Carbón

Yacimientos carboníferos. Tipos. Explotación. Reservas. Extracción y preparación

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¿Q ES?

Carbón, combustible sólido de origen vegetal.Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como cenizas y otros elementos en menor cantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etcétera).

ORIGEN

En eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 362,5 millones de años), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y y se producia la descomposición anaeróbica de la materia orgánica.. Debido a la acción de las bacterias anaeróbicas, la materia orgánica fue ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno,y se formaron las turberas( La formación de turba constituye la primera etapa del proceso por el que la vegetación se transforma en carbón); este proceso, unido a los incrementos de presión por las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos con el paso del tiempo, y provocaron cambios físicos y químicos en los restos orgánicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como carbón

TIPOS

Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo. La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. (Tiene una capacidad calorífica inferior a la del carbón común debido al gran contenido de agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%); el alto contenido de materia volátil (18,8%) provoca la desintegración rápida del lignito expuesto al aire. El calor del lignito es de 17.200 kJ por kg. ) El carbón bituminoso tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico también es superior. La antracita(tb llamado hulla seca) es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafito, que es prácticamente carbono puro.

Turba: combustible fosil formado por materias vegetales mas o m3enos carbonizadas. La turba contiene el 60% d carbono y es un combustible d poco poder calorifico q desprende muxo humo y deja como residuo cenizas.

en las turberas altas la variedad de carbón obtenido, el lignito, será más rico en carbono y más pobre en oxígeno que la turba, y por tanto de mejor calidad. Sin embargo, su poder calorífico es aún inferior al de la hulla (otra forma de carbón).

La hulla

Si el fondo de la marisma o pantano tiene una pendiente relativamente acentuada, no se formará lignito, sino hulla, otra variedad de carbón. El bosque se presenta entonces como una banda relativamente estrecha que bordea la marisma, de la cual parten a la deriva viejos troncos y ramas rotas que se empapan de agua y terminan por zozobrar.

Los restos más ligeros, como las hojas, que flotan mejor, son trasladados más lejos antes de caer al fondo. En ciertos casos se puede observar la huella de todos estos restos vegetales a lo largo de la veta de carbón: en primer lugar, los tocones de los árboles enraizados en los sedimentos depositados por los ríos; a continuación, las ramas y troncos caídos; y, por fin, las ramillas con las hojas (hullas grasas) e incluso los granos de polen. A partir de observaciones hechas en las minas se ha podido reconstruir el paisaje marismeño que acaba de ser descrito, pues no se conoce ningún ejemplo actual.

En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente el carbón café; éste se convirtió en lignito, que a su vez pasó a ser carbón subituminoso; este último se transformó en carbón bituminoso, que incluye a la hulla (el carbón que se usa para cocinar) y finalmente en antracita, que es el carbón más antiguo. Todos éstos son los diferentes tipos de carbón.

EXPLOTACIÓN

El carbón se encuentra en casi todas las regiones del mundo, pero en la actualidad los únicos depósitos de importancia comercial están en Europa, Asia, Australia, Suráfrica y América del Norte.


Cuando los expertos realizan estimaciones sobre la cantidad de carbón en el mundo, distinguen entre reservas y recursos. Se consideran reservas los depósitos de carbón que pueden ser explotados con la tecnología existente, es decir, con los métodos y equipos actuales. Los recursos son una estimación de todos los depósitos de carbón existentes en el mundo, independientemente de que sean o no accesibles desde el punto de vista comercial. Las exploraciones geológicas han permitido localizar los yacimientos de carbón más extensos del mundo

El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterráneas. Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer tanto el volumen del yacimiento como la profundidad, ya que estos factores determinan el hecho de que la explotación de la mina sea económicamente rentable.

Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre 0(en las centrales carboeléctricas puede utilizarse sin lavar), después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuberías, suspendido en agua y posteriormente se recupera por centrifugación.

UTILIDAD

La diversidad y abundancia de las reservas de carbón a nivel mundial, significan que el carbón puede afrontar el desafío estratégico de contar con energía segura., Se pronostica que una vez las reservas económicas de petróleo y gas se hayan agotado, habrá todavía muchas reservas de carbón ampliamente disponibles para satisfacer las necesidades de energía del mundo. El carbón puede también atender el desafío económico de producir energía para las industrias y hogares a un costo razonable y con la debida atención al medio ambiente.

¿Por qué es el carbón tan importante para la vida diaria en el mundo entero?

El carbón es el combustible fósil más abundante, seguro y de suministro garantizado en el mundo. Puede utilizarse en forma limpia y económicamente.

ð Abundante: Las reservas de carbón son extensas y están presentes en muchos países; en la actualidad el carbón se explota en más de 50 países.

ð Seguro: El carbón es estable y por tanto es el combustible fósil más seguro desde los puntos de vista de su transporte, almacenamiento y utilización.

ð Suministro Garantizado: La abundancia de las reservas significa que a los usuarios de carbón se les puede garantizar la seguridad de los suministros del recurso y ello a su vez, a precios competitivos, asegura el suministro de la electricidad necesaria para los usos industriales y domésticos.

ð Limpio: Usando tecnologías disponibles, puede ahora quemarse el carbón limpiamente en todo el mundo.

ð Económico: A nivel mundial, el carbón es un combustible competitivo para la generación de electricidad, sin la cual la vida en el mundo moderno sería virtualmente imposible. Es la principal fuente de energía para la generación eléctrica en el mundo entero.

Usos del Carbón

El carbón tiene muchos usos importantes, aunque los más significativos son la generación eléctrica, la fabricación de acero y cemento y los procesos industriales de calentamiento. En el mundo en desarrollo es también importante el uso doméstico del carbón para calefacción y cocción.

El carbón es la mayor fuente de combustible usada para la generación de energía eléctrica. Más de la mitad de la producción total de carbón a nivel mundial, provee actualmente cerca del 40% de la electricidad producida mundialmente. Muchos países son altamente dependientes del carbón para su electricidad;El carbón es también indispensable para la producción de hierro y acero; casi el 70% de la producción de acero proviene de hierro hecho en altos hornos, los cuales utilizan carbón y coque.. La mayoría de las plantas de cemento del mundo son alimentadas con carbón

El carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la industria metalúrgica, los sistemas de calefacción central, la producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las centrales carboeléctricas.

Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilación se elimina la materia volátil del carbón, quedando un carbón de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una aleación de hierro y carbono) y metalúrgica.

Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se realiza la combustión, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las centrales carboeléctricas

Todos los tipos de carbón tienen alguna utilidad. La turba se utiliza desde hace siglos como combustible para fuegos abiertos, y más recientemente se han fabricado briquetas de turba y lignito para quemarlas en hornos. La siderurgia emplea carbón metalúrgico o coque, un combustible destilado que es casi carbono puro. El proceso de producción de coque proporciona muchos productos químicos secundarios, como el alquitrán de hulla, que se emplean para fabricar otros productos. El carbón también se utilizó desde principios del siglo XIX hasta la II Guerra Mundial para producir combustibles gaseosos, o para fabricar productos petroleros mediante licuefacción. La fabricación de combustibles gaseosos y otros productos a partir del carbón disminuyó al crecer la disponibilidad del gas natural. En la década de 1980, sin embargo, las naciones industrializadas volvieron a interesarse por la gasificación y por nuevas tecnologías limpias de carbón. La licuefacción del carbón cubre todas las necesidades de petróleo de Suráfrica.

Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbón se produce dióxido de carbono entre otros compuestos. Muchos científicos creen que debido al uso extendido del carbón y otros combustibles fósiles (como el petróleo) la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre podría aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima de la Tierra (véase Calentamiento global; Efecto invernadero). Por otra parte, el azufre y el nitrógeno del carbón forman óxidos durante la combustión que pueden contribuir a la formación de lluvia ácida.

Reservas de Carbón

Las reservas de carbón son las reservas de combustibles fósiles más significativas del mundo

Como resultado del mejoramiento continuo en las tecnologías de carbón limpio, el carbón se utilizará cada vez más eficientemente. Estas tecnologías permitirán también que las plantas que generan energía con carbón cumplan con las regulaciones ambientales a nivel mundial. El carbón puede quemarse y, se está quemando, limpiamente.


II. Tecnologías limpias de carbónImprimir sección
Las tecnologías limpias de carbón son una nueva generación de procesos avanzados para su utilización; algunas pueden ser, desde un punto de vista comercial, viables en los próximos años. En general, estas tecnologías son más limpias y eficientes y menos costosas que los procesos convencionales. La mayoría altera la estructura básica del carbón antes de la combustión, durante la misma o después de ella. Con ello reducen las emisiones de impurezas como azufre y óxido de nitrógeno y aumentan la eficiencia de la producción energética.

En la década de 1980, algunos gobiernos emprendieron programas de colaboración con la industria privada para fomentar el desarrollo de las tecnologías limpias de carbón más prometedoras, como los métodos mejorados para limpiar el carbón, la combustión en lecho fluido, la inyección de sorbentes de horno y la desulfuración avanzada de gases de combustión.

Extracción y preparación de Carbón

Las tecnologías limpias para la minería del carbón son de fácil disponibilidad. Los métodos modernos de exploración, tales como las técnicas de geofísica y sísmica, minimizan cualquier impacto ambiental, y mejoran la planeación de la mina, al reducir la incertidumbre geológica. Las tecnologías de extracción mejoradas ayudan a maximizar las eficiencias de extracción y minimizan el uso de energía.

Ya son práctica normal las medidas para reducir los niveles de ruido y polvo, con lo cual se reducen al mínimo los riesgos a los operadores. La minería del carbón puede producir emisiones de gas metano, lo cual puede ser un riesgo potencial. Se utilizan diversos métodos para desalojar el gas y en algunos casos el mismo gas es utilizado como fuente energética. Los planes mineros incluyen las previsiones para evitar los riesgos de la contaminación de las aguas subterráneas.

El uso de las tecnologías limpias para la preparación de carbón puede lograr reducir los contenidos de ceniza y limpiar las impurezas tales como el lodo y el azufre. Se desarrollan también nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia y el costo de estas operaciones de limpieza, al mismo tiempo que se mejora la calidad del agua de desecho.

Objetivo

Las tecnologías limpias de carbón se definen como "las tecnologías diseñadas para mejorar tanto la eficiencia como la tolerancia ambiental en la extracción, preparación y uso de carbón". Estas tecnologías reducen las emisiones, disminuyen pérdidas y aumentan la cantidad de energía aprovechada de cada tonelada de carbón.

Las tecnologías permitirán que el uso del carbón se haga cada vez más eficientemente, al mismo tiempo que ambientalmente aceptable, puesto que éste será una fuente vital de energía en el mundo entero durante el próximo siglo.

La mayoría de las tecnologías limpias de carbón se concentran en la producción de electricidad a partir del carbón, puesto que más del 50% del carbón que se produce se utiliza para este efecto.

Extracción y preparación de Carbón

Las tecnologías limpias para la minería del carbón son de fácil disponibilidad. Los métodos modernos de exploración, tales como las técnicas de geofísica y sísmica, minimizan cualquier impacto ambiental, y mejoran la planeación de la mina, al reducir la incertidumbre geológica. Las tecnologías de extracción mejoradas ayudan a maximizar las eficiencias de extracción y minimizan el uso de energía.

Ya son práctica normal las medidas para reducir los niveles de ruido y polvo, con lo cual se reducen al mínimo los riesgos a los operadores. La minería del carbón puede producir emisiones de gas metano, lo cual puede ser un riesgo potencial. Se utilizan diversos métodos para desalojar el gas y en algunos casos el mismo gas es utilizado como fuente energética. Los planes mineros incluyen las previsiones para evitar los riesgos de la contaminación de las aguas subterráneas.

El uso de las tecnologías limpias para la preparación de carbón puede lograr reducir los contenidos de ceniza y limpiar las impurezas tales como el lodo y el azufre. Se desarrollan también nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia y el costo de estas operaciones de limpieza, al mismo tiempo que se mejora la calidad del agua de desecho.

Gasificación integrada

Una alternativa a la combustión de carbón es la gasificación de carbón. Cuando el carbón entra en contacto con vapor y oxígeno, se producen reacciones termoquímicas que generan un gas combustible compuesto principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno, el cual cuando es quemado puede ser usado para turbinas de gas.

Sistemas híbridos

Los ciclos combinados híbridos están también en desarrollo. Estos combinan las mejores características de las tecnologías de gasificación y combustión, usando carbón en un proceso de dos etapas. La primera etapa gasifica la mayoría del carbón y mueve una turbina de gas, la segunda etapa quema el carbón residual (carbonizado) para producir vapor. Con estos sistemas puede ser posible alcanzar eficiencias mayores al 50%.

Uno de los grandes problemas en la extracción del carbón de las minas subterráneas es que se produce un gas muy venenoso, conocido como gas grisú (metano) que al mezclarse con el aire en una proporción superior a 6% puede explotar. Otro gran problema de las minas carboníferas son las condiciones de trabajo a las que están expuestos los mineros, pues al inhalar partículas de sílice (SiO2) del cuarzo cristalizado o amorfo de las minas pueden contraer una enfermedad mortal llamada silicosis.

Uno de los problemas de las centrales carboeléctricas es que entre los productos de la combustión que se liberan a la atmósfera está el bióxido de carbono y el dióxido de azufre; este último es un contaminante bastante peligroso. Por ello, las termoeléctricas que trabajan con carbón, como la de Río Escondido, tienen filtros que evitan que estas sustancias salgan a la atmósfera.

Central térmica, instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.

El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.

La descripción anterior se refiere a las centrales clásicas, ya que existe, aunque todavía en fase de investigación, otra generación de térmicas que mejoran el rendimiento en la combustión del carbón y disminuyen el impacto medioambiental: son las Centrales de Combustión de Lecho Fluidificado. En estas centrales se quema carbón sobre un lecho de partículas inertes (por ejemplo, de piedra caliza), a través de las que se hace circular una corriente de aire que mejora la combustión.

La última generación de térmicas son las GICC, Gasificación de Carbón Integrada en Ciclo Combinado, que parten de una tecnología con la que se consiguen gases combustibles a partir de la gasificación del carbón con una inyección de oxígeno. El gas combustible obtenido se depura y pasa a una turbina en cuyo alternador asociado se produce energía eléctrica, como en el ciclo de una térmica convencional. La obtención de gases combustibles a partir del carbón es un proceso conocido desde hace más de cien años, y fue impulsado en Alemania durante la II Guerra Mundial. Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas. Es una tecnología todavía en desarrollo, de forma que en Europa, a finales de la década de los noventa, sólo existían cinco plantas GICC, una de ellas en Puertollano, España. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.

Nosotros nos centraremos en las centrales térmicas convencionales o clásicas. Nos referimos mediante este término a las centrales que utilizan combustibles fósiles <pag2.htm> como materia prima, es decir, carbón, fuel y gas natural. En términos de producción de energía eléctrica, la única diferencia entre las centrales nucleares y las térmicas convencionales es la manera de generar el vapor para activar las turbinas. En las centrales nucleares el calor se produce por la fisión nuclear en un reactor, mientras que en las centrales convencionales el vapor se genera por la combustión del carbón o de derivados del petróleo.

En las centrales térmicas convencionales, la energía química liberada por el combustible fósil (carbón, gas o fuelóleo) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuelóleo o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado.

En el caso de una central térmica de carbón, el combustible se reduce primero a un polvo fino y se bombea después dentro del horno por medio de unos chorros de aire precalentados.* En definitiva, la energía liberada durante la combustión en la cámara de la caldera, independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse el agua en los tubos de la caldera y produce vapor.

El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado).

Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación.

El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento.

La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador síncrono acoplado a la turbina.

*La combustión de carbón pulverizado (PF) es el método más ampliamente usado para quemar carbón para generación eléctrica. En este método, el carbón es molido, pulverizado e inyectado con aire a la caldera. El carbón pulverizado tiene una gran área superficial, lo cual facilita su combustión en los quemadores. El calor generado es usado para producir vapor a altas presiones y temperaturas para activar las turbinas y generar electricidad.

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Las plantas modernas avanzadas utilizan aleaciones de acero, especialmente desarrolladas para alta resistencia que hacen posible el uso de vapor a condiciones supercríticas y ultra-supercríticas (presiones mayores a 248 bar y temperaturas mayores a 566°C) y pueden alcanzar, dependiendo de la localización, cerca del 45% de eficiencia. Esto conduce a una reducción en las emisiones de CO2, porque se usa menos combustible por unidad de electricidad producida.

En una central carboeléctrica el carbón pulverizado se transporta por medio de un ventilador a la caldera, en la cual se mezcla con aire caliente. Una vez en la caldera se quema para calentar agua y producir vapor. Ahí, los productos de combustión se aprovechan para calentar nuevamente el aire, eliminando las cenizas mediante una malla cargada eléctricamente que las atrae.

Por otro lado, el vapor se utiliza para mover una turbina que, unida a un generador, produce energía eléctrica.