CARBONESUNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAASTRID BLANDÓN

2. MUESTREO Y PREPARACION DE CARBONES

2.1 MUESTREO.

2.1.1 Objetivos del muestreoEl objetivo de un muestreo de carbones es el de obtener una muestra parcial representativa de una calidad total de carbón con el fin de determinar propiedades físicas y químicas. La proporción y distribución de estas variables deben ser las mismas en la muestra parcial y total.

Las investigaciones modernas son muy precisas y no tendrían valor, si la muestra investigada no fuera representativa de una cantidad total de carbón.

2.1.2 Importancia del muestreo. La importancia del muestreo se debe a que:

- El productor de carbón requiere datos físicos y químicos precisos para planear y controlar la exploración, desarrollo, explotación y mercadeo.

- Las plantas industriales y consumidoras, necesitan datos similares para determinar cuales carbones se adaptan mejor a sus necesidades.

- En los contratos de compra y venta el vendedor y el comprador se basan en los análisis de las muestras para determinar el precio básico del producto, los bonos y los castigos.

- Dependencias gubernamentales requieren estos datos para verificar que se ajustan a normas sobre contaminación ambiental.

- Decisiones importantes sobre factibilidad de proyectos mineros, diseño de plantas técnicas, de lavado, de manejo de carbón, trituradoras, etc., se basan en el análisis de muestras colectadas.

2.1.3 Factores que afectan el muestreo. El carbón es uno de los materiales más difíciles de muestrear ya que:

- En los mantos de carbón hay variaciones laterales y verticales tanto en la materia orgánica como en la inorgánica.

- Los procedimientos de minería, preparación y manejo rompen el carbón en pedazos heterogéneos en tamaño y composición.

- Las diferencias de tamaño de partículas producen segregación de ellos en pilas, bandas transportadoras, volquetas, vagones, etc.

- El carbón es susceptible a la oxidación, más el de menor grado de carbonificación (rango), es decir los altos en volátiles.

2.1.4 Definiciones de muestras. En el muestreo de carbones hay que diferenciar:

- Suministro. Cantidad específica de carbón como un embarque, vagón, tren, producción de un día, etc. Un suministro puede incluir más de un lote de carbón.

8

- Lote. Cantidad de carbón a ser representada por una muestra bruta (mixta).

- Muestra bruta, (“gross sample”). Muestra mixta que representa un lote de carbón y está compuesta por incrementos en los cuales no ha habido reducción ni división (cuarteo).

- Incremento. Muestra sencilla que representa una pequeña porción de un lote colectada por una operación simple de muestreo y que normalmente se combina con otros incrementos del lote para obtener una muestra bruta (mixta).

- Muestra de laboratorio. Muestra parcial de una bruta que ha sufrido reducción y división en el laboratorio.

- Muestra de análisis. Muestra parcial lo suficientemente fina para realizar una investigación.

- Muestra de azar. Muestra sencilla seleccionada en forma tal que todas las muestras posibles del mismo tamaño tienen igual oportunidad de ser escogidas. Esta muestra es investigada por si sola y puede servir de control.

- Muestra sistemática. Muestra en la cual los incrementos se toman a intervalos iguales de tiempo, espacio o masa en todo el lote o suministro.

2.1.4.1 Número de incrementos.El número de incrementos, tomados de un suministro proveniente de una sola fuente, necesarios para obtener una precisión dada es una función de la variabilidad de los carbones y de las técnicas de muestreo.

La variabilidad del carbón está dada por:

a) Rango del carbón.b) Tipo del carbón (grupos macerales).c) Grado de impureza del carbón (crudo o lavado).

De estos tres parámetros depende la capacidad de segregación y el tamaño de las partículas del carbón.

Debido a que estos parámetros varían mucho cuando se trata de suministros muy grandes se recomiendan incrementos para lotes hasta de 1.000 toneladas para de esta manera asegurar la precisión del patrón de referencia. Tablas 2.1 y 2.2.

TABLA 2.1. Número de incrementos para cenizas en lotes hasta 1.000 toneladasEstado delcarbón

Bandas transportadoras, similares

Vagones, volquetas y barcazas

Barcos Pilas

Lavado 16 24 32 32

Sin lavar 32 48 64 64

TABLA 2.2. Número de incrementos para humedad en lotes hasta 1.000 toneladas.Estado del carbón Número de incrementos para

9

todos los métodos de muestreo

Carbón seco o sin lavar

Carbón lavado < 50 mm

16

32

Para suministros sobre 1.000 toneladas existen dos procedimientos para determinar el número de incrementos. Si el tonelaje total del lote excede 1.000 toneladas, calcule el número de incrementos n2 como sigue:

n nPeso total del lote

2 1

1.000 toneladas

n1 = Es el número de incrementos dado en la tabla

a) Dividir el suministro en lotes iguales hasta de 1.000 toneladas o menos y formar una muestra bruta con los incrementos especificados para cada lote.

b) Formar una muestra bruta, pero el número inicial de incrementos para este caso particular se multiplica por el factor empírico dado por:

FPeso del suministro toneladas

( )

1.000

2.1.4.2 Peso mínimo de los incrementos. Se exige un peso mínimo de los incrementos para evitar desviaciones. El peso debe ser lo suficientemente grande para que las partículas de todos los tamaños queden incluidas así como para que todas las partículas queden representadas en la misma proporción que el existente en todo el carbón que se está muestreando. El peso mínimo de los incrementos depende principalmente del tamaño de las partículas. En general no es aconsejable colectar incrementos más grandes que los especificados, a menos que sea inevitable, y el número de incrementos no debe reducirse cuando se toman incrementos más grandes.

El peso mínimo para carbones hasta 150 mm de tamaño tope “top size” está dado por la fórmula empírica:

P(kg) = 0,06 x D(mm)

P = Peso mínimo de los incrementos (siempre > 0,5 kg).D = Tamaño tope (95% del carbón tiene tamaño igual o menor).

Durante el muestreo del peso mínimo se deben satisfacer las siguientes condiciones:

a) Cuando se muestrea una banda parada el ancho mínimo de su sección transversal debe ser 2,5 veces el tamaño del tope del carbón.

10

b) Cuando se muestrea una banda en movimiento la abertura mínima del muestreador deber 2,5 veces el tamaño tope del carbón.

c) Cuando se muestrea en volquetas, vagones, barcos, pilas, etc., el ancho mínimo de la pala muestreadora debe ser 2,5 veces el tamaño del tope del carbón.

d) Los tamaños topes de las partículas en a, b y c no deben ser nunca menores de 30 mm.

Para tamaños mayores de 150 mm se deben tener en cuenta lo siguiente:

a) Cumplir las condiciones anteriores de muestreo.

b) El peso mínimo de los incrementos debe ser 10 kg.

c) La proporción de peso del carbón sobre 150 mm debe ser estimado o determinado con el análisis de distribución de tamaños, del cual también se puede determinar el tamaño tope (top size).

El número inicial de incrementos se lee de la Tabla 1 y de él se determinan, según la granulometría del carbón, cuantos corresponden para tamaños sobre 150 mm y cuantos para tamaños menores de 150 mm.

2.1.5 Tipos de muestreo. Los tipos de muestreo varían de acuerdo con las diferentes fases de un proyecto minero. Las fases de un proyecto minero son: exploración, desarrollo y explotación (producción). Figuras 2.1 y 2.2.

Es conveniente tener presente, que durante la fase de desarrollo se pueden estar tomando muestras de exploración y que durante la fase de explotación, se puede también estar realizando un muestreo de desarrollo.

2.1.5.1 Sistema de muestreo durante la fase de explotación. Durante esta fase se colectan muestras geológicas para determinar la calidad del carbón especialmente.

Muestras de afloramiento:Una muestra de afloramiento se puede considerar como un incremento representativo sólo para el punto donde se recolectó la muestra de carbón. Estas muestras tienen una recuperación del 100% del manto de carbón pero pueden estar meteorizadas.

Para obtener muestras frescas hay que tener en cuenta el siguiente procedimiento, durante el muestreo de canal y de columna.

Muestra de canal (corte). Es una muestra sencilla, que se obtiene mediante un corte uniforme y continuo perpendicular a la estratificación. Para el muestreo se debe tener en cuenta lo siguiente:

- Limpiar bien la superficie a muestrear.

11

- Quitar una franja de carbón de 30 cm de ancho y unos 3 cm de profundidad.

- Cavar en la mitad del canal de 30 cm otro de 18 cm de ancho y 6 cm de profundidad. En carbones blandos el ancho debe ser de 12 cm y la profundidad de 9 cm aproximadamente.

- Por cada 30 cm de potencia (espesor) se deben colectar de dos a tres kilos de carbón y se procura que los fragmentos de carbón no sean mayores de 10 cm.

- En mantos muy potentes se toman muestras cada 20 ó 30 cm del techo al piso.

- Estériles (bandas y nódulos) y asociaciones (carbón más estériles) tanto en el manto como en el techo y el piso deben incluirse en la muestra, si por el laboreo minero se arrancan conjuntamente con el carbón.

- Si el muestreo se realiza en una mina, la muestra debe extraerse de un frente de explotación. Esto con el fin de tomar muestras frescas.

- Muestras cercanas a fallas se deben marcar como tales. Estas muestras necesitan investigaciones especiales debido a posibles cambios en la calidad del carbón.

- Se mide la potencia del manto, su rumbo y buzamiento.

- Para cálculos de dilución se toman separadamente con la muestra de carbón de canal, muestras de peña del techo y del piso de un peso mínimo de 5 kilogramos.

Muestreo de columna. El objetivo de esta muestra es la de transferir al laboratorio un bloque monolítico de carbón que representa la potencia total del manto. Las características de esta muestra son las siguientes:

- Tienen las mismas funciones que una muestra de canal.

- Util para estudios de macro- y micropetrografía y para análisis químicos especiales.

- Este muestreo requiere el mismo trabajo que para la muestra de canal.

- Como es muy difícil colectar una columna intacta, los trozos de carbón se enumeran del techo al piso marcando con una flecha la dirección del piso.

Muestreo de apiques, túneles y trincheras. Estas muestras se pueden considerar como incrementos.

Este muestreo permite colectar muestras voluminosas de carbón en afloramientos relativamente frescos o destapar mantos en el subsuelo que yacen a poca profundidad. La toma de la muestra y el transporte son costosos. Estas muestras pueden mostrar algo de meteorización.

12

2.1.5.2 Sistema de muestreo durante la fase de desarrollo. Durante el desarrollo de un proyecto minero las muestras tomadas son generalmente núcleos de perforaciones.

También se puede tener el caso de muestra de canal cuando se requiere desarrollar áreas de una mina subterránea en producción. Estas muestras se colectan con los requisitos exigidos para muestras de afloramientos, por lo que se recomienda muestrear en el frente de avance.

Precauciones en las perforaciones:- Utilizar agua fresca en lugar de lodo o aire, ya que el lodo puede

contaminar la muestra y el aire la puede oxidar.

- Recuperar un máximo del manto de carbón en la muestra. Mala recuperación significa una muestra no representativa y por ende resultados analíticos poco confiables. Tabla 2.3.

- Utilizar registros eléctricos.

- Una vez recuperado el núcleo, lavarlo y empacarlo inmediatamente para evitar exposición al aire y posible oxidación.

- Determinar la pérdida de material, verificar los registros eléctricos y registro del perforador.

- Describir detalladamente el núcleo. Condiciones físicas, litológicas, presencia de bandas de estériles, variación en la composición maceral (litotipos), etc. Figura 2.3.

Registros eléctricos.Los registros eléctricos comúnmente usados en evaluaciones de formaciones carboníferas son los siguientes tipos:

Densidad. Resistividad. Rayos Gama.

Las ventajas de los registros eléctricos son:

Indispensable para correlacionar mantos de carbón. Medición de espesores. Verificar la recuperación. Información estructural adicional como bandas de estériles, tipos de contactos

con rocas de techo y piso. Estimativos de calidad.

Muestras de núcleo.Los núcleos se obtienen mediante perforaciones con taladro con broca de diamante. Las medidas y descripciones de los núcleos es responsabilidad de los geólogos de campo.

Ventajas de los núcleos:13

- Permiten análisis físicos y químicos de mantos profundos que no pueden muestrearse a costo razonable mediante apiques o túneles.

- En la mayoría de los casos se colectan muestras frescas.

- Se puede obtener una sección completa del manto cuando hay un ciento por ciento de recuperación lo que generalmente se consigue. En el muestreo de perforaciones puede existir una pérdida de núcleo tanto de los mantos de carbón como de los estratos acompañantes. De los carbones el más difícil de recuperar es el brillante debido al diaclasamiento que contiene. Análisis de núcleo de carbón con menos de un 80% de recuperación se deben tomar con precaución.

- Los núcleos permiten evaluar con alto grado de confianza el potencial y calidad de un depósito carbonífero.

Muestreo de ripios.Estas muestras tienen las siguientes características:

Son muestras de perforaciones con broca tricónica.

Son útiles en ausencia de muestras de núcleos.

La información obtenida es limitada.

Son consideradas como muestras no representativas ya que durante la perforación se pierden partículas finas por lavado.

Según especificaciones de CARBOCOL los espesores de núcleos a muestrear dependen del programa de exploración o desarrollo.

Para proyectos de minería subterránea se recomienda muestrear potencias (espesores) mayores de 60 cm.

Se recomienda también tomar una muestra de 15 cm del techo y otra de 15 cm del piso del correspondiente manto de carbón para cálculos de dilución de futuras mezclas.

Cuando los mantos de carbón contienen intercalaciones (estériles) se deben tratar de la siguiente manera. Figura 2.4:

- Si las intercalaciones son mayores de 15 cm pero menores de 60 cm, se podrán analizar separadamente. En caso de que el estéril tenga un espesor mayor la 30% del espesor del carbón acumulado, se tomará como separación de dos mantos y no como una intercalación.

- Si las intercalaciones son mayores de 60 cm, o se encuentran en el caso de tener un espesor mayor al 30% del espesor del carbón acumulado, no necesitarán ser analizados, sin embargo se toman 15 cm límites tanto del techo como del piso de la intercalación para futuros análisis.

Para proyectos de minería a cielo abierto: Para proyectos de minería a cielo abierto se recomienda muestrear mantos de

carbón con espesores de 1 metro, aún cuando esta potencia se puede modificar.

14

También se muestrean 15 cm del techo y 15 cm del piso del respectivo manto para cálculos de dilución y otros análisis.

Cuando los mantos de carbón contienen intercalaciones (estériles) se deben trabajar de la siguiente manera:

Si las intercalaciones son menores de 15 cm, se mezclan con el carbón y se analizan como un todo.

Si las intercalaciones son mayores de 15 cm, pero menores de 60 cm se pueden analizar separadamente.

Si las intercalaciones son mayores de 60 cm, se toman muestras para dilución de futuros análisis.

2.1.5.3 Sistema de muestreo durante la fase de producción o explotación. Este muestreo se refiere al carbón que ha sido arrancado o extraído por operaciones mineras y por lo tanto se le denomina muestreo o muestra de producción. Este muestreo puede ser de carbón en reposo o de un corriente de carbón (carbón en movimiento).

Factores causantes y prevenciones de error sistemático en el muestreoEstos factores son:

Selección de incrementos de un parte no representativa del carbón muestreado, por ejemplo de un solo lado de un vagón, volqueta, banda transportadora, etc.

Colección de incrementos no representativos, por ejemplo cuando se usa una pala con poca capacidad para colectar los fragmentos más grandes del carbón. Figuras 2.5, 2.6 y 2.7. Por este motivo la abertura del dispositivo de muestreo debe ser al menos 2,5 veces más grande que el tamaño tope a muestrear.

Se puede corregir el error sistemático cambiando la forma o colocación del aparato de muestreo o cambiando el sistema de muestreo.

La precisión del muestreo se puede afectar alterando el número de incrementos pero esto no alterará cualquier error sistemático inerte en el sistema.

Factores críticos del muestreo de carbón en reposo.Estos factores son:

Hay segregación de los tamaños de partículas.

Existe una mayor susceptibilidad a la oxidación en la superficie que en el interior de la masa

La humedad tiende a ser mayor hacia el interior de la masa.

Muestreo de un flujo de carbón (bandas transportadoras).

15

Este muestreo depende de si el carbón se toma de una banda parada o de una banda en movimiento. Es el sistema más confiable para obtener incrementos. Los incrementos pueden tomarse con dispositivos o a mano. El muestreo mediante dispositivos puede ser controlado manualmente o automáticamente. Estos dispositivos atraviesan el flujo de carbón asegurándose de tomar todo el espesor y ancho del flujo. Figuras 2.8 y 2.9. Los dispositivos de muestreo han probado ser libres de sesgamiento y son preferibles a los métodos manuales ya que se comportan siempre de la misma manera y eliminan la influencia subjetiva del muestreador.

En el muestreo manual los incrementos de un flujo de carbón pueden ser tomados con una pala o un cucharón, la cual es desplazada a través de todo el ancho del flujo a una velocidad constante. Figuras 2.10, 2.11 y 2.12.

El muestreo de bandas puede realizarse de dos maneras, o tomando incrementos a intervalos iguales de tiempo en donde el peso de los incrementos es proporcional a la densidad de flujo o tomando incrementos de igual peso. Cuando las características del lote a muestrear son regulares y uniformes se utiliza el muestreo basado en el peso en donde la relación de pesos entre el incremento y la masa total es siempre constante.

Cuando las bandas se mueven a altas velocidades o llevan cargas fuertes son peligrosas. Por ello el muestreo manual de bandas en movimiento se recomienda sólo cuando la velocidad de la banda es menor de 0,15 m/seg., la altura del carbón es menor de 0,3 m y el flujo es menor de 200 t/hora. En el Cerrejón el flujo puede llegar a 10.000 t/hora y la velocidad 0,40 m/seg. Por lo tanto el muestreo se realiza con dispositivos automáticamente. Figuras 2.13 y 2.14.

Para evitar el error sistemático el intervalo de tiempo entre incrementos sucesivos no debe coincidir con ninguna periodicidad natural en la cantidad o calidad del carbón. También hay que tener presente que el ancho de la sección a muestrear debe ser 2,5 veces el tamaño tope del carbón y que se debe evitar tomar la muestra al comienzo o al final del flujo de carbón.

El muestreo de bandas transportadoras se puede usar para controlar otros sistemas de muestreo.

Muestreo de carbón en reposo.Para el muestreo de carbón en reposo es conveniente tener presente que existe una segregación de los tamaños de partículas, hay una mayor susceptibilidad a la oxidación en la superficie que en el interior de la masa de carbón y que la humedad tiende a ser mayor hacia el interior de la masa de carbón y que la humedad tiende a ser mayor hacia el interior de la masa de carbón.

Muestreo de volquetas.Este muestreo se puede realizar antes, durante o después del descargue del carbón.

Cuando la operación se realiza antes del descargue se deben tomar los incrementos con una pala u otro utensilio removiendo una capa de por lo menos 30 cm en puntos espaciados regularmente en zig-zag. Figura 2.15. Si se

16

encuentran terrones grandes en el punto de muestreo se deben tomar pequeñas porciones de cada terrón. Para evitar errores no se deben tomar los incrementos superficialmente o de un solo lado de la volqueta.

Cuando se muestrea durante el descargue los incrementos deben abarcar todo el ancho del material en movimiento o por lo menos de tres lugares diferentes del ancho total. El muestreo debe efectuarse durante todo el descargue.

Cuando se muestrea después del descargue, se deben tomar los incrementos a diferentes alturas del talud formado.

El peso de los incrementos en todos los casos depende del tamaño tope del carbón.

Muestreo de vagones.El muestreo de vagones se puede llevar a cabo de la parte superior por medio de dispositivos, de las partes del fondo o laterales durante el descargue, o de las superficies expuestas del vagón a medida que se descarga el carbón.

Cuando el muestreo se realiza en la parte superior se puede utilizar el mismo sistema que el utilizado para volquetas antes del descargue. Si no es posible tomar muestras hasta el fondo se hace un hueco en la masa del carbón que permita colectar con una pala los incrementos desde la parte superior hasta el fondo evitando que terrones de carbón se deslicen por la pared del hueco y se incorporen a la muestra.

El muestreo de vagones durante el descargue es difícil a causa de la rápida caída del carbón y por lo tanto no se pueden obtener los incrementos de todas las partes del flujo. Este método es complicado de operar y peligroso, por lo tanto se recomiendan ayudas mecánicas o utilizar otros métodos si es posible.

El muestreo de las superficies expuestas del vagón a medida que se descarga el carbón se realiza de las caras inclinadas del carbón en reposo. Las caras inclinadas se dividen en áreas y de éstas numeradas se toman los incrementos.

Los métodos de muestreo descritos no pueden ser utilizados cuando existen capas de carbón de distintas fuentes.

Muestreo de barcos y barcazas.El muestreo de carbones en reposo de barcos y barcazas se usa solamente cuando no hay posibilidad de muestrear en banda transportadora durante el cargue o descargue, los incrementos se colectan en cada bodega en puntos distribuidos en cuadrados sobre varias capas de carbón expuestas a medida que se descarga el barco o la barcaza. En el caso de diferentes tipos de carbón en bodegas diferentes se debe muestrear cada carbón separadamente. Para determinar el peso de los incrementos es necesario conocer el tamaño tope del carbón.

Muestreo de pilas.

17

Si la pila está formada de diferentes clases de carbones apilados en partes diferentes, de cada una se deben tomar incrementos para formar la muestra bruta de carbón.

Cada muestra bruta se analiza separadamente y de las características se obtiene un promedio ponderado teniendo en cuenta la masa de carbón que representa.

La toma de incrementos de una pila formada por una o varias clases de carbones, debe ser de puntos uniformemente espaciados sobre la superficie de la pila y si ésta es de grandes dimensiones se aconseja diseñar un plan de muestreo en un plano a escala del área marcando los puntos de muestreo. Durante el muestreo es conveniente tener presente que la capa de carbón superficial tiene una calidad diferente al resto, debido a oxidaciones, segregaciones y pérdidas de humedad y que los incrementos representan únicamente la parte y la profundidad de donde se tomó el carbón.

Cuando se muestrean carbones con tamaños de partículas hasta 25 mm, se utilizan tubos especiales acondicionados. Para carbones con tamaños mayores se excavan huecos con pala en forma tal que el ángulo de las paredes sea menor que el ángulo de reposo del carbón en al pila. Los huecos deben hacerse hasta diferentes profundidades y con la pala deben tomarse los incrementos desde la parte más profunda hasta la superficie para que las muestras representen varias capas de la pila.2.2 PREPARACION DE LA MUESTRA DE CARBON.

El objetivo de la preparación de la muestra, es el de llevar la muestra bruta (mixta), al estado de granulación, peso y humedad exigidos para determinar las propiedades físicas y químicas del carbón. Para los análisis de laboratorio, la muestra bruta debe ser triturada, secada, molida y dividida (cuarteada). Durante este trabajo, como también durante su almacenamiento, la muestra no debe cambiar su constitución es decir, hay que evitar meteorizaciones, temperaturas altas, contaminaciones y pérdidas de material.

Una muestra bruta se puede preparar de la siguiente manera: se pesa la muestra y luego se tritura hasta que todo el material pase por una criba de huecos redondos de 10 mm de diámetro. En este paso la trituración se hace cuidadosamente para evitar la formación de finos, lo cual se consigue cribando repetidas veces lo triturado. La muestra triturada se mezcla bien y se cuartea hasta obtener muestras parciales de aproximadamente 5 Kg. Cinco kilogramos permiten la ejecución de las investigaciones necesarias. Una muestra parcial de cinco kilogramos se extiende en capas delgadas de 2 cm por ejemplo, sobre láminas metálicas o plásticas, en un cuarto libre de contaminaciones y se dejan secar 24 horas. De esta manera se determina la humedad superficial (humedad burda), por pérdida de peso, luego se toma una muestra libre de humedad burda y se muele a menos de 2 mm. Se muestrea y cuartea luego hasta obtener muestras parciales de 150 gr. (muestras de laboratorio). Estas muestras se utilizan para los diferentes ensayos. Por ejemplo, para petrografía se muele una muestra de estas muy delicadamente a menos o igual de 1 mm, para análisis inmediato a menos de 0,2 mm para análisis elementales a menos de 0,1 mm, etc. De éstas últimas (muestras de análisis), se obtienen las cantidades necesarias para los ensayos.

18

Se recomienda por seguridad separar y dejar bien guardada una muestra parcial de 5 kg. hasta terminar todas las investigaciones. Se aconseja también, en el caso de que los carbones sean susceptibles a la oxidación, secarlos antes de triturarlos a menos de 10 mm. (Ver Figura 2.16).

2.2.1 Elaboración de pulidos de granos y pulidos de trozos para análisis petrográfico. La metodología siguiente sobre la elaboración de pulidos de granos y trozos es apta para carbones, briquetas de carbones, coques, mezclas de carbones y estériles (peñas).

Un pulido de granos es una muestra con una superficie pulida altamente brillante que consta de granos de carbón y de una resina sintética en la cual están empotrados los granos. Un pulido de trozos es una muestra con una superficie pulida altamente brillante que consta de un trozo de carbón y una resina sintética en la cual está empotrado el trozo.

Los pulidos de granos y de trozos son necesarios para las investigaciones microscópicas con luz reflejada.

2.2.1.1 Muestra para pulidos de granos. Las muestras de pulidos de granos se pueden elaborar por vaciado o por presión. La resina sintética monómera se prepara según la cantidad que se necesite incluyéndole el catalizador y el acelerador en las proporciones que indique el fabricante.

Para evitar confusiones con los pulidos se marca la muestra endurecida en dos superficies contrapuestas. En muestras de trozos se marca la superficie superior.

- Elaboración sin presión. Para la elaboración de pulidos sin presión se determina la forma adecuada utilizando para ello láminas de aluminio las cuales se doblan sobre los modelos de madera obteniéndose así los moldes. También se puede utilizar moldes de caucho de silicón prefabricados. La resina sintética se mezcla muy cuidadosamente en los moldes con el material de mezcla en relaciones de volúmenes 1:1, la altura de la mezcla en el molde debe ser de aproximadamente 25 mm, independientemente de la superficie de base.

Para evitar una precipitación o segregación de los granos, se agita en el molde el material varias veces antes de que se endurezca. El endurecimiento de la muestra dura aproximadamente sesenta minutos. Cuando la muestra esté dura, ésta se retira del molde.

- Elaboración con presión. La elaboración de pulidos con presión se recomienda si se quiere aumentar el número de granos por superficie pulida, como también si se quiere evitar una segregación de los granos de carbón, para lo cual se utiliza una prensa de varilla fileteada. La relación óptima del material de muestra y de resina sintética así como la fuerza aplicada a la llave de momento de giro, se deben determinar empíricamente en ensayos preliminares.

19

Para la elaboración de una muestra con una superficie de base de 25 mm x 25 mm, se necesitan 21gr de material de muestra y siete gramos de resina sintética incluyendo el catalizador y el acelerador. Estos componentes se mezclan bien hasta formar una pasta que luego se vierte en el molde de la prensa. Este molde se coloca en la prensa la cual se encuentra fija a una base. Luego de instalarse el estemple de presión y el calote esférico se ejerce con la llave un momento de giro de aproximadamente 5 kg.f. Esta fuerza de presión permanece constante hasta que la muestra se endurece (1 á 2 horas) luego de lo cual se retira la muestra de la prensa.

2.2.2.2 Muestra para pulidos de trozos. Los trozos de material (carbones, briquetas, coques), se cortan primero en la dirección deseada antes de ser empotrados en la resina sintética. En carbones, el corte se hace preferiblemente perpendicular a la estratificación. Para los análisis cuantitativos los trozos no deben tener un lado mayor de 6 cm. Si el material para los pulidos es friable es mejor empotrar todo el trozo antes de cortarlo. En este caso luego del endurecimiento de la resina éstos se cortan quedando así los poros y fisuras llenos de resina sintética.

Para llenar poros y fisuras impregnándolos con resina sintética, se le agrega luego la resina diluida. El material cortado se coloca con la superficie de corte hacia abajo en el molde preparado de aluminio o caucho de silicón el cual contiene ya una capa delgada de resina. Luego se vierte sobre el trozo la masa de resina diluida. Después del endurecimiento se retira la muestra del molde y se marca la superficie superior o las caras laterales con un marcador de punta de acero.

2.2.3 Desbastado del cuerpo de muestra. Las muestras con una superficie de base de 25 mm x 25 mm se cortan por la mitad, luego se desbastan las dos mitades en la superficie de corte. En muestras grandes o muestras para pulidos de trozos se desbasta la superficie de base. En el desbastado expuesto a continuación se deben seguir muy detenidamente las siguientes reglas:

- Después de cada desbastado se debe limpiar muy bien con agua corriente la muestra a fin de evitar que granos gruesos del abrasivo utilizado pasen al siguiente desbastado que es más fino.

- Si la muestra contiene minerales arcillosos propensos a hincharse, se debe utilizar en lugar de agua etilenglicol, tanto para las suspensiones como para el limpiado del cuerpo.

2.2.3.1 Desbastado a mano. El primer trabajo en el cuerpo de muestra es un desbaste preliminar, a fin de obtener una superficie de pulido plana y quitarle la capa de resina que eventualmente pueda tener. Este desbastado tiene lugar sobre una placa de vidrio. Como abrasivo se utiliza carburo de silicio No. 55 y agua. Si la superficie desbastada contiene aún poros grandes se le debe aplicar una nueva capa de resina. Una vez endurecida la resina se hace de nuevo el desbastado preliminar. Este tratamiento debe repetirse hasta que los poros estén llenos de resina. Luego se desgastan los vértices del cuerpo con carburo de silicio No. 55, sobre la misma placa o en un disco desbastador giratorio.

20

Sobre la segunda y tercera placa de vidrio se desbasta el pulido utilizando carburo de silicio No. 150 y No. 400 (FF) en suspensión con agua. Para evitar huellas del desbastado y rayas en la superficie pulida se llevan a cabo durante la operación movimientos rotatorios sobre la placa. Sobre la cuarta placa de vidrio se realiza el desbastado fino con carburo de silicio No. 500, en suspensión con agua. Si el material de la muestra es muy duro como por ejemplo antracitas, carbones con muchos minerales o coques, se recomienda otro desbastado con carburo de silicio No. 1200 sobre una quinta placa de vidrio.

2.2.3.2 Desbastado con máquinas de papel abrasivo. En este método se utilizan tres discos giratorios en los cuales se pegan los papeles abrasivos carbimet. El desbaste preliminar se realiza con papel abrasivo No. 240. Luego sigue un desbaste con papel abrasivo No. 400. El desbaste final fino se realiza con papel abrasivo No. 600.

2.2.4 Pulimento de las superficies desbastadas. Para el pulimento se deben seguir las mismas reglas expuestas en el numeral 4.2.3 (Desbastado de la muestra).

2.2.4.1 Método de Pulimento A. El pulimento de la muestra se realiza sobre paños para pulir, una vez terminado el desbastado fino. Los paños se colocan en discos de una máquina pulidora de altas revoluciones. El primer pulimento se realiza con óxido de cromo, continuando con alúmina No. 1. Aún cuando los abrasivos están en suspensión, se debe agregar agua durante el trabajo para evitar el calentamiento. El último pulimento se realiza a mano sobre un paño extendido en una placa de vidrio utilizando alúmina No. 2. En muestras muy blandas y delicadas se puede llevar a cabo un último pulimento a mano utilizando para ello, un paño, una placa de vidrio y alúmina No. 3.

Luego de terminado el pulimento, el cuerpo se limpia bien de la alúmina que pueda contener. Este trabajo se hace en agua corriente, sobre una placa de vidrio colocada oblicuamente, con un paño extendido. Una muestra con una superficie bien pulida se reconoce por lo mal que humedece con agua.

2.2.4.2 Método de Pulimento B. En este método se utilizan paños de billar en lugar de los paños de pulir, de calidad ZW 4 y como abrasivo la alúmina gamma exal. La alúmina está en suspensión en agua con una relación de peso 1:20. El primer pulimento se lleva a cabo sobre un disco giratorio.

Para el pulimento fino se trabaja a mano sobre el mismo paño de billar y utilizando el mismo abrasivo pero sin poner a rotar el disco. Luego se trata la superficie pulida con lejía de jabón con el fin de quitarle la grasa. Por último, a mano y sobre un paño y con bastante agua corriente se pule la superficie hasta que ésta quede completamente brillante. Luego se secan con aire a presión y se colocan sobre papel absorbente.

Los pulidos obtenidos por los dos métodos descritos se fijan con plastilina sobre portaobjetos de vidrio, los cuales se rotulan con todos los datos concernientes a la muestra pulida.

21

3.1.5. Caracterización

A continuación se presenta un resumen de los principales análisis que se le efectúan al carbón para caracterizarlo y definir su uso más adecuado y en la figura 3.1 se presenta a grandes rasgos los componentes del carbón.

FIGURA 3.1. Representación de la composición del carbón y la denominación de sus componentes, Ramirez P. 1.992.

Análisis realizados al carbónAnálisis próximos. Corresponden a la humedad, cenizas, materia volátil y carbono fijo.

Análisis próximos completos. Equivalen a los análisis próximos cortos más azufre y poder calorífico.

Humedad superficial + humedad residual (Norma ASTM D3173) humedad total ó humedad comercial. Esta es necesario conocerla en los contratos de compra y venta, en la evaluación y construcción de procesos industriales, manejo y pulverización del carbón.

22

Cenizas

Residuo de coque

Carbono fijo

Mat. volátiles

Humedad higroscópica

Humedad burda

Carbón libre de humedad y cenizas

Carbón libre de humedad

Carbón libre de humedad burda (seca al aire)

Carbón crudo

Materias Volátiles (norma ASTM 3175 e ISO 562). Están compuestas de H2O, H2, CO2, HS, metano, amoniaco, benceno, tolueno, naftaleno y vapores de

alquitranes. Es importante en el diseño y la selección de calderas, de procesos de gasificación y licuefacción y en la clasificación de los carbones de acuerdo a las normas ASTM e ISO.

Cenizas. Son los residuos que quedan después de la combustión del carbón, estas pueden ser:

Singenéticas. Se forman en el pantano de turba a partir de la materia orgánica.

Epigenéticas. Se generan después de que el carbón esta formado.

Operacionales. Corresponden a materiales del techo y del piso de las rocas que acompañan a los mantos de carbón y que son arrancados junto con éste durante el proceso de explotación.

Azufre. Se presenta en tres formas:

Pirítico, como (FeS2), muy denso, puede ser removido parcialmente mediante el lavado del carbón y es combustible.

Orgánico, no se puede remover de manera económica, es parcialmente combustible

Sulfático no es combustible, y pasa directamente a las cenizas

Poder Calorífico. Representa la energía de combustión del carbono e hidrógeno en la fracción orgánica y del azufre tanto orgánico como pirítico, generalmente se expresa en Calorías/Gramo o en Unidades Térmicas Británicas (BTU/Lb).

Es el parámetro más importante a tener en cuenta en los carbones térmicos y especialmente en los contratos de compra-venta y clasificación de carbones según la norma ASTM. D 2015

Análisis elemental. Estos análisis son necesarios, para el calculo de los requerimientos de aire para la combustión del carbón, peso de los productos de combustión y pérdidas de calor en las calderas.

Los requerimientos de aire y pesos de productos de combustión se usan para determinar el tamaño de los ventiladores.

Consiste en la determinación de los siguientes elementos:

Carbono (C), Hidrógeno (H), Nitrógeno (N), Oxígeno (O), Cloro (Cl), y azufre (S).

23

Fusibilidad de cenizas. Este análisis es importante en las especificaciones del diseño y operación de hornos y calderas, pues establece los límites de temperaturas máximas permisibles.

Análisis químico de cenizas. Estos análisis permiten determinar la capacidad de las cenizas para la formación de escoria en el hogar en y depósitos en las superficies de intercambio de calor. Se determinan los siguientes óxidos: SiO2,, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, TiO2, Na2O, K2O, P2O5, SO3.

Análisis petrográfico. Cuantifica macro y microscópicamente los constituyentes del carbón para determinar su composición rango y utilización. Este análisis cada vez toma mayor importancia, ya que establece con mayor precisión el comportamiento del carbón en sus diferentes usos.

Análisis para determinar las propiedades plásticas de los carbones. La aptitud de un carbón para producir coque depende de las propiedades aglutinantes y coquizantes.

Las propiedades aglutinantes afectan la aptitud del carbón de aglomerarse e hincharse; se expresan con el índice de hinchamiento y el poder aglutinante (índice Roga). Estos ensayos se llevan a cabo con altas velocidades de calentamiento.

Propiedades físicas. Estos análisis son útiles para el diseño, selección y control de los procesos de preparación y molienda.

Densidad. Permite determinar la preparación técnica que se debe utilizar en las plantas lavadoras de carbón, capacidad de las tolvas, sistemas de transporte,

almacenaje y volumen de carbón suelto. En pilas varía de 0,64 - 0,96 ton/m3

dependiendo de: El tamaño, densidad y compactación de las partículas.La densidad de la porción orgánica varía con el rango del carbón (1,28 - 1,5

ton/m3).

Friabilidad. Degradación del tamaño de grano durante el manejoLa friabilidad varía con el rango y la composición petrográfica.Porosidad y área superficial. Todos los carbones son porosos submicroscópicamente, al extraer el carbón los poros están llenos de agua.

Índice de Triturabilidad (ASTM D409) Este índice es la propiedad física del carbón que determina la facilidad para pulverizarlo o molerlo. El método más utilizado es el Hardgrove. Esta propiedad es muy importante cuando se utiliza carbón pulverizado, ya que índices altos indican las mejores condiciones para la pulverización.

3.1.6. Estados de Carbonificación y Usos

El grado de transformación de la materia orgánica a través de la serie turba, lignito, carbones sub-bituminosos, bituminosos, antracita y meta-antracita es lo que se conoce como carbonificación o rango del carbón y se toma como base el grado de alteración física y química. La carbonificación se considera un proceso

24

diagenético sólo para la turba y los lignitos pero a partir de la etapa de carbones sub-bituminosos la alteración del material orgánico es más severa y por lo tanto se tiene un proceso de metamorfismo; aunque las condiciones esenciales para que se presente la formación de carbones bituminosos (temperatura, tiempo y presión), sólo producen débiles cambios diagenéticos en los sedimentos asociados al carbón. Por esta razón, el grado de carbonificación es el mejor indicador para estimar el grado de diagénesis de los sedimentos.

Se debe hacer la distinción entre cambios químicos y físico estructurales en los procesos de carbonificación. Entre los últimos están por ejemplo: La disminución de la porosidad y el incremento de la anisotropía óptica paralela a los planos de estratificación. Estas dos características están relacionadas con el aumento de la presión litostática con la profundidad.

La porosidad disminuye naturalmente muy rápidamente debido a aumento de la presión de sobrecarga con la profundidad, siendo un buen indicador diagenético para turbas y lignitos.

Posteriormente el grado de carbonificación se estima a partir de parámetros químicos (carbono, oxígeno, hidrógeno y materia volátil) o por propiedades ópticas tales como reflectividad de la vitrinita o fluorescencia de compuestos hidrogenados, las cuales dependen de la composición química.

A medida que el contenido de humedad decrece, aumenta el poder calorífico. La caída del contenido de humedad depende en gran parte de una disminución de la porosidad, pero también de la descomposición de los grupos funcionales hidrofílicos.

La materia volátil muestra poco cambio durante la etapa de lignitos y los productos volátiles de la reacción consisten predominantemente en dióxido de carbón y agua con algo de metano.Los cambios más notables son petrográficos y se presentan en el límite entre los carbones sub-bituminosos C/B. Estos cambios se deben a la gelificación geoquímica (vitrinitización) de las sustancias húmicas, las cuales son típicas de este rango. El carbón se vuelve negro y lustroso durante la gelificación y por lo tanto, los carbones sub-bituminosos B/A son muy similares a los carbones bituminosos.

El progreso de la carbonificación en los carbones bituminosos altos en volátiles (MV>30% libre de agua y ceniza lac) es similar a la de los lignitos, en particular se presenta una caída del contenido de humedad y un correspondiente aumento en el poder calorífico.

En las etapas posteriores de carbones bituminosos (MV<30% - 10%), la materia volátil, la cual consiste principalmente de la fracción no aromática del carbón, disminuye rápidamente debido a la remoción de los grupos alifáticos y alicíclicos y al incremento de la aromatización de los complejos húmicos. En esta etapa de rango, la reflectividad aumenta casi al mismo grado que disminuyen las materias volátiles, debido a que ambos parámetros están relacionados al grado de aromatización de las unidades estructurales de la vitrinita.

25

En contraste con la materia volátil, el carbono es un indicador de rango relativamente pobre en la etapa de los carbones bituminosos (materia volátil <30%), porque este sólo se altera ligeramente con el incremento de la profundidad y la disminución de las materias volátiles.

Dependiendo del gradiente geotérmico, una subsidencia de al menos 1500 m de profundidad, generalmente entre 2500-4000m, se requiere para la formación de los carbones bituminosos.

La etapa de antracita se caracteriza por una caída rápida del contenido de hidrógeno y de la relación atómica H/C, y por un incremento particularmente fuerte de la reflectividad y la anisotropía óptica, (Figura 3.2). La mayor producción de metano está asociada con la reducción de hidrógeno, la cual empieza a aproximadamente cuando los contenidos de carbono alcanzan valores de 87% y la materia volátil es del 29%.

3.1.7. 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; en 1996: Polonia (95%), Suráfrica (93%), Dinamarca (77%), Australia (83%), Grecia (69%), China (75%), Alemania (53%) y los Estados Unidos de América (53%).

La vida moderna es inimaginable sin electricidad, la cual ilumina las casas, los edificios y las calles, provee calor para usos domésticos e industriales y de energía para la mayoría de los electrodomésticos y máquinas utilizadas en hogares, oficinas y fábricas. Sin electricidad, telecomunicaciones, radio y televisión, la mayoría de las instalaciones médicas y muchas de las más avanzadas industrias sencillamente no existirían.

26

Figura 3.2. Etapas de carbonificación

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. El acero es de hecho esencial para la vida diaria; carros, trenes, rascacielos, barcos, instrumentos quirúrgicos, rayos-x y electrodomésticos, todos están hechos de acero. Es fundamental para la fabricación de la maquinaria que hace casi cada producto que usamos. Sin ellas, no se podría dar forma a la madera y el vidrio, la piedra no se podría triturar, el concreto no podría mezclarse, otros metales no se podrían fundir y los plásticos no se podrían fabricar.

El cemento es esencial para la construcción de casi todos los grandes edificios, fábricas, carreteras y represas. La mayoría de las plantas de cemento del mundo

27

se alimentan con carbón. El carbón es directamente ó indirectamente vital en muchos aspectos de la vida diaria.

3.1.8. Estadísticas mundiales sobre reservas producción consumo y uso del carbón

A continuación se darán algunas estadísticas que se tomaron de los informes del Instituto Mundial del Carbón, Tablas 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 y 3.8 y las Figuras 3.3, 3.4 y 3.5

Tabla 3.2. Principales Productores De Carbón Duro (1999) Incluyen:

República Popular China 1,029 MtEstados Unidos 914 MtIndia 290 MtAustralia 225 MtSur Africa 224 MtRusia 163 MtPolonia 112 MtUkrania 81 MtIndonesia 74 MtKazakhstan 56 Mt

Tabla 3.3. Consumo total de Energía Primaria en el Mundo – Fuentes comerciales y no comerciales(% por combustible - 1998)

Carbón 23.3%Gas 20.3%Petróleo 35.7%Nuclear 6.7%Combustibles Renovables & desechos 11.2%Hidroeléctrica 2.3%Otras* 0.4%

Otras incluyen geotermal, solar, viento, calor etcFuente: IEA Key World Energy Statistics 2000 Edition

Tabla 3.4. Generación de electricidad total en el mundo (%por combustible-1998)

Carbón 38.4%

Gas 16.1%

Petróleo 8.9%

Nuclear 17.1%

Hidroeléctrica 17.9%

Otras* 1.6%*Otras includeyen solar, viento, combustibles renovables, geotermal & desechosFuente: IEA Key World Energy Statistics 2000 Edition

28

El carbón proporciona alrededor del 23% de las necesidades de energía primaria global y genera cerca del 38% de la electricidad del mundo.

El carbón y el acero: aproximadamente el 17% (600 Mt) de la producción total de carbón duro se utiliza por la industria del acero – el 70% de la producción mundial total de acero depende del carbón.

Tabla 3.5. Principales exportadores de carbón (1999) incluyen:

País Steam CokingAustralia 79.2 Mt 92.4 MtSur Africa 63.7 Mt 2.5 MtIndonesia* 45.4 Mt 8.7 MtEstados Unidos 23.9 Mt 29.1 MtRepública Popular China 30.5 Mt 6.9 MtCanadá 4.9 Mt 28.8 Mt Colombia* 29.3 Mt 0.6 MtRusia 21.1 Mt 5.6 Mt Polonia 17.5 Mt 6.6 Mt

* Los carbones de Indonesia y Colombia se usan para la inyección de carbón pulverizado (PCI)

Tabla 3.6. Principales importadores de carbón (1999) incluyen:

 País Steam CokingJapón 70.9 Mt 61.9 MtRepublica of Corea 35.0 Mt 17.2 MtChina Taipei 31.8 Mt 9.3 MtAlemania 23.3 Mt 3.6 MtInglaterra 12.9 Mt 8.0 MtUnión Europea Total 115.5 Mt(e) 34.5 Mt(e)

Carbón en la generación de electricidad: El carbon es el principal combustible usado para la generación de electricidad a lo amplio del mundo – los paises que dependen en gran medida del carbón para la electricidad son: (1999):

Tabla 3.7. Carbón en la generación de energía

Polonia 96%Sur Africa 90%Australia 84%China 80%(e)Republica Checa 71%Grecia 70%India 68%(e)Estados Unidos 56%Dinamarca 52%Alemania 51%Holanda 40%

Unión Europea 25%

29

Fuentes: BP Amoco, Eurostat, IEA, SSY Consultancy & Research & others

Tabla 3.8. Productores, Exportadores e Importadores de Carbón

Productores

Carbón duro Carbón pardo

Exportadores

Carbón duro (Mt)

Importadores

Carbón duro (Mt)

People's Rep. of China1 029*Estados Unidos91478India29022Australia22566Sur Africa2240Rusia16390Polonia11161Ukraine813Indonesia740DPR de Corea6223Resto del mundo290536Mundial3 463879

1999 Data

Australia170Sur Africa66Indonesia54Estados Unidos53People's Rep. Of China37Canadá34Colombia30Rusia27Polonia24Kazakhstan24Resto del mundo30Mundial549

1999 Data

Japón133Corea52Chinese Taipei41Alemania22Inglaterra21España20Holanda19India18Francia17Italia17Resto del mundo175Mundial535

1999 Data

 Fuentes: Energy Statistics and Balances of non-OECD Countries; Coal Information.

30

*Incluido en carbón duro

Evolución desde 1971 a 1998 del Suministro Total De Energía Primaria Por Combustible (Mtoe)

Figura 3.3. Suministro Total De Energía Primaria Por Combustible en el mundo

Evolución desde 1971 a 1999 de la producción de carbón duro por regiones  (Mt)

1973 1999

Figura 3.4. Producción De Carbón Duro

31

3.5. IDEAS PARA LA INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

El carbón es una roca sedimentaria que no tiene una composición química definida, esta compuesto básicamente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y algunos minerales tales como: cuarzo, carbonatos, óxidos, minerales arcillosos, pirita etc. Dicha composición depende en gran medida de la materia prima que formó la turbera y del ambiente de depositación.

Durante los procesos de carbonificación, se da la transformación de la materia orgánica (M.O), pero no de la materia mineral, ya que las temperaturas necesarias para que la (M.O), cambie son muy diferentes (normalmente menores de 500ºC) a las necesarios para transformar los minerales.

La carbonificación o rango del carbón es el proceso por el cual la (M.O), pasa por la serie de turba, lignito, carbones sub-bituminosos, bituminosos, semiantracita y antracita. En este proceso se empieza de la turba y a medida que se aumenta la temperatura debido principalmente al enterramiento por subsidencia y por el cubrimiento de nuevas capas sobre la turba, se empiezan a presentar cambios en la M.O, que están representados por la expulsión de agua debido al sobrepeso de las capas de encima de una manera similar a como sale el agua de una esponja saturada, Figura 3.8, cuando se oprime; igualmente la liberación de agua implica la disminución en el contenido de H y O. A medida que sigue aumentando la temperatura se empiezan a producir cambios tales como la gelificación de los tejidos vegetales y se empieza a liberar más H y O en forma de agua. Si se sigue aumentando la temperatura se empiezan a transformar de una manera más marcada los componentes de la M.O, de manera similar a como cuando se coloca a fuego lento un pedazo de chicharrón, al cabo de un tiempo le sale la grasa; de igual manera a la M.O le sale la grasa que corresponde a los hidrocarburos líquidos y gaseosos, disminuyendo de esta manera el H de la M.O. Al final lo que queda es un residuo pobre en H y enriquecido en carbono que es lo que correspondería a una antracita. Ver Figura 3.9

Los componentes líquidos y gaseosos que se desprenden del carbón al someterlo a temperatura es lo que se denomina materia volátil (M.V). O sea que un carbón de bajo rango (lignito - chicharrón crudo con toda la grasa) en donde la M.O. no esta muy transformada tiene porcentajes de M.V. muy altos con respecto a un carbón de alto rango (antracita), en donde gracias al aumento de temperatura ha liberado gran parte de los componentes líquidos y gaseosos (chicharrón frito sin grasa).

El carbono fijo corresponde al residuo de carbono quitándole las M.V., la humedad y las cenizas (materia mineral residuo de la combustión de los minerales) que tenga el carbón, de tal modo que un carbón de bajo rango va ha tener mucho menos carbono fijo que uno de alto rango

32

Figura 3.8. Composición general de un carbón de bajo rango

Figura 3.9. Composición general de un carbón de alto rango

Como el contenido de humedad y cenizas en los carbones es muy variable, es necesario convertir los resultados de los análisis a las mismas condiciones para poder compararlos, es decir, quitarles la humedad y las cenizas; esto se hace utilizando fórmulas muy sencillas tales como:

M.V (lac-libre de agua y ceniza) = M.V x 100 100 – (H + Cz)

C.F (lac) = C.F x 100 100 – (H + Cz)

P.C (lac) = P.C x 100 100 – (H + Cz)

33

Los valores de M.V, C.F y P.C. corresponden a los reportados por el laboratorio como se analiza o sea libre de humedad superficial.

Como se puede ver de la gráfica, los resultados de humedad, cenizas, materia volátil y carbono fijo deben sumar 100%, y para saber el rango del carbón teniendo en cuenta la M.V, esta se debe llevar a base libre de agua y ceniza y utilizar la tabla, pero teniendo cuidado porque dicha tabla fue elaborada para otros tipos de carbón y por lo tanto no necesariamente el rango que da es el real, porque los carbones colombianos normalmente son más ricos en hidrógeno y por lo tanto no concuerda el rango con el poder calorífico; es decir que este es más alto que el correspondiente al rango dado.

De otro lado, es importante anotar que el rango obtenido con base en la utilización de la M.V. es aproximado, ya que esta también puede estar influenciada por otros factores.

En cuanto a los análisis elementales, C, H, O y N es importante saber el comportamiento de dichos elementos a medida que aumenta el rango; estas variaciones son las siguientes:

Bajo rango

H O C

Alto rango

Así un carbón de bajo rango debe tener un contenido de H y O mucho más alto que un carbón de alto rango y un menor porcentaje de carbono.

Con respecto a los análisis petrográficos se tiene lo siguiente:

Tabla 3.9. Características de los macerales a diferentes rangos del carbón

Rango Vitrinita Liptinita InertinitaBajo Gris oscuro Pardo oscuro a

negroBlanco brillante

Medio Gris claro Gris Claro BlancoAlto Blanco Brillante No se diferencia No se diferencia

Normalmente los carbones húmicos están compuestos de los tres grupos de macerales: vitrinita, liptinita e inertinita; el contenido de cada uno de ellos es muy variable y depende del tipo de material que originó la turba, así por ejemplo, los componentes macerales de un carbón proveniente de un pantano arbóreo serán muy distintos a los componentes de un carbón que proviene de un pantano herbáceo. De otro lado, durante el proceso de carbonificación, los macerales se transforman al perder el H y el O de tal modo que las vitrinitas que originalmente en los carbones de bajo rango son de color gris, se vuelven blancas brillantes en los carbones de alto rango; las liptinitas que son pardas oscuras a negras en los carbones de bajo rango, pierden su color y desaparecen en los carbones de rango

34

medio (Ro 1.3%) y las inertinitas que son blancas brillantes en los carbones de bajo rango se vuelven imperceptibles a medida que las vitrinitas cambian.

De acuerdo a lo anterior, normalmente un carbón de bajo rango tendrá los tres grupos de macerales en donde cada uno de ellos se diferencia claramente, mientras en un carbón de alto rango solamente se diferencia con claridad la vitrinita ya que los otros macerales han perdido su color y quedan embebidos con la vitrinita. Por lo tanto para verificar que los resultados de los análisis próximos, elementales y petrográficos están bien, es necesario correlacionarlos de la siguiente manera:

Contenido de cenizas con el porcentaje de minerales, éstos últimos en los análisis petrográficos normalmente dan menor, pero debe haber una relación directa.

Las M.V y el C.F. deben estar relacionados con el poder reflector de la vitrinita (PRV) y con los análisis elementales así:

Bajo rango

M.V PRV C.F

Alto rango

A más M.V más H y OA más C.F más C

La dirección de la flecha indica hacia donde aumenta el contenido

Los macerales igualmente deben estar relacionados con las M:V, CF, C, H y O así:

Bajo rango

V L I M.V C.F H O

Alto rango

En cuanto al poder calorífico este aumenta gradualmente hasta los carbones de rango intermedio y permanece estable en los carbones de alto rango, y se ve grandemente afectado por el contenido de humedad y cenizas, de tal modo que se pueden tener carbones de bajo rango muy limpios (bajo contenido de cenizas) con poder calorífico mayor que un carbón de alto rango muy sucio (alto contenido de cenizas). Por lo tanto para saber el rango con base en el poder calorífico es necesario llevarlo a base lac y tener en cuenta que para los carbones de alto rango, los cambios no son importantes. Además normalmente si se tienen dos carbones del mismo rango y uno con mayor contenido de liptinitas, este tendrá mayor poder calorífico que el que tiene menor porcentaje de liptinitas.

3.6 OBSERVACION MACROSCOPICA DEL CARBON (LITOTIPOS).

35

La descripción macroscópica de los carbones, es uno de los criterios más utilizados en la identificación y correlación de los mantos de carbón, ya que los perfiles (dos o más) de un mismo manto son similares en diferentes lugares de una misma cuenca, lo cual hace que un manto de carbón puede ser identificado por la descripción detallada de las distintas bandas reconocibles macroscópicamente, por ser estas muy constantes lateralmente en sus características.

El manual del Comité Internacional de Petrografía del Carbón (1963) define los litotipos como “Bandas reconocibles Macroscópicamente en los carbones húmicos”, clasificándolos en 4 litotipos: Vitreno (bandas brillantes), Clareno (bandas semibrillantes), Dureno ((bandas opacas), Fuseno (Charcoal-Mineral). Stach (1982) en su texto de Petrografía del Carbón acepta la misma definición de litotipos e incluye dos litotipos para los carbones sapropélicos (los Cannel y Boghead). Según este autor, las características más comunes que se presentan en los carbones sapropélicos, es su brillo sedoso, la textura homogénea, la raya marrón, la ausencia de estratificación y su alta dureza. La fractura frecuentemente es concoidal, especialmente en los Cannel (de canal). La distinción entre los carbones sapropélicos, sólo puede hacerse microscópicamente, siendo los carbones boghead aquellos que presentan un alto contenido de algas (Alginita) y los cannel los que tienen un porcentaje alto de granos de polen y esporas.

El origen, descripción y ocurrencia de cada uno de los litotipos se presenta en la tabla X:

El empleo de los litotipos ha presentado algunos inconvenientes, por la tendencia inicial de algunos petrógrafos, de buscar una descripción de las características macroscópicas fundamentales en su composición microscópica de macerales y microlitotipos. Hay que tener en cuenta que las características físicas de brillo y la textura superficial de un carbón, no están relacionadas con su composición maceral.

El uso internacional de los litotipos, no ha sido posible, debido a que aun no se han puesto de acuerdo sobre cuales han de ser los límites mínimos para que una banda de los carbones sea considerada como litotipo, estando este valor entre 3 y 10 mm.; lo cual crea confusión, cuando se trata de comparar estudios efectuados en diferentes países.

La descripción del Clareno, es otra de las dificultades que se han presentado en la aplicación de los litotipos. En la descripción inicial de Stopes, se incluía dentro de este litotipo, aquella alternancia de bandas muy delgadas de Vitreno, Fuseno y Dureno. Posteriormente otros investigadores han propuesto hacer subdivisiones del Clareno, tales como: Clareno Brillante para aquel en que predomina el Vitreno (bandas brillantes) sobre el Dureno y el Fuseno (bandas opacas); Clareno para igual proporción de bandas brillantes y opacas; y Clareno Opaco o mate para aquel en cual hay predominio de los constituyentes opacos.

36

Tabla 3.10. Descripción de las características de los diferentes litotipos del carbón

LITOTIPO ORIGEN DELTERMINO

DESCRIPCION OCURRENCIA

VIT

REN

O

Stopes (1919) para designar las bandas muy brillantes, reconocibles macroscópicamente.

Sinónimos Glanzhohle Charbon brillant.

Es negro y de lustre muy brillante. Frecuentemente es quebradizo y presenta muchas fisuras, en general perpendiculares a la estratificación por lo que rompe en forma de cubitos; con lo que tiende a concentrarse en los finos del carbón, cuando el manto es explotado. Las bandas gruesas de Vitreno, muestran fractura concoidea. En la descripción de mantos, solo capas de más de 3 mm. (5 en Colombia y 10 en Australia) son registradas como Vitreno. De menor espesor se cuentan como Clareno (esto es válido también para el Fuseno y Dureno).

Después del Clareno, en general es el litotipo más frecuente de los Carbones bituminosas.

CLA

REN

O

Stopes (1919) para designar a las bandas brillantes, macroscópicamente reconocibles que están interestratificados por bandas muy delgadas, de constituyentes opacos.

Tiene un lustre entre el Vitreno y el Dureno. El clareno es constituyente macroscópico más frecuente de los carbones húmicos. Son bandas de espesor variable, muy delgadas (menores de 5 mm. para los carbones Colombianos). Actualmente el término es usado para describir todas las bandas finamente interestratificadas de apariencia intermedia entre Vitreno y Dureno.

Es el litotipo más fre-cuente de los carbones Bituminosos.

37

FU

SEN

OGrand Eury (1882) para designar las bandas negras de lustre sedoso reconocibles macroscópicamente.1

Sinónimos: Mineral Charcoal; Russkole.

Similar al carbón de madera, presenta lustre sedoso, color negro, y frecuentemente apariencia fibrosa; es blando, muy friable, tizna los objetos cuando está en contacto.

En ocasiones, debido a inclu-siones altas de materia mineral, se presenta el Fuseno Duro. El fuseno blando esta constituido por fusinita, con los lúmenes celulares vacíos. En general se presenta en bandas delgadas, aunque también suele presentarse en bandas de varios cm de espesor. Al microscopio se puede observar que esta constituido principalmente por Fusinita.

Como bandas finas y Lentes esta presente en la mayoría de los carbones húmicos. Bandas gruesas en general no son muy abundantes.

DU

REN

O

Stopes (1919) para designar las bandas.

Macroscópicamente reco-nocibles de lustre o brillo opaco.

Se puede presentar de color negro o gris oscuro. En general es opaco, pero en el Dureno negro puede tener un brillo grasoso.

Es muy duro, y en general rompe en fragmentos grandes de aristas irregulares; cuando se presenta en bandas de 3 a 10 mm. (5 mm. en Colombia) se considera como Dureno; en bandas más delgadas es Clareno. En los carbones del Hemisferio Norte, bandas de Dureno, son menos frecuentes que el Clareno y el Vitreno, pero para algunos carbones (caso Cerrejón y la Loma) el Dureno es muy persistente y se presenta en bandas de algunos cm de espesor. Se han identificado bandas de más de 10 cm de grosor. En ocasiones se puede confundir el Dureno con limolita Carbonosa, que también es opaca y muy dura. Bajo el microscopio, se ve que el Dureno esta constituido por microlitotipos como Trimaceritas, Durita y Claritas ricas en liptinitas.

En los carbones húmicos, el Dureno se presenta en bandas de varios cm de espesor, en ocasiones puede ser abundante.

Los australianos, han creado otra alternativa para la descripción macroscópica de los carbones, en donde estos se clasifican de acuerdo a la mezcla de componentes opacos y brillantes; y en donde los litotipos se definen de acuerdo a las proporciones en que están presentes los componentes básicos. La nomenclatura propuesta por DIESSEL (1965) se da en la tabla siguiente.

38

Tabla 3.11. Clasificación de litotipos usada en Australia

CLASIFICACION SEGUN STOPES

CLASIFICACION AUSTRALIANA

DESCRIPCION

VITRENO Carbón Brillante Brillo Vítreo a Subvítreo, Fractura concoidea.

<10% de componentes opacos.

Carbón Bandeado Brillante

Carbón brillante, con algunas bandas opacas 10-40% de opacos.

CLARENOCarbón Bandeado bandas o estratos muy delgados de

carbones Brillantes y opacos, en proporciones iguales 40-60%.

Carbón Bandeado Opaco

Carbón opaco con algunas delgadas bandas Brillantes 10-40% de Brillantes.

DURENO Carbón Opaco Brillo mate, fractura irregular <10% de componentes brillantes.

FUSENO Carbón Fibroso Brillo grasoso, friable.

Los australianos sugieren como límite mínimo para considerarlo como litotipo 10 mm.. Es importante anotar que esta descripción hecha por Diessel (1965), se aproxima mas a las características macroscópicas de los carbones colombianos. Queda claro que las descripciones macroscópicas pueden dar una idea aproximada de la composición maceral.

La aplicación de la descripción de los litotipos en la correlación de mantos es uno de los usos mas frecuentes de las características macroscópicas de los carbones. Tradicionalmente se han utilizado criterios geológicos muy amplios, tales como, la geometría general del manto, (como: espesor y/o el número de intercalaciones de estériles); características poco comunes de los mantos (como: restos de plantas y fósiles marinos, areniscas de canal, conglomerados). En una escala mucho más detallada, se están empleando las características macroscópicas de cada uno de los mantos y las intercalaciones de estériles muy finos, los cuales nos proveen de distintivos que hacen que los mantos puedan ser correlacionados a grandes distancias. La comparación de descripciones detalladas (litotipos) de un mismo manto en lugares distintos han permitido ver que son muy similares entre si y no con un tercer ejemplo de un manto distinto, si tenemos en cuenta a grandes rasgos las características petrológicas. Para simplificar las descripciones detalladas, realizadas en columnas de manto, en un laboratorio, algunos autores han creado una clasificación de tipos de carbón (Camerón, 1978).

39

Tabla 3.12. Proporción de los litotipos de acuerdo al tipo de carbón

TIPO DE CARBON PROPORCION DE LOS LITOTIPOS

Brillante (B) >75% Vitreno + Clareno Brillante

Semibrillante (SB) 50-75% Vitreno + Clareno Brillante

Semiopaco (SO) 25-75% Vitreno + Clareno Brillante

Opaco D <25% Vitreno + Clareno Brillante

Intercalaciones de estériles P

Además los litotipos como los microlitotipos, son el producto del ambiente de depositación, razón por la cual son útiles en la identificación de mantos, ya que es muy poco probable que en el tiempo se repitan iguales condiciones de sedimentación. Los litotipos pueden ser considerados como una consecuencia de la rata de subsistencia de la cuenca, por lo cual se encuentran interpretaciones de la relación de los litotipos y la subsidencia, como la dada por la TASCH (1960).

FUSENO. Bajas ratas de subsidencia, unidas a un nivel de aguas muy poco profundas que hace que periódicamente entre en contacto la turba con el oxígeno del aire. Es posible que se presenten emersiones.

CLARENO Y VITRENO. Zonas de inundación a áreas poco profundas o someras.

DURENO. Esta relacionado con un ambiente de aguas más profundas que el Vitreno y el Dureno.

LUTITA CARBONOSA: Aguas mucho más profundas que el Dureno.

40