PETROGRAFÍA DEL CARBÓN

Laura Sofía Ramírez Wilches

¿Qué es el Carbón?

El carbón 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.

Petrografía del CarbónTipificación por Litotipos y Macerales:

LITOTIPOS:

• VITRENO: formación brillante, negro, fragil, muy

reactivo (15%)

• CLARENO: Semibrillante, negro, ligeramente

estratificado, , reactivo (50%)

• DURENO: Mate, negro o negro grisaceo, duro,

áspero, bastante inerte (30%)

• FUSENO: Sedoso, negro, fibroso, friable (2%)

Macerales

• VITRINITA: Producida a partir de madera, por lo tanto se

deriva de la celulosa y la lignita, por proceso aerobio cerca

de la superficie; da origen a la Turba. (80% de contenido en

los carbones). Ocasiona plasticidad en los carbones. Tiene

alto contenido de oxigeno. Color negro

• EXINITA O LIPNITITA: Producida a partir de vegetales

mas resistentes a la degradación, como resinas, espora,

polen, algas (alto contenido de hidrogeno y volátiles), por

proceso anaerobio. Color gris oscuro a negro. Produce

alquitrán durante la combustión

• INERTITA: De origen similar a la vitrinita, pero con

procesos de deshidrogenación previos, por procesos

aerobios. Se encuentra mezclado con la vitrinita por lo

general. Presenta alto contenido en carbono y bajo en

hidrogeno. De color gris claro a blanco brillante

Clasificación Macerales

Vitrinita

Vitrinita

Exinita (liptinita)

Exinita

Inertinita

Clasificación del CarbónClasificación por sus propiedades fisicoquímicas:

• Clasificación Francesa: Se basa el el % de

material volatil e indice de inflmación

• Clasificación Europea: Se bas el el % de Carbón y

evolución geologica

• Clasificación de Seyler: Se basa en los % de

Carbono. Hidrogeno y Oxigeno

• Clasificación Americana: Se basa en el % de

carbono y poder calorífico.

Clasificación de Seyler

Clasificación Americana

Características

• Carbón Antracita: Es el 1% de las reservas mundiales,

sirve para producción de coque, y se usa para la industria

termoeléctrica y calentamiento de hogares.

• Carbón Bituminoso: Tiene entre 50 u 80% de Carbono

y se usa para la industria de energía y siderúrgica.

• Carbón Sub-bituminoso: Tiene entre 15-30% de

humedad, no sirve para coque, se usa en la industria

energética.

• Carbón Lignito: tiene aprox. 45% de humedad, no sirve

para coque, y se usa para producir energía de baja

calidad.

Análisis del Carbón

• Captación de muestra:

Norma ASTM D2234 (barcos, pilas, etc)

Norma ASTM D 197 (pulverizado) (gross sample:10 kg de muestra por cada 10 t de carbón)

• Preparación para el análisis:

Normas ISO 1988; UNE 32102; ASTM D

2013 muestra para análisis: 50 g < 250 µm (60 mesh)

¿Qué análisis se le hacen al carbón para poderlo Clasificar?

• Análisis Petrográfico

• Análisis inmediato

• Análisis último o elemental

• Análisis de Cenizas

• Determinación de trazas

• Análisis mecánicos

Análisis Petrográfico

• De secciones o Láminas

DelgadasSe cortan secciones muy finas y se

observan a través de un microscopio

petrográfico.

• De superficies pulidasSe pule la superficie a analizar y se observa

con un microscopio metalográfico

Análisis inmediato

Análisis rutinario para el control químico del

carbón; su interpretación da una idea clara de la

distribución de los productos que se obtendrían

por la destilación destructiva (pirólisis) del

carbón

HumedadDeterminación gravimétrica por pérdida de peso

según Normas.

Se presenta en cuatro formas distintas: • Superficial, bruta o libre (Se elimina por secado al aire)

• Higroscópica o física adsorbida (determinada en el análisis

inmediato)

• Quimisorbida (agua combinada o de descomposición se

elimina entre 160 y 170°C)

• Mineral (agua de constitución eliminada por encima de

500°C )

Influencia de la humedad en el análisis y

compraventa de carbones.

Material volátil

Componentes del carbón que se liberan

cuando se calienta (900°C) al abrigo del aire,

descontando la humedad higroscópica.

Se produce debido a la descomposición

térmica que genera el calentamiento brusco.• Parámetro de clasificación del carbón en casi todos

los sistemas.

• Su contenido en la fracción orgánica es una medida

equivalente de la relación H/C.

• Útil para seleccionar sistema de combustión mas

adecuado para un carbón y/o determinar rendimiento

en los procesos de carbonización.

Cenizas

Residuo inorgánico no combustible que

permanece después de la combustión.

No se debe interpretar como una medida de la

fracción mineral del carbón.

Utilización de datos de cenizas: • Alto contenido de cenizas reduce el poder calorífico del

carbón.

• Temperatura de fusión de cenizas.

• Durante la coquización, las cenizas quedan incluidas en

el coque.

• Influyen en los procesos de hidrogenación y gasificación

Carbono fijo

Se obtiene por diferencia hasta 100 de las

suma de los contenidos de humedad,

cenizas y volátiles.

Se usa para estimar la cantidad de coque o

‘char’ (productos de combustión

intermedios) que se pueden producir, y el

contenido de no quemados en la material

volante.

Análisis último o elemental

Determinación de los porcentajes en peso de

carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno y oxígeno

(por diferencia). No da información de la

estructura del carbón.

Determinación en equipos LECO muy arraigada.

Método de combustión a elevada temperatura

(1050°C)

Relación entre C/H y estructura del carbón.

En términos generales A mayor relación C/H ⇒ mayor aromaticidad y grado de

condensación en el carbón

Carbono e Hidrogeno

Método Liebig: Combustión con oxígeno seco a temperatura

controlada (850-900°C). Se convierte el C en CO 2 y el H en H

2O, que se determinan gravimétricamente sobre asbesto sodado

(ascarita) y perclorato de magnesio respectivamente.

Fórmulas de cálculo:

Siendo:

A: incremento en peso del tubo de absorción de CO 2

B: incremento en peso del tubo de absorción de H 2O

m. gramos de muestra

Nitrogeno

Método Kjeldahl-Gunning: Convierte el N en

sulfato amónico por digestión destructiva con

H2SO4 concentrado y en caliente. Por tratamiento

posterior con NaOH se desprende el NH3 que se

recoge sobre ácido bórico y se titula por retroceso.

Analizadores LECO: Modelo CNH-600. CO2 y

H2O de combustión a 1100°C se detectan por IR.

Reducción de los NOx a N y detección por

conductividad térmica del gas.

AzufrePresente en tres forma: • Sulfuros ó Azufre pirítico SP » Extracción con HNO3

evaporación y disoluciones sucesivas en HCl

• Sulfatos ó Azufre inorgánico SI » Extracción con HCl

• Heteroátomos o Azufre orgánico SO » Por diferencia entre

el azufre total y el pirítico e inorgánico

STOTAL = S P + S I + S O

Método de combustión a elevada temperatura; todo

el S se convierte en SO2 y SO3 y se determina

como H2SO4

Norma ASTM D3177 ó ISO 351 ASTM 4239 ó

UNE32010

Análisis de CenizasFusión de cenizas

Calentamiento desde temperatura ambiente hasta

1600°C a 5°C/min.

• Atmósfera oxidante (aire; O 2) y/o reductora (60% CO + 40%

CO 2) Temperatura inicial de deformación: Viscosidad 10 7 - 10

9 Nsm-2

• Temperatura reblandecimiento: Altura igual al ancho de la base.

Viscosidad 10 5 - 10 7 Nsm-2. Adherencia de las cenizas.

• Temperatura hemisferio: Altura igual a 1/2 de la base.

Viscosidad 10 3 - 10 5 Nsm-2

• Temperatura de fluidez: Líquido desparramado. Viscosidad < 10

3 Nsm-2

Interpretación de resultados

Según la temperatura de reblandecimiento se distinguen: • Carbones que forman escorias: Cenizas con Ts < 1200°C y se

descargan como líquidos fundidos.

• Carbones que no forman escorias: Cenizas con Ts > 1425°C y

se descargan como sólidos. Z

Clasificación de las cenizas según temperatura

de fluidez

Determinación de trazas

Se realiza por condicionantes medioambientales,

para el control de material particulado al ambiento

por la combustión del carbón.

Se realizan de forma similar a la determinación de

nitrógeno y azufre, por digestión de las muestras y

posteriormente con reacción química con

sustancias que por gravimetría nos permitan

determinar la cantidad de un metal. O por análisis

espectrometricos en equipos complejos.

Poder CaloríficoMedia del calor liberado por

combustión de la materia

orgánica del carbón.

• Poder calorífico superior

(PCS)» Productos de combustión a 25°C ⇒Agua líquida.

• Poder calorífico inferior (PCI)» Agua como vapor a 25°C, por lo que

constituye una mejor medida del calor

realmente aprovechable.

Norma ASTM D2015

PCI ~ PCS - 0,212 %H

Variación del Poder Calorífico con el Rango del carbón.

Propiedades físicas y mecánicas

MANEJABILIDAD: Asociados a la facilidad de

transporte. Almacenamiento y tratamiento:

• Densidad aparente

• Distribuciónde tamaño

• Friabilidad

MOLTURABILIDAD: (Indice de Hardgrove)

Sirve para medir la (trituración) del carbón

INDICE DE ABRASIVIDAD: Sirve par medir la

capacidad de desgastar molinos que tiene los

carbones

Propiedades físicas y mecánicas

INDICE DE HINCHAMIENTO Y

AGLOMERACIÓN: Es un indicador del

comportamiento del carbón cuando se

calienta.

A mayor índice de hinchamiento, mayor

producción de residuos porosos de poco peso

en la combustión.

• El índice de hinchamiento libre nos

determina las propiedades coquizantes del

carbón.

• El Índice de Roga Determina propiedades

aglutinantes de los carbones.