica hidrogenocarbono (seeo libre de cenizas) mayor que 075 bull Una baja concentracion de heteroatomos (nitrogeno sulfuro oxigeno cloro) Consiste en licuificar completamente el carbon en productos destilables para obtener eficiencias mas altas porque los productos organicos residuales disminuyen la produccion de aceite y hacen su manejo tedioso

EI total de inertes incluyendo las dos terceras partes de simifusinitas se cree que son muy dificiles de licuificar

Resultados recientes indican que una significante porcion de los inertes totales en muy pocos carbones se convierte en al menos THF soluble Las condiciones donativas de hidrogeno son favorables para modificar los macerales inertes fusibles

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Los autores han report ado que el pretratamiento para remover mineral y los grupos funcionales oxigeno son tambien efectivos para licuificar con los macerales inertes en algunos carbones La no reactividad de algunas inertinitas se sugiere que proviene de los enlaces intennoleculares Mochida et al 1994

Heng y Shibaoka encontraron que los macerales inertiniticos contribuyen en gran medida en la producci6n de aceite Given y otros y Krevelen han mostrado que los carbones de bajo rango son mas susceptibles a la licuefacci6n

La licuefacci6n del carb6n es controlada por los microlitotipos Los microlitotipos reactivos son susceptibles a la licuefaccion mientras los no reactivos la inhiben Parece ser que la reactividad de duro clarita vitrinertita trimacerita es mayor que la clarita vitrinertita y a su vez mayor que la vitrita durante la Iicuefacci6n del carbon

Los carbones paraIicos son mas susceptibles a la licuefaccion que los limnicos Atul Kumar Varma 1994

410 OTROS USOS

4101 Subproductos de los procesos de conversion del carbon

La industria del acero esta estrechamente relacionada a la industria quimica Hacer hierro en si es una reaccion quimica a gran escala donde se producen subproductos en grandes volumenes para utilizaci6n quimica La manufactura del coque necesaria para producir hierro en los altos homos produce alquitran de carbon y gas del homo de coque los cuales son importantes fuentes de una familia de subproductos quimicos del carbon Las escorias del alto homo un subproducto de la elaboraci6n del hierro es tambien un material inorgaruco valioso

La explotacion comercial de materias primas quimicas aprovechables de las industrias de elaboracion de hierro y de coque tienen una muy larga historia de cualquier modo los potenciales de esos quimicos no se han aprovechado aun totalmente Par ejemplo la materia prima para producir triptofan un amino acido esencial y vitaminas E y K ocurren en el alquitran de carbon Ademas el gas de los homos de coque podna potencialmente contribuir al desarrollo de la quimica del C1 con ventajas econ6micas

El carbon asumira mas importancia como una fuente de energia y de materia prima para soportar el progreso de la humanidad a 10 amplio del mundo cuando decline la disponibilidad de aceite

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T 41011 Principales productos

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I Materiales de coque y carbono bull Coque metalurgico bull Cisco de coque bull Brea de coque bull LPC-U (para electrodos artificiales) bull LPC-UH (para electrodos artificiales) bull LPC-S 1 (para placas de electrodos) bull LPC-A (para refineria del aluminio) bull Aditivo de carbono para hacer el acero

Nippon Steel Chemical opera una de las plantas de coque mas grandes y mas modemas del mundo en donde los carbones importados se convierten en coques de alta calidad y se envian a los altos homos El alquitran de carbon y el aceite liviano del homo de coque recuperados en las plantas de coquizacion son las materias primas para los quimicos del carbon

bull Coque Pretratamientos tales como el proceso de coquizacion de briquetas desarrollado por la Nippon Steel convierten los carbones de baja calidad en un coque fuerte de alta calidad Ademas de la adopcion del secado de coque y otros metodos ahorra recursos y energia Esto se retleja en la alta calidad del acero producido por Nippon Steel

bull La brea se hace a partir del alquitran de carbon y es posteriormente procesada para hacer varios tipos de materiales de carbono UItimamente los materiales de carbo no son mirados como materiales promisorios para cumplir los requerimientos severos de la industria electronica aeroespacial e industrias relacionadas

bull Brea de coque La brea de coque se usa para hacer electrodos para la refinacion del aluminio

Las agujas de coque de alta cali dad es el primer material basado en carbono de esta clase en el mundo el cual se usa para la elaboracion de electrodos artificiales de grafito en la elaboracion del acero electrico

2 Quimicos del carbon y petroquimicos

bull Benceno y productos relacionados Benceno tolueno y xileno materiales basicos indispensables para la industria quimica hallan su aplicacion en una variedad de productos tales como fibras sinteticas y phisticas

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La compania Nippon Steel Chemical tiene la capacidad de destilacion de alquitranes de carbon mas grande del mundo

bull Productos de aiquitran de carbon de naftalina N aftalina refinada Metilnaftalina Aceite creosota

N aftalina metilnaftalina y otros quimicos se recuperan del alquitran de carbon por destilacion La naftalina se usa como repelente de insectos 0 como materia prima en la elaboracion del anhldrido ftalico colorantes intermedios y surfactantes La metilnaftalina se usa como un portador de colorantes y un solvente de alto punto de ebullicion y este se puede usar como materia prima para quimicos finos

bull Fenol y productos relacionados Los acidos de alquitran (fenol o-cresol acido m-cresilico y xilenoles) se usan como materia prima para la industria plastica electrica electronica farmaceutica quimicos agricolas y colorantes Tambien se usa para la obtencion de fenol trinitado acido pirico y melmita (explosivo militar)

bull Piridina y productos relacionados Las bases de alquitran encontrada en el alquitran de carbon y el gas de los homos de coque incluyen la piridina picolina y quinolina Esos se usan en la fabricaci6n de productos fannaceuticos quimicos agricolas y surfactantes

bull Productos sinteticos El anhldrido ftaIico producido a partir de la naftalina se usa para hacer plastificantes para c1oruro de polivinilo pinturas y plasticos Anhidrido maleico Antraquinona Metanol Amonio Monomero estireno Bifenil es sintetizado a partir del benceno se usa como portador de colorantes Este material es producido por muy pocas comparuas Terfenil Arocizer (solvente de alto punto de ebullici6n) Cic1ohexano

bull Medio de transferencia de calor Therm-s

bull Resina Cumarona Escuron (solidolliquido)

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Este material se produce de una fraccion pesada del aceite de alquitnin de carbon y se usa como un aditivo del caucho y como aderezo de pinturas tintas y otros productos

bull Fertilizantes Sulfato de amonio Silicato de calcio

bull Gases ind ustriates Hidrogeno de alta pureza Argon de alta pureza Oxigeno de alta pureza Nitrogeno de alta pureza

EI proceso de fabricacion del acero no solamente usa gases sino que tambien produce gases como subproductos En el presente se produce hidrogeno de alta pureza para la elaboracion de semiconductores lamparas industriales y aditivos de alimentos y argon de alta pureza para la manufactura del acero y soldadura

3 Pinturas anti-corrosivas bull Pinturas resinas epoxicas de alquitrim Cubierta NB bull Pinturas resinas epoxicas de alquitnin color Cubierta color NB bull Pintura de resina sintetica

NB COAT (pinturas resinas epoxicas de alquitrim) NB coat es una familia de pinturas anticorrosivas elaboradas de materiales basados en alquitnln a prueba de agua y resinas epoxicas las cuales tienen excelentes propiedades adhesivas y resistencia fisica Color NB coat~--~~ontiene alquitran blanco sintetizado del aceite liviano del alquitrim de carbon el cual se puede colorear y requiere solamente una minima preparacion de la superficie Tiene muchas aplicaciones en tanques de almacenamiento y barcos

bull Esmalte de alquitran de carbon Esmalte Nippon Steel Cubierta a prueba de agua CubiertaKN

Los esmaltes de alquitran de carbon se producen de un subproducto del aceite en la elaboracion de la brea de coque y son a prueba de agua y no se afectan por el ataque de las bacterias Esas pinturas anticorrosivas se usan en tuberias de acero subterraneas y debajo del agua

4 Phisticos bull Estireno (polistireno) bull Estireno GP MI HI As Ms Se y Fr

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El POlistireno es Ii viano fuerte y facil para colorear y moldear Existen las siguientes variedades GP (proposito general) HI y MI (alto y medio impacto) AS(copolimero estireno aCrilonitrilo altamente resistente a los productos qufmicos) SE (selfshyextinguishing ampliamente usado para moldear los albergues de las aplicaciones electricas de acuerdo a los estandares UL de los Estados Unidos) FR (polistireno AS y ABS reforzados con fibras de vidrio para aplicacion en la industria automotriz electrica y similares)

La compaiiia Nippon Steel Chemical produce monomero estireno y poifmeros y la resina cumarona A1 mismo tiempo trabaja desarroIJando resinas de alta calidad y agentes reforzantes orglinicos e inorglinicos El alquitnin se usa en la fabricacion de muchos tipos de pinturas anticorrosivas

bull Resina K Esall (resina de lustre perla) Esteria (placa de extrusion de resina Ms)

5 Cemento

bull Cemento portland de escorias de alto homo bull Cemento port1and de hierro Nippon Steel bull Cemento portland de escoria de alto homo Nippon Steel bull Cemento resistente al sulfato Nippon Steel

Cemento portland de escorias de alto horno

Este tipo de cemento se produce al mezcJar el cemento portland con escoria granulada de alto homo Varias c1ases se hacen a diferentes relaciones de mezcJas Todas las cJases muestran mayor resistencia fisica y quimica y bajo calor de bidratacion Este cemento se usa ampliamente en construccion de represas runeles estructuras de puertos y rios sUministro de agua y trabajos de alcantaril1ado

Suelo-cemento Solstar

bull lmpermeabilizantes Materiales para impermeabilizar SD

- Materiales para impermeabiIizar MS

6 Escoria de alto homo bull Escoria granulada bull Esmente (escoria molida) bull Eslaf(escoria granulada) bull Escoria enfriada con aire

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7 materiales inorganicos y materiales de construccion Cemento materiales inorganicos y materiales de construcci6n Las escorias de altos homos subproductos del proceso de fabricaci6n del hierro se utilizan efectivamente para producir materiales inorganicos de valor econ6mico

bull Fibras S (Lana de roca) Fibra S (materialesles que aislan el calor) Sunmat (materiales aislantes termicos para la casal Spray-ace (fibra rociadora)

La lana de roca es una fibra inorganica hecha de escoria de alto homo y tiene muchas aplicaciones como aislante del calor y del ruido de edificios y plantas industriales Los productos de lana de roca son disponibles en lana sueIta ligados a T ABLAs y fieltros de pendiendo del uso final Ramajes de lana hechos al mezclar lana de roca con un no combustible refiactario ligante inorganico se usa para estructuras de acero refract arias en edificios

bull Fibras S SC (fibras ceramicas) Fibras-S SC Bloque Z (Bloque aislado prefabricado)

Protecci6n de los cables electricos contra la dispersion del fuego Cabcoat Cabseal Las fibras cenlmicas se hacen de alumina y silice resistente al calor por encima de 1600degC Y se usan principalmente como revestimiento de homos industriales Ademas las fibras de alumina se pueden usar a temperaturas por encima de 1600degC

8 Productos especiales (parcialmente en desarrollo)

bull Gases especiales

bull Pinturas de alta calidad

bull Resinas fenolicas especiales Esfenor (ligante industrial materiales demoldeo y otros)

Esfoam (Resina de fenol foam)

Mientras esta es una de las resinas sinteticas mas viejas conocida por el hombre todavia llama la atenci6n en los mercados de alta tecnologia por su desempefio electrico superior

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bull MateriaJes eJectronicos

Estabron (materiales utilizados para semiconductores) Esquatz (Silice sintetica de alta pureza)

Las necesidades de nuevos materiales que nacen de la revolucion tecnologica que se presenta en la industria electronica hoy ha hecho que las empresas desarrollen materiales electronicos orgarucos e inorganicos para elaborar semiconductores

bull Quimicos especiales

fngredientes activos e intennedios para la industria fannaceutica y de quimicos agricolas

bull Lubricantes sinteticos de alta calidad Synfluid (PoliaIfaolefinas) Esfluid (aceite base para lubricantes) Shinlube (Iubricantes)

Nuevos lubricantes de alto desempeiio pronto emergenin de Sustancias halladas en el a1quitnin de carbon Ellos tendnin propiedades de lubricantes excepcionales y una larga vida de Servicio a a1tas temperaturas y presiones tambien se emplearan en el movimiento de traccion la transmision de potencia del futuro

bull Fibras de carbono y composites de alta calidad Esbrid (compuestos) Esalloy (poIimero ligante) Laminas composite

bull Productos especiales de carbono Grafito de alta densidad

bull Fibras inorganicas Super resistentes al calor

bull Lana de roca para cultivo de plantas EspIan

Acemat (esterilla de semillas de arroz)

Se estan desarroUando sistemas de cUltivo usando lana de roca Este sistema tambien sera apIicado en el crecimiento de vegetales y flores

9 Otros usos

bull Mezcla de materiales

La compania Nippon Steel Chemical esta empeilada en desarrollar mezcla de materiales avanzados para una variedad de industrias que producen mercancias

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comodas carretas de varas de pescar robots industriales antenas de television materiales permeables a los rayos x aeronaves naves espaciales automoviles bicicletas celdas solares y muchos otros

bull Especialidades quimicas a Farmaceuticos quimicos agricoias aditivos de alimentos y sus intermedios b Resinas flexibles y resistentes al calor y resinas a prueba de radiacion c Colorantes y pigmentos intermedios

bull Carbonos especiales Hoy la demanda est a creciendo para materiales de carbono de alta calidad que poseen excelente resistencia mecimica conductividad electrica y propiedades resistentes al calor para materiales y componentes de las industrias de alta tecnologia Dichos materiales de carbono derivados de la brea se usan en los siguientes campos Comodidades generales industria electrica y electronica maquinaria metalurgica electroquimica energia atomica e industria aerospacial

41012 Quimica del alquitran de carbon

Las materias prirnas que contienen carbono que la industria quimica utiliza provienen de la produccion de compuestos orgimicos tales como el alquitnin de carbon aceite y gas natural como tambien de otras fuentes En la seleccion de una materia prima la disponibilidad y la naturaleza quimica son factores decisivos Los quimicos olefinicos y alifaticos se producen desde las fracciones de aceite crudo y el gas natural mientras los compuestos aromaticos polinucleares tales como el naftaleno antraceno se recuperan casi exclusivamente del alquitran de carbon Aromaticos mononucleares tales como benceno tolueno y xileno (B T X) se obtienen del aceite y del alquitnin de carbon

La demanda a 10 amplio del mundo de la industria quimica para materias prim as que contienen carbono es de alrededor de 245 millones de toneladas de aceite equivalente La fuente es el aceite crudo seguido por el gas natural el alquitran de carbon y otros

EI alquitran de carbon es una mezcla compleja consistente casi exclusivamente de compuestos aromaticos Los principales componentes del alquitnin de carbon son la naftalina fenatreno fluoreno acenafteno bases de alquitran y acidos de alquitran EI numero total de constituyentes se estima en 10000

EI alquitran de carbon se obtiene como un subproducto durante la carbonizacion del carbon en la elaboracion del co que EI coque se usa principalmente en el proceso de produccion de hierro en el alto homo EI proposito de la produccion de alquitran de carbon es para hacer el acero y el gas domiciliario

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La produccion de acero crudo en el mundo se muestra en la TABLA 20 Japon disfruta del tope de la produccion de acero Pero China Brasil y especialmente Corea estan haciendo recientemente un esfuerzo energetico para levantar la produccion de

acero LI

TABLA 2U Produccion de acero crudo (1000 Ua) (Komoto T 1994 Pais 1988 1989 1990 1991 CIS 163037 160096 154333 133643

Japan 105681 107908 110339 109657 Estados Unidos 90649 88852 88918 79206

China 59175 61241 66038 70573 Alemania 41023 41073 38594 38899

Corea 19118 21873 23125 26002 It alia 23760 25216 25472 25084 Brasil 24675 25055 20569 22615

Francia 18598 18692 18947 18407 Total 778915 784418 769036 732800

Caracteristicas de la quimica del alquitran de carbon

Las caracteristicas generales de los compuestos aromaticos en relacion a su aplicacion se resume en la TABLA 21 Una de las mas importantes propiedades es su alta susceptibilidad a las reacciones sustituyentes Esto los habilita a dar una amplia variedad de derivados utiles En el caso de los compuestos aromaticos polinucleares esto se volveria dificil para efectuar la preparacion selectiva de compuestos deseables debido a sus multiples posiciones disponibles para la reaccion de sustitucion La proxima es la alta sensibilidad ala luz Esta propiedad se ha utilizado en el desarrollo de drogas pigmentos y materiales fluorescentes Recientemente se han hecho muchos esfuerzos para desarrollar compuestos nuevos para fotoconductores orgarucos La tercera propiedad es que los compuestos aromaticos tienen un fuerte poder disolvente Ademas muchas clases de solventes aromaticos se han utilizado en varios campos de la industria Corrientemente solventes especiales tales como sensibilizadores para papel de registro termico y un solvente para gel hilado se ha comerciaIizado La proxima caracteristica de los compuestos aromaticos es su alto contenido de carbono Se pueden producir muchos de los productos de carbo no tales como brea de coque y ligantes de brea La otra caracteristica es una fuerte asociacion intermolecular Esta propiedad es particularmente importante en el campo de cristal liquido La ultima es una fuerte resistencia al calor proveniente de la estructura conjugada de los aromaticos

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I =- ------------ r ~ bullbullbull1-1------- --- -------__v v bullbullbull v middot--L=

Projiedad Aplicacion Alta actividad a las reacciones de sustitucion Una g_ran cantidad de derivados Alta sensibilidad a la luz Drogas pigmentos fotoconductor Fuerte solubilidad Solventes Alto contenido de carbono Productos de carbono Fuerte asociacion intermolecular Materiales de cristal liquido Fuerte resistencia al calor PoHmeros resistentes al calor aceites que I

transfieren el calor

Utilidad de los productos provenientes del alquitran de carbon Hoy la participacion de benceno del alquitran de carbon ha bajado a menos que el 10 pero el suministro de compuestos policiclicos tales como la naftalina y el antraceno aun dependen del alquitran de carbon La Figura 63 ~uestra el uso de los productos destilados del alquitran de carbon en Japon Breas aceite creosota son los productos principales seguidos por la brea de coque y la naftalina La brea fraccion mas pesada se usa como brea ligante para electrodos de grafito y brea de coque El aceite creosota una mezcla de aceites relativamente pesados se usa principalmente como la materia prima del negro de carbono

La naftalina es uno de los principales constituyentes del alquitran de carbon

En el proceso de refinado del alquitran de carbon la recristalizacion se usa para producir naftalina

La naftalina se usa principalmente para la produccion de anhidrido ftaIico Aunque su uso ha disminuido en favor del o-xileno atraves de los afios 70 se espera que la naftalina mantenga su participacion presente en este mercado El anhidrido ftaIico se usa en la elaboracion de plastificantes poliesteres insaturados y resinas aikido EI catalizador de naftalina es una mezcla de oxido de vanadio y sulfato metalico alcalino sobre un so porte de silice

Otra uso importante de la naftalina es para la elaboracion del 2-naftol el cual es un paso intennedio en la produccion de una gran variedad de drogas pigmentos y quimicos procesantes del caucho

EI sulfonato de naftalina representa otro uso de la naftalina Los productos se usan como agentes humectantes y dispersantes en pinturas y revestimientos Usos miscehmeos incluyen varios compuestos organicos e intermedios tales como I-naftol I-naftilamina 1 2 3 4-tetrahidronaftalina y naftalina clorinada

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FIGURA 63 Uso de los productos destilados del alquitran de carbon en Japon (Komoto T 1994)

Coq ues de brea EI residuo de la fraccion aromatica producida en la refinacion del alquitran de carbon son materias primas adecuadas para la elaboracion de productos de carbono debido a su alta relacion CIH

Residuos no destilables los cuales tienen puntos de ebullicion por encima de los 340degC se les llama brea blanda La brea es la mayor proporcion del a1quitran de carbon Esta es la materia prima adecuada para la elaboracion de productos de carbono tales como la brea de coque y elligante de brea

La compafiia Nippon Steel Chemical esta produciendo tres c1ases de coque de brea por ejemplo isotropico regular y en agujas a partir del mismo alquitnln de carbon controlando el tamafio de la textura La textura del coque isotr6pico y el coque regular son esferas pequefias de otro Iado las del coque en agujas es como agujas La esfera en el coque isotropico es mas pequefia que en el regular La textura como agujas juega un importante papel ya que el coeficiente de expansion termica es bajo debido a la textura como agujas

EI co que isotropico y regular son la materia prima del grafito isotropico y el coque en agujas es adecuado para electrodos de grafito de los homos electricos hechos de hierro

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Derivados de aromaticos polinucleares Los compuestos heterociclicos se usan principalmente en el campo medico y agroquimico pero la carbazola y la acridina se investigan no solamente para medicina sino tambien para aplicaciones como resinas y materiales electronicos

En el campo medico y agroqulnUCO se emplean frecuentemente compuestos heterociclicos que contienen nitrogeno tales como quinolina e indola como materiales de inicio Su estructura esqueletica se halla en muchos compuestos fisiologicamente activos

En el campo de la resina funcional y materiales electronicos se utiliza el indeno fluoreno antraceno carbazola acridina y sus derivados Los derivados de la piridina se usan como drogas y pigmentos aprovechando su naturaleza fluorescente

26-NDCA de la naftalina Entre los nuevos polimeros derivados de la naftalina el PEN (polietileno naftalato) es particularmente notable como un nuevo poliester Las peliculas del PEN se han aplicado para registro magnetico aislante eIectrico y como una tinta plastica para imprimir

Cardo polimero de tluoreno EI fluoreno es un ejemplo tipico de compuestos adecuados para carda monomero entre los compuestos del alquitran del carbon Esos polimeros tienen muy alta temperatura de descomposicion yalta temperatura de transicion al vidrio al igual que buena permeabilidad selectiva para la separacion del gas

Resina COPNA de compuestos aromaticos polinucleares Esta resina podna tener una amplia aplicacion por ejempl0 como resina termoplastica y termosensible

Drogas de compuestos que contienen nitrogeno Los quimicos del alquitran de carbon especialmente los constituyentes que contienen nitrogeno se usan como materiales de base de medicinas y drogas

Una variedad de solventes ampliamente usados incluyen muchas clases de derivados aromaticos debido a su fuerte poder disolvente

4102 Carbon activado El carbon activado es un carbono amorfo que se caracteriza por su gran capacidad de adsorcion de gases y solidos coloidales

La alta estructura porosa que se desarrolla durante la activaci6n proporciona la gran area superficial del carbon activo de la cual depende su utilidad como un adsorbente

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El range de aplicaciones del carbon activo es muy amplio en el campo de tratamiento de aguas potables y residuaies control de polucion del aire y ciertos casos en donde los materiales se pueden re-usar (ejemplo recuperacion de solventes) Wilson 1 1981

Debido al reciente perfeccionamiento en el conocimiento de la polucion ambiental causada por vapores orgimicos en especial los compuestos halogenados ha hecho que el carbon activo adquiera una mayor importancia para adsorber dichas sustancias (Bradley R H Y Rand B 1993)

La estructura submicroscopica del carbon activado no se conoce con exactitud pero esta probablemente compuesta por particuias amorfas distribuidas al azar formando una red de poros irregulares parcialmente conectados entre enos dan do un area superficial que puede variar entre 200 y 2000 m2gr EI carbon normal a diferencia del activado solo presenta un area superficial en promedio de 100 m2gr

41021 Obtencion de carbon activado El carbon activado se puede obtener de una gran variedad de materiales vegetales entre los mas comunes estan cascaras de coco cascaras de arroz aserrin madera cuescos de palma y bagazo de cafia Tambien se puede producir a partir de carbones de diferente rango tales como lignitos carbones sub-bituminosos bituminosos y antracita igualmente se puede activar coque derivado de la carbonizacion del carbon y del coque de petroleo

Los carbones bituminosos producen carbones activos con grandes areas totales y adsorben mejor compuestos de moleculas pequefias ya que de por si elIos presentan inicialmente poros mas pequefios en cambio los carbones activos que provienen de lignitos y carbones sub-bituminosos se comport an mejor frente a las moleculas grandes ya que sus poros son mayores Por 10 anterior se puede deducir que dependiendo del tamano de las moleculas que se qui era adsorber se deben utiliz3r para la activacion carbones originales con predominio de poros grandes 0 pequefios de acuerdo a las circunstancias 19ualmente se debe tener en cuenta que los carbones preferiblemente no deben ser aglomerantes aunque mediante pretratamientos se puede llegar a inhibir estas propiedades (Schwabe P H 1970 Cunningham A C 1963 Y Jenkins G I 1956) Ydeben tener bajos contenidos de azufre y cenizas

Luego de seleccionado el carbon este se muele y tamiza hasta el tamano promedio deseado Una via altema es molerIo finamente y posteriormente briquetearlo Posteriormente se procede a la pirolisis y activacion en homos rotatorios 0 fluidizados

EI metodo de activacion consta esencialmente de dos etapas carbonizacion y activaci6n La carbonizacion se realiza en ausencia de aire y a temperatura superior a 600degC en esta etapa se eliminan las materias volatiles pennitiendo la formacion de una mejor estructura porosa La activacion tiene como objetivo incrementar el area superficial y ayudar a la formacion de la estructura porosa

169

T

amp

Carbones activados con sustancias quimicas Se basa en la accion de compuestos inorganicos incorporados a la materia prima los cuales producen una degradacion 0 deshidratacion de las moleculas orgarucas cuando la mezc1a se so mete a temperaturas entre 500 y 900degC Los compuestos que han dado mejores resultados en la activacion son el acido fosforico y el cloruro de zinc

En la activacion con productos quimicos la materia prima se lleva al tamano deseado luego se impregna con una soIucion acuosa concentrada del activante seleccionado el objetivo de fa impregnacion es lograr un contacto intimo entre las particulas de carbon y el activante asi si el tiempo de activacion es corto la calidad del carbon activado es menor

EI carbon impregnado se seca y se somete en ausencia de aire a temperaturas que varian entre 500 y 900degC El producto obtenido se trata con acido para eliminar las cenizas y los materiales solubles luego se lava con agua y se seca As los carbones activos producidos de esta forma se caracterizan por ser buenos decolorantes

Carbones activados con gases y vapores Consiste en la oxidacion selectiva de materia prima con gases 0 vapores a alta temperatura 0 con aire a baja temperatura Las principales sustancias utilizadas son vapor de agua y dioxido de carbono La oxidacion es endotermica (temperatura entre 800 y 1000degC) El producto de la oxidacion 0 activacion posteriormente se trata con acido y se lava EI proceso con gases oxidantes se puede llevar a cabo en lecho fijo 0 en lecho fluidizado para 10 cual la velocidad del flujo gaseoso debe ser tal que permita dichas condiciones

Carbones activados en forma mixta En algunas ocasiones se utiliza la combinacion de las dos tecnicas anteriores 0 sea que la materia prima impregnada con sustancias qui micas se somete a la accion de gases y vapores

De esta manera la activacion es una especie de gasificacion parcial del carbono fijo en el residuo carbonoso buscando desarrollar fundamentalmente la porosidad y el area superficial

Otro factor que influye en la obtencion del carbon activado es la granulometria El carbon activado en polvo es aquel cuyo tamano de grana es mas pequeno que el pasante de la malla 80 y el granular esta definido como aquel cuyo tamafio de particula es mayor que el pasante de la malla 80

Tipos de activantes La capacidad adsorbente de los carbones activos depende tambien de fa clase de agentes quimicos presentes en la activacion es asi como la activacion con gases

170

~ I 1 I

l

~

produce diferente actividad del carbon que la obtenida con agentes quimicos En general cada compuesto ejerce una influencia especifica sobre la superficie del carbon

Temperatura y tiempo de activacion Estas dos variables estan relacionadas entre SI y son las que controlan fundamentalmente el proceso de activacion Se ha encontrado que tiempo y temperatura de activacion se comportan inversamente

La calidad del carbon activado se ve afectada por estas dos variables de fonna tal que para altas temperaturas y tiempos grandes el poder adsorbente aumenta Este efecto no es ilimitado puesto que despues de un tiempo y temperatura de activacion el carbon activado puede perder su poder de adsorcion 0 al menos disminuirlo

Por 10 general en los procesos se toman como constantes los siguientes parametros La materia prima la concentracion de activantes quimicos y el tiempo de impregnacion

41022 Forma y caracteristicas

La fonna y caracteristica de los carbones activados varia notablemente dependiendo de la materia prima utilizada el proceso de produccion y del equipo industrial utilizado

En general los carbones activados son blandos negros y brillantes

De acuerdo a su forma ellos son granulados 0 pulverizados Los granulados son mecanicamente resistentes relativamente densos y muy activos se utilizan en Ia adsorcion industrial de gases y vapores especificamente en procesosde recuperacion de disolventes organicos vohltiles Los carbones activados pulverizados se usan de una fonna mas variada tienen aplicaciones que se orientan hacia los procesos de purificacion de diversos productos para adsorcion en fase liquida tales como decoloracion desodorizacion y eliminacion de sabores

En cuanto a las caracteristicas quimicas son neutros acidos 0 alcalinos

La caracteristica mas importante del carbon activado es la enonne area superficial de su estructura de poros internos 0 sea su relacion superficie volumen y su afinidad selectiva con determinados componentes de la mezcla liquida 0 gaseosa al contacto con elIos

171

T 41023 Adsorcion y sus caracteristicas en el carbon activado La adsorcion es un fenomeno fisico-quimico de retencion superficial de molE~culas yo atomos presentes en mezclas fluidas~ se logra poniendo en contacto un solido (carbon activado) con la mezcla fluida (liquido 0 gas)

La superficie correspondiente a un grana de adsorbente se llama superficie especifica Los adsorbedores activos es decir aquellos que tienen buena capacidad de adsorcion poseen superficies es~ecificas que varian dependiendo del tamaijp de la molecula a adsorber entre 200 m-gr (abundancia de macroporos) y 2000 mgr (abundancia de microporos)

La adsorcion en el carbon activado es selectiva siendo mayor con las sustancias pol ares que con las no polares Ademas es mal adsorbente de electrolitos inorgarucos con excepciones importantes en la recuperacion de oro mientras que adsorbe bien compuestos aromaticos y alifaticos insaturados

La adsorcion del carbon esta influenciada por la temperatura la naturaleza del solvente el pH y el tiempo de contacto

41024 Ensayos basicos que se Ie efectuan al carbon activo

Area especifica El valor comercial de un carbon activo depende tanto de su estructura porosa intema como de su area superficial 0 superficie especifica la cual esta directamente relacionada con la capacidad de adsorcion

Porosidad Se define como el volumen de los poros con respecto al volumen total de solido

Distribucion de tamafios de poros Se clasifica en los siguientes rangos Microporos (poros con diametro menor de 40A) macroporos (poros con diametro mayor de SOOOA) y mesoporos (poros de tamaiio intermedio entre los dos anteriores)

Ensayos industriales La calidad de un carbon activado se evalua mediante pruebas que indican la capacidad de adsorcion de sustancias quese encuentran en solucion 0

en medio gaseoso Estas son

indice de yodo Proporciona un buen indicativo de la habilidad de un carbon activado en la remocion de sabores y olores ya que la mole cuIa de yodo por su tamaiio se asenieja a las anteriores siendo por 10 tanto representativas de moleculas pequenas 0

sea que se tiene idea ~e la estructura de microporos del carbon activado

indice de azul de metileno Esta prueba tiene por objeto determinar la capacidad del carbon activado para adsorber moIeculas grandes las cuales son representativas de los colorantes tal como el azul de metileno Asi un carbon activo que decolore en alto grade una solucion patron de azul de metileno se considera buen adsorbente de sustancias coloreadas

172

I T

Numero de melaza Se usa para determinar la capacidad de un carbon activado para decolorar los licores resultantes en la industria azucarera y es un indicio de la estructura de macroporos del carbon activado

Otras caracteristicas Densidad aparente Se refiere a la masa de carbon activo por unidad de volumen incluyendo los poros

3Densidad relativa Signitica el peso en libraspie cuando el carbon se Ileva al volumen minimo

Los carbones con alta densidad relativa tienen grandes ventajas debido a que hay mayor cantidad de libras en menos espacio y por 10 tanto ocuparia menos espacio para su almacenamiento

Filtrabilidad Depende del tamano y Ia forma de las particulas de carbon Buena filtrabilidad significa que el liquido pasa nipidamente a traves de (a torta del tiltro de carbon

Que se obtiene un tiltrado claro nlpidamente

Tamaiio de particula Es una propiedad importante que puede influenciar las caracteristicas de flujo la adsorcion cinetica y el comportamiento catalitico

EI carbon activo puede ser en polvo cuando el tamano de particula es menor de malla 80 y granular si es mayor a dicha malla

PH EI carbon activado lleva consigo grupos inorganicos y quimicamente activos en su superficie 10 cual puede alterar el ph de las sustancias adsorbidas 0 de la solucion que pasa a traves del carbon

Contenido de cenizas La pureza del carbon activado es muy importante para evitar que materias minerales que contiene el carbon contaminen el producto al cua se desea eliminar otros tipos de contaminantes Por 10 tanto es importante saber el contenido de solubles en el carbon activado

ContenidO de humedad Dependiendo del uso que se vaya a dar al carbon es necesario tenerla en cuenta ya que el contenido de humedad puede ser critico cuando se usa en sistemas no acuosos pues en algunos casos se puede catalogar como impureza

Numero de abrasion En general hay dos especies de carb6n activado Carbon adsorbente de gas Se caracteriza por tener una estructura porosa muy tina tal que la mayor parte de su area intema esta conformada por poros con un diametro menor de 25 A

Carb6n decolorante 0 carbon de fase liquida Se caracteriza porque los poros de su area intema tienen un diametro mayor de 25 A

173

~

Los carbones adsorbentes de gases son malos decolorantes porque sus poros son demasiado pequenos para admitir por difusion los entes moleculares asociados con el color y los carbones decolorantes son malos adsorbentes de gas porque sus poros son demasiado largos para lograr una eficiente retencion de adsorcion de gases y vapores por condensacion capilar

La estructura porosa del carbon depende principalmente de la materia prima seleccionada y del control de las condiciones de activacion

Casi siempre la adsorcion sobre carbon activado es el resuItado de las llamadas fuerzas de dispersion 0 fuerzas de Van der Waals esta es una adsorcion fisica estas fuerzas exist en dentro de todas las moltculas 0 ~itomos esten 0 no en combinacion quimica Las mismas fuerzas son responsables de la condensacion 0 licuefaccion de vapores Las fuerzas de atraccion que ejerce el carbon activo sobre moleculas en su vecindad se pueden comparar con las fuerzas gravitacionales que ejerce la tierra sobre los cuerpos cercanos a ella Como regIa se puede decir que las moleculas con peso molecular alto son mas fuertemente atraidas por el carbon que los materiales de bajo peso molecular

Un gninulo de carbon activo situado en contacto con una mezcla de gases de diferentes pesos moleculares adsorbeni una gran proporcion de gases de mayor peso molecular Cuando un granulo de carbon activo se pone en contacto con una mezcla liquid a hay una tendencia similar a adsorber sustancias de peso molecular alto En sistemas liquidos casi siempre el carbon activado tiende a preferir no solo sustancias de peso molecular alto sino tambien sustancias no polares~ asi hay afinidad por adsorber moleculas org8nicas no polares de los solventes polares tales como el agua

La estructura del poro del carbon activado es extremadamente importante en la determinacion de su propiedad de adsorcion Si el poro es mas pequeno que la sustancia que se va a adsorber esta no entra 0 la capacidad de adsorcion hacia estas moleculas se ve ampliamente reducida 0 sea que entre mas cerca sea el tamano del poro al dicimetro de la molecula la atraccion 0 la capacidad de adsorcion sera mucho mayor

La presencia de otros elementos puede tener una influencia considerable sobre la propiedad adsorbente del carbon Uno particularmente importante es el oxigeno el cual puede existir combinado en forma quimica con los atomos en las superficies de las particulas este grupo oxigeno aparece para incrementar la adsorcion del carbon por los compuestos polares En algunas circunstancias la ceniza inorganica del carbon activado tambien puede ser importante en la determinacion de las propiedades adsorbentes

EI carbon activado usualmente se clasifica de acuerdo a su formamiddot fisica (pulverizado 0

granular) y de acuerdo a sus usos (grado de agua decolorantes de fase liquida 0 de fase gaseosa)

Para determinar las caracteristicas del carbon granular existen dos tipos de ensayo

174

~

oj

1 Cuantificar las caracteristicas de adsorci6n 2 Describir las propiedades fisicas

La manera usual de expresar la capacidad de adsorci6n de un absorbente es la adsorci6n isotermica Esta es la relaci6n a temperatura con stante entre la cantidad de sustancia adsorbida y su concentracion en los alrededores del fluido

EI carbon granular se usa en sistemas dimimicos donde no solo el equilibrio de las propiedades de adsorci6n del carbon es importante sino tambien la tasa de adsorci6n

EI potencial de adsorcion se mide como la energia libre de adsorcion liberada cuando una molecula es adsorbida en la superficie del adsorbente Este potencial esta en funcion de la estructura y de la masa molecular y generalmente cuando mas elevada es la masa molecular mas importante es el potencial En la elaboracion de carbon activo pulverizado se utiliza principalmente lignito y para hacer carbon activado granular 0 en pelets es mas adecuado usar carbones de mas alto rango Sinembargo en algunos casos se produce al mismo tiempo carbon activado pulverizado y granular (Wilson J 1981)

Los precios del carbon activo pulverizado es mas bajo que los del granular pero la diferencia de precio se compensa por la mayor eficiencia de regenracion y de uso del carbon activo granulado Sinembargo en el mercado el carbon pulverizado tiene una ligeramente mayor demanda que el granular y el resto 10 abastecen las formas peletizadas Wilson J 1981

41025 Usos El carbon activado es uno de los materiales mas utilizados en los procesos de adsorcion selectiva de gases y liquidos habilitando su aplicacion a nivel industrial pero ningun tipo de carbon puede utilizarse universalmente ni es eficaz para todos los fines

En Colombia se utiliza especial mente en

bull La industria de las gaseosas Se usa para purificar el liquido que la constituye (agua y jarabe de azUcar)

bull La industria del azUcar Se emplea para eIiminar olores colores y sustancias extraiias que resultan de la refinacion

bull Industrias de aceites y grasas comestibles Se utiliza para purificar aceites y grasas de tipo animal y vegetal

175

~

bull Industria de bebidas alcoh6Iicas Se usa para eliminar colores y olores no deseados en la elaboracion de cerveza~ sidra jugos de fiutas y vinos para mejorar su aroma y presentacion Tambien se usa para eliminar bacterias por adsorcion

bull Tratamiento de aguas industriales Se emplea en forma de polvo 0 granular en los fiItros para aguas turbias y para eliminar el exceso de cloro

bull Industria qUlmlca y farmaceutica Es empleado para remover sustancias contaminantes en vitaminas agua jabones glucosa antibi6ticos y otros

bull Seguridad industrial Se usa en mascaras protectoras contra gases toxicos y en fiItros industriales

bull Recuperaci6n de solventes Es eficiente y no present a riesgo de explosion

bull purificacion del aire Se utiliza en sistemas de aire acondicionado para la purificacion de ambientes internos y en aire comprimido utilizado para el procesamiento de alimentos

bull Industria de pinturas Se usa para purificar sus componentes liquidos

bull Otros usos En reactores nucleares para adsorcion de gases radiactivos para recuperacion de oro y plata y como catalizador 0 soporte catalitico En la eliminacion de impurezas en la fabricaci6n de gelatinas vinagre manteca de cacao zumo de frutas y en la fabricacion de filtros para cigarrillos

bull Produccion de acidos y esteres Se utiliza como purificador de estos productos quimicos

41026 Descripcion del proceso de la planta piloto de la Facultad de Minas El sistema consiste basicamente de dos reactores en lecho fluidizado conectados en serie y en los cuales se lleva a cabo las operaciones de pirolisis y activacion del carb6n y de una camara de combustion en la cual se genera una corriente de humos necesaria en la fluidizaci6n de los reactores

Considerando que ambas operaciones semiddot realizan a altas temperaturas (alrededor de 600 a 900degC) los fenomenos son endotennicos se debe disponer de un medio de suministro de energia a cada reactor en este caso es con energia eIectrica

EI carbon molido y clasificado seglin la granulometria determinada se carga en la tolva para alimentar el pirolizador por medio de un tornillo sin fin AlIi se lleva a cabo el proceso de pir6lisis 0 carbonizaci6n y luego las particulas de semicoque fluyen por rebose hacia el activador donde se someten a una gasificacion parcial (activaci6n propiamente dicha) El activador descarga en la tolva hermetica el producto incandescente

176

T

5 CARACTERiSTICAS QUiMICAS TECNOLOGICAS Y PETROGRAFICAS DE ALGUNOS CARBONES COLOMBIANOS

51 CARBONES DEL CERREJON ZONA NORTE

Los siguientes resultados corresponden a muestras de canal de 5 mantos de carbon -i por 10 tanto se deben tomar solamente como indicativos parciales de la calidad de los

carhones de Ia zona en mencion (Blandon A 1995)

511 AOJilisis proximos

La humedad residual en general es baja (menor de 50) como se aprecia en lossiguientes resultados

Humedad (33 - 44) Rango Porcentaje lt 40 400 gt40 600

Las cenizas intIinsecas en el 800 de las muestras son inferiores al 50010 10 cual permite que cuando el manto se extrae sin contaminantes del techo y piso este se pueda utilizar directamente sin necesidad de lavarse mediante cualquier tecnologia convencionaI

Cenizas (23 - 65) Rango Porcentajelt 30 400 30 - 50 400 gt 50 200

Las materias volatiles indican la alta reactividad de estos carbones e igualmente confirman el rango como se puede apreciar a continuacion

Materia volatil (375 - 388) Rango Porcentaje lt 380 400 gt 380 600

Con respeeto al azufre el 6000 de las muestras presentan valores inferiores al 1000 10 eua) hace que sean poco eontaminantes del medio ambiente En euanto a los que tienen mas del 1000 es necesario tener cuidado de utilizar sistemas adecuados de limpieza de los gases de combusti6n para que estos no contaminen el ambiente

Azufre (045 - 205) Rango Porcentaje lt 05 200 05 - 10 400 gt 10 400

512 Analisis elemental

Con respeeto a contenido de carbona el 60 de los earbones tiene porcentajes menores al 75 10 cual verifica el bajo rango de los carbones y por ende su alta reaetividad

Carbono (7129 - 7568) Rango Porcentaje lt 750 600 gt 750 400

EI contenido de hidr6geno en general es mayor de 50 y varia entre 513 - 547

Nitrogeno (126 - 187) Rango Porcentaje lt 15 600 gt 15 400

En el 600 de las muestras el contenido de nitr6geno es inferior a 15 esto haee que estos carbones posiblemente no formen 6xidos nitrosos contaminantes del medio ambiente

Oxigeno (1344 - 1557) Rango Porcentaje lt 150 600 gt 150 400

Con respecto a1 oxigeno este esta en un rango adecuado para que se presente una buena combustion

178

513 Analisis petrograficos

En el 800 de las muestras el contenido de vitrinita es Superior al 800 10 cual indica que estos carbones son esencialmente vitriniticos como se aprecia acontinuacion

Vitrinita (671 - 858) Rango Porcentaje lt 700 200 700 - 800 00 gt 800 800

EI 600 de las muestras presenta contenidos de Iiptinitas inferiores al 100 0 sea que son relativamente pobres en este grupo maceral

Liptinita (85 - 190)

Rango Porcentaje lt 100 600 100 - 150 200 gt 150 200

Con respecto al porcentaje de inertinitas en el 600 de las muestras es inferior al 100 indicando esto que tambien son relativamente pobres en este grupo maceral

Inertinita (41 - 139)

RangoPorcentaje lt 50 200 50 - 100 400 gt1~0 2~0

EI poder reflector de la vitrinita (PRV) indica que las muestras analizadas corresponden a carbones sub-bituminosos A

Poder reflector de la vitrinita (051 - 060) Rango Porcentaje lt 055 600 gt 055 400

De acuerdo a las caracteristicas petrognificas los carbones del Cerrejon Norte son diferentes a los de las otras zonas del pais

En conclusion teniendo en cuenta los anaJisis proximos elementales y petrognificos se puede decir que los carbones del Cerrejon Norte se pueden emplear directamente sin un lavado previo y sin riesgos mayores de contaminacion ambiental en calderas ya sea de carbon pulverizado que son las mas exigentes 0 bajo otros procesos de

179

T combustion como lecho fluidizado mezc1as agua carbon tambien serian adecuados para efectuar carbon activado briquetas 0 para someterlo a gasificacion licuefaccion debido a su alta reactividad

Debido al bajo contenido de cenizas intrinsecas en algunos mantos estos de podrian utilizar como carbones ultralimpios en algunos usos especiales Como de hecho ya 10 hacen en algunos paises desarrollados

Bajo ciertas circunstancias se podrian utilizar en la reduccion directa de rninerales de hierro yen la elaboracion de coque formado y sustituir parte del carbon coquizable en Ia inyeccion de carbon pulverizado en eI alto homo

52 CARBONES DEL PROYECTO OREGANAL CERREJON ZONA CENTRO

Teniendo en cuenta 42 muestras de nuc1eos de perforacion correspondientes a los principales mantos de carbon de la zona se llega a las siguientes conclusiones en cuanto a la calidad de dichos carbones Esta se puede resumir como sigue

521 Anruisis proximos

En general el 857 de las muestras tienen humedad residual por debajo del 1000 como se puede observar de los siguientes intervaIos

Humedad (291 1312) Rango Porcentajelt 50 35750 - 100 500gt100 143

Las cenizas en el 6900 de las muestras estin p~r debajo del 50 10 cual indica que estos carbones de por sl son muy limpios y por 10 tanto no necesitarian lavarse si se explotan adecuadamente garantizando de otro lado ahorro de dinero en los sistemas de pulverizacion limpieza transporte y en el uso final del carbon


EI contenido de materia volatil esta entre 300 y 400 10 cual indica el bajo rango dedichos carbones

180

~-T Materia vohitiJ (3144 - 3940) Rango Porcentaje300 - 350 33) 350 - 400 666

Mas del 75000 de las muestras presentan contenidos de azufre total por debajo del 10 10 cual indica que dichos carbones se podrian utilizar sin mayores problemas ambientaIes en cualquier proceso de transformaci6n

Azufre (034 - 240) Rango

Porcentajelt 05 214F 05 - 10 548gt 10 238

EI poder calorifico en el 900 de las muestras varia entre 5077 y 7538 calfgr 10 cual indica que estos carbones son adecuados para utilizacion en la generacion de energia

Poder calorifico (5077 - 7538 calgr) Rango Porcentaje lt 5556 24 5556 - 6111 119 6111 - 6667 380 1 6667 - 7222 4005 gt 7222 71

522 Composicion quimica de las cenizas

Con respecto a la composici6n quimica de las cenizas se tiene 10 siguiente

Si02 AI203 Fe203 CaORafgoj NazORan~oj RanKoj lt40 166 RanKoj RaJgoj lt5 71 lt5 204 5-10 476 0540-50 143333 5-10 24 5-10 269 5-1050-60 476 05-10 233238 10-20 643 10-20 619 10-20 4860-70 214 10middot20 262gt20 262 gt20 95 gt20gt70 48 48 gt20 357

Rango de Rango de Rango de Rango de variacion Rango de varia cion variacion variacion173 - 859 17-270 variacion36 - 2504 20 - 286 02 - 58

181

EI 762 de las cenizas del carbon se clasifican como bituminosas y el 238 comoIigniticas

Los factares de depasitacion y encastramienta son Jos siguientes

Depositacion Encostramiento

Muyalta 143 AltoAlta 24286 MediaMedia 190238 Bajo 786Baja 333

En conclusion la mayona de estos carbones no presentaran problemas de encostramienta pero en cuanto a Ia depositaci6n si 10 cual los haria un tanto peligrosos en especial por su alto contenido de Na20 el cual podna diluirse mezclanda los carbones con alto cantenido con los de bajos porcentajes

En comparacion con las cenizas de los carbones de la Jagua SOn mas pobres en Si0 Ah03 Ymas ricas en CaD y Na2D 10 que las hace que tengan puntos de fusion mas2bajos y mayores posibilidades de depositacion y encostramiento por 10 cual se debena tener especial cuidado con el mantenimiento de las calderas en donde se utilicen estoscarbones

523 Otros analisis

El indice de molienda Hardgrove indica que dichos carbones no son blandos pero tampoco demasiado duros quedando en un rango intennedio de dureza que pennite pulverizarlos adecuadamente si es necesario sin mayor desgaste de los molinos

Indice de molieoda Hardgrove (47 - 64) Raogo Porceotaje 45-50 71 50 - 55 833 55-60 71 gt 60 24

524 Caracteristicas petrograficas

Los mantos se caracterizan por ser en su mayoria ahos en vitrinita e inertinita ya que el 7000( de las muestras tienen mas del 70000 de vitrinita y mas del 100 de inertinita como se puede apreciar en los siguientes resultados (Blandon A 1996)

182

Vitrinita (520 - 91100) Rango Porcentaje 500 - 600 40 600 - 700 270

~ 700 - 800 470 800 - 900 210 900 10

Inertinita (22 - 24200) Rango Porcentaje lt50 50 50 - 100 180

to 100 - 150 350 150 - 200 340 200 - 250 80

Liptinita (23 - 19800) Rango Porcentaje lt 50 270 50 - 100 400 100 - 150 270 150 - 200 60

Mas 0 menos el 330 de las muestras tienen mas del 100 de liptinitas y un poco menos del 300 presentan porcentajes inferiores al 50

De otro lado son relativamente limpios pues mas del 750 tienen menos del 50 de mineral y solo el 70 tienen mas del 100 Unicamente existen dos muestras con un porcentaje de minerales mayor del 200 y este corresponde al manto 800 pero es necesario saber que dentro de este valor existe un porcentaje de materia organica representada por macerales liptiniticos que estan mezclados con los minerales

Minerales (02 - 36000) Rango Porcentaje lt50 820 50 - 100 120 100 - 150 30 150 - 200 10 gt200 20

En general los carbones de la zona son de bajo rango lignitos Sub-bituminosos B y A a Bituminosos altos en volatiles C como 10 demuestra los resultados de PRY

183

Poder reflector de la vitrinita (PRV 034 _073) Rango Porcentaje 034 - 040 30 Lignitos

040 - 060 870 Sub-bituminosos B y A

gt 060 100 Bituminosos altos en volatiles C

En conclusion los mantos de carbon son pobres en ceniza y azufre y present an el podercalorifico variable pero en mas del 80 es relativamente alto

Teniendo en CUenta que en algunos casos se pueden presentar problemas de depositacion y encostramiento estos carbones Son aptos para la generacion de energia

Debido a su bajo rango en general se pueden emplear en casi todos los procesos de transfonnacion excepto para la fabricacion directa de coque pero posiblemente si se podrian utilizar parcialmente en mezclas inyeccion de carbon pulverizado y en laelaboracion de coque fonnado

53 CARBONES DE LA JAGUA

Los amiJisis corresponden a 1 I muestras representativas de iguaJ numero de mantos dela zona en mencion

531 Analisis pr6ximos

La humedad total en general esta por debajo del 80 como se puede apreciar a continuacion

Humedad (542 -794) Rango Porcentaje 54 - 60 182 60 - 65 91 65 - 70 182 70 - 75 273 gt 75 273

Mas del 700 de las muestras tienen por debajo del 50 de cenizas inltinsecas 10 cual hace que estos carbones no necesiten lavarse y presentan muy buen comportamiento durante la combustion aI iguaJ que se ahorraria dinero en los sistemas de Iimpieza en el transporte y en la molienda ademas se disminuirian losefectos ambientales

184

Cenizas (195 - 871) Rango Porcentaje 195 - 30 182 30 - 50 545 50 - 70 91 gt 70 182

Las materias vohitiles indican una alta reactividad de los carbones e igualmente el rango 10 cual los haria utiles en muchos de los procesos de transfonnacion del carbon

Materia vohitil (3445 - 3893) Rango Porcentaje 340 - 350 91 350 - 360 91 360 - 370 541 gt3~0 2~3

Mas de1800 de las muestras presentan contenidos de azufre por debajo del 10 10 cual hace que estos carbones no contaminen el ambiente cuando se utilicen en los diferentes procesos de transfonnacion

Azufre total (04 - 162) Rango Porcentaje 04 - 06 364 06 - 08 273 08 - 10 182 gt 10 182

En general los carbones presentan un poder calorifico alto debido a que el contenido de humedad y cenizas son bajos 10 cual los hace aptos para combustion y mezclas agua-carbon

Poder calorifico (6667 - 6944 catg) Rango Porcentaje 6667 - 6944 273 6944 - 7222 636 gt 7222 91

532 Analisis elemeotales

El contenido de carbo no esta por debajo del 7642 10 cual corrobora el rango de los carbones

185

Zglyenl~~~-

Carbono (6545 - 7642) Rango Porcentaje 650 - 700 182 700 - 750 454 gt 750 364

En general estos carbones son ricos en hidrogeno ya que mas del 60 esta por encimadel 55

Hidrogeno (50 - 60)

Rango Porcentaje 50 - 55 364

~ 55 - 60 636

En cuanto al nitrogeno mas del 600 esta por debajo del 15 esto favoreee su utilizacion ya que dichos carbones tendrian menores posibilidades de generar gases venenosos contaminantes del medio ambiente

Nitrogeno (128 - 159)

Rango Porcentaje 10 - 15 636 gt 15 364


En cuanto ala composicion de las cenizas se puede decir que son ricas en Sio 0 sea que esto ayuda a que las temperaturas de fusion sean altas 0 sea que se pueden utilizar en calderas de carbon pulverizado de fonda seeo sin ningtin problema ya que nopresentaria encostramiento

Si02bull (5021 - 8239)

Rango Porcentaje 500 - 600 400 600 - 700 300 700 - 800 200 gt 800 100

19ualmente el contenido de A120 3 se considera alto y por 10 tanto tambien ayuda a que los puntos de fusion de las cenizas sean altos favoreciendo igua1mente su utilizacion en calderas de carbon pulverizado de fondo seco

186

Ah03 (884 - 3354) Rango Porcentaje 80 - 120 100 120 - 200 300 200 - 300 500 gt 300 100

En el 900 de las muestras el Fe203 esta por debajo del 100 10 cual favorece la alta temperatura de fusion de estas cenizas

Fe203 (289 - 2028) Rango Porcentaje 289 - 50 300 50 - 100 600 100 - 200 00 gt 200 100

En el 700 de las muestras los porcentajes de CaO son inferiores al 3 asi se favorece mucho el alto punto de fusion de las cenizas

CaO (175 - 437) Rango Porcentaje 175 - 20 200 20 - 30 500 30 - 40 200 gt40 100

EI 900 de las muestras tiene contenidos de Na20 por debajo del 10 10 cual garantiza que las cenizas de estos carbones no sean corrosivas ni que presenten depositacion en las calderas cuando se utilizan en combustion

Na20 (025 - 117) Rango Porcentaje 025 - 05 700 05 - 075 200 075 - 10 00 gt 10 100

La temperatura de fusion de las cenizas es homogenea y en ning(tn caso supero los 1467degC En el anaIisis quimico de cenizas se comprobo que los indices de depositacion y encostramiento inferiores a 02 habilitan a los carbones de la Jagua como muy aptos para la combustion en calderas de generacion de energia

187

~

El indice de molienda Hardgrove esta indicando que en su gran mayoria estos carbones son relativamente duros y por 10 tanto se deben usar molinos de mtlior caUdad ya que el desgaste puede ser mayor

534 Otros anaJisis

indice de molienda Hardgrove (43 _ 49) Rango Porcentaje 430 - 460 727 460 - 490 273

El indice de hinchamiento para mas del 90 de las muestras es inferior a 25 10 cual indica que estos carbones por si solos no sirven para hacer coque pero si se pueden emplear en mezclas con carbones de mejor calidad para este fin 0 inyectarse de fonna pulverizada 0 emplearse en la elaboracion de coque fonnado

indice de hinchamiento (15 _35) Rango Porcentaje 15 - 20 545 20 - 25 364 25 - 30 00 gt 30 91


En cuanto al porcentaje por grupo de macerales se puede decir 10 siguiente (Blandon A 1996)

Los carbones son esencialmente vitriniticos ya que en la mayoria de ellos el porcentaje demiddot vitrinita es superior al 65 excepto una muestra la cual presenta una menor proporcion de dicho maceral

Vitrinita (5108 - 7867) Rango Porcentaje500 - 600 90 600 - 700 273 700 - 750 364 gt 750 273

Con respecto a las liptinitas estas se encuentran en cantidades inferiores al 10 solo en dos muestras eI porcentaje es mayor

188

Liptinitas (301 - 1952) Rango Porcentaje lt 50 180 50 - 100 636 100 - 150 90 gt 150 90

En mas del 63 de las muestras el contenido de inertinita supera el 1500 y en general esta por encima del 10

Inertinitas (1027 - 2395) Rango Porcentaje 100 - 150 364 150 - 200 364 200 - 250 273 En el 73 de las muestras el porcentaje de minerales es menor del 5 al igual que el de materia orgaruca revuelto con materia mineral solo en tres muestras tienen porcentajes mayo res

Minerales (04 - 745) Rango Porcentaje lt LO 182 10 - 50 545 gt 50 273

De acuerdo a la c1asificacion americana y teniendo en cuenta la reflectancia de la vitrinita estos carbones se c1asificarian como sub-bituminosos A

Poder reflector de la vitrinita (053 - 061) Rango Porcentaje 053 - 055 182 055 - 060 545 gt 060 263

En conclusion los mantos de carbon se pueden considerar pobres en cenizas y azufre con altos poderes calorificos e indices de molienda Hardgrove nonnales

Los carbones son aptos para combustion en la produccion de energia electrica

En cuanto a los contenidos de cenizas y azufre son aptos para gasificacion y al mismo tiempo mover turbinas y generar calor para producir vapor de agua que mueven otras turbinas

189

54 CARBONES DEL MEDIO MAGDALENA

Los siguientes resultados corresponden a 14 muestras de igual numero de mantos de los denominados carbones de San Luis (Blandon A y Giraldo B 1989)

541 Analisis proximo

Humedad (06 - 23) Rango lt10 10 shy15 15 - 20 gt 20

Porcentaje 71 643 214 71

EI general mas del 9000 de las muestras presentan valores de humedad residual menor del 20 10 cual beneficia el manejo del carbon y ahorro de dinero en los sistemas de Iimpieza y pulverizacion

Cenizas (17 - 277) Rango

Porcentajelt50 71

50 - 100 357

100 - 200 357gt20

214

EI contenido de cenizas solo en el 4300 de las muestras es menor del 100 10 cual indica que estos carbones en algunos casos se hace necesario lavarlos si se utilizan Con tecnologias convencionales de transfonnacion

Materia volatil (261 -457)

Rango Porcentaje250 - 300 71 300 - 350 500 350 - 400 214 400 - 450 214

En mas del 780 de las muestras el porcentaje de materia vohitil esta por debajo del 40010 cual evidencia el rango de los carbones y su reactividad frente a procesos de transfonnacion tales como la gasificacion y licuefaccion

190

Azufre (038 - 4]2fYo) Rango lt05 Porcentaje

7105 - 10 42810 - 20 28620 - 30 143gt 30 71

Solamente el 500 de las muestras tiene porcentajes de azufre por debajo del 100 indicando esto que es necesario lavar los carbones si se van a usar para generar energia mediante Sistemas tecnol6gicos convencionales 0 en mezclas para elaborar Coque

Poder caJorifico (5907 - 8006 Callgr) Rango Porcentaje lt 6000 71 6000 - 7000 286 7000 - 8000 57 I gt 8000 71

EI poder calorifico a pesar de que los carbones tienen porcentlijes de ceniza altos en el640 de las muestras es superior a 7000 ca1Jgr

542 Otros anaJisis

indice de hinchamiento (10 _90)

Rango Porcentaje lt 45 286 45 - 60 357 60 - 75 286 gt75 71

EI Indice de hinchamiento me indica que el 640 de las muestras tienen valores inferiores a 60 10 cual significa que dichos carbones se pueden utilizar en mezclas para hacer coque inyecci6n de carbOn pulverizado en alto homo 0 en la elaboraci6n de coque fannada


Vitrinita (407 - 847) Rango

Porcentaje400 - 500 214

500 - 600 71

600 - 700 286

700 - 800 357lt 800 71

191

Mas del 70000 de las muestras presentan contenidos de vitrinitas superiores al 60000 el resto corresponde a carbones sapropelicos a parcial mente sapropelicos

Liptinitas (57 - 45900) Rango Porcentaje 50 - 100 71 100 - 200 429 200 - 300 214 300 - 400 14) gt40 143

Mas del 90000 de las muestras tienen porcentajes superiores al 100 pero en general se puede decir que el 300 de las muestras son muy ricos en liptinitas indicando que estos carbones son sapropelicos

Inertinita (49 - 20300) Rango Porcentaje 49 - 100 357 100 - 150 500 150 - 200 71 gt 20 71

Mas 0 menos eI650 de las muestras son ricas en inertinitas

De acuerdo a la composici6n maceral estos carbones son ricos en liptinitas 10 que hace que sean muy duros y por 10 tanto dificiles de pulverizar Ademas debido a su alto porcentaje de vitrinitas y liptinitas dichos carbones son muy reactivos y se considera que se podrian utilizar para extraer hidrocarburos liquidos ya que se ha demostrado que naturalmente dichos carbones serian las rocas fuentes de gran parte del petr61eo explotado en la cuenca del Medio Magdalena 19ualmente dichos carbones se podrian utilizar en la elaboraci6n de coque

55 CARBONES DE CHECUA-LENGUAZAQUE

Los siguientes resultados correspond en a 83 muestras de la zona en mencion (INGEOMINAS 1983)


Los carbones estudiados presentan valores de humedad relativamente bajos asi por ejemplo

Humedad (03 -23) Rango Porcentaje lt 10 723 10 - 20 265 gt 20 12

192

Estos valores de humedad permiten prever que los carbones no presenten problemas de manejo y presentarian un efecto favorable sobre la cohesion del coque por 10 tanto serian ventajosos en el proceso de coquizacion

Los contenidos de cenizas varian en la siguiente forma

Cenizas (35 - 26100) Rango Porcentaje lt 50 205 50 - 100 494 100 - 150 193 150 - 200 72 gt 200 36

Como se puede observar de los resultados mas del 700 de los carbones tienen cernzas por debajo del 100 10 cual es muy favorable para la utilizacion de dichos carbones en los procesos de coquizacion

La materia volatil para los carbones varia en los siguientes rangos

Materia vobitil (15~4 - 37700) Rango Porcentaje 150 - 250 458 250 - 350 458 gt 350 84

Esto indica que mas del 900 de los carbones se encuentran en el rango de carbones coquizantes En cuanto al poder calorifico libre de agua y ceniza el 831 de las muestras tienen por encima de 8500 caIg Mientras que solo el 169 esta entre 8000 y 8500


Los carbones estudiados tienen alto contenido de carbono este varia asi


Dichos resultados confirman las caracteristicas coquizantes de mas del 90 de los carbones

193

Con respecto al contenido de hidrogeno se tiene 10 siguiente

Hidrogeno (437 - 62400) Rango Porcentaje 44 - 50 265 50 - 55 398 gt 55 337

En general se puede decir que los carbones son ricos en hidr6geno ya que mas del 700 esta por encima del 50

EI 83100 de los carbones tienen porcentajes de nitrogeno entre 16 y 20 Y s610 el 169 esta por debajo del 20

S610 un 260 de las muestras presentan niveles relativamente altos en azufre (mayor del 1000) 10 cual es muy favorable en la utilizacion final del carbon

Azufre (044 - 23800) Rango Porcentaje lt05 193 05 - 10 542 10 - 20 205 gt 20 6


En las cenizas de los carbones de la zona se encuentran principalmente compuestos de silicio aluminio hierro y calcio y menores cantidades de magnesio sodio potasio y titanio La cantidad presente de estos varia en rangos amplios y no sigue un patron regular concluyendose la heterogeneidad del aporte mineral en el deposito dependiendo de la localizacion del manto muestreado en cada caso

Los contenidos de elementos mayores (expresados como 6xidos) para la zona son

SiO Ah03 Fe203 CaO Na20 Rango I 0 Rango I Rango I Rango I Rango I degAl0

lt50 12 lt20 12 0-5 783 0-1 843 0-1 952

50-60 217 20-25 289 5-10 120 1-3 120 1-2 48 60-70 650 25-30 578 10-20 84 3-5 12

gt70 - 120 gt30 120 gt20 12 gt5 24 I

Rango de Rango de Rango de Rango de Rango de i

variacion varia cion variacion variacion variacion i

428 - 835 121 - 349 07 ~1-~ 02 - 60 01-14

De las 83 muestras analizadas 75 se clasifican como cenizas bituminosas y las 8 restantes como ligniticas

194

MJlfyenEtf~V U ~7

En cuanto a los factores de encostramiento y depositacion se encuentra que para todas las muestras de cenizas de tipo bituminosas estos factores son bajos a excepcion de una muestra En las cenizas ligniticas dichos factores son tambien bajos exceptuando dos muestras que tienen factor de encostramiento medio Por 10 anterior los carbones de la zona no presentaran problemas de formacion masiva de escoria ni depositos destructivos cuando se sometan a procesos de combustion Aunque preferiblemente dichos carbones deberian emplearse en la elaboracion de coque ya que las reseIVas de carbones tennicos son mucho mas abundantes y tienen menorprecio

Entre los parametros calculados para propositos de caracterizar las propiedades de fusibiJidad y viscosidad de Ia escoria se tienen

El contenido de bases varia entre 138 y 3118 Yla relacion baseacido entre 001 y 049 Esta ultima con mayor frecuencia de valores entre 001 y 006 estos son valoresb~os que permiten predecir temperaturas de fusion altas La relacion silicioaluminio varia entre 166 y 69 en las muestras en que esta relacion es mayor que 3 indica que se presenta silice libre y por 10 tanto se produciria abrasion de las tuberias par dondepase el carb6n

Respecto a los ensayos de fusibilidad se encuentra que las temperaturas de fusion de las cenizas Son altas Asi la temperatura de defonnaci6n inicial tiene mayor frecuencia entre 1450 y 1500middotC concluyendose que las cenizas de los carbones no presentanin problemas de acurnulaci6n de escoria parcialmente fundida y pueden emplearse en unsistema de remocion de cenizas s6lidas

Los bajos Contenidos de S03 P20S Y rucaIis en las cenizas de carbones anaIizados hacen posible la utilizacion de estas en homos de cemento

554 Otros anaIisis

indice de hinchamiento

Mas del 950 de los carbones presentan indices de hinChamiento por encima de 50 10 cual indica que dichos carbones son adecuados para hacer coque los porcent~es engeneral varian de la siguiente fonna

Rango Porcentajegt 6 819

60 - 50 133lt 50 48

Mas del 540 de las muestras presentan dilataciones mayores del 100 10 cual permite supaner que podrian fonnar coque de resistencia aceptable Y esto se da principaImente en los carbones medios en volatiles

195

En conclusion la mayoria de los carbones estudiados se clasifican como buenos coquizantes ya que estan en el grado de carbonificaci6n apropiado (Bituminosos altos en volatiles A - 15700 bituminosos medios en volatiles - 43~40o y bituminosos bajos en volatiles - 409) tienen bajos contenidos de humedad cenizas y azufre y en general los que present an relativamente alto porcentaje de materia mineral poseen buenas caracteristicas de lavabilidad Las propiedades plasticas de estos carbones en especial la dilatometria pennite predecir buenas calidades de coques para algunos y posibilidad de mezclas para otros Ademas~ los contenidos de S03 y P20S en las cenizas indican que los coques obtenidos cumplirian con los requisitos en cuanto a estos factores Ademas de obtener coque de buena calidad se puede recuperarlos siguientes subproductos resultantes del proceso de coquizacion los cuales podrian tener gran aplicacion industrial como 10 que se describe en el aparte de subproductos del carbon

EI hecho de que en estos momentos la obtencion de subproductos a partir del carbon no sea rentable en el pais porque tambien la mayo ria de ellos se puede obtener a partir del petroleo no indica que en el futuro inmediato esta industria tenga que desarrollarse como ya se ha hecho en algunos paises desarrollados

Una de las caracteristicas de los carbones analizados que puede ser desventajosa es su alto indice de molienda Hardgrove este implica gran facilidad para Ia produccion de fin~s 10 cual es inconveniente en varlas operaciones tales como manejo transporte almacenamiento etc pero puede causar a la vez un ahorro de energia consumida en los molinos en el caso de requerirse carbon pulverizado en el proceso industrial

555 Anruisis petrografico

En cuanto a la composici6n maceral correspondiente a 24 muestras se destaca 10 siguiente (Blandon A 1994)

EI contenido de vitrinita varia entre 620 y 810 siendo en mas del 900 de las muestras inferior al 800

Rango Porcentaje 62 -70 417 70 - 80 500 gt80 83

EI contenido de Iiptinitas esta entre 20 y 120 pero en el 830 de las muestras es inferior al 100 ademas hay que destacar que en su gran mayoria dichas liptinitas corresponden a exsudatinitas de color naranja que estan rellenando las celulas lumen de inertinitas y en otros casos se encuentra intimamente mezclada con la materia mineral por 10 cual se hace dificil cuantificarla exactamente

196

Rango Porcentaje 2-5 375 5 - 10 45800 gt10 167

EI porcentaje de inertinitas varia entre 70 y 280 sin embargo mas del 87000 de las muestras presentan contenidos superiores al 100 pero dichas inertinitas en la mayoria de Jos casos presentan sus celulas lumen rellenas de material fluorescente que corresponde a exsudados~ por 10 tanto cuando se hace el conteo maceral es necesario primero mirar las muestras en luz fluorescente para cuantificar exactamente estos componentes

Rango Porcentaje 7 - 10 125 10 - 20 708 gt20 167

EI poder reflector de la vitrinita varia entre 082 y LOO confirmando el rango intennedio de estos carbones y su caracter coquizante

De otro lado hay que destacar que en otras zonas de Cundinamarca se encuentran carbones de mas bajo rango en donde sus propiedades varian mucho de un lugar a otro Y en otros casos se observan carbones oxidados en donde se han perdido todas las propiedades plasticas caracteristicas de muchos carbones de la zona en mencion

56 CARBONES DE AMAGA Y PUERTO LmERTADOR

Los resultados que se mencionan a continmicion corresponden a 50 muestras de las cuales 44 son del sector de Amaga (Antioquia) y 6 de Puerto Libertador (Cordoba) Blandon A y Rey 1 1998

561 Analisis proximos

En los carbones del area de Amaga el contenido de humedad es mas bien bajo y varia entre 104 y 1136 De todas formas podria decirse que se distinguen dos grupos de carbones Bajos en humedad (104 - 470) Y altos en humedad (567 - 1136) aunque en general mas del 840 de las muestras tienen humedades residuales menores all00 y solo eI160 presentan humedades mayores all00

Humedad Rango Porcentaje 10 - 50 386 50 - 100 455 gt 10 159

197

Las cenizas son variables (186 - 109000) en base como se recibiO Los carbones con altos contenidos de cenizas estm relacionados con la presencia de calcita yo pirita y tal vez silicatos De todas maneras las cenizas en general Son bajas ya que mas del 93000 presentan cantidades inferiores al 100

bull

Cenizas Rango Porcentaje 10 - 50 614 50 - 100 318 gt 100 68

La materia volatil varia entre 848 y 5061 (en base como se analizo) indicando la presencia de diferentes rangos del carbon

Materia volatil Rango Porcentaje 85 - 20 23 200 - 300 45 300 - 400 250 400 - 500 682

EI poder calorifico de los carbones estudiados esta entre 4812 Y 8041 callgr en base como se analizo es decir que el poder calorifico es relativamente bueno pues mas 0

menos el 800 de las muestras presentan poder calorifico entre 6000 y 8000 calorias por gramo

Poder calorifico Rango Porcentaje lt 5500 24 5500 - 6000 122 6000 - 6500 415 6500 - 7000 220 7000 - 7500 170 7500 - 8000 24 gt 8000 24

Los Carbones de Amaga muestran una variacion en el contenido de azufre (031 shy362) sin embargo el 760 de las muestras de carbon presentan cantidades de azufre menores del 1

Azufre Rango Porcentaje 03 - 05 395 05 - 10 368 10 - 20 132 20 - 30 79 gt 30 26

198


Teniendo en cuenta los resultados del amilisis maceral de los carbones de Amaga se puede decir que estos son vitriniticos predominando en ellos la collodetrinita ya que la mayoria de las muestras tienen porcentajes de vitrinita entre 700 y 850 en segundo lugar aparecen las liptinitas con contenidos que varian entre 100 Y 200 y en general la inertinitas se presentan s610 en cantidades inferiores al 50 EI contenido de materia mineral va desde 10 a 150 aunque el 840 de los carbones analizados tienen contenidos menores de 80

Vitrinita (4559 - 990) Rango 450 - 500 500 - 600 600 - 700 700 - 800 800 - 900 gt 900

Liptinita (10 - 407) Rango 10 - 50 50 - 100 100 - 200 200 - 300 gt 300

Inertinita (018 - 64) Rango 018 - 10 10 - 20 20 - 310 30 - 40 40 - 50 gt 50

Minerales (028 - 1697) Rango 028 - 10 10 - 50 50 - 100 100 - 150 gt 150

Porcentaje 91 23 45 227 477 136

Porcentaje 49 220 585 122 24

Porcentaje 93 209 233 140 209 116

Porcentaje 70 674 116 70 70

Con respecto al anaIisis del poder reflector de la vitrinita se pudo determinar que mas o menos el 750 de las muestras se clasifican como carbones de bajo rango (Rm

199

menor de 06) el 18 a carbones de rango intermedio (Rm entre 06 y 10) Y el 70 restantes corresponde a carbones de mayor rango

Poder reflector de fa vitrinita (038 - 389) Rango Porcentaje 038 - 05 318 05 - 10 614 10 - 20 45 gt20 23

En cuanto a los contenidos de macerales para los carbones de Puerto Libertador se ve que estos conservan mas 0 menos las mismas proporciones que los carbones de Amaga ya que los contenidos de vitrinita tambien son mayores del 70000 el porcentaje de liptinitas es superior al 100 Y las inertinitas estan por debajo del 5000

El poder reflector de la vitrinita en todas las muestras es inferior al 05 Las muestras estudiadas en la zona de Amaga se clasifican en seis gropos

a Lignitos (Rm = 038 - 039) b Sub-bituminosos (Rm = 040 - 049) c Bituminosos altos en volatiles (Rm = 049 - 11) d Bituminosos medios en volatiles (Rrn = 11 - 15) e Bituminosos bajos en volatiles (Rm = 15 - 19)~ f Antracitas (Rm =28 - 389)

Los carbones de Puerto Libertador se agropan en dos

a Lignitos (Rm = 036) b Sub-bituminosos (Rm = 044 - 045)

La humedad en los carbones de Puerto Libertador es relativamente alta pero no es muy variable (1210 - 1620)

De otro lado el porcentaje de cenizas esta por encima del 50010 en la mayoria de las muestras

EI porcentaje de azufre se encuentra en estos carbones en proporciones variables desde 052 hasta 170 sin embargo la cantidad de azufre en mas del 600 de las muestras es inferior al 1

El poder calorifico es menor de 6000 calgramo para el 100 de las muestras

De acuerdo a los resultados obtenidos en la caracterizacion podemos afirmar que mas del 80 de los carbones analizados correspondientes a la zona de Amagapresentan buenas caracteristicas para ser utilizados como materia prima en la generacion de

200

_____________ --1l ~i~1~~~~~~~ ----_

J

energia termica y en procesos tales como para hacer cemento briquetas transformarlo en carbon activo 0 utilizarlo en la generacion de gas e hidrocarburos liquidos etc Ademas debido a su relativamente bajo contenido de cenizas y azufre no contaminan el ambiente pero sin embargo de acuerdo a los resultados de amilisis quimico y fusibilidad de cenizas Diaz J F y Garcia L 1998 es necesario tener cuidado porque en muchos casos se presenta depositacion y encostramiento de las cenizas

EI mas bajo rango de los carbones de Puerto Libertador y el mayor contenido de humedad y cenizas hacen que dichos carbones sean de menor calidad en cuanto a generacion de calor se refiere pero con respecto a los demas usos anteriormente descritos se podrian emplear casi de igual manera que los de Amaga pero con un mayor efecto ambiental

57 COMENTARIOS GENERALES

En general los carbones Colombianos se dividen en 3 grandes grupos de acuerdo a todas sus caracteristicas estos son

Los de la Cordillera Oriental que se caracterizan por ser de edad MaestrichtianoshyPaleoceno de ambiente marino a transicional poseen un grado de carbonificaci6n mas alto y mayor porcentaje de macerales liptiniticos ricos en hidrogeno tales como exsudatinita bituminita y fluorinita Estas caracteristicas hacen que estos carbones presenten las mejores propiedades plasticas y en algunos casos se puede producir co que por si mismo y en general son adecuados para hacer mezclas para elaborar co que y si el range es menor (PR V lt 07) se tienen evidencias de que sirvieron como rocas fuentes del petr61eo que se produce en la cuenca del Medio Magdalena y posiblemente de muchodel que se encuentra en los Llanos Orientales y el altiplano Cundi-boyacence

Debido a que carbones de este tipo son escasos en el mundo no se considera conveniente utilizarlos para generaci6n de energia porque se esta desperdiciando no solamente dinero porque elIos son mas caros sino que se esta derrochando el recurso en usos que podrian ser satisfechos por carbones de la calidad adecuada para ello

De otro lado cuando se elabora coque en el pais no se hacen las mezclas adecuadas con carbones de menor calidad para asi optimizar el recurso

Como se mencion6 antes la mayona de los carbones de Cundinamarca producen muchos fin~s los cuales se deberian usar para hacer briquetas que saldrian econ6micas porque no habria necesidad de adicionar aglomerantes y ademas se beneficiaria el medio ambiente

201

En segundo lugar se tienen los carbones del Cesar y La Guajira los cuales son relativamente mas jovenes que los de la Cordillera Oriental y se formaron en ambientes deltaicos principalmente Dichos carbones se caracterizan porque son de un menor grado de carbonificacion y la composicion maceral es un tanto distinta ya que los componentes liptiniticos caracteristicos ya no son tan ricos en hidrogeno a excepcion de algunos mantos sapropelicos Estos carbones en general son adecuados para generar energia pero debido a que su contenido de minerales intrinsecos es bajo podrian venderse como carbones ultralimpios ya que en el mundo es dificil encontrar este tipo de carbon igualmente como 10 que se busca es producir energia sin contaminar el ambiente los carbones en mencion son adecuados no solamente en combustion sino que servirian para gasificacion licuefaccion obtencion de carbon activado mezclas agua-carbon etc

En tercer lugar se tienen los carbones de la Cordillera Central que son un poco mas jovenes Eoceno y Mioceno de ambiente transicional a continental en general de mas bajo grado de carbonificacion (PRV lt 07) en los cuales los macerales antes mencionados aunque se observan son escasos En este caso la utili dad de los carbones seria como termicos 0 para licuefaccion y gasificacion industria del cemento elaborar briquetas y carbon activado

58PosmLES USOS DE LOS CARBONES COLOMBIANOS

Los carbones de bajo rango (Lignitos y sub-bituminosos) como los de Puerto Libertador y algunos de Arnaga debido a su alto contenido de humedad son ineficientes como generadores de energia ademas presentan alto riesgo de combustion espontanea en su manejo transporte y almacenaje por esta razon este tipo de carbon podria utilizarse en la fabricacion de briquetas puesto que de esta manera se mejoraria la eficiencia termica y su manejo

Entre las propiedades requeridas en ia manufactura del cemento estan la humedad lt120 cenizas lt150 azufre lt20 y un poder calorifico adecuado de acuerdo con las especificaciones del cliente por 10 tanto los carbones de Arnaga cumplen con estas especificaciones sin embargo los carbones de Puerto Libertador a pesar de su bajo poder calorifico tambien podrian utilizarse en esta industria

A partir de estudios realizados en la planta piloto de carbon activo en la F~cu1tad de Minas se ha demostrado que los carbones ligniticos y sub-bituminosos de la zona de Amaga dan muy buenas especificaciones como materia prima (no aglomerantes bajos en humedad cenizas y rango) para la fabricacion de carbon activo de buena calidad de la misma manera los de Puerto Libertador y algunos de Cesar y la Guajira cumplen estas caracteristicas

De acuerdo con Cudmore 1977 las conversiones de carbon a hidrocarburos liquidos mas significativas es decir mayores del 60 en carbon seco libre de cenizas se

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obtienen de los carbones con las siguientes caracteristicas Rm lt08 contenido de vitrinita mas liptinita gt60 Materia volatil (lac) gt35 luego tanto los carbones de Amaga como los de Puerto Libertador Guajira Cesar Medio Magdalena y algunos de Cundinamarca son adecuados para los procesos basados en hidrogenacion

Los estudios de produccion de gas a partir de carbon por pirolisis primaria (Sandoval 1993) muestran que los carbones con humedades de 30 cenizas de 43~ materia volatil de 431 Carbono fijo de 496 son excelentes para la produccion de gas De acuerdo con estas caracteristicas muchos de los carbones de Amaga y Puerto

Libertador Guajira Cesar y Medio Magdalena satisfacen estos requerimientos

Con base en estudios experimentales sobre gasificacion y reactividad de combustion de carbones Furinsky et al 1990 han mostrado que la ignicion en gasificacion y las tasas de reactividad en combustion estan directamente relacionadas con la reflectancia del maceral vitrinitico colotelinita

En la preparacion de combustibles formados a partir de la mezcla agua-carbon la clase de carbon es una variable importante ya que este debe tener un alto poder calorifico ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad de la combustion Ademas sus propiedades fisicas y quimicas deben permitir la formacion de una suspension bien dispersa en el agua con un alto contenido de solidos Estas condiciones se encuentran en los carbones bituminosos (Wall 1987) con alto contenido de volatiles 10 cual les da una ignicion estable reactividad quimica y alto poder calorifico Las antracitas aunque tienen mayor poder calorifico poseen un menor contenido de materias volatiles y macerales menos reactivos Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad tienen un poder calorifico bajo debido a su alto contenido de humedad Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de la mezcla agua-carbon sin embargo los carbones de bajo rango no se deben descartar ya que sus propiedades se pueden mejorar a partir de pretratamientos De acuerdo a 10 anterior los carbones de la Guajira y algunos del Cesar de Amaga Cundinamarca y Medio Magdalena serian adecuados para preparar mezclas agua-carbon

La combustion del carbon es un proceso fisico-quimico que esta afectado por muchos factores que dependen entre otros de la caracterizacion del carbon del tipo de agua utilizada del tipo de caldera del diseiio de la parrilla de la seleccion del proceso de combustion de la presion del aire y de las condiciones de la atmosfera en la cual se realiza la combustion

En los procesos tradicionales de combustion se requieren carbones de mejor calidad es decir poder calorifico alto humedades lt150 cenizas lt200 y azufre lt10 sin embargo las tecnologias modernas aceptan carbones de menor calidad porque sus sistemas son mas eficientes y estan diseiiados para tener un mejor control ambiental De acuerdo con 10 anterior los carbones de Puerto Libertador y Amaga Guajira

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Cesar Medio rvlagdalena y algunos de Cundinamarca se pueden utilizar eficientemente en la generacion de energia

Aunque la petrografia del carbon no ha sido muy aplicada en los procesos de combustion se conoce que los macerales individuales se comportan de una manera diferente durante este proceso por ejemplo Shibaoka et al 1979 han indicado que las particulas ricas en vitrinitas de carbones bituminosos y sub-bituminosos se expanden fonnando estructuras celulares y presentan una mayor tasa de quemado mientras que las particulas ricas en fusinitas muestran poca 0 ninguna expansion y menor tasa de quemado Las antracitas se comportan como el maceral rico en fusinita es decir no hinchan durante la combustion pero tienden a formar fisuras las cuales proporcionan superficies adicionales para que se presente fa combustion ademas como las antracitas son muy poco reactivas es necesario pulverizarlas a tamafio muy fino y adicionarles mayor porcentaje de oxigeno para que la combustion se realice Esto implica contar con pulverizadores mas eficientes ocasionando con ello mayores costos

De acuerdo con 10 anterior los carbones de Puerto Libertador Amaga Cesar Guajira y algunos del Medio Magdalena y Cundinamarca se pueden utilizar eficientemente en la generacion de energia ya que debido a su alto contenido de vitrinitas y liptinitas son mas reactivos mas blandos y a pesar de su bajo rango tienen un poder calorifico relativamente alto

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T bull

100 g j bullc 80

0 e i

60

bull 40 11

~ 20 Q11 CI

Do 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9

Conslllo de hldrogl1lo (KGIOO Kc CQrbono en carbon)

tmiddot FIGURA 61 Produccion de productos de hidrogenacion en funcion de la masa de hidrogeno consumida en el proceso LG Faben (Kronig 1977)

TABLA 19 Datos caracteristicos c7 -- - --- ~ - shy~

Gasolina Gravedad eSQecifica(glmI)

Aromaticos( en peso) Numero octano investigadoO15 ml

tetraetil plomo 1-1 Aceite diesel obtenido de

carbonebituminosos datos lurgi Gravedad especifica(gml)

Aromaticos( en peso) Naftenos( en peso) Parafinas( en peso)

Numero octano

del combustible motor obtenido de la -- _ - ___ - - --- - -- - - --- - - - _ -- - --- - -- _ --

Carbon bituminoso

082 - 085 70 -75 98 - 100

0855 8 56 36

44-46

4935 Proceso Synthoil para la conversion del carbon contaminante

Ventajas de la licuefaccion

Carbon subbituminoso

I081 - 082 I== 70 I97 -100

083 - 085 lt 10

50-60 40-30

50

en combustoleo no

Aun cuando elcarbon se puede convertir en combustibles no contaminantes mediante la Iicuefaccion 0 la gasificacio~ el metoda de la licuefaccion tiene una eficiencia termica mas elevada requiere de menos agua para el proceso y un impacto menos grave en el ambiente Por otra parte los combustibles Uquidos tienen una densidad de energia mas elevada que los combustibles gaseosos y por 10 tanto son mas baratos en cuanto a su almacenamiento y transporte Las plantas de licuado brindaran igualmente la base para desarrollar la energia de conversion del carbon en gasolina consideraci6n

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China 59175 61241 66038 70573 Alemania 41023 41073 38594 38899


Francia 18598 18692 18947 18407 Total 778915 784418 769036 732800



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China 59175 61241 66038 70573 Alemania 41023 41073 38594 38899


Francia 18598 18692 18947 18407 Total 778915 784418 769036 732800



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China 59175 61241 66038 70573 Alemania 41023 41073 38594 38899


Francia 18598 18692 18947 18407 Total 778915 784418 769036 732800



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gt70 - 120 gt30 120 gt20 12 gt5 24 I



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Hidrogeno (50 - 60)


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