Derivados del
Carbón
¿Qué es el carbón?
• El carbón o carbón mineral es una roca sedimentaria de
color negro, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos, principalmente hidrógeno, azufre,
oxígeno y nitrógeno, utilizada como combustible fósil.
Carbón tipo hulla.
Propiedades del carbón
Mecánicas
• Dureza • Resistencia Mecánica • Fragilidad • TriturabilidadFísicas
• Densidad y peso específico • Contenido en agua
Los carbones se clasifican en :
Naturales
• Antracita. Contiene menos impurezas y más contenido en carbono; por tanto, es el de mayor poder calorífico. El contenido en materias volátiles es muy bajo y su combustión es muy limpia. Se utilizaba para usos domésticos antes de ser sustituido por otros combustibles. Actualmente se emplea en las centrales termoeléctricas.
• Hulla. Reúne a una gran variedad de carbones con diferente contenido en impurezas. Es el de más importancia económica. Actualmente se usa en la siderurgia, centrales termoeléctricas, y en algunos otros sectores industriales.
• Lignito. Es el carbón con mayor grado de impurezas y, por tanto, de menor poder calorífico. Se destina a la producción termoeléctrica.
• Turba. Denominado carbón joven por su rápida formación, es el de mayor contenido en impurezas y humedad, y el de menor poder calorífico.
Artificiales
• Carbón Bituminoso. Es un carbón mineral denso de color
negro o marrón oscuro, se utiliza para su combustión en centrales térmicas y para la producción de coque metalúrgico. La hulla pertenece a este tipo de carbón bituminoso, con contenidos altos y medio en volátiles.
• Carbón Sub-Bituminoso. Estos carbones presentan
propiedades intermedias entre las del lignito y los carbones bituminosos. Normalmente se utilizan en centrales térmicas para la producción de energía.
• Lignito. Es de rango inferior al de los carbones
sub-bituminosos, y por lo general, presenta un color marrón oscuro por lo que se les denomina a veces lignitos pardos. Se usan principalmente en la producción de energía en centrales térmicas.
Yacimientos y extracción del
carbón
Procesos importantes en la
industria del carbón
•
Combustión
•
Pirolisis
•
Licuefacción
•
Gasificación
Combustión del carbón
•
Cuando queremos combustionar un carbón es
necesario llegar a una cierta temperatura para
provocar su inflamación, por lo que será necesario
aportar una cierta cantidad de calor. Hay que
acumular calor hasta superar la llamada
temperatura de inflación.
•
El proceso de combustión del carbón es cuando se
pone el carbón en contacto con el O2 y a una
temperatura tal que el carbono se convierta en
carbono fijo y volátil y así se consiga un buen
contacto entre ambos.
Combustión por parrilla
• Las parrillas, enrejado que sustenta la masa del carbón, se
clasifican en fijas y móviles.
• Dentro de las parrillas fijas están las de alimentación
superior y las alimentación inferior.
• El tipo de parrilla se escoge dependiendo de muchos
factores: tipo de instalación, tamaño de partícula, rendimiento necesario.
• La masa de parrilla en el carbón va a presentar cuatro zonas
bien diferenciadas:
• Zona de cenizas: Perjudicial porque apantalla la cantidad de calor. Sin embargo protege la parrilla.
• Zona de oxidación: Aquí se produce la combustión primaria.
• Zona de reducción.
• Zona de destilación: La materia volátil se recalienta y se obtiene el residuo de coque.
Durante la reacción de combustión de un carbón se nos hace necesario regular los siguientes aspectos:
• Suministro de aire
• Tiempo de combustión
• Enfriamiento de gases de horno
• Granulometría
Es necesario tener en cuenta la velocidad de suministro, la cantidad y calidad del aire, distribución del aire y el exceso del mismo.
Si queremos que se realice una combustión completa no llega en la práctica con aportar el aire primario requerido teóricamente para quemar el carbono fijo del carbón (transformando este en CO2). Si el lecho de carbón es poco profundo, no habrá un buen contacto con el aire.
• De este modo conseguimos que se produzcan las siguientes
reacciones:
C + ½ O2 CO CO + O2 CO2
Combustión sin parrilla
Se usa cuando el carbón tiene un tamaño muy pequeño. Tiene la ventaja de que al estar el carbón muy pulverizado, la superficie de contacto va a ser mucho mayor. Va a presentar su combustión una llama larga, casi como la que presentan los gases. Sin embargo, la combustión es más lenta. Se necesitan cámaras de combustión más grandes. Presenta su combustión un rendimiento alto y es fácil de regular.
Ventajas:
• Aplicable a gran variedad de carbones
• Alto rendimiento
• Altas temperaturas
Inconvenientes:
• Cuando el carbón tiene ceniza, ésta es difícil de eliminar
• La instalación inicial es cara (hay que efectuar una serie de procesos previos: molido, tamizado, transporte)
• Tiene tendencia a escorificar en las paredes refractarias. Esto requerirá un mayor mantenimiento.
Desventajas de la combustión
En la combustión se van a formar una serie de compuestos (humos y gases de combustión), que se suelen expulsar a la atmósfera, ya que suelen ser desechos. El problema radica en la composición de estos gases y en sus cantidades. Los gases de combustión suelen tener los siguientes compuestos, cuando la combustión es buena.
• CO2, H2, SO2, N2, O2
Si la combustión es mala tendremos:
• CO2, CO, H2O, SO2, N2, O2.
El SO2 emitido, en contacto con el H2O (en humos o en la propia atmósfera, forma el H2SO4, que es el responsable de la lluvia ácida.
Tecnologías limpias del
carbón
• En la actualidad se tienden a utilizar procedimientos que
permitan unas condiciones lo más ideales posibles para la combustión del carbón.
• CFBC: Combustión en lecho fluidizado circulante
(Circulating fluidized bed combustion).
• PFBC: Combustión en lecho fluidizado a presión (Pressure
fluidized bed combustion).
• CFBC: El fluido que sostiene el carbón es aire y caliza. La
caliza sirve para ayudar a fijar el SO2 que se produce, como sulfato cálcico, y además baja la temperatura del proceso, lo que evita la formación de los Nox. La secuencia de reacciones es:
• S + O2 SO2
• SO2 +CaCO3 CaSO4 [desciende la temperatura]
• PFBC: En este proceso existe una cierta presión en el
horno. El gas de combustión se va a depurar y expandir en una turbina de gas, para así aprovecharlo.
• IGCC: En este proceso el carbón se gasifica parcialmente
con aire en un horno a presión. Lo que se obtiene en este proceso es un gas con monóxido de carbono y H2. El gas se depura, y una vez frío se quema (oxida) y una vez quemado se emplea la energía obtenida para producir electricidad en una turbina de gas.
Pirolisis del carbón
• La pirolisis es la descomposición química de la materia orgánica y todo tipo de materiales excepto metales y vidrios causada por el calentamiento en ausencia de oxigeno. La pirolisis extreme que solo deja carbono como residuo se llama carbonización. Carbón
Madera pirolisis Coque Carbón vegetal
Licuefacción directa del carbón
o proceso Pott-Broche
• Es un proceso químico que convierte el carbón directamente
en una mezcla de hidrocarburos líquidos denominada "crudo sintético".
• Aunque existen muchas variantes del proceso, todas
coinciden en que primero se disuelve el carbón en un disolvente a alta presión y temperatura y luego se añade hidrógeno para realizar un hidrocraqueo en presencia de un catalizador. El producto obtenido es un crudo sintético que a continuación hay que refinar, consumiendo más hidrógeno.
Licuefacción indirecta o
proceso de Fischer-Tropsch.
• El proceso Fischer-Tropsch es un proceso químico para la
producción de hidrocarburos líquidos (gasolina, keroseno, gasoil y lubricantes) a partir de gas de síntesis (CO y H2). Fue inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch en los años 1920.
• El producto obtenido a la salida de un reactor de Fischer-Tropsch consiste en una mezcla de hidrocarburos con una distribución muy amplia de pesos moleculares, que van desde los gases hasta las ceras pasando por la gasolina, el keroseno y el gasóleo. La naturaleza y proporción de los productos depende del tipo de reactor y de catalizador. En general los procesos que operan a alta temperatura producen una mayoría de gasolinas olefínicas mientras que los de baja temperatura dan sobre todo gasóleos parafínicos.
Reacciones del proceso
Parafin as Olefinas Producción de metano Producción de alcoholesGas de síntesis
El gas de síntesis o Sintegas es un combustible gaseoso obtenido a partir de sustancias ricas en carbono (hulla, carbón, coque, nafta, biomasa) sometidas a un proceso químico a alta temperatura. Contiene cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2).
Métodos de producción
• Gas de alumbrado o gas de hulla: Se produce por
pirolisis, destilación de la hulla en ausencia de aire y a alta temperatura (1200-1300 °C), o bien, por pirolisis del lignito a baja temperatura. En estos casos se obtiene coque (hulla) o semicoque (lignito) como residuo, que se usa como
combustible aunque no sirve para la industria del hierro.
• Gas de coque o gas de coquería: Se obtiene por
calentamiento intenso y lento de la hulla (hulla grasa) con una combinación de aire y vapor, a alta temperatura, en las coquerías. Aparte del coque sólido fabricado, de gran
interés para la industria siderúrgica y la síntesis de acetileno, se forma un gas que contiene hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno y dióxido de carbono.
Métodos de producción
• Gas de generador de gasógeno o gas de aire: Se
obtiene haciendo pasar aire a través de una capa gruesa de gránulos de carbón o de coque incandescente. A mayor
temperatura, mayor proporción de monóxido de carbono y menor proporción de dióxido de carbono.
Métodos de producción
•
Gas de agua: Se obtiene haciendo pasar vapor
de agua sobre coque a alta temperatura. Su llama
es de color azul por lo que también se llama gas
azul. Este gas se puede transformar en metanol o
alcanos, empleando catalizadores heterogéneos
apropiados.
Comparación de licuefacción
directa e indirecta
• La licuefacción directa presume de poder alcanzar mayor
rendimiento energético cuando se calcula el rendimiento incluyendo la combustión de los productos en motores, se observa que ambos procesos quedan más o menos igualados, al ser de mayor calidad los combustibles Fischer-Tropsch.
• Los productos de la licuefacción directa son altamente
aromáticos, lo cual los hace poco adaptados a las especificaciones actuales de los combustibles de automoción. El gasoil de la vía indirecta, por el contrario, tiene la ventaja de ser altamente parafínico y por tanto tener un alto índice de cetano.
Comparación de la licuefacción
directa e indirecta
• Tanto los productos de la licuefacción directa como los de
Fischer-Tropsch requieren una etapa de hidrotratamiento para aumentar su calidad a niveles comercializables. En la licuefacción directa el consumo de hidrógeno es mucho mayor y la calidad de los productos obtenidos es menor.
• La gasificación permite separar fácilmente una gran parte
del CO2 generado, Ello podría teóricamente hacer posible su captura y secuestro a largo plazo, haciendo compatible este proceso con el Protocolo de Kioto para la reducción de emisiones de gases a efecto invernadero. La licuefacción directa no permite el secuestro de CO2 ni siquiera en teoría.
Gasificación del carbono
• En lugar de quemar el combustible fósil, éste se transforma
químicamente en un gas natural sintético o gas de síntesis.
• Es el gas metano de carbón, un proceso que permite
acceder a depósitos de carbón que están demasiado profundos para explorarlos por medio de la minería tradicional.
• Consiste en extraer el agua de la veta, lo que libera el
metano adherido a la superficie del carbón, que luego se almacena.
Coquización del carbono
• Coquización es un proceso de destilación seca destructiva
de carbón para convertirlo de un material denso y frágil a uno fuerte y poroso; los subproductos valiosos se recuperan en el proceso.
• No todas las clases de carbón son útiles para fabricar coque.
Entre los que no son útiles se encuentran los porosos pero con baja resistencia a la compresión o con residuos de polvo. Fuera de las tres clases de carbón reconocidas en la industria alta, media o baja volatilidad, solo una subclase entre los de alta volatilidad y algunos pero no todos los de media volatilidad son producidos para el alto horno.
• Combustible Como combustible se emplea en hornos
para tratamientos metalúrgicos formando lechos de espesor suficiente para que la combustión no se interrumpa por la posible llegada de comburente frío. La principal ventaja que ofrece este combustible deriva de la ausencia de humos, por estar exento de materias volátiles.
• Reductor Metalúrgico la obtención de metales como el
hierro, el estaño, el cobre o el cinc, utiliza conjuntamente sus propiedades de combustible y de reductor de acción directa o indirecta por el CO formado en la combustión incompleta, lo que implica la previa gasificación de C a CO.
• Para síntesis química
Utilidades del coque
La fabricación de carburo cálcico (C2Ca) y cianamida cálcica ( CN2Ca), ambos productos ahora obsoletos.
Carbón y medio ambiente
• La industria del carbón ha aceptado la necesidad de un
desempeño ambiental mejorado a partir del uso del carbón ya que al quemar carbón en plantas de energía se produce, además de energía, residuos que contienen constituyentes que pueden ser dañinos para el medio ambiente. El carbón contiene cantidades traza de un amplio intervalo de elementos, incluyendo metales y metaloides tóxicos.
