Combustibles sólidos

Hay dos tipos de combustibles sólidos:

• Los combustibles sólidos naturales: son la leña, el carbón y los residuos agrícolas

• Los combustibles sólidos artificiales: son el resultado de procesos de pirogenación a que sometemos los combustibles sólidos naturales. Es un proceso mediante el cual, aplicando calor sin contacto con el aire, obtenemos los combustibles sólidos artificiales. En este grupo están los aglomerados o briquetas, alcoque de petróleo y de carbón y carbón vegetal.

El carbón

Es un combustible sólido de origen vegetal, en el que intervinieron en su formación un proceso de descomposición de los vegetales. Está formado por :

• Combinaciones hidrogenadas

• Combinaciones oxigenadas

• Combinaciones nitrogenadas

• Combinaciones sulfuradas

Hay varios tipos de carbón

• La turba: Es la primera etapa en la formación del carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad

• El lignito: Es carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor

• El carbón bituminoso: Tiene un contenido alto de carbón y un poder calorífico mayor

• La antracita: Es el carbón con contenido de carbono mas alto y el máximo poder calorífico. La presión y la temperatura lo pueden transformar en grafito que es carbono puro

Propiedades del carbón

Mecánicas

• Dureza: Se mide por el tamaño y profundidad de la raya producida por un cuerpo penetrante. La antracita se comporta como un cuerpo elástico porque no es rayado. Los carbones que contienen entre 80-85% de carbono muestran un máximo de dureza. De los componentes del carbón el que presenta mas dureza es el dureno y el mas blando es el vitreno

• Abrasividad: Es la capacidad del carbón para desgastar elementos metálicos

• Resistencia mecánica: Debe medirse en el sentido normal de la estratificación

• Cohesión: Es la acción y efecto que tiende a unir los componentes de la materia carbonosa

• Friabilidad: Es la facilidad que presentan los carbones para romperse. Es lo opuesto a la cohesión. Para medir la fragilidad es necesario hacer dos pruebas para saber la fuerza de rozamiento y la fuerza de choque

• Triturabilidad: Es la facilidad con la que el carbón se desmenuza sin reducirse a polvo. Es una combinación de dureza, resistencia, tenacidad, y modo de fractura

Térmicas

• Conductibilidad térmica: Es la capacidad que presenta el carbón para conducir el calor

• Calor específico: Es la cantidad de calor necesario para elevar 1 gr. de carbón 1ºC

• Dilatación: Es el aumento de volumen por el efecto del incremento de temperatura

Eléctricas

• Conductividad eléctrica: Capacidad para conducir la corriente eléctrica. Esta propiedad depende de la presión, la temperatura y el contenido del agua en el carbón

• Constante dieléctrica: Es una medida de polarizabilidad electrostática del carbón dieléctrico

Física

• Densidad: Es una magnitud difícil de medir. Se definen varios tipos de densidad:

• Densidad a granel o en masa: Es el peso en Kg/m3 del conjunto del carbón en trozos

• Densidad de carga o estiba: Se emplea cuando el carbón se almacena en una retorta de coquización. Depende de la clase de carbón, el tamaño y la humedad

• Peso específico aparente: Es el peso específico de un trozo de carbón en su estado natural

• Peso específico verdadero: El que presenta la sustancia carbonosa sin poros y sin humedad pero con la materia mineral que contenga

• Peso específico unitario: Se prescinde de la materia mineral

• Contenido en agua: El agua se puede presentar de varias formas

• Agua de hidratación: Es la que está químicamente combinada. Forma parte de la materia mineral que acompaña al carbón

• Agua ocluida: La que queda retenida en los poros del carbón. Puede proceder de los lugares donde se formó el carbón o de las reacciones posteriores

• Agua de inhibición: Es el agua que contiene debido a procesos artificiales en la extracción. El agua queda absorbida en la superficie. Se elimina calentando a 100-105ºC

Origen del carbón

Para que surja el carbón a partir de la celulosa y no se descomponga en CO2 + H2O es necesario:

• un ecosistema con mucha vegetación

• que el ecosistema tenga un rápido crecimiento para que el intercambio de biomasa sea elevado

• que los restos vegetales se acumulen con el oxígeno

• que los restos vegetales inicien una fermentación anaeróbica

• que los materiales acumulados se cubran de sedimentos para evitar su degradación

• el conjunto de sedimentos y restos orgánicos tienen que pasar un proceso de subsidencia

Yacimientos

• Cielo abierto : Se usa cuando los yacimientos están a poca profundidad. Adquieren formas circulares. Tienen que estar paralelos a la superficie

• Galerías: Son las mas conocidas y tradicionales. Se usan para extraer carbón a mas de 500 metros. Se realiza un pozo principal del que se van haciendo galerías que se ramifican. Esta forma es mas dificultosa que la de cielo abierto, la seguridad es menor, hay que hacer un sistema de oxigenación en todas las galerías y el coste es mayor

• Explotaciones a gran profundidad : Se realiza la transformación de forma directa. Sólo se utiliza cuando los yacimientos están a mucha profundidad, siendo de difícil acceso. Consiste en la combustión directa del carbón y la extracción de diferentes gases que se destilan. Este tipo tiene un rendimiento bajo. El carbón arde a gran profundidad convirtiéndose en gases que ascienden aprovechándolos en el exterior.

Análisis del carbón

Incluye las siguientes etapas:

• Análisis petrográfico

• Análisis inmediato

• Análisis último o elemental

• Análisis de las cenizas

• Determinación de trazas

Análisis petrográfico

Se trata de un estudio microscópico de los tipos de rocas que forman el carbón. Se utilizan dos tipos

• de secciones o láminas delgadas: consiste en cortar una sección muy fina de la masa carbonosa y estudiarla a través de un microscopio petrográfico

• de superficies pulidas: consiste en pulir la superficie de una masa carbonosa y observarla con un microscopio metalográfico

Con estos análisis podemos determinar sus propiedades tecnológicas para identificar los componentes del carbón y poder clasificarlos

Análisis inmediato

Consiste en determinar el contenido en humedad (H), materias no combustibles (CZ), carbono fijo (CF) y materias volátiles (MV). Se debe cumplir : H + CZ + CF = 100%

Análisis último o elemental

Permite determinar el contenido de cada uno de los elementos fundamentales que se encuentran en el carbono, es decir carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y azufre

Análisis de las cenizas

Las cenizas son la parte incombustible del carbón que procede de la materia mineral de la masa vegetal. Nos proporciona una idea de que tipo de minerales formaban parte del carbón: silicatos, aluminosilicatos, carbonatos, sulfuros, sulfatos ...

Determinación de trazas

Las trazas son elementos que se encuentran en contenidos muy pequeños del orden de 1/104. Consiste en detectar una serie de elementos que pueden estar en concentraciones muy pequeñas y que si no se detectan pueden causar problemas. Las técnicas que se emplean son sofisticadas y muy caras: rayos X, espectroscopias de masas...

Preparación del carbón

Consiste en toda una serie de operaciones que son necesarias efectuar con el carbón desde que se extrae hasta ser usado en procesos tecnológicos. Incluye siete etapas:

• separación de los tipos de carbón por el aspecto del mismo

• Tamizado o clasificación por tamaño

• Escogido a mano

• Trituración y quebrantamiento

• Lavado mecánico

• Secado

• Mezclado de carbones

Separación por aspecto

Es aplicable siempre que existan vetas bien definidas en la veta carbonífera. El picador es el que selecciona

Tamizado

Los tamices son placas cuadradas con cuadrículas de diferentes tamaños y se usan para poder clasificar los carbones por tamaño de partícula

Escogido a mano

Se aplica a trozos de carbón de gran tamaño

Trituración y quebrantamiento

Se trata de reducir el tamaño para mejor manejo y salida comercial. Se realizan acciones mecánicas como compresión, rodadura, impacto, flexión, desgaste o rozamiento

Lavado mecánico

Se trata de reducir las cenizas que nos va a dar el producto en el proceso de combustión. Se deben tener en cuenta características como tamaño, forma, elasticidad, conductividad, humidictividad, densidad. Los procesos de lavado pueden ser en seco y en mojado:

• seco: se basan en las diferencias de densidad y fricción en seco. También en las diferencias de elasticidad

• húmedo: se basan en las diferencias de tamaño y forma

Mezclado de carbones

Es un proceso auxiliar dentro de la preparación. Estos procesos son: floculación, desaguado y mezclado

• Floculación: Consiste en recuperar del agua los productos del lavado del carbón y otros productos mediante la actuación de ciertos elementos que los van a hacer precipitar. La función más importante es eliminar estos productos de las aguas de lavado y poder así usar el carbón

• Desaguado: Consiste en sacar parte del agua que tienen los carbones. Se pasan por tamices con reja metálica. El tamaño debe estar entre 12 y 13 mm. Para tamaños menores se usan tolvas y centrifugados y para tamaños mas pequeños se usan filtros de vacío y filtros de presión

• El mezclado: Consiste en mezclar varias clases de carbones con diferentes propiedades para que la mezcla resultante cumpla ciertos requisitos.

Almacenamiento del carbón

El carbón se almacena en grandes cantidades y durante periodos largos debido a sus uso industrial. Los grandes almacenamientos del carbón se llaman parques y se suelen situar al aire libre. El tamaño que vaya a tener el parque va a depender de:

• situación geográfica

• medio de transporte utilizado

• clima

• proceso de producción y fabricación

El carbón almacenado sufre fenómenos de deterioro debido a la humedad ambiental y al oxígeno del aire. La humedad ambiental degrada el carbón en influye sobre la temperatura de la pila. El oxígeno reacciona a bajas temperaturas provocando variaciones en el carbón y aumenta el peso, el contenido en oxígeno, temperatura de ignición, higroscopicidad, solubilidad en sales cáusticas, solubilidad en alcohol. Disminuye el contenido de hidrógeno, el poder calorífico, poder coquizante y el tamaño medio de granulometría.

Al estar el carbón en contacto con el aire, implica que va a estar en contacto con el oxígeno. Esto hace que el carbono se transforme en CO2.

La velocidad de oxidación del carbón aumenta con la temperatura con el tamaño de las partículas de carbón y con la concentración de O2. El fenómeno de combustión en la pila se denomina combustión espontánea del carbón. Para que se produzca es necesario que el calor se vaya transmitiendo y aumentando la temperatura.

Las causas de la combustión espontánea son:

• tamaño de partícula: al disminuir el tamaño de partícula aumentará la superficie expuesta a la reacción y esto implica un aumento de velocidad

• calor ambiental

• ácido húmico: Es un problema en la hulla y lignito ya que fijan el oxígeno y ayudan a la combustión instantánea

• bacterias: desprenden calor, por lo que en focos puntuales pueden iniciar la combustión espontánea

Hay dos factores que influyen en la velocidad de oxidación del carbón:

• rango

• tamaño

Cuanto mayor sea el rango menor será la oxidación sufrida. El tamaño influye en el sentido de que cuanto más tamaño tenga el carbón mayor va a ser la superficie de contacto y esto implicará mayor velocidad de oxidación.

Problemas de contaminación

El crecimiento del uso del carbón desde 1973 ha sido mucho menor de lo previsto. El carbón está asociado a muchos más problemas que el petróleo. La minería subterránea puede producir silicosis en los mineros, hundimiento del suelo situados sobre las minas y filtraciones de ácido a los acuíferos.

La minería a cielo abierto exige una cuidadosa restauración del entorno para que la tierra vuelva a ser productiva y el paisaje se recupere

La combustión del carbón provoca la emisión de partículas de dióxido de carbono, óxido de azufre y otras impurezas. Se cree que la lluvia ácida se debe en parte a dichas emisiones. En la década de 1990, la preocupación por el calentamiento del planeta hizo que algunos gobiernos tomaran medidas para reducir las emisiones de dióxido de carbono producidas por la combustión de carbón, petróleo y gas. La solución es costosa

Reservas mundiales de carbón

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

En Gran Bretaña existen yacimientos en el sur de Escocia, Inglaterra y Gales

En Europa Occidental hay en toda la región francesa de Alsacia, en Bélgica y en los valles alemanes del Sarre y el Rurh.

En Centroamérica hay yacimientos en Polonia, la República Checa y Hungría.

El yacimiento de carbón más extenso y valioso de la ex unión soviética es el situado en la cuenca de Donets; también se han explotado grandes depósitos de la cuenca carbonera de Kuznetsk en Siberia Occidental.

Los yacimientos carboníferos del noroeste de China fueron poco explotados hasta el siglo XX

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