Analisis Proximo y Ultimos Carbón

ANALISIS PROXIMOS Y ULTIMO DE UNA MUESTRA DE CARBÓN 1Elssy

Lorena Sánchez Álvarez y 1 Andres Felipe Rodríguez Albarracín Albarracín 2 Jesús Álvaro Jiménez Montoya 1,2 Universidad Distrital Francisco José de Caldas 1Estudiantes-Química Orgánica I 2  Profesor - Carbones Bogotá D.C 27 octubre de 2016

RESUMEN

En este informe se mostraran los análisis próximo y último de una muestra de carbón desconocida, utilizando las normas ASTM como referencia. Por otro lado según los datos arrojados y calculados en el laboratorio obtuvimos un valor de 33.56% de humedad; 000 de densidad; 26.06% materia volátil; 14.511% ceniza y 25.869% de carbón fijo, además de obtener 000 de azufre; 000 cloro y 000 Nitrógeno , lo que nos permitió clasificar nuestro carbón desconocido como Lignito, comparando los valores experimentales con valores teóricos estipulados por la ASTM, además las características organolépticas del carbón como el color negro opaco fueron de gran ayuda a la hora del reconocimiento del carbón. P A LA L A B R A S C L A VE VE S

Carbón, análisis próximos, normas ASTM, humedad, densidad, materia volátil, cenizas, azufre, nitrógeno y muestra.

KEY WORDS Coal, next analysis, ASTM, humidity, density, volatile matter, ash, sulfur, nitrogen and sample.

INTRODUCCIÓN El carbón es un sólido oscuro, estratificado y combustible, resultado de la acumulación y enterramiento de materia vegetal desde las primitivas eras geológica. Estos depósitos se convierten en carbón a través de unos cambios biológicos iniciales y posteriores efectos mecánicos de presión y temperatura en el seno de los sedimentos. [1] Los carbones son clasificados para definir sus rendimientos en sus utilizaciones en determinadas áreas o aplicaciones y, por tanto, para establecer sus precios.  [1] Hasta el siglo XIX, las clasificaciones se efectuaban en función de las apariencias visuales: carbones brillantes, negros, marrones, lampantes de llama corta, de llama larga, etc. [1]

 Ahora el carbón se puede clasificar p or varios métodos, pero en este artículo utilizaremos la clasificación según las normas ASTM. Las normas ASTM. En Estados Unidos y Canadá, la ASTM desarrolló un método de clasificación de carbones basado en parámetros obtenidos mediante ensayos normalizados. La norma busca que las propiedades utilizadas para la clasificación sean lo suficientemente sencillas de determinar mediante el análisis próximo y el poder calorífico. [2] La norma define como carbones de bajo rango aquellos cuyo poder calorífico superior, en base húmeda, sea menor a 26,8MJ/kg (11500 BTU/lbm), en este rango están los carbones denominados sub-bituminosos y los lignitos. En los carbones de alto rango, con un poder calorífico mayor a 26,8MJ/kg, se incluyen los carbones bituminosos y antracita. Así, a mayor rango, mayor es el contenido en carbono fijo y mayor el poder

calorífico, mientras que disminuyen su humedad y la cantidad de materia volátil. De esta manera, en orden descendente por su rango, se tiene la clasificación: antracita, bituminoso, sub - bituminoso y lignita. [2] El análisis próximo de carbón según norma  ASTM D3172 se define como la determinación de humedad, cenizas, materia volátil y carbono fijo. En nuestro medio y con se incluye la determinación de azufre ya que esto equivale a los análisis próximos completos. [3]

Cenizas (ASTM D3174, ISO 1171). Las cenizas de un carbón son un producto de la combustión, es decir un residuo de la calcinación a 750ºC (ASTM) ó 815ºC (ISO) de minerales y sales existentes en el carbón. Las cenizas diluyen la fracción combustible del carbón; forman depósitos en las paredes de los hornos y normalmente cuando están en gran cantidad se deben extraer del carbón, por estas razones se deben conocer para: seleccionar los equipos de trituración, pulverización, combustión y determinar los procesos de lavado y limpieza. El comportamiento de las cenizas depende de la composición. Cuando tienen alto contenido de sodio (Na2O > 2) promueve la formación de costras y con alto contenido de hierro (Fe2O3) propicia la formación de escorias. [3]

Humedad residual (ASTM D3173).

Tomado de: (Rolando Barrera Zapata; Juan F. Pérez Bayer; Carlos Salazar Jiménez, 2014) http://revistas.uis.edu.co/index.php/revistaion/ article/view/4589/5157

Materias Volátiles (ASTM 3175, ISO 562). Las materias volátiles son desprendimientos gaseosos de la materia orgánica durante el calentamiento exigido por la norma. A medida que el carbón se calienta, se desprenden productos gaseosos y líquidos. Los constituyentes son principalmente agua, hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, sulfuros de hidrógeno, metano, amoniaco, benceno, tolueno, naftaleno y vapores alquitranes. Es importante en el diseño y la selección de calderas, en la clasificación de los carbones de acuerdo a las normas ASTM e ISO y en la selección de procesos de gasificación y licuefacción.  [3]

Es la humedad que pierde un carbón seco al aire cuando se le somete a una temperatura de 106ºC. Por ejemplo, una humedad superficial entre 1,5 y 3% evita la generación de polvo. El exceso de la humedad superficial causa problemas de manejo tal como atascamiento en tolvas y reducción en el rendimiento de los trituradores, especialmente si va acompañado de un alto contenido de finos. Igualmente la presencia de una humedad muy alta retrasa el encendido del carbón dando lugar a que no exista el suficiente tiempo, para su consumo total siendo evacuado parte de él en las cenizas. [3]

Humedad superficial. Es la humedad que pierde el carbón cuando se le seca al aire del medio ambiente del laboratorio. [3]

Humedad total (ASTM D3302M ISO 589). Es la suma de la humedad superficial y la humedad residual. Es necesario conocerla en los contratos de compra y venta, en la evaluación y construcción de procesos

industriales, carbón. [3]

manejo

y

pulverización

del

Carbono Fijo (ASTM D-3172). El carbono fijo es la parte que no es volátil y que quema en estado sólido. Se encuentra en el residuo de coque que queda en el crisol luego de determinadas las materias volátiles. Si a este residuo se le restan las cenizas se obtiene el carbono fijo, por lo que generalmente el porcentaje de carbono fijo no se obtiene pesando el residuo, sino por diferencia una vez conocidas la humedad, las cenizas y las materias volátiles. Es importante para calcular la eficiencia en equipos de combustión, en los procesos de carbonización y combustión de carbones; además junto con la ceniza representa aproximadamente la cantidad de coque a obtener de un carbón coquizable.  [3]

Cloro La determinación de cloro no suele realizarse como parte del análisis elemental, sin embargo puede existir cloruros ligados a la fracción orgánica del carbón. Así mismo el cloro puede entrar en la composición del carbón en forma de cloruros minerales asociados a los estratos de aguas salinas.

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 [3] De todos los constituyentes elementales del carbón, desde el punto de vista ambiental, el azufre es el más importante de conocer, ya que durante la combustión el azufre se transforma en SO2 y SO3, que son corrosivos y especialmente afectan los equipos de recuperación del calor tal como el economizador y el calentador de aire, además éstos compuestos son nocivos para los seres humanos y causantes de la lluvia ácida cuando el SO3 en la atmósfera reacciona con el agua para formar H2SO4.

[3]

El carbón con bajo contenido de azufre permite el uso de temperaturas relativamente bajas a la salida de la caldera, por lo tanto, mejora la eficiencia de la misma. [3]

Nitrógeno

En los procesos de combustión del cloro se puede combinar con otros elementos minerales y contribuir a su deposición ocasionando problemas de corrosión. Así mismo, el cloro puede afectar el control de pH en los procesos de desulfuración de los gases de combustión. [1]

El nitrógeno de los carbones está confinado principalmente entre los compuestos orgánicos. En los últimos años ha adquirido gran importancia debido a su papel en la formación de óxidos de nitrógeno, no obstante, debe destacarse que no existe una correlación simple entre el nitrógeno constituyente del carbón y los óxidos de nitrógeno emitidos en los gases de combustión. [1]

Azufre.

METODOLOGÍA

El azufre se encuentra en los carbones en proporciones variables desde 0,1 hasta 10%. Es una de las impurezas más preocupantes y problemáticas, considerándosele en el segundo lugar después de las cenizas. Existen varios métodos de determinarlo, ya sea por vía húmeda mediante la norma  ASTM D3177 o en seco utilizando equipos tales como el analizador de azufre S32 de Leco o el analizador elemental Macanal. Se presenta en tres formas:

Determinación de la densidad Se Toma un picnómetro vacío, se seca y se pesa, para añadir CCl4 y pesarlo. Posterior a esto se realiza el mismo procedimiento, utilizando 0.5 g de la muestra de carbón, y disolviéndolo en CCl4 para completar el volumen, por último se pesa, y se deja por 24 horas para pesar de nuevo, y poder determinar la densidad del carbón.

Determinación de la humedad

Determinación de cloro

Se toma una capsula vacía totalmente limpia y se calienta hasta secar completamente, luego se transfiere a un desecador y se deja enfriar de 15 a 30 minutos. En seguida, se toma 1 g de muestra pulverizada y se coloca en la capsula, donde se procede a pesar con tapa, mientras se precalienta el horno a 104º110ºC, para introducir en este la capsula sin tapa en el horno durante una hora. Por último se traspasa la capsula con tapa al desecador durante 30 min mientras se seca, para poder luego pesar la capsula y determinar la humedad.

En un crisol se agrega 1 g de la muestra de carbón y se mezclaron con 3 g de mezcla Eschka (La cual es una mezcla de 2 partes de MgO(s) por una parte de Na2CO3(s)) después de que se mezcla homogéneamente, se cubre con 2g adicionales de Eschka. Esto se lleva a una mufla y se eleva la temperatura a 675ªC y se mantiene durante 1 hora y media. Posterior a esto se transfiere la mezcla incinerada a un beaker de 250 mL y se le agregar una pequeña porción de agua desionizada, para luego adicionar mL de HNO 3 cuidadosamente, en constante agitación se deja reposar la solución tapada con un vidrio reloj. Por último se filtra la solución en caliente, y filtrado se traspasa a un beaker y se disuelve en AgNO 3, para titular con KSCN, hasta observa un cambio de coloración de naranja a rosa.

Determinación de cenizas Las cenizas se determinan pesando el residuo remanente después de quemado el carbón o coque bajo condiciones rigurosamente controladas de peso de muestra, temperatura, tiempo, atmosfera y especificaciones de los equipos. Primero se pesa 1g de muestra y se hace pasar por un tamiz de 250 micrones, luego se pone en un crisol pesado previamente y se tapa rápidamente. Después se coloca el crisol con la muestra en una mufla hasta que alcance una temperatura de 450 a 500 ºC en una hora, se continúa calentando hasta que se alcancen los 700-750ºC y se deja calentar durante una hora, por último se saca el crisol de la mufla con tapa, se deja enfriar en el desecador y se pesa.

Determinación de materia volátil La materia volátil se determina estableciendo la perdida en peso al calentar el carbón o coque, bajo condiciones rígidamente controladas. La pérdida en peso que se obtiene corregida para la humedad residual, representa el contenido de materia volátil. Se transfiere 1 g de muestra a un crisol tarado con anticipación y se lleva al horno con tapa a una temperatura de 950ºC y se deja por dos o tres minutos, y luego completar el tiempo de siete minutos. Retire Crisol sin quitar la tapa y llevarlo al desecador, hasta llegar a la temperatura ambiente. Determinar el porcentaje de materia volátil.

Determinación de azufre Método Eschka: Se mezclaron muy bien la muestra pesada y la mezcla Eschka (oxido de magnesio calcinado con una parte de carbonato de sodio anhídrido) y luego se incineran. Se disuelve el azufre en agua caliente y luego se precipita de la solución resultante, con sulfato de bario (BaSO 4). El precipitado se filtra, incinera y pesa. Se pone a secar en una estufa el crisol limpio durante 30 min y luego se deja enfriar en el desecador, limpio y seco se agrega al crisol la mezcla Eschka. Se pesa 1 g de la muestra y se agrega al crisol, y se mezcla bien y posterior a esto se cubre la mezcla con aproximadamente 1g de mezcla Eschka. Después se ponen los crisoles en una mufla a 800ªC durante 2 horas.

Determinación de nitrógeno Se utiliza un equipo apropiado para el tratamiento de una muestra de 0.1 g. En este procedimiento el nitrógeno se convierte en sales de amonio por medio de una digestión destructiva de la muestra con calor y utilizando una mezcla catalizadora de K 2SO4, y selenio. Después de la digestión, la sal de amonio es descompuesta con solución alcalina caliente, el amoniaco desprendido es recuperado por destilación y determinado

finalmente por acidimetría.

titulación

alcalimetría

o

RESULTADOS Y CÁLCULOS ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES Con ayuda de los cálculos realizados a lo largo de las prácticas de laboratorio logramos concluir, que la muestra problema de carbón que nos fue asignada para analizar es Lignito. De este modo podemos afirmar que se trata de un carbón de color negro o pardo y su concentración en carbono varía entre el 60% y el 75%. Cabe resaltar que se pudieron haber cometido errores que a lo largo de los diferentes análisis de nuestra muestra y esto su pudo dar, debidos principalmente al tamaño de grano empleado en ellos es decir mal tamizado, y al control de la temperatura y también errores debido a las balanzas analíticas. También debemos tener en cuenta al traspasar las muestras y mezclas a diferentes recipientes esto pudo causar que se perdiera algo de carbón y eso puede dar algún error. De cualquier modo, el proceso de análisis técnicos llevados a cabo en el laboratorio nos permitió clasificar de modo satisfactorio el carbón. Los procesos de clasificación del carbón son muy importantes, ya que según el tipo al que pertenezcan se permitirá darle un uso correspondiente a nivel industrial. Además también cabe resaltar que los métodos y procedimientos desarrollados en los laboratorios, en general son fáciles de desarrollar, evitándose los grandes costos en pruebas instrumentales.

BIBLIOGRAFIA Cortés, P. J. (N.A). Carbón.  Obtenido de Carbón: http://www.factoria3.com/documentos /CARBON.pdf [1]

Rolando Barrera Zapata; Juan F. Pérez Bayer; Carlos Salazar Jiménez. (24 de 11 de 2014). Carbones

colombianos: clasificación Obtenido caracterización. 

y

de Carbones colombianos: clasificación y caracterización: http://revistas.uis.edu.co/index.php/re vistaion/article/view/4589/5157 [2] unalmed. (s.f.).  Análisis Próximos. Obtenido de Análisis Próximos: http://www.unalmed.edu.co/~ctcarbo n/analisis_proximos.htm# Composici ón de cenizas SiO2 y Al2O3. [3]