Materiales Final

EL CARBÓN Propiedades, características y usos

Arroyo Díaz Josimar

Franco Buelvas Luís

Morales Narváez Lineth

Suarez Sandoval Camilo

Trabajo final Materiales de Ingeniería

Diciembre 10 2014

Fac. de Ingeniería

Ingeniería Química

Universidad del Atlántico

Características, Propiedades y usos del Carbón, Trabajo final MATERIALES DE INGENIERÍA

1

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO ........................................................................................................................... 0

INTRODUCCION ..................................................................................................................................... 2

OBJETIVOS ............................................................................................................................................. 3

JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................................... 4

EL CARBÓN ............................................................................................................................................ 5

HISTORIA DEL CARBON .......................................................................................................................... 6

EL CARBÓN EN COLOMBIA ....................................................................................................................... 7

PROPIEDADES ........................................................................................................................................ 8

Energía Específica ....................................................................................................................... 8 Densidad ..................................................................................................................................... 8 Humedad ..................................................................................................................................... 9 Tamaño ....................................................................................................................................... 9 Contenido de Volátiles ................................................................................................................ 9 Triturabilidad ............................................................................................................................ 10 Abrasividad ............................................................................................................................... 10 Combustión ............................................................................................................................... 10

TIPOS DE CARBÓN ............................................................................................................................... 10

Turba ......................................................................................................................................... 10 Lignito ....................................................................................................................................... 11 Hulla .......................................................................................................................................... 11 Antracita ................................................................................................................................... 12 Carbón vegetal .......................................................................................................................... 12

COMPONENTES DEL CARBON .............................................................................................................. 14

CONTENIDO DE CENIZAS ............................................................................................................................... 15 OTROS ELEMENTOS ..................................................................................................................................... 16 Oxígeno ..................................................................................................................................... 16 Nitrógeno .................................................................................................................................. 16 Azufre ........................................................................................................................................ 16 Gases ......................................................................................................................................... 17

APLICACIONES DEL CARBON ................................................................................................................ 18

ELECTRICIDAD ........................................................................................................................................ 18 CARBON EN LA PRODUCCION DE HIERRO Y ACERO ................................................................................ 19 LICUEFACCION DEL CARBON .................................................................................................................. 21 CARBON Y CEMENTO .............................................................................................................................. 21 OTROS USOS DEL CARBÓN ..................................................................................................................... 22

CONCLUSIÓN ....................................................................................................................................... 24

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS WEB ..................................................................................................... 25


2

INTRODUCCION

El carbón es un material sólido, generalmente marrón o negro. Se puede

encontrar en depósitos sedimentarios estratificados. Ha sido desde hace

muchos siglos una de las materias fósiles más importantes para la

humanidad. Morton (s.f.) lo define como una materia carbonosa que contiene

más del 50 por ciento por peso (o 70 porciento por volumen) de materia

carbonífera producida por la compactación y la induración de restos vegetales

alterados llamada turba (para 2). Existe una variedad de carbón debido a los

tipos de material vegetal (carbón típico), grado de carbonificación (rango de

carbón) y la gama de impurezas (grado de carbón).

La anterior definición motivó a realizar el presente estudio el cual tiene por

objetivo estudiar el origen del carbón, historia, tipos, propiedades, usos y

aplicaciones. Este estudio se justifica debido a la importancia que ha tenido y

sigue teniendo este material, el cual por sus propiedades ha logrado una

trayectoria histórica inigualable a otros. Empleado como combustible

principalmente para la calefacción, el carbón ha tenido usos industriales

relevantes en la empresa del transporte como productor de energía. Hoy en

día, estudios como el actual son permitidos para el análisis de las propiedades

de este material y de los usos alternativos que se le puedan dar.


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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Conocer acerca de las aplicaciones, características generales del carbón, tipos

y por ultimo su importancia como materia prima y coproductor en la fabricación

de distintos materiales empleados en la vida cotidiana.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

A través de la información recolectada de las fuentes en la literatura se

pueda comprender las características generales del carbón y su

clasificación.

A partir de los conocimientos aprendidos se identifique las propiedades

fundamentales del carbón.

Por medio del estudio de las aplicaciones se entenderá el impacto del

carbón en la vida cotidiana.


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JUSTIFICACIÓN

La petrografía es una rama de la geología que estudia la parte química y

mineralógica de las rocas, su estructura y las clasifica en base a dichos

parámetros. El carbón es una roca heterogénea a simple vista y a lo largo de la

historia se han intentado clasificar sus componentes en varias ocasiones.

El carbón se caracteriza por ser el combustible fósil que existe en mayor

cantidad de recursos cifrándose en 75% del total de las reservas estimadas, así

mismo debe destacarse su amplia distribución geográfica., conociéndose

yacimientos explotables prácticamente en todos los países.

Comúnmente se asocia al carbón una sucia e injustificada imagen. Pudo existir

en el pasado una razón para pensar de esta manera acerca del carbón; de la

revolución industrial se recuerdan áreas cubiertas por oscuras brumas.

Aunque, en ese entonces, el humo era visto como un símbolo de progreso

económico. Londres y otras ciudades europeas sufrieron de neblinas

agravadas por la ineficiente combustión del carbón en incontables chimeneas

domésticas. Hoy sin embargo, esto debe quedarse en los libros de historia. El

carbón puede ser quemado limpia y efectivamente en todo el mundo, usando

tecnologías que están mejorando permanentemente.

Los aspectos sobre seguridad y salud han sido desde hace mucho tiempo una

preocupación importante para la industria del carbón. Los avances tecnológicos

en la explotación durante este siglo han conducido a mejoras en la

productividad y seguridad. Las minas de carbón hoy en día se asemejan más a

fábricas altamente automatizadas que a los ambientes de producción del Siglo

XIX, caracterizados por el uso intensivo de mano de obra, congestión y riesgos.

La extracción moderna del carbón alcanza estándares en seguridad y salud

más altos que muchas otras industrias. Por ejemplo, las estadísticas de la

Oficina del Trabajo de EEUU, muestran más accidentes en actividades como

aserraderos, construcción, agricultura y fabricación de muebles, que en la

explotación de carbón. En Canadá, la explotación de carbón a cielo abierto es

una de las industrias grandes más seguras, aún más segura que el comercio al

detalle.

La seguridad es de primordial importancia para cada uno de los involucrados

en la minería, para los obreros, inversionistas y finalmente para el consumidor.

En muchos países, los mineros reciben regularmente cursos de entrenamiento

en habilidades laborales y en seguridad. Las compañías de carbón reconocen

que el entrenamiento previene accidentes y que hay una estrecha relación

entre una mayor seguridad y una más alta productividad.

No existe una fuente de energía más segura que el carbón, cuando éste se

almacena, maneja y utiliza correctamente


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EL CARBÓN

Antes de comenzar a hablar del carbón, es fundamental tener claro el concepto

de rocas sedimentarias; ya que el carbón es una roca sedimentaria.

Las rocas sedimentarias se forman por el desgaste del relieve de la naturaleza,

dicha erosión hace que se desprendan fragmentos de rocas, de vegetales y

animales, lo que ocasiona una acumulación de partículas de diversos tamaños

que son transportadas desde el lugar donde se desprenden hacia otros

lugares, a través de distintos medios, entre los que se encuentran el agua, el

hielo, la lava, el fango o el aire, principalmente en mares y océanos donde se

acumulan en forma de capas (horizontales);al transcurrir el tiempo la acción del

peso de los materiales situados en la parte superior ejercen cierta presión a los

ubicados en la parte inferior y éstos últimos se van compactando de tal manera

que forman las rocas sedimentarias formadas por sedimentos o estratos de

sedimentos, éstos, son sometidos a procesos químicos y físicos, dando lugar a

materiales mucho más consolidados.

Además, distintos organismos animales o vegetales pueden contribuir a la

formación de rocas sedimentarias (fósiles). Las rocas sedimentarias pueden

existir hasta una profundidad de diez kilómetros en la corteza terrestre. Estas

rocas pueden presentarse sueltas o consolidadas, es decir, que han sido

unidas a otras por procesos posteriores a la sedimentación, conocidos

como diagénesis, la cual es el proceso de formación de una roca

sedimentaria a partir de sedimentos sueltos que sufren un proceso de

compactación y cementación1.

Es así, como los movimientos de la corteza terrestre, también llamados

movimientos tectónicos, fueron depositando cada vez más sedimentos,

acumulando grandes restos de vegetales (hojas, maderas y

cortezas),enterrando pantanos y ciénagas, a grandes profundidades.

Entonces, como resultado de la aglomeración de todos estos sedimentos,

depósitos de lodo, movimientos en las placas tectónicas de la tierra que

provocaron el hundimiento de pantanos y ciénagas, se fueron alterando las

propiedades fisicoquímicas de la vegetación, transformándola en turba y

después en carbón. El agua estancada procedente de los pantanos y ciénagas,

es pobre de oxígeno, lo que ayuda a que las plantas y fósiles de animales no

se descompongan en su totalidad favoreciendo el proceso de formación del

carbón.

El carbón posee abundante carbono debido al agua estancada y a que los

vestigios de vegetales están formados principalmente por oxígeno, hidrógeno y

carbono, no están en contacto con el aire, porque se empieza una

transformación lenta por la acción de bacterias anaerobias, un tipo de


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microorganismos que no pueden vivir en presencia de oxígeno, de esta manera

van perdiendo el oxígeno y el hidrógeno por putrefacción, elevando su cantidad

en carbono.

La formación de carbón se inició durante el periodo carbonífero, conocido como

la primera era del carbón, que comprende desde hace 360 millones de años a

hace 290 millones de años2.

HISTORIA DEL CARBON

El descubrimiento de la utilización del fuego ayudó a distinguir a los seres

humanos de otros animales. Los primeros combustibles fueron principalmente

madera, carbón vegetal (derivado de la madera), paja y estiércol seco. Las

referencias de los primeros usos del carbón son muy escasas. El Carbón fue

utilizado comercialmente por el Chino Long antes de eso se utilizó en Europa.

Aunque no existe ningún registro auténtico, La mina de carbón de Fushun en el

noreste de China pudo haber sido empleada para fundir cobre en el año 1000

a.C.

Hasta la época de la revolución americana, la mayoría carbón usado en las

colonias americanas vinieron de Inglaterra o Nueva Escocia. La escasez de

tiempo de guerra y las necesidades de los fabricantes de municiones, sin

embargo, estimularon pequeñas operaciones mineras estadounidenses como

los de Virginia en el río James cerca de Richmond. Por el temprano 1830

empresas mineras habían surgido a lo largo de los ríos Ohio, Illinois y

Mississippi y en la región de los Apalaches. Al igual que en los países

europeos, la introducción de la locomotora a vapor dio la industria americana

del carbón un impulso tremendo. Continuó la expansión de la actividad

industrial en el Estados Unidos y en Europa más promovió el uso del carbón.

El carbón es el combustible más abundante en la familia fósil y tiene la más

larga y, tal vez, la historia más variada. El carbón se ha utilizado para la

calefacción desde el hombre de las cavernas. Los arqueólogos también han

encontrado evidencia que lo utilizaban los romanos en Inglaterra en los siglos

segundo y terceros (100-200 D.C.). En el siglo XVIII, los ingleses encontraron

que el carbón podría producir un combustible que quema más limpio y más

caliente que el carbón de madera. Sin embargo, fue la abrumadora necesidad

de energía para correr las nuevas tecnologías inventadas durante la

Revolución Industrial que proporciona la verdadera oportunidad del carbón para

llegar a su primer papel como proveedor dominante en todo el mundo de la

energía.

La Revolución Industrial desempeñó un papel importante en la expansión de la

utilización del carbón. Durante la primera mitad del siglo XIX, la Revolución

Industrial se extendió a los Estados Unidos. Los barcos de vapor y los


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ferrocarriles de vapor se estaban convirtiendo en las principales formas de

transporte, y utilizaban carbón para alimentar sus calderas. En América del

norte, los indios Hopi durante el siglo XIV en lo que hoy día es el suroeste de

Estados Unidos utilizaron carbón para cocinar, calentar y para cocer la

cerámica que hacían de la arcilla. El carbón más tarde fue redescubierto en los

Estados Unidos por los exploradores en 1673. Sin embargo, las minas de

carbón comercial no se iniciaron la operación hasta el 1740 en Virginia.

Durante la Guerra Civil, las fábricas de armas estaban empezando a utilizar el

carbón. En 1875, Coca cola (que es a base de carbón) reemplazó a carbón

como el principal combustible para hornos de hierro hacer acero.

La quema de carbón para generar electricidad es un relativo novato en la larga

historia de este combustible fósil. Fue en la década de 1880 cuando carbón

primero fue utilizado para generar electricidad para los hogares y fábricas.

Mucho después de casas estaban siendo iluminados por electricidad producida

por el carbón, muchos de ellos siguieron teniendo hornos para la calefacción y

algunos tenían estufas para cocinar que eran alimentadas por carbón.

Hoy en día utilizamos un montón de carbón, principalmente porque tenemos

muchas cosas y sabemos dónde está en los Estados Unidos. Para averiguar

más acerca de cómo se extrae carbón.

EL CARBÓN EN COLOMBIA

Actualmente Colombia posee las mayores reservas de carbón en

Latinoamérica y es el quinto exportador de carbón térmico del mundo. Este

carbón es reconocido mundialmente por contener un bajo contenido de cenizas

y azufre, además por ser alto en volátiles y en valor calorífico.

El carbón ocupa el tercer puesto de exportación después del café y el petróleo

lo cual es muy bueno para la economía Colombiana, los principales destinos a

exportar el carbón son Estados unidos y Europa. En los últimos veinte años se

ha aumentado notablemente la producción nacional, la cual esta incentivada

por la ejecución de grandes proyectos de exportación, realizados por

inversionistas extranjeros.

Con la llegada de los primeros ferrocarriles a vapor en Colombia a comienzos

del siglo XX se determinó el inicio de la explotación del carbón en nuestro país.

Luego de esto el este recurso energético comenzó a ser consumido por la

industria del cemento, la industria de textiles, los hornos de sal y el sector

residencial, siendo estos un conjunto, representaron una demanda de

aproximadamente 250.000 toneladas para el transporte ferroviario, la cual era

atendida con producción de minas explotadas en forma rudimentaria ubicadas

en los departamentos de Cundinamarca, Boyacá, Antioquia y Valle.


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Cerca de la década de los años setenta, la crisis mundial petrolera hace que el

carbón aparezca como un recurso energético estratégico y se establece

igualmente una política carbonera la cual introdujo al país en la era de la gran

minería de carbón con vocación exportadora. Debido al racionamiento eléctrico

de 1992 – 1993 y a la producción de cemento, los consumos de carbón para

generación de electricidad llegaron a cifras récord durante estos años, el

consumo total nacional de carbón fue de 5´562.000 toneladas y 5´715.000

toneladas respectivamente.

Al mismo tiempo, a comienzos de la década del ochenta aparece la gran

minería del carbón, cuyo objetivo principal era el de alcanzar los mercados

internacionales. A comienzo de los años noventa se consolida la gran minería

en el país, con la entrada en operación de los contratos de las áreas

carboníferas: La Guajira y El Cesar, las cuales lograron el mejoramiento del

sector organizacional, viéndose reflejado en el aumento de las exportaciones

de carbón en estas zonas del país, destacándose el interés de los

inversionistas en los proyectos carboníferos colombianos. En los últimos diez

años la producción del carbón ha tenido un crecimiento promedio anual de un

8%.

PROPIEDADES

Muchas de las propiedades del carbón son fuertemente dependientes de la fila,

aunque otros factores tales como composición maceral y la presencia de

materia mineral también influyen en sus propiedades. Se han desarrollado

varias técnicas para el estudio de las propiedades físicas y químicas del

carbón, incluyendo mediciones de densidad, difracción de rayos x, microscopia

electrónica de barrido y transmisión infrarroja espectrofotometría, masa

espectroscopia, cromatografía de gases, análisis térmico, mediciones

eléctricas, ópticas y magnéticas.

Energía Específica

La energía específica del carbón también se conoce como poder calorífico o

energía térmica. Representa la cantidad de calor que se libera en combustión

completa por cada unidad de material quemado. El poder calorífico es una

propiedad con grandes variantes entre los carbones, la cual puede influir en

forma importante en los requisitos del equipo para manejo y pulverización, así

como su almacenamiento.

Densidad

Conocimiento de las propiedades físicas del carbón es importante en la

preparación del carbón y utilización. El carbón es ligeramente más denso que

el agua. Diferencias de densidad que permitan mejorar la calidad de un carbón


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mediante la eliminación de la mayoría de la materia de rock y ricos en sulfuro

de fragmentos por medio de separación líquido pesado (fragmentos con

densidades superiores a aproximadamente 1,5 Megagramos por metro cúbico

se sedimentan mientras el carbón flota sobre el líquido).

Humedad

El contenido de humedad de un carbón consta de humedad inherente y libre.

La humedad inherente es la humedad combinada y la retenida en los poros del

carbón, la cual es una función del rango o categoría del carbón. La humedad

libre, o externa, es la existente en la superficie del carbón y en los intersticios

entre las partículas y es la contribución hecha por las aguas de la mina o la que

se agrega con el lavado, supresión del polvo y la lluvia. Esta última humedad

normalmente se elimina en los procesos de desaguado y secado del carbón.

El aumento en la humedad del carbón subirá la capacidad y costo del equipo

para su manejo, almacenamiento y pulverización. Además, se puede necesitar

equipo calefactor adicional para secar el carbón, según sean el grado y período

de la desviación de un alto contenido de humedad en relación con la norma.

Tamaño

El tamaño del carbón, la distribución por tamaños y el tamaño máximo, son

importantes con respecto a la abrasión y obstrucciones en el sistema de

manejo de carbón, para las tendencias de combustión espontánea en las pilas,

para los problemas de polvo y para el rendimiento del pulverizador.

El tamaño máximo de carbón suministrado a los pulverizadores suele ser entre

19 y 75mm. Hasta un tamaño máximo de unos 75 mm, no se afecta la

capacidad de algunos tipos de pulverizador mientras que otros si muestran su

sensitividad en todo momento. Los finos, carbón de un tamaño de 3,35 mm o

menos, cuando están mojados, son la causa principal de obstrucciones, en

particular cuando su contenido excede de 25% a 30% por masa del total de

carbón. La distribución del tamaño de partículas o granulometría varía mucho

según el tipo de carbón, método de extracción, limpieza del carbón, equipo

para trituración y el grado de manejo y manipulación.

Contenido de Volátiles

Este factor afecta la combustibilidad del carbón pulverizado. La finura requerida

aumenta conforme se reduce el contenido de volátiles, lo cual da por resultado

que se requiera un considerable aumento en la capacidad de los

pulverizadores. Los carbones con bajo contenido de volátiles se inflaman con

menos facilidad, necesitan más tiempo para la combustión y por lo tanto

aumentan el tiempo de permanencia en el hogar y el volumen.


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Triturabilidad

La triturabilidad es el factor que afecta principalmente la capacidad del

pulverizador y los costos de trituración o molienda. La capacidad del

pulverizador no está en relación lineal con la triturabilidad o molienda.

Abrasividad

La abrasividad se clasifica sobre una base empírica. El cuarzo y las piritas son

los más perjudiciales. La abrasividad del carbón afecta en forma principal el

desgaste de los pulverizadores y de los tubos para el carbón pulverizado. Por

tanto, se deben proveer costosos materiales resistentes a la abrasión, a fin de

reducir los costos de mantenimiento y los paros de la central. La abrasividad no

se puede relacionar con la triturabilidad.

Combustión

El carbón puede presentar una elevada eficiencia. El diseño de los

quemadores y equipo asociado requiere considerable experiencia;

afortunadamente, hay muchas compañías de prestigio poseedoras de esta

experiencia.

El proceso básico de combustión incluye la formación de CO2, la formación y

combustión subsecuente de CO2 y la combustión de los volátiles. Los detalles

todavía no son bien conocidos y, en cualquier caso, dependen del tipo de

cargador o alimentador, pero hay puntos importantes como el tiempo de

permanencia en el hogar, la temperatura, cantidad y distribución del aire

turbulencia del aire; y la distribución del combustible sobre o dentro del lecho o

en el hogar.

TIPOS DE CARBÓN

Respecto a los tipos de carbón mineral, es necesario aclarar que la calidad de

los sedimentos dependen de factores como la presión y temperatura a la cual

se encuentran sometidos, además del tiempo de formación, ya que las

diferencias en la edad e historia geológica del carbón ocasionan variaciones en

su rango. Cuanto más tiempo haya demorado el proceso de formación del

carbón, más alto será su rango, y mayor será su contenido de carbono y poder

calorífico, así mismo, será menor su contenido de hidrógeno y materiales

volátiles, por lo que será de mayor calidad. Así pues, la clasificación del carbón

mineral está en función de su contenido de carbono y de su poder calorífico, y

se especifica a continuación:

Turba

se encuentra en el rango inferior, es un tipo de carbón con una madurez

orgánica baja, por lo que posee menor contenido de carbón, aproximadamente

un 47%.Es el primer carbón que se forma y contiene un alto porcentaje de


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humedad al momento de su extracción, por esto para utilizarlo como

combustible, debe ser secado con anterioridad. En su estructura se distinguen:

tallos, hojas raíces y cortezas con pocas alteraciones químicas. La masa se

comporta como un gel de características ácidas y por pirogenación hasta

1000°C deja un residuo (coque) negro y pulverulento3. Las turbas no se suele

considerar como carbones, Industrialmente tienen poco interés, además son

empleadas para mejorar los suelos por su alta capacidad de retener agua en

jardinería.

Lignito

El lignito se origina con la compresión de la turba, es decir por el sometimiento

de esta última a presiones aún mayores. Presenta un porcentaje de carbono

entre el 60% y el 75%. Es de color pardo, tienen alto porcentaje de productos

volátiles y dan reacción ácida con el agua. Están constituidos por un conjunto

macroscópicamente amorfo en el que la masa ha perdido elasticidad de la

turba y su residuo de destilación es menos negro que de ésta4. Es un

combustible de calidad media. Se usa como combustible para generar

electricidad. Es un carbón formado hace unas cuantas decenas de millones de

años.

Hulla

Es un tipo de carbón mineral que contiene un alto porcentaje de carbono, entre

el 75% y el 85%.Estos, son duros y quebradizos, estratificados, de color negro

y brillo mate o graso, estratificado y muy frágil. Surgen luego de que se

someten las capas de lignito, principalmente en la era primaria durante los

períodos Carbonífero y Pérmico, a una elevada presión, comprimiéndolas. Esta

clase de carbón se encuentra con mayor proporción en la naturaleza, siendo el

más abundante y el más utilizado, ya que posee mayor poder calorífico (útil en

centrales térmicas para producir electricidad), y menor porcentaje de humedad,

contenido en volátiles que el lignito. Por destilación dejan un coque

aglomerado de alta calidad, empleado en procesos metalúrgicos, éste proceso

de producción de coque genera muchos derivados que se emplean en la

industria química como, cresol (usado como antiséptico y desinfectante) y

creosota (usado como protector de madera expuesta al exterior).

Se distinguen tres variedades de hulla:

Hulla grasa: En la antigüedad se obtenía gas de alumbrado al destilarla.

Hulla magra o seca: se utiliza como combustible, posee superficies

ásperas y forma fragmentos gruesos, además contiene estratos de carbón

de brillo mate hasta graso y de color gris hasta negro hasta varios

decímetros de espesor , es por esto que su aspecto presenta bandas mate.

Hulla semiseca: que se emplea en la producción de alimentos para cabras

u otros animales domésticos. forma capas alternas de rayas finas situadas


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entre la hulla grasa y la hulla magra de espesores menor de 3mm. Es

alternada con bandas brillantes.

Encontramos yacimientos de hulla en las cuencas de Ruhr (carbonífero) y de

Saar (carbonífero) en Alemania, en el macizo central francés, en Lota cerca de

Concepción en Chile. En España encontramos yacimientos de hulla en

Asturias, León, Ciudad Real, Córdoba, Palencia, Cuenca, Teruel, Barcelona,

Lérida, Zaragoza y Camtabria.5

Antracita

La antracita se encuentra en el rango superior de la escala de categorías y

tiene un contenido superior de carbono (aproximadamente un 95%) y energía,

y un nivel inferior de humedad. Es negro, brillante y muy duro. Debido a su bajo

contenido en materia volátil, la antracita presenta una ignición dificultosa. Arde

dando una corta llama azul y sin humos. Su poder calorífico varía entre 23 y 69

MJ/kg, ligeramente inferior al de los carbones bituminosos6.Es el tipo de carbón

menos contaminante, se usa para generar electricidad y en las calderas de

calefacción para las viviendas, sin embargo el gas natural ha desplazado a éste

por su bajo costo.

Carbón vegetal

Éste se produce cuando se someten a altas temperaturas en un horno

(aproximadamente 400-700 °C) leña y otros residuos vegetales en ausencia de

oxigeno lo cual evita la combustión. Es así como se disminuye el porcentaje de

humedad y se consigue aumentar el poder calorífico de la leña que

normalmente oscila entre 12.000 y 21.000 kJ/kg, haciendo que el carbón

vegetal llegue a valores de entre 29.000 y 35.000 kJ/kg. Éste es un

material combustible sólido, frágil y poroso con un alto contenido

en carbono (del orden del 80 %).

En la actualidad se emplean varias fuentes como materia prima para producir

carbón mineral, entre las que se encuentran:

Desechos de la industria de la madera.

Partes orgánicas de los desechos urbanos (basura).

Partes leñosas de árboles y arbustos.

Sin embargo si se quiere utilizar, biomasa residual industrial, biomasa residual

urbana, carbón vegetal o simplemente una mezcla de todas ellas primero hay

que compactarlos en forma de briquetas, estas briquetas son muy comunes en

el mercado y en general son de menor calidad en cuanto a valor calórico que

los trozos de carbón naturales.


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Figura 1.Proceso de formación de los tipos de carbón

Éstas son las formas, colores y texturas de los distintos tipos de carbón mineral

explicados con anterioridad:

Figura 2. Tipos de carbón mineral.


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COMPONENTES DEL CARBON

Como se habia mencionado anteriormente el carbon es una roca sedimentaria

compuesta principalmente por un fase organica y en menor proporcion por

sustancia minerales, que contienen asimismo agua y gasesen poros

submicroscópicos. Ests compuestos organicos mayoritarios resultan de la

formacion y condensacion de anillos polinucleares carbocíclicos donde el

carbono hidrógeno y oxígeno son los elementos fundamentales y el azufre y

nitrogeno complementarios.

Figura 3. Representacion esquematica de las macromoleculas de carbon.

Cuando se tiene un trozo de carbón se logra observar una distribución de masa

heterogénea; algunas fajas de aspecto mate y otras brillantes, separadas a la

vez por venas de estéril.

Los componentes principales del carbón son: vitreno, clareno, dureno y fuseno.

Vitreno: Es la parte negra, brillante y quebradiza del carbón. se presenta en

láminas delgadas y amarillentas.

Clareno: Es negro y brillante, pero en menor cantidad que el vitreno. es

menos brillante que el vitreno y se rompe regularmente.


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Dureno: tiene un color grisáceo, es mate, duro y resistente.

Fuseno: Es la parte negra, blanda y polvorosa que tiende a romperse. No es

coquizable, por lo cual perjudica el poder aglomerante del carbón. En otras

palabras es la materia carbonosa, blanda, negra y poco consistente

Contenido de Cenizas

El carbón recién extraído de la mina, se compone de una sustancia carbonosa

unida a componentes inorgánicos y una cantidad variable de materias terrosas

en estado libre. Es posible clasificar las impurezas en constituyentes y

separables, las primeras son aquellas íntimamente mezcladas con el carbón,

que pueden considerarse como formando parte de su composición, mientras

que las segundas se pueden eliminar mecánicamente.

La distribución de componentes inorgánicos que no son visibles a simple vista,

se localizan por medio de rayos X, pues el carbón como materia orgánica,

resulta transparente a estos rayos, mientras la materia inorgánica (ceniza)

resulta opaca. Estos componentes se pueden encontrar en varias formas:

En venas de estéril, que separan el carbón en capas, por las que se rompe

con facilidad.

En masas de pirita formando nódulos, o bien como escamas brillantes.

En tabiques blancos perpendiculares al plano estratificación y que se

componen de carbonatos de cal y de magnesia.

El contenido de ceniza es el material incombustible del carbón, en formas de

materias minerales en el crecimiento de los vegetales iniciales, materiales

extraños que penetraron en la yeta durante su formación o rocas atrapadas

durante el proceso de extracción. Entre las materias minerales están las que

existían en la sustancia vegetal originaria, las que fueron transportadas por las

aguas en la formación e intercaladas entre la sustancia vegetal en

descomposición y aquellas materias extrañas.

La ceniza es la materia inerte del carbón, cuyo exceso rebaja el poder calorífico

y diminuye, por tanto, su valor.

Los constituyentes de la ceniza y sus temperaturas de fusión son de máxima

importancia para el diseño de las calderas. Las temperaturas de fusión de las

cenizas controlan la rapidez de combustión en el hogar y la cantidad de

enfriamiento necesaria antes de que los gases entren a la zona de convección.

El análisis de la ceniza afecta las tendencias de formación de escorias,

ensuciamiento y corrosión en el hogar y los conductos para gases y, por ello,

tiene una gran influencia en el diseño del cargador y del hogar. El análisis de la

ceniza es también un factor importante para determinar la resistividad de la

ceniza volante y, por lo tanto, del tamaño del equipo para precipitación


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electrostática.

El tamaño, forma y composición de las partículas de ceniza volante se reflejará

en el grado de erosión en los conductos para gas y, por lo tanto, influirá en la

velocidad máxima de gases que se especificará y tendrá un marcado efecto en

las dimensiones y costos de las calderas. Se han ideado varios índices

empíricos mediante la combinación de los constituyentes de la ceniza a fin de

dar una guía del comportamiento de la ceniza volante en los conductos en el

hogar y para los gases.

Otros Elementos

Entre los múltiples componentes del carbón, los más incidentes en sus

características y valor final son los siguientes: oxígeno, nitrógeno, azufre y

gases.

Oxígeno

La cantidad de oxígeno presente en el carbón afecta sus propiedades. El

aumento del tanto por ciento reduce el poder calorífico, y si se trata de

carbones grasos disminuye su poder coquizante y conserva un porcentaje más

elevado de humedad.

Nitrógeno

El contenido de nitrógeno en los carbones varía entre 1 y 2,5%. Si se destila o

carboniza el carbón, alrededor del 15% de nitrógeno se transforma en

amoníaco, y más del 50% queda retenido en el coque. En otros tiempos,

cuando el método de recuperación de amoníaco tuvo importancia económica,

la proporción de nitrógeno del carbón era un dato estratégico, pero hoy, al

obtener la mayor parte del amoníaco por síntesis, su contenido no es de gran

importancia.

El nitrógeno del carbón, junto con el nitrógeno del aire para combustión, es el

causante de las emisiones de NOx. Los NOx térmicos formados por el

nitrógeno del aire son una función de la temperatura de la llama. La formación

de los NOx del combustible es más compleja, pero parece ser menos sensible

a las condiciones de combustión. El nitrógeno del combustible es un importante

contribuyente a la producción total de NOX. Las medidas requeridas para

controlar los niveles de tales como combustión por etapas, pueden ser muy

costosas para implementarlas.

Azufre

Se encuentra en forma de pirita, como compuestos orgánicos y como sulfatos

(CaSO4). En algunos casos conviene distinguir y determinar la proporción de

azufre fijo y volátil. Sin embargo el azufre total rara vez excede de 5% y, a


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menudo, es inferior al 0,5%. Si el carbón se destina a usos metalúrgicos, el

azufre juega un papel importante, ya que se une al metal que se beneficia,

afectando sus propiedades.

El azufre orgánico no se puede eliminar por procedimientos mecánicos,

mientras que la pirita en láminas o escamas puede separarse, según sea el

grado de trituración o del tamaño en que se encuentre el carbón. Si se trata de

carbones con mucha pirita, se producen en los hogares escorias ferruginosas

que se adhieren a las parrillas, perturban la buena combustión y desgastan los

hogares. Cuando se destina el carbón para coque y se lleva al alto horno, se

obtienen fundiciones sulfurosas, siendo el azufre difícil de eliminar en la

fabricación de aceros.

Figura4. Planta Alto Horno Alimentada por Carbón.

El nivel de emisiones de SO2 y la precipitabilidad de la ceniza volante son

influenciadas por el azufre del carbón y, asimismo, las necesidades y costos de

poner en práctica las medidas necesarias para la limpieza. El contenido de

azufre también tiene un papel muy importante en la corrosión del precalentador

de aire cuyo control puede ser mediante la selección de materiales o la

limitación de la temperatura de salida de los gases. El azufre influye en la

tendencia a la formación de escoria en los hogares.

Gases

El carbón absorbe cantidades considerables de gases, principalmente metano

y otros hidrocarburos saturados. El porcentaje de gas contenido en el carbón y

que se desprende bajo temperatura, constituye las materias volátiles, dato

fundamental para caracterizar y clasificar un carbón.

La composocion y estructura de un carbon depnde del proceso particular de

carbogénesis que este ha sufrido. Por este camino para la caracterizacion de


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un carbon se hace referecnia a su composicon petrografica, es decir, de

acuerdo a la distribucion y proporrcion de sus respectivos macerales y

minerales contituyentes.

APLICACIONES DEL CARBON

ELECTRICIDAD

Una de las bases de la civilización moderna, como requisito de fuente de

desarrollo y bienestar social es la disponibilidad del recurso eléctrico, muchos

dispositivos usados en los hogares, oficinas, centro comerciales llegando a las

grandes industrias operan mediante un suministro eléctrico. Dicho suministro

de energía es producida en plantas eléctricas que son impulsadas en su

mayoría por el carbón.

El carbón usado para en estos procesos se llama carbón termino, su usos se

remontan a las primeras máquinas a vapor, donde usaban carbón grueso ( sin

moler), el cual se quemaba en una especie de parrilla dentro de la caldera y

dicho efecto de esta quema transmite calor al

agua, haciendo que esta cambie a fase vapor y sea usada en las turbinas,

aunque en esencia el sistema se ha mantenido hasta el día de hoy, se han

hecho unas ciertas mejoras en el sistema una de ellas es el cambio del carbón

grueso por el carbón pulverizado (PCC), en donde el carbón en polvo se insufla

( inyectar un material solido) a la cámara de combustión de una caldera en

donde se quema a una alta tempera.

Figura 5. Diagrama de una planta de electricidad que opera a base de carbón.

La pulverización del carbón trae consigo una mejora de la eficiencia de la

combustión ya que aumenta el área de la superficie de contacto lo que acelera

el proceso. Continuando con el proceso después que el agua cambia de fase a

un vapor de alta presión, se transporta hacia la turbina, donde el vapor

presiona estas aspas, haciendo que el eje de la turbina gire a alta velocidad, en

el cual se encuentra un generados montado en el extremo del eje de la turbina


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y consta de varias bobinas de cable. La electricidad se genera cuando estas

bobinas giran rápidamente en un campo magnético fuerte. Luego que el vapor

de agua impulse las turbinas el vapor regresa a su fase inicial y regresa a la

caldera para repetir el ciclo.

Luego la electricidad generada es transformada en tensión alta con el fin de

transportarla de manera económica y eficaz tal tensión puede alcanzar valores

de 400 000 voltios, después que llega a las ciudades para el consumo

doméstico la tensión es disminuida entre 100 y 250 voltios, para garantizar la

seguridad de los consumidores.

Se estima que la nueva tecnología PCC está muy desarrollada y además que

supone como el 90% de la capacidad total de combustión de carbón del

mundo. Los avances en esta materia buscan aumentar la eficiencia de la

combustión lo que se traduce en más electricidad, con una menor cantidad de

carbón lo que supondría una reducción de costos ahí su importancia, hoy en

día el carbón es el segundo productor de electricidad solo es superado por el

petróleo, sin embargo se ha marcado una tendencia de aumento de este

material debido a su bajo costo con respecto al petróleo y su abundancia.

CARBON EN LA PRODUCCION DE HIERRO Y ACERO

Dentro de la industria el carbón es esencial para la producción de hierro y

acero; se calcula que cerca del 64% de la producción global de acero proviene

de hierro fundido en altos hornos en los cuales se usa carbón. Además se

estima que en el 2003 se produjeron 965 toneladas de acero y se usaron cerca

de 543 Mt de carbón, cifra que se ha venido disparando en los últimos años

debido al aumento de la demanda de dicho metal.

En la producción dentro de los grandes hornos se utiliza minerales de hierro,

carbón coque y cantidades pequeñas de piedra caliza. En algunos casos se

usa carbón término pulverizado debido a que es más abundante que el carbón

coque, con la finalidad de reducir costos.

El mineral de hierro es un mineral que contiene óxido de hierro, el mineral

comercial suele contener hierro como mínimo del 58 %. Y cerca del 98% del

mineral de hierro se utiliza para la producción de acero.

El coque es un tipo de carbón que posee propiedades físicas que hacen

que se ablanden, se licuen y después se vuelvan a solidificar en fragmentos

duros pero porosos cuando se calientan en ausencia aire. Tienen bajo

contenido de azufre y fosforo.

El proceso de síntesis se inicia cuando las materias primas el hierro, el coque y

los fundentes (minerales como la piedra caliza, utilizadas para la captación de

impurezas), son introducidos en la parte superior del alto horno.


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Figura 6. Diagrama de flujo para la síntesis del acero.

El aire que llega a calentarse a unos 1200°C se introduce en las chimeneas a

través de las toberas de la sección inferior.

El aire es introducido con el gin que el coque se queme, lo que produce

monóxido de carbono, lo que genera una reacción química. El mineral de hierro

se reduce a hierro fundido gracias a que libera el oxígeno. Una compuerta

situada en la parte inferior de la chimenea se abre continuamente para extraer

el hierro fundido y la escoria.

En breve es transportado a un horno de oxigeno básico donde se introduce la

escoria de acero y más piedra caliza, añadiendo oxígeno puro al 99% a la

mezcla. La reacción que se lleva a cabo con el oxígeno eleva la temperatura

hasta los 1700°C, lo que hace que oxide las impurezas y deje salir acero

líquido casi puro. Por cada 630 kg de coque se produce 1 tonelada de acero.

Los hornos de oxigeno básico actualmente están produciendo el 64% del acero

consumido en todo el mundo. Otra manera que consta el 33 % de la producción

mundial es el acero que se produce en hornos de arco eléctrico (EAF). Estos

hornos se utilizan para producir acero a partir de metal reutilizado. Si el acero

se encuentra ya disponible el procesamiento en este tipo de horno es más

económico que el convencional. El funcionamiento de este horno consiste en

introducir el hierro y escoria de acero, unos electrodos en los hornos se activan

y producen un arco de electricidad. La energía del arco eleva la temperatura

hasta 1600°C . Fundiendo la escoria y produciendo acero fundido. Estos

hornos funcionan con electricidad que viene en su mayoría de fuente de

carbón.


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LICUEFACCION DEL CARBON

El proceso de licuefacción del carbón es un método que consiste en convertir el

carbón en un combustible líquido. Este combustible se puede someter a un

proceso de refinamiento y puede ser usado para el transporte y otros productos

como plásticos y disolventes. Actualmente la licuefacción se puede realizar de

dos maneras.

La licuefacción directa de carbón: este consiste en que el carbón se

convierte a combustible líquido en un solo proceso.

La licuefacción indirecta de carbón: este consiste en dos pasos, primero el

carbón se gasifica y después se convierte en líquido.

Este proceso se abre camino al carbón como el recurso fósil mas importante

incluso puede llegar a sobrepasar al petróleo la licuefacción puede llegar a ser

rentable en la medida que los precios del petróleo se incrementes lo que crea

una alternativa muy tentativa para el mercado.

El método de licuefacción más usado en el mundo se llama sasol indirecto

(Fischer-tropsch). A nivel mundial Sudáfrica lleva la delantera en tecnología e

investigación en licuefacción del carbón tanto es así que esta nación se

suministra un tercio de sus necesidades nacionales de combustible líquido a

partir del carbón.

CARBON Y CEMENTO

La industria cementera es indispensable para la construcción de las grandes

edificaciones modernas. Estas son formadas gracias a la mezcla con agua y

grava lo que da lugar al hormigón, alrededor de 1350 millones de toneladas de

cemento se producen cada año.

El cemento se obtiene por medio de una mezcla de carbonato de calcio (piedra

caliza), silicio, oxido férrico y alúmina. A continuación todas estas materias

primas son conducidas a un horno de alta temperatura, calienta las materias

primas hasta su fundición a 1450°C, produciendo cambios químicos y físicos

produciendo una sustancia llamada Clinker. Este material gris en forma de

guijarro consta de compuesto especial que brindan al cemento su capacidad de

unión, el Clinker se mezcla con el yeso y tierra hasta formar un polco fino para

producir cemento.

El carbón en este proceso juega su papel como fuente de energía para la

producción del mismo. Es necesario cantidades enormes de energía para

producir cemento. Los hornos de alta temperatura suelen quemar carbón

pulverizado y consumen 450 gramos de carbón por cada 900 gramos de

cemento producido. Por eso se dice que el carbón seguirá siendo un factor

importante en la producción del cemento en los años venideros.


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Figura 7. Diagrama del proceso de producción del cemento

Los productos de combustión del carbón (CCP) también tienen roles

importantes en la producción del cemento. Los CCP son subproductos

generados al quemas carbón en las centrales eléctricas de combustión de

carbón. Estos subproductos dentro de los cuales incluye cenizas en

suspensión, cenizas de suelo, escoria de caldera y yeso de desulfurización de

gases. Las cenizas en suspensión puede usarse como sustituto o complemento

al cemento en el hormigón. Este reciclaje de desechos de la además de ser

bueno para el medio ambiente también genera ahorros ya que sirven para

sustituir materias primas primarias.

OTROS USOS DEL CARBÓN

Otras aplicaciones importantes del carbón son las refinerías de alúmina,

fabricantes de papel y las industrias químicas y farmacéuticas. Algunos

productos químicos pueden producirse con subproductos del carbón como por

ejemplo la masa de carbón refinada se utiliza para la fabricación de productos

químicos, como la creosota, la naftalina, el fenol y el benceno. El gas de

amoniaco recuperado de los hornos de coque es utilizado para fabricar sales

de amónico, acido nítrico y fertilizantes agrícolas. Miles de productos diferentes

tienen al carbón o algunos subproductos como componentes: jabón, aspirinas,

disolventes, tintes, plásticos y fibras, como el rayón y el nailon.

El carbón también es parte esencial de la producción de productos

especializados:

Carbón activo: es usado en filtros de agua y aire, así como en máquina de

diálisis.


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Figura 8. Ejemplo de la implementación del carbono activado para la purificación del agua

Fibra de carbón: es un material de refuerzo extremadamente resistente y

ligero utilizando en construcción, de bicicletas de montaña y raquetas de

tenis.

Figura 9.representacion de una muestra de fibra de vidrio

Metal de silicio: utilizado para fabricar silicios y silanos, que a su vez se

utilizan para la fabricación de lubricantes, repelentes de agua, resinas,

cosméticos, champú y pasta de dientes.


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CONCLUSIÓN

En el presente trabajo se pudo establecer la importancia del carbón como un recurso renovable que nos brinda la naturaleza, además reconocer las variedades de éste, las cuales dependen del tiempo de formación, de tal manera que entre más tiempo de formación posea, mayor será su contenido de carbono y por consiguiente será más elevado su rango por lo que tendrá mayor capacidad calorífica. Además se pudo entender su proceso de formación, y su composición de los cuales depende el uso específico al cual será destinado. Es fundamental reconocer que en la actualidad el carbón se está utilizando para suplir las necesidades energéticas del mundo, es por esto que posee muchas aplicaciones industriales, como por ejemplo a la generación de electricidad, la producción de acero y la fabricación de cemento. Sin embargo es necesario analizar los impactos ambientales que causa el carbón en su producción y uso. Es por esto que en los últimos años se han creado reglamentos que regulen la emisión de gases contaminantes a la atmósfera, provenientes de plantas de combustión del carbón, por esto, es necesario establecer un equilibrio entre las restricciones de emisiones por emplear recursos fósiles y satisfacer las necesidades energéticas para el futuro.


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BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS WEB

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