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SENA

CENTRO NACIONAL MINERO

UNIDAD PEDAGOGICZ PARA EL CURSO DE TECNICOS I

EN MINERIA

"QUIMICA DEL CARBON"

(química aplicada Parte "d")

Elaborado en el Centro Nacional Minero Regional Boyacá a través del convenio SENA - CIDA

Septiembre de 1976

"

QUIMICA DEL CARBON

INTRODVCCION:: .; •

Carbón es ..un término aplicado a materlales vegetales:los epa-

les a través de procesos geológicos de presión y temperatura

han tomado suscaracteristicas, o propiedadeS .quimicao y f5.s

cas.

Como su composiqión quíMi.ca es variable, los geólogos-clasi-

fican el carbón como una roca y-no como un Vmineral.

La TURBArepresenta,la etapa inicial en el desarrollo del car

bónr.pero la. TURBA no se clasifica como «verdadero carbón.

Com4 e1,carbón es un material de las tierras que, resulta de la

putrefacción de plantas que crecie7con en pantanos primordial-

mente, entonces se puede encontrar carbones en. diferentes eta

pas de desarrollo.

Las principales clasificaciones de acuerdo al desarrollo son:

1. Antracita

2... Carbón bituminoso - que contiene altos, medios y bajos vo-

látiles

3 Lignito o carbón café

4. Turba

PROpTEpADES FISICAS-

Dos propiedades físicas están relacionadas con las; car:acterls- .

tipas d lcabón en. su estado natural. Por ejeMp1.0,, la dureza

del carbón determina los costos. -de mantenimiento. para equipos

con los cuales .se maneja el carbón,7,1a -gravedaplespecifica de-

4

termina la la preparación tcnica que se puci utilizar la1

plantas lavadórás, además laCaPádidad'de tóvas, 'sistemas

de' transporte, alniacehaje y volumen de. carbón'suelto.

Las propiedades fisicás dependen der ld&cbktenidOS químicos

que forman el carbón, por lo tanto todas las propiedades es,-; -

tan relacionadas tanto química como Éléldámliitól.

1. Gravedad-- espeCifical La gravedad específica del carbón

puto. se encúentra generalmente en-

tré 1.25 y 1.70 incralentaáa de acuerdo con su contenido

en volátileá.. 'Ésta Propiedad impottancia en

-,r

los métodos que áeutilizan lc lavado: Él r)rinciplo ba

sico que utilizan las' plantas idVadoras en su operacion

es la diferencia de gravedad espcífica de los carbones

y de sus impurezaS. :yie hay tina 'relación -entre la velo-

cidad última la caída de partículas en agua y su densi

dad. Como la gravetiad espe'cl'-ica de las p3.zarrs os cer-

ca de 2.5 y la de la pirita (FeS2) es de 5.0, 6sta y la

pizarra caerán al fondo de un recipiente lléno de agua con

mayor velocidad que el carbón.

_ Si el agua tiene un movimiento de pulsación arriba y aba-

lo producido por aire comprimí 'b,` por ejemplo, entonces

las partículas de estóril van al fondo y el carbón queda

en la superficie donde se recupera. Además, a veces se

utilizan líquiins bastante -lensos, .lentrO de los cuales

3 -

se puede separar cl carbón -le sus impurerzas mgá pesadas.

El peso y gravedad específicas 'el carbón depénden dé la

cantidad y clase de materias minerales o cenizas 'que 'con-

tienen, aqemás de su porosidad, compactación y contenido

de carbono. La gravedad especifica de un carbón también

afecta la calidad en la combustión, de tal forma que se

pue .lon encen_ler mejor los carbones que tienen menor den-

sidal wTocífica.

2. Dureza: Dureza es un termino que este relacionado'con

la estructura dél carbóh. - ta duredé 'un car-

bón depende de la composición y localízarón'áe'uii manto.

Los carbones con altos volátiles 'son tisublment más duros

que los carbones con bajosN-Tolgtiles.- TaMbién la dureza

indica la resistencia 'lel carbón a iá degradación - de ta-

mano cuan 1e se maneja. Alemás la JureZa. indica la abrasi-

vidal que produce lesgaste y deiftos 7a los equipos de . manejo.

•_ Se del;e tener en cuenta que lOs_dalbsi. y_degperÉectos pUe-

den re.¿ultá'r por las impurezas en el carbón.

3. molibiliclad.: La Mólíbilidwi es la prdpie¿iad física del

carbón que :détermina la fascililacl para pul-

verizarlc o molerlo.

El índice más común usado es el determinado per el método

con la máquina "Hardgrave".

Fste Método se basa en las leyes físicas de "Rittinger"

t•

4

quien dice: "El trabajo realizado en la pulverización es

proporcional a la nueva superficie producida".

Fjemplo: un peso dado (50 gramos) de una muestra prepara

da de carbón (16 x 30 mallas) está sujeto a 60 revoluciones

de molienda en las máquinas Hardgrové. Después de la mo-

lienda el material es tamiza , lo sobre un tamiz le 200 mallaG.

El indice Hardgrove xc molibilidad es iquall a 13 + 6.93 W,

donde W es igual nl peso riel material pasado a través del • r á.

tamiz de 200 mallas.

La molibilidad es muy importante cuando se va a utilizar

carbón pulverizado. Algunos tipbs de pulverizadores son s. ,

más afectados por la molibilidad que otros.

La capacidad y potencia para pulverización y costos de man '• f

tenimiento son variables de acuerdo al irdice de mclibili-

dad. Indices altos de molibilidad indican las mejores con

diciones para la pulverización.

4. Estabilidad de tamaño c friabilidad: Estos términos se re

fieren a la resisten

cia -lel carbón para derretirse. Dos pruebas se utilizan

generalmente para medir la friabili dad que son:

a) la prueba "Tumbler" o "volatiero"

b) la prueba de 'rompimiento por calla (Drop shatter)

La primera se aplica más para mediciones cuando se encuen--.:

tran condiciones severas y la prueba de rompimiento por

caída es más aplicable para medir la degradación de car-

bón de tamaños muy grandes que se manejan menos fr,_cuente

mente.

5. Fractura y clivaje: La fractura se refiere a la forma de

las piezas de car''ón, también a la ma

nora en la cual se rompe cuando no se exfolia o parte.

Ejemplo: la antracita tiene fracturas concoidales o sea

que tiene superficieF'. suaves, _isas, como la cara interior

7‘e una concha carbones de bajo volátiles tienen una ten

dencia para romperse en columnas verticales; carbones con

altos volgtiles tienen tendencia a romperse en cubos.

Unos carbones le bajos volátiles tienen también fractura

cúbica . Cuando un carbón tiene tendencia para romperse en

piezas planas se describe como una estructura aplanada.

En muchos mantos de carbón integralmente con la estructu-

ra hay clivajes verticales llamalos,"Cleot" los cuales

se presentan en los formas : uno es el cicot predominante

y el otro es el scun3ario, el cual se cruza con el an-

terior formando un ángulo normalmente cerca AP:100°.

• • •• Las 'direcciones en las cuales 'se presentan estos fenóme-

hós és importante en liseños'de'siátema's dé explotación,

porche influyo notoriamente en la facilidad de control

del techo, el tamaño lel productó y_l_frpnqueoppra_vo-.

laduraS como ejemplos.

PROPIEDADES QUIMICAS D2IJ CARBON.

Los principales constituyentes dél carbón son:

1. carbono: El contenido le carbono en el carbón suministra

la mayeria del valor calorífico. Algunos carbo-

nes contienen uná cantidad -'-(7e carbonatos inorgánicos que

resultande lá 'dejpósici¿ii'séCundaria de. minera El con

_ tenido dé carbono se incrementa de'acuero. al 'ránk" (ver

clasificáciones más 'adelante" .

2. Hidrógeno: El. contenido de hidrógeno en el ei;tbóri gene-

ralmente ittlentsre 4.5 y 5.5% y t..aMbién su-

ministra una dél valón' ca1orif;_co'.

3. Azufre: El azufre (S) en el carbón se presenta eh dos

formas: ••

orgánica-: el azufre orgánico aparentemente está dis-

tribuno uniformemente 'dentro del carbón y su origen

está relacionado al efecto de las plantas que contie-

nen azufre le proteínas y no proteínas y además que la

vegetación podrida produce gas sulfílrico (IPS). En

carbones que contienen menos del 1% de azufre total, el

el azuire, normalmente es de tipo7:orgánico. El % e

azufre orgánico tiende a:variar entre 0.3 y 3%, aun-

que se hqencentrado más lel 5% en algunos carbones.

b) inorgánica la forma en que7;sepresenta el azufre

inorgánico es debida principalmente a lass:piritas_

(FeS2), con cantiládes pequeñas (usualmente.menores

de 0.1%) en forma le sulfatos.

4. Oxigeno: El oxígeno existe- en el ecarb6n.las . siguien.

tcs formas:

Hi1roxilo (OH ), carbonilo y rcaroxilo

Estos grupos pueden estar presentes: en los carbones de

bajo "rank'. El agua tambión contribuye en.porcentaies

oxígeno e hidrógeno en el' carbón.

5. NitrógenoEs el único elemento que. está presente en el

carbón eXdiusivaffiente.por.combinación orgáni-

ca . La cantidad puede variar le una fracción pequeña a

un porcentaje cerca - le 3,pero el rango usual está entre

1 y en base a secos sin cenizas.

Los carbones bituminoébs generalmente contienen .m41. nitró

geno que los lignitos y antracitas.

6. Materia mineral (cenizas): Todos les carbones contienen

materias incombustibles y su

origen est,5 intcuralo con los procesos naturales los cua

les produjeron el carbón. El residuo de estos minerales

• W.

después de que el car7-,ón ha silo auema(io se conoce como

cenizas. ,EI-• centenilo promedio de la s,-?cci6n y de un

-mapto es por lo menos 2 6 3% pata carbones muy limpios

y mayor de, 10% en la maycrla de los carbones explotados

comercialmnte,

Materiales demasiado altos en cenizas prrr úsor- comercia-

les se llaman estériles.

La composición química le las cenizas lel carbón varia

considerablemente: Es una mezcla de

mina (A1203), que provienen de arenas, arcillas y piza-

rras; oxides le hierro (Fe20j); de pirita y mrcnsitn

(FeS2), oxides de magnesio (Mg0) y calcio de .caliza y

yeso (CnSO4.7H20), los alcalis le oxido, e Rodio y oxi-

do de potasio; pentoxilo de fósforo(P205), y trazar.; de

vanadio (V), manganeso (Mn, bario (Ba), oro (Au), pla-

ta (Ag), arsénico (As), antimonio (Sb), uranio (U), ger

manio (Ge), cobre (Cu), plomo (Pb).., Zinc (7,n), estaño

(Sn), mercurio(Hg), berilio (Be),- boro (B), escandio (Sc),

Itrio_ (Y), platina (Pt), cobalto (co), cadmio (Cd) y ti-

tanio (Ti).

La temperatura de ablandamiento le: las cenizas del carbón

s , cncucntra dentro del rango 1040°C y 17000 °C. Cenizas-

con temperaturas bajas le fusión reciben sus caracterís-

ticas debidas principalmente a la presencia ,5e piritas

(FeS2), sideritns (FC03) y enlcita (CnCO3) o carbonatos

mezclados con el carbón. Cenizas cqmo temperaturas altas •

de fusión tienen una composición alta en contenidos de ar.J,

cillas refractarias tales como sílice (Si02) y alúmina

(7 1203)

PROPIFDADES PETROGRAFICAS.

Como los carbones se desarrollaron le la vegetación tienen con

tenidos de diferentes clases de carbón dentro de su clasifica-

ción general. Estos se presentan en los mantos como láminas

de diferentes apariencias. A veces cuando el manto de carbón

ha sido plegado y ha estado sujeto a movimientos y presianes

geológicas, las diferentes láminas no se , listinguen a simple

vista. Las clases petrogr6ficas le carbón son 17,s si-juientes:

a) Durain: Es duro, gris oscuro, le fracturas irregulares y

granulares. Contiene más minerales carbonosos que • ,•

los otros. Se encuentran en láminas gruesas; a veces mayo-

res de 30 cros.

') Fusain: Son láminas die polvo sueltas, suave, le color

negro como el hollín. Se encuentra en láminas do

espesor de pocos milímetros, pero ocasionalmente se puede

encontrar en lentes hasta le 20 cros.

c) Clarain: De colr negro, fracturas irregulares, refleja

bien la luz. Se presenta por una serie de lámi-

nas negras que alternan entro brillante s y opacas, las-

cuales por definición son menores de 3 mm y comunmnte

menores de 1 mm.

d

Vitrain: :pe colór negro, vitreo, duro, brillante: con frac

turas concoidai¿s. Se presenta corra bandas o

lentes homogéneos, negras y brillante., y rar'‹tImente mayor

de 1 cm de espesor. Es muy limpio cuando se toca, se

rompe en pedl.os cúbicos y las fases se liseáentan con

fracturas concoidales. Su origen se debe a les .restos

de cáscaras de la vegétaCión Original, pbr eso se encjeh

tra frecuentemente en' asociacign con fósiles.

Cada una de estas clases tienen la¿ característidaá Pr:o-

ts. PiáS por razones de constitución diferente d- l s particu

las distint-s de las plantas que se encuentran en cada

clase. La distribución de las partículas se creen debido

a su denáidad relativa Cuando las plantas forman los ya-

cimientos originales dentro de lad aguas de los pantanes.

ANÁLISIS QUIMICOS DEL CARBON.

Hay dos clases de análisis del carbón que son: análisis últt

mos y análisis próximos .

ANÁLISIS ULTIMOS.

Se hacen de acuerdo a los prodesos descritos por varias auto-

ridades. Ej. British Standard 6 Z.S.T.M. (Sociedad Americana

de métodos de pruebas).

Este tipo de análisis es un prodecimiento muy especializado

- 11 -

que incluye la determinación de los porcentajes relativos del

carbón, tale0,CómixiWno,hiÜógerilitrógeno y azpfre, los

cuales se encuentran lentro 'de la materia pura (lel carbón.

Correcciones apropiadas se hacen para excluir los elementos • ...

como carbón dentro (le los minerales »carbonatos los cuale'S.:

no contribuyen al valót:calorifico. Otros elementos• 90p -se „ . .,, • ••

presentan eh "Cantidades muy , pequeñas no son consideradas en )7J -;

los ana"..lisis últimos reales.' Sin embargo puclen séi determi \

nados separadamente..y. recordados partícularmenti. sus ocurren • - , ••-•

cias tienen efectos alversos en la utilizacióWcól6 un. combuáti>

- , ble, por ejemplo: bloo, fósforo, arscnico.

• La tabla que se encuentra en la página siguiente muestra un'' .‹.,

ejemplo típico de un analisis titimó'le carbón. •

Los resultadós_están.expresaJos en % si no se inlica lo con-

trario. • .. •••-• • ^ • • •. .1_ + • -y.

Humedad libre 4.3, humedad inherente 8.7

+ Asumido cloro crg-5.nico . •

++ Asumido áiÜi bí'gáhicc51'"

- • " 7. :. • • •

,-• -•• •.: -

- 12 -

PROPIEDAD En base En báse En base En base En base Análisis próximos como es secado a secos y libre, seco li

reciDide en aires1(enelládh) cenizaiíecbni- i (S L 'h15) 1 neral

Humo la _1 113.0* 9.1 ___ Materia volátil 132.8 34.3 37.7 37.7 40.3, Carbona fijo 146.1 4.7›,.1 52.9 5R.4 59.7 Cenizas I 9.0 9.5 9.4 ___ Materia minera 1 9. «9.9 10.2 11.2 Valor calorífico (BTU/Ib) 11.300 11.910 12.990 1'.330 14.580 ó K cal - 1.848 2.976 3.273 3.511 3.674 Azufre (total) 1.69 1.77 1.95 --- SO4 (S en sulfato) 0.08 0.08 0.09 - ___ FeS9 (S en pirita) 0.'7 0.80 0.88 S (materias orgánicas) 0.84 0.89 0.98 S en ceniza (como S en C) í 0.25 0.26 0.29 Dioxido de carbono (CO2) I 0.47 0.9 0.54 Cloro (C1) 0.58 0.61 9.62 0.19+ Fósforo (P) '0.035 0.037 0.041

Análisis últimos

M•11•••11....1

1.10 am. ••••••

Humelad Cenizas Carbono Hidrógeno Nitrógeno S (combustible) Diferencias (02 etc)

13.0 8.1 63.4 4.3 1.3 1.4 8.5

9.1 8.5 66.3 4.5 1.4 1.5 8.7

9.4 72.9 5.0 1.5 1.7 9.5

90.5 5.5 1.7

1

1.8 10.5

em• ~••••••

92.0 5.5 1.7 1.1++ 9.7

ANALISIS PROXIMOS.

Se hace de acuerdo a lo descrito por varias autoridades.

Esta clase de análisis es lo más sencillo y rápido para ilus-

trar las características generales (le una muestra de carbón.

Se utiliza para las evaluaciones comerciales y envuelve la

determinación de rorcentnjes (%) relativos de humedad, ma-

teria volátil, cenizas y carbono fijo. A veces el contenido

- 13 -

azufre y valor calorífico también ~dan incluí-1os. . -

1. Humclad: Esta se calcula de la peúldida der peso que ocurre

cuando una muestra de carbón se -W1Car ¿n tinwes-

tufa a una tempera tura cerca de 105°C. ébiiltenia6 de

, - humelarl es importante para asuntos coffiercialeá_poi(1~ el'

calor perdido por evaporación reduce lá eficiencia

carbón como combustible. Cuanáo se clasifican carbones

de bajo rango, el contenido de 'humedad éá un paramétro

importante.

2. Materias volátiles: Para la determinación l' 'contenido

r , volátileá, 1 gramd'a-é 'arbóh'se

• • •

: " • •

calienta por 7 minutos a una témiSeratiája;Delyé9-2-5.°c fuera

del contacto con el aire. La pérdida dé—peso se corrige - m- ,•• -

de acuerdo con la perdida que resulta 'por hilmeciad . Se

expresa en porcentajes del poso de la muestra inicial.

El contenido de volEltile'S inc ica los ren-limientcs -le gn-

ses-y-alquitranes y algunas caractern.t:l_caS de a combus 'r

tión de la mucstra.

- Normalmente para producción le gas los volátilés'aeben

ser mayores le 30%, aunque la calilad de-cóque:pridaticiño

posiblementc permitir gasificación económica a unos va-

lores m5s bajos. En la clasificacion de carbones 4e alto

› - rango se utiliza el contenido en volátiles como un parame-

r • tro.

-

Ejemplo: áe-'liace sobre la muestra oeca.

- rr

Peáo d'e./ crisol 1. g.ramo,Ae muestra = 12.25 gramos

Pes6 del . ctisol .4- -Mbeatra.después del ensayo = 12.9 gro

% materias Volátiles .= (12.25 -.12.00) x 100 == 25%

3. Cenizas: Ei contenido le cenizas está representarlo por

los residuos inc~ustibles que están presen-

tes lespu6s 'c- la ccm'-ustin total de la muestra. Obvia

mente 'estaá'class (le constituyentes influyen cl valor del

carbón como un combustible y tambi6n las caractwrIstica

de CoMbustión.

Él porcentaje -le cenizas se-utiliza frecuentemente eri

las lescripcioneá del-prolucto cuando. se hacen contr,1- “

tos de ventas de carbón.

Ejemplo: sc calcina cm= latamente 1 gramo de la muestra

%.; le carbón, 'en una mufla a ,90"'°C durante 1 hora.

y

Peso dél crisol + 1 gramo de muestra = 15,6728 grms.

Peso del crisol + la muestra calf2in 'a = 15,0010 grms.

0,671e

% cenizas = (1 - 0,67181,>xl00 = 32.82%

Carbono filo Ie calcula por sustracción r1e porcentaie-i

le humedad,volátiles y cenizas le l09.

Como 'él % -le carbono-fijase incrementa le acuerdo con

la calidad y rango le un :car':,ón, es la 7-ase le algunas

clasificaciones. Sin embargo, el carone filo como se

- 15 •

determina en análisis próximos, y tam!)ión incluye canti- • y

=t-lades peque as le oxígeno, nitrógeno y azufre, no expre- .

se 'con precisión el porcentaje verdadero de carbón com7-us

-tibe en una muestra. •

EieMplocarbono fijo 10') - (% cenizas + % materias volátiles)

CLASIÉICACION DE LOS CAREMIESi.:,.

Los carbones se plasifican por varios métalos:

a) De acuerdo con su propiedades físicas (=á sc- vió en la

primera parte) Ejemplo: antracita, 1-ituminoso,-lignito,

etc.

11De acuerdo con sus usos más,.aprópiádos ,

Ejemplo: el ,parOprtOrpipo, que recibe SU válórPrthcipal

mente por,sy,4,abilidadEpara suministtar•caicrr—duiliiela se

está quemandol -

NOTA: Con esta apreciación úsualmentecotisideraMOs la

facilidad para pulverizarlo cuandose IiiePara para sumi-

nistrarle fuego por medio de un flujo de aíre y laMbléh''

las propiedades que tenr,6nlies cenizas. - 1/na'Plaiit>a

mica tiene,ue,fflanejar.las cenizas,. entonces es irdpár-

tante que las cenizas. no-se, fundan én bloqueWpetb 41116 •

salgan del fuego en,. forma de-polvos:

El carbón coquizable, que recibe su valor lo .cuereó'dón

su propiedad para producir o formar coque.

-• 1r

Hay dos clases generales le coques:

Una que sale como residuo cuando se utiliza el carl-Ión

principalmente para sacar /a parte volátil en forma de

polvos químicos. Esta clase le coque se puede utilizar

como combustible sólido que produce poco humo. Ejemplo,

en forjas.

Una que se utiliza como coro? ~ible en Alto , Horno'para

fabricación dei, hierro. Esta cliase3 cocue se llama

metalúrgico . -.y por:.eso el carbón tambión se llame-metalúr-

I gico.

c) De acuerdo con su resistencia física y su habilidad para

resistir la presión del terrenos

.Estos-carones pueden ser duros o blandos;

Estas consideraciones son importantes cuando se tiene en

cuenta los sistemas le explotación y arranque.

d De acuerdo al rango _se clasilfican en carbones de alto ran

go .y.de .b,ajo rango.

RANGO DE. CARBONES.

Es un gis-tema con el cual clasificamos los carbones le atuer-

do con su grado G metamorfismo c alteración- progresiva en el

proceso-natural desde Mgnito hasta antracita.

Las tres características Au_ sé utilizan en este tipo le cla-

sificación -son las siguientes:

a) carbono fije

17 -

i) valor calorífico

c) características le aglomeración

NOTA: Aglomeración es la capacidad para formar un botón

cuando se extraen los volátiles por aplicación de calor.

CLA S IF I= ION DEL CARBON POR RANGO.

Este método se utiliza mucho en descripción de mantos le car-

bón y también de sus usos, además le que el rango es una in-

dicación de la formación geológica le los mantos.

BASE DE LA CLASIFICACION.

La clasificación por rango se 'hace de acuerdo con el % de

carbono fijo y el valor calorífico, calculados en base li-

bres de cenizas.

Los carbones le más alto rango se clasifican de acuerdo con su

carbono fijo en base a secos. Los carbones de más bojo rango

se clasifican de acuerdo a su valor catorífico en base a húme-

dos.

METODO DE CLASIFICACION. (de acuerdo a ASTM D 38P).

Los carbones se pueden clasificar le acuerdo con los requisi-

tos de la tabla de "clasificación de carbones por rango" cue

se encuentra en la página siguiente.

NOTA: En la tabla:

1. Humedad es la humedad inherente y no incluye aguas visil-les en la superficie del carbón.

2. Las características de aglomeración son más importantes que "carbono fijos y 'materiales volátiles- en las clasi-ficaciones.

3. Carbones con ".9% o más de carbono fijo en base seca y li-bre de materialec minerales deben clasificarse de acuerdo al carbono fijo, no importa su valor calorlfico.

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- 19 -

Carbonea con valores caloríficos le 2..n(.10 BTU/lb = 3.528

K cal o más en 1-ase a humedos y libre de cenizas y carbones

Tle.tienen.Careno fijo de 694 o más en base a secos y libre

de cenizas, se refieren en la tabla le acuerdo con su carbo-

no fijo en base a secos y libres ele cenizas.

CArbones con valores caloríficos menores de 14.000 BTU/lb

= 3.528 K cal en base a húmedos libres de cenizas (H L de C)

se refieren en las tablas de acuerdo con su valor calorífico

en base a (H L le C) si el carbono fijo (S L de C) as menor

de 69%.

CARACTERISTICA DE \GLOMERACION,

Se clasifican los carbones de 86% o_más.le carbono fijo en

base a (S L de C) 51 si el .carbono es de un tipo aglomerante.

Se colocan en grupos de bajo volátiles de la clase bituminosa

carbones que tienen un valor calorífico desde 19.500 hasta

11.5n0 BTU/lb (2.646 K cal hasta 2.E98 K cal) en base a (H L

de C) le acuerdo a sus características le aglomeración.

SIMBOLOS PARA EXPRESAR LA CLASIFIC2'CION.

Se indica la ubicación de un carbón en la escala de "rango

en una forma abreviada, como per. ejemplo (62-146) en, la cual

los paréntesis significan que los números son en.hase a

(L le.C), El primer número se refiere al carbono fijo en

base a secos referido al porcentaje del número entero más

cercano. El segundo número se refiere al valor calorífico

(

- 20 -

en base a.,humed911 expreÑadó etY?&WIé0:al rhero nter mls

cercano-,

Ejemplo: 14,580 BWII/lh se -rezresenta cdnió I46 cuando se lesea

fflpreviar-la designleí6n de rango del corte por grupos. Las

signf..elltes rbrevtaciones se delbén- usár': I-

ma meta, antrac-ita

1;7

an, = ~cita

sa = seminntracite ,-. C1:

Lvb bituminoso debajo ttolátil t

mvb = b:'_tumincy4o de medio volátil

hvAb = bitumínoso A de alto vát5.1

hvEb = bituminoso B dé -alto volátU

hvCb r. = >ituminoso e:de alto,fvolátil

Smbil ,=sub bituminoso A- .:

'77

Sun_ sub....b4uminoso B=.

SubC = sub bítuminolo c

Lig A = 14gnitgnA

Lig B B

USOS DEL „RANGO.

Aparte la indicación de calidades coquizables de carbón,

el rango taráPyi6n nnsda un indi dé la babiliád de un car-

bón, para..,ptuemare-- por: el -pí'oces•.,6de taitbusti6n espontánea.

Los carbones cie elmse:.IISupot 2.y. 3 forman los cerbones

muy gu,,-2ept1les a, este fenómeno, sin embargo e,to unica-

- 21 -

mente una gula que se debe aplicara las experienc ias que

• se encuentran en un distrito (área). E1 fenómeno de com--

bustión expontánea se encuentra no solamente en las minas

donde se próducen condiciones peligrosas aue estorban su ey

'• 9: y ; • ' r plotacion éinó también en el almacenaje de carbones finos

en terminales de tránsito o exportación.

Los mantos de carbón tienen sus rangos y los geólogos uti

lizan esté factor cuando están tratando le relacionar series

de mantos.

El profesor éarl Hilt en 1P73 nos da su observación en el

s "Principio de Hilt" 1 cual dice: "En una localidad de man-

tos dé carbón, el rango de los mantos crecerá cuando aumen , í

- ta la profundlía,V.

, •

EieMPlo:

;

-.14...0 En sitio r el manto 3 tanirá un

, rango mayor que eme, manto » 2 y éste

-r'

mayor aue el manto u1.

Én sitio B: el manto 4f 3a tendrá un

•

rango mayor que el manto 2a y éste

mayor aue el manto :M la.

Sin embargo no se puede lecir definitivamente aue en el pri-

r k

mer manto, por ejemplo, el rango en el sitio la será el mismo

aue se encontrará en el sitio 1, ni aue el rango en el sitio

• • •• la será mayor aue el rango én el sitio 1, porque el sitio la

es más profundo que el sitio 1.

COMPUESTOS. DEL CARBON.

El carbón es una mezclaymay-compleja de compuestos y elemerU

tos químicos, además ,3-e- aue una ¡e sus propiedades físicas

como es la porosidad permite la absorción y adsorción de lbs

gases comunes en minas de carbón.

Absorción es cuando una cantidad de gas (normalmente metano)

se encuentra dentro de los poros del carbón y el cual sale

cuando éste ya está triturado. tus necesario recordar este

fenómeno cuando tratamos con el almacenaje y transporte dé

carbones crudos entre la mina y la planta lavadora'pórque el

gas metano puede acumularse dentro de los silos presentando

los mismos peligros que encontramos en ‘las minas bajo tierra.

Adsorción es un fenómeno no completamente definido"pero aue

ocurre por rayón de una afinidad de las moléculas de Wids ga-

ses como metano -aa, las moléculas de hidrocarburos que se encuen

tren en el carbón. Esta cantidad de gas está fuertemente adhe

rida al carbón-y no sale por trituración fácilmente.

Los-cpmpuestos y roecciones químicas más directamente reacio

nadas con el carbón, que necesita un estudiante de minería son

las que encontramos cuando utilizamos carbón como combustible

en plantas le fuer-,a y vapor de las instalaciones de la mina.

COMBUSTIóN..

Es,,I.a.colibinación química de los constituyentes inflamables'

?.3 -

de un combustible con el oxigenó atóffipaíVádá con el despren

dimiento de 1117 y calor.

Cuando el carbón es quemado en un horno hay tres etapas en

el proceso de su combustión:

1. Los gases son destilados del carbón. (CH4, H alquitrán)

2. Estos gases son quemados o_pasan a través de conductos sin

quemarse.

3. Los residuos del carbón son quemados.

El aire tiene que ser admitido sobre el carbón para quemar

los gases destilados, pero si permitimos aue entre un exceso

de aire, la temperatura puede ser demasiado reducida y la com

bustión no puede contenerse.

nn este caso y también cuando los gases rlestilaios tienen al

re insuficiente para su combustión, nubes de- carbón finamente

aivididos salen del gas para producir humos que saldrán de la

chimenea v quedarán depósitos de hollín dentro de los conduc-

tos.

Los remanentes de residuos sólidos de coque o carbón se que-

man para pro-lucir CO ó CO2 de acuerdo a la deficiencia o sufí

ciencia de oxígeno respectivamente presente a una temperatura

suficientemente alta durante el proceso de combustión.

El aire suministrado puede alimentar suficiente oxígeno para

formar CO, con la capa inferior del carbón, pero cuando lle-

ga a la capa superior ruede quemar solamente el C a CO debido

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a la - reducción -de oxígeno d isp91:41-, le

Ver diagrama. .• • • 1..!

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95 -

Como quiera aue una cantidad suficiente de aire por un flujo

secundario es suministrada encima de la capa superior el CO

se quemará y liberará calor, perd si este 'nulo de aire secun

Bario no pliede entrar, el CO pasará a la chimenea sin quemar ,

se y se perderá calor por consiguiente .-9e combustión incom-

pleta .

El carbón e hidrógeno son los combustibles principales, el

azufre aue se presenta en cantidades peauelas es de menor im-

portancia -

a su contribución 1 valor calorífico de un combus

tibie.

La combustión del carbón puede ser representada por la ecua-

ej.& química:

C + O CO, que libera 14.550 BTU = °66 K cal

Lb de C quemado Kg de C quemado

Si el CO9 está a una temperatura de 6n°F = 15.5°C 6, podemos;

decir que 11 Kg de C + 3? Kg de 09 44 Kg de CO2

o sea que: 1 Kg de C 4 3? Kg de 0.7_, 44 Kg le CO,

12 . 1?

para dar 3.0~,5 K cal

Kg de C quemado

qi el carbón es auemado solamente a CO se libera mucho menos

calor y la ecuación (-mímica es:

2 C o, r ?C0-

liberando 9,./!17 K cal si*el,C0 que resulta Kg de C

2

Está a unr, temp ratura de r, .24 c dei O 41-32 Kc- de

'56 Kg de CO

Por esa la combustión incompleta de carbón resultará eón una

pérdida de calor de (P.066 - 2.417) 5.649 K cal

Kg do C

Aún se pueda ver la importancia de evitar la salida del gps

CO por la cMmenea de un borne industrial como encontramos en

una planta de vapor.

La combustión de-hidrógeno puede ser representada por la ecua

ción auimica:

2 H2 + O, --- 2 H,0

liberando 3 1t.373 K cal si el 11,0 tiene una temperáj-

Kg de H7 auemado

tura de 15.5°C o ciue

4 Kg de H7 32 "Kgíde02 R6 Kg de H90

la combustión de S puede ser representada por la ecuación _

auímica C,

S + O, s02

liberando 2.21n K cal

si el sO - tiene una_ tempera

Kg de S quemado

tura de 15.5°C 6 22 Kg de S 32 Ket 64 Kg de SO, •

SUMINISTRO DE AIRE. •

La cantidad de aire reauerida para la combustión de 1 Kg de com

"bustible se puede calculr como sigue:

- 27 -

% C requiere o 32 Kg de O para combustión completa

12 - u-- -

-- % H reguielse % 32 Kg 02 para comí-Nus ión completa

•-•

% S requiere % 32 Kg 09 para 'combustióncompleta 3.2

1 Kg de combustible requerirá (%c Ir 2.455E) + r 8000) ;.` ' ' - ",

(%s x 1) = Kg de 02 • '

El aire contiene 23% 02 y 77% N2 por peso que es 0.23 Kg de

02 . por 1 Kg de aire. Entonces el aire requerido teóricamen

te para la combustión de 1 Kg de combustible es

1 ( %C x 2.666) + (%H x 8) + %S Y 1) Kg de aire

0.23

EJEMPLO.

El analisis de 1 Kg de C da 1c5S siguientes resultados:

"fff

H2 = 4.3%; C = 63.4%; S = 1.4% Sr cenizas = . 8.1%.

Hallar el peso teórico de airé requerido parn la combustión

completa. Calcular tambin el volumen de aire rec-xerido si

su presión y temperatura son de 1 átmosfera y 15.5 C'respec-

tivamente.

SOLUCIeN. .s.

1. El peso del aire requerido -por la combustión comPleta es t

1 ( carbón 32 r.n34

0123-1 32 -

hidrógeno azufre-1 mo.olm. Kg de aire

4.S443'' Kg de aire

• 4*. 348' 1 T*. - ;907S Kg de aire

- 28 -

2. De la ecuación PV = nRT, el volumen .de aire pnrá la com

bustión completa de 1 Kg de carbón será:

V = nRT = 1 m01 x 0-9075 K9f . x 103 gr x

P 28.9691#

1 Kg

x 0.082 At. tts x 238.5°K 7:276 lts

°K x m01

1 AY..

Un exceso de aire usualmente es necesario en todo proceso de

combustión para evitar pjrdWas del valor calorífico que está

en el combustible.

La eficiencia de la combustión se prueba por un análisis de

los productos de combustión que salen a través del flujo.

Estas clases de análisis se hacen por medio de un aparato 'U-

po ORSAT.

En un análisis hecho con el aparato Orsat se encuentra:

CO2 por ciento por volumen

°2 por ciento por. volumen

CO por ciento por volumen

2 (por diferencia) por ciento por volumen

Para convertir estos volumenes a un análisis por peso o masa

se multiplica el análisis volumétrico por los pesos molecula-

res de :los compuestos respectivos y se convierten los produc

tos que resultan a % del -totál.

Con estos procesos utilizamos el "Principio de Avogadro" (Que

dice a la misma temperatura y presión, volumenes iguales de

diferentes gases contienen la misma cantidad de moléculas).

- 29

Entonces todos los gases ocupan el mismo volumen pop mol a la

misma presión y temperatura pero tienen diferentes pesos por T

r. mol.

Uña mol de CO2 es igual a 44 gramos

Una mol de 02 es igual a 32 gramos

Una mol de N2 es igual a 28 gramos

todos estos pesos

tienen el mismo

volumen a condi-.

Una mol de CO es igual a 28 gramos ciones normales

PROBLEMA.

El análisis de los gases que fluyen de una caldera calentada

por carbón die) por volumen lo siguiente:

CO2 = 12%; CO = 1.0%; 02 = 7%; N2 = 80.0%. Calcular la can

tidad de aire que está entrando a la cámara dé combustión por

Kg de carbón quemado, si la composición del carbón por peso es:

C = 86.0%; H2 = 4.0%; cenizas = 10.0%. Calcule también la

cantidad de aire teoricamente requerido y el esceso de airé

suministrado.

Gases secos , Análisis por Peso molecular Producto Análisis del flujo vaumen N% m • N .M

por peso y masa de gases secos

12 7

44 528 32 224 28 . -. 28 28 12.240

17,5 7.4 0.9 74.2

CO2 02 CO N2

3.020 100.0 100

o.-, la tabla vemos que 1 Kg de gw-e- téco-' contienen 0.17r

.Kg de CO2 y 0,,9.09'Kse.de CO,'eg decir:

( 12 0.175) + (12 x 0.99) 0.0;1 Kg de C

44 28 'Once, 1 Kg2 de C eruté corteniflo eif:- ';'.P . J.§.6 Kg de los

0.951 •

gaser secoF.

Pero 1 Kg de carbón contiene 0.36 Kg de carbono, lo cual (asu- 17

que está quemado totalmente y se presenta dentro de los

gases en el flujo) produce 0.86 x 19.6 Kg de gases secos., • .1

1 Kg de carbón también contiene 9.94 Kg de hidgeno.qye cuando . . . . . ,

se quema produce 9 x 0.004 = 0,36 Kg de vapor de agua,

Entonces 1 Kg de carbón se quema para producir 16.9 + 0.36

= 17.26 Kg de los gases en el flujo.

De esta cantidad 17.26 Kg de los gases (0.(16 + 0.04 = 0,90 Kg)

sale del carbono e hidrógeno del carbón y (17.26 - 0.9' Y-F-- 16.36

Kg) de aire está entrando en el horno por cada Kg de carbón que

mado.

El aire requerido teorlcamente para cOmbUsticin compiéte'eSi

1 ( 32 y 9.96) + (8 x 0.0e4 = 11.3 Kg por Kg de

0.23

carbón.

El aire en exceso es 16.4 - 11.3 = 5.1 Kg = 45% La rata de aire usado actualmente = 16.36 = 1,45

miendo

aire requeridoteóricamente JiJ

- 31 -

BIBLIOGRAFIA.

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Coal Preparation Mudd series A.I.M.M. & PER. E. Inc. 1968

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