informe pirometalurgia

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES LABORATORIO DE PIROMETALURGIA

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ANALISIS DE CARBONES

WENDY MACIAS ORTIZ 2091540 JHON FREDY SANCHEZ 2080693

PRESENTADO A : PROFESOR WALTER PARDAVE

7 SEPTIEMBRE DE 2012 BUCARAMANGA

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INTRODUCCIÓN

El carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la industria metalúrgica, los sistemas de calefacción central, la producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las centrales carboeléctricas La siderurgia emplea carbón metalúrgico o coque, un combustible destilado que es casi carbono puro. El proceso de producción de coque proporciona muchos productos químicos secundarios, como el alquitrán de hulla, que se emplean para fabricar otros productos. Las principales propiedades del Carbón son su poder calorífico, la humedad libre e inherente, el carbono fijo, el hinchamiento. Los componentes que restan valor al carbón son el contenido de cenizas, contenido de azufre. Caracterizar a un carbón es determinar una ó varias de sus características físicas, químicas, tecnológicas ó petrográficas, con el fin de definir su calidad y su posible utilización y comportamiento. En el presente informe se presenta la caracterización de una muestra de carbón asignada, con el propósito de clasificarla según la norma ASTM D388 para saber si es utilizable o no en cierta aplicación final.

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OBJETIVOS

Objetivo general Identificar y clasificar una muestra de carbón utilizando la noma ASTM D388 basados en cada una de sus propiedades.

Objetivos específicos: * Investigar y aplicar cada una de las normas ASTM para cada una de las propiedades a determinar en la muestra de carbón. * Determinar el porcentaje de humedad y de ceniza presente en la muestra de carbón asignada. * Determinar la cantidad de materia volátil presente en la muestra mediante el calentamiento. * Determinar el poder calorífico de la muestra de carbón * Determinar la cantidad de azufre presente en la muestra de carbón. * Finalmente determinar a que tipo de carbón corresponde.

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MARCO TEORICO

CARBÓN: El carbón es un tipo de roca formada por carbono mezclado con otras sustancias. Se considera una fuente de energía no renovable ya que la velocidad a la que sucede el proceso es muy lenta pero se considera de un rendimiento óptimo puesto que con un volumen pequeño de carbón puedo obtener gran energía por eso se dice que es uno de los combustibles más económicos. El carbón sustituyó a la madera como fuente de energía cuando se consiguieron encontrar los grandes yacimientos y se desarrollaron técnicas de minería para su explotación. Este material desempeñó un papel fundamental durante la Revolución Industrial y actualmente sigue siendo el segundo recurso en importancia, proporcionando aproximadamente el 30% del consumo energético a nivel mundial, pero con el problema de los efectos contaminantes El carbón es un mineral de origen orgánico, su formación es el resultado de la condensación de la materia de plantas parcialmente descompuestas a lo largo de millones de años. Principalmente se pueden distinguir 4 tipos de carbón: Turba: Está formada por una masa esponjosa y ligera originada por descomposición de las plantas. Presenta un contenido de húmeda del 90% por eso se considera como muy mal combustible. Lignito: Se forma cuando se comprime la turba. Debido a que está formado en épocas más recientes, contiene gran porcentaje de agua. Es una sustancia parda y desmenuzable. Tiene poco poder calorífico aunque mayor que la turba Hulla (carbón bituminoso): Se forma cuando se comprime el lignito. Es dura y quebradiza, de color negro y brillo mate o graso estratificado y muy frágil. Contiene entre 75 y 80% de carbono. Está impregnada de sustancias bituminosas de cuya destilación se obtienen hidrocarburos aromáticos y el coque, pero también contiene elevadas cantidades de azufre que son fuente muy importante de contaminación del aire. Posee un alto poder calorífico y por ello se emplea en las centrales para obtener energía.

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Antracita: Procede de la transformación de la hulla. Es el mejor de los carbones muy poco contamínate y de alto poder calorífico. Arde con dificultad pero desprende mucho calor y poco humo. Es negro brillante y muy duro. Contiene hasta un 95% de carbono.

Tipo de Carbón Turba Lignito Hulla Antracita

Análisis Elemental C (%)

H (%)

Otros (%)

Poder calorífico (Kcal/mol)

57 72 87 96

6 5 5 2

37 23 8 2

5400 6700 8700 8400

Materias Volátiles (%) 65 55 25 5

COMPONENTES DEL CARBÓN: MACERALES: Son restos vegetales macerados pero aún reconocibles, que conforman la parte orgánica del carbón. Hay 3 grupos Huminita o vitrinita: Es el principal grupo en la mayoría de carbones y procede de tejidos leñosos de las plantas. Presenta una densidad, reflectancia y contenido en carbono e hidrogeno intermedios entre los demás grupos macerales. Liptinita: Aparece en menor proporción que el grupo anterior y procede de partes resinosas y céreas de las plantas. Es un grupo rico en Hidrógeno y materias volátiles y pobres en Carbono. Presenta una densidad y una reflectancia muy bajas. Inertinita: Es el componente más escaso en los carbones y es prácticamente inerte a lo largo de los procesos de carbonización. Posee un escaso contenido en Hidrogeno muy rico en Carbono y máxima reflectividad y densidad. CENIZAS: Son los componentes inorgánicos no combustibles que presentan los carbones y puede ser:

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Interna o intrínseca: Procede de los tejidos vegetales. Externa o extrínseca: Si no formó parte de la materia vegetal de la turbera. Ésta a su vez puede ser de dos tipos:  

Primaria: procedente de detritos o minerales autigénicos. Secundaria: de transformación de los minerales primarios o de precipitación posterior a la diagénesis.

CLASIFICACION DE LOS CARBONES El rango del carbón es el grado que alcanza el carbón dentro del proceso de carbonificación o maduración de la materia orgánica. Se consideran parámetros químicos como porcentaje de humedad, porcentaje de materias volátiles, porcentaje de humedad, elemental y poder calorífico y físicos.

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PROCESO DE COQUIZACIÓN El coque metalúrgico es el residuo sólido que se obtiene a partir de la destilación destructiva, o pirólisis, de determinados carbones minerales, entre ellos los carbones bituminosos que poseen excelentes propiedades coquizantes; es decir capacidad de transformarse en coque después de haber pasado por una fase plástica. En la práctica, para la fabricación del coque metalúrgico se utilizan mezclas de diferentes carbones minerales en distintas proporciones. El proceso consiste en un calentamiento entre 1000 a 1200 oC, en ausencia de oxígeno hasta eliminar la materia volátil del carbón, o mezcla de carbones. El proceso consiste en : 1. El carbón se hincha y empiezan a salir poco a poco los gases aumentando la resistencia de la capa rígida. 2. La capa se rompe al salir los gases y se convierte en una capa porosa. 3. Se obtiene un material con alto %C, poroso y con mayor resistencia mecánica. Se requieren dos condiciones para que un carbón sea coquizable, la primera es que tenga alta materia volátil y que tenga un alto carácter aglomerante. Los bituminosos y algunos sub-bituminosos, hinchan y aglomeran fácilmente. Estos carbones se aplican generalmente en los altos hornos de la industria siderúrgica para la producción del acero (coque siderúrgico) y en la industria de la fundición del hierro (coque de fundición). ANALISIS DE CARBONES El análisis próximo de carbón según la norma ASTM D3172 se puede definir como la determinación de humedad, cenizas, materia volátil y carbono fijo. Además se incluye la determinación del poder calorífico y el azufre lo cual equivale a los análisis próximos completos. Humedad residual. (ASTM D-3173) Es la humedad que pierde un carbón seco al aire cuando se le somete a una temperatura de 106ºC. 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.

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Cenizas: (ASTM D3174). Las cenizas de un carbón son un producto de la combustión, es decir un residuo de la calcinación a 750ºC 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 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. Bajos contenidos de cenizas favorecen los costos de operación y la más alta disponibilidad de los equipos. El comportamiento de las cenizas depende de la composición. Cuando tienen alto contenido de sodio promueve la formación de costras y con alto contenido de hierro propicia la formación de escorias. Materias Volátiles: (ASTM 3175). 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.. Como regla general se puede afirmar que carbones con alto contenido de volátiles combustionan más fácilmente y con llama larga y si el porcentaje de materia volátil es bajo se necesita precalentamiento más alto del carbón lo que equivale a un diseño particular de la caldera y además se requiere pulverizar a menor tamaño el carbón. Indice de hinchamiento: (ASTM D720-67) Es un indicador del comportamiento del carbón cuando se calienta, haciendo referencia a las características de carbonización y de producción de especies intermedias. Así un alto índice de hinchamiento sugiere que durante la combustión la partícula de carbón se expandirá para formar residuos poros de poco peso, que serán emitidos con los gases de combustión. La determinación del índice de hinchamiento consiste en la combustión en unas condiciones preestablecidas

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de una muestra de carbón en un recipiente característico, comparándose el coque residual con una serie de perfiles de referencia. Poder Calorífico: (ASTM. D 2015) 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). El poder calorífico depende de la proporción y calidad de la fracción orgánica que se ve reducida en todos los rangos por el porcentaje de humedad y ceniza. Este parámetro es el más importante a tener en cuenta en los carbones térmicos y especialmente en los contratos de compra venta; además define el tamaño de la cámara de combustión y del sistema de alimentación de carbón a la caldera u horno, pues determina la cantidad de carbón que debe ser quemado para obtener una capacidad final dada. Azufre.(ASTM D-3177) 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 o en seco. 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

El azufre se debe conocer porque puede formar compuestos corrosivos en calderas tales como costras y escorias; Forma gases venenosos que contaminan el ambiente Se necesita para definir procesos de limpieza. 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 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. El azufre es una sustancia altamente reactiva, acelera significativamente la oxidación del carbón apilado, esto reduce la posibilidad de almacenar carbón durante tiempos largos. 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

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MATERIALES Y EQUIPOS

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ROCEDIMIENTOS Determinación de la humedad       

Se pesó el crisol vacío Adicionamos 1g muestra de carbón Calentamos en la mufla entre 104°C-110°C, t=1h Se sacó la muestra Y se dejó enfriar T° ambiente Se pasó al desecador durante 15 min Se pesó el crisol Se realizaron los cálculos correspondientes

Determinación de las cenizas        

Se pesó el crisol vacío Adicionamos 1g muestra de carbón Calentamos en la mufla gradualmente hasta 900°C Se sacó el crisol se dejó enfriar a T° ambiente Se pasó al desecador durante 15 min Se pesó el crisol Se realizaron los cálculos correspondientes

Determinación de materia volátil      

Se pesó el crisol vacío con tapa Adicionamos 1g muestra de carbón Se introdujo en la mufla a una T°~ 950°C ± 20oC, t= 7 min Se sacó el crisol y se dejó enfriar Se pesó el crisol con tapa Se realizaron los cálculos correspondientes

Determinación del índice de hinchamiento     

Se pesó el crisol vació Adicionamos 1g muestra de carbón Nivelamos la muestra sobre una superficie Colocamos el crisol con la muestra sobre el soporte triangular Encendemos la llama del mechero t= 2-3 min

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  

Se extrajo el residuo del crisol Se comparó con los perfiles de referencia Repetimos el procedimiento una vez más

Determinación del poder calorífico         

Se pesó el crisol vació Adicionamos 1g muestra de carbón realizamos el ensamblaje de la bomba Encendimos el agitador t=5min y medimos la T° del agua Provocamos la ignición de la muestra por medio de suministro de corriente Se tomó la T° final cuando la T° se mantuvo constante Medimos la cantidad de alambre fusible gastado Lavamos el crisol con agua destilada que contenía metil naranja Titulamos con Na2CO3 para la corrección ácida

Determinación del azufre total • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Solución obtenida en la determinación del poder calorífico Adicionamos 1 ml de NH4OH Calentamos hasta la T° ebullición Filtramos en papel cualitativo Lavamos el residuo 5-6 veces con agua caliente Adicionamos agua saturada de Br acidificada con HCl Hervimos para la eliminación del Br Neutralizamos con Na2CO3 Adicionamos 1 ml de HCl y hervimos Adicionamos con la pipeta 10 ml de solución de BaCl2 Neutralizamos con Na2CO3 Hervimos t=15 min y dejamos reposar t=2 h Filtramos y lavamos en BaSO4 Pesamos en el crisol vacío y colocamos el filtro mojado dentro del crisol Incineramos el papel sin producir llama Subir la T° hasta 925°C, t= 30 min Dejamos enfriar y pesamos el residuo

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DATOS OBTENIDOS Y CALCULOS DE RESULTADOS

1. Determinación de humedad

P1

DATOS DEL LABORATORIO Criterio Peso del Crisol vacío [g]

P2

Peso del Crisol con la muestra [g]

16.78244

P3

Peso del Crisol después del secado [g]

16.76858

Valor obtenido 15.78200

2. Determinación de cenizas

P1

DATOS DEL LABORATORIO Criterio Peso del Crisol vacío [g]

P2

Peso del Crisol con la muestra [g]

18.99470

P3

Peso del Crisol después del secado [g]

18.07974

Valor obtenido 17.99254

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3. Determinación de materia volátil

P1

DATOS DEL LABORATORIO Criterio Peso del Crisol + tapa [g]

P2

Peso del Crisol con la muestra [g]

25.53807

P3

Peso del Crisol después del secado [g]

25.13016

4. Carbón fijo presente en la muestra

Valor obtenido 24.53875

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5. Determinación de poder calorífico

A

DATOS DEL LABORATORIO Criterio Peso del Crisol vacio [g]

B

Peso del Crisol con la muestra [g]

Ti

Temperatura inicial del agua (C)

24.72

Tf

Temperatura final del agua (C )

27.44

J

Cantidad de alambre consumido [mm]

47.83

K

Cantidad de Na2CO3 usados [ml]

Valor obtenido 5.40106 6.40127

1.3

Donde Q=Poder calorífico (BTU/Lb) ΔT=Incremento de la temperatura= Tf – Ta =27.44-24.72 = 2.72 oC C= Capacidad térmica del calorímetro [(BTU/Lb)*(g/ oC)=5088.366 m= Peso de la muestra (g)= 6.40127-5.40106 = 1.00021 g e1= Calor de combustión del algodón = 7524 x Peso del algodón usado (g) = 7524 x0=0 e2= Calor de combustión del alambre= 0.41 x alambre quemado (mm) = 0.41 x 47.83 = 19.6103 e3= Calor de formación del Acido sulfúrico = 10 x ml de Na 2CO3 usados = 10 x 1.3= 13

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6. Determinación de azufre

a1

DATOS DEL LABORATORIO Criterio Peso del Crisol vacio [g]

a2

Peso del Crisol con la muestra [g]

15.5306

A

0.0298

B

BaSO4 pesado en la determinación = a2- a1 [g BaSO4 pesado en blanco [g]

M

Peso la muestra [g]]

Valor obtenido 15.5008

0.000624 1.00

NORMA ASTM D-388 (DATOS CORREGIDOS 1. Carbón fijo [

]

Donde: CF=carbón fijo S=%azufre M=%humedad A=%cenizas [

]

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2. Poder calorífico

[ (

] )

Q =Poder Calorífico S = % azufre A = % ceniza [ (

] )

3. Materia volátil

PRÁCTICA 1 2 3 4 5 6

DESCRIPCIÓN Humedad Cenizas Materia Volátil Carbono Fijo Poder Calorífico Azufre total

RESULTADO 1.385% 8.7 % 39.415% 50.5 % 13804.84 [BTU/lb] 0.4 %

CORREGIDO

43.33% 56.67% [BTU/lb]

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ANÁLISIS DE RESULTADOS Los datos obtenidos se realizaron siguiendo las normas ASTM ya nombradas. El análisis se hizo a la muestra de carbón dada en el laboratorio. La cual consistío en determinar la humedad, ceniza, materia volátil, índice e hinchamiento, carbón fijo, poder calorífico y cantidad de azufre. 

Según la norma se deben tener en cuenta:

a) Para el cálculo del carbono fijo los carbones de rango más alto se clasifican de acuerdo con el carbono fijo en base seca libre de materia mineral. b) Para los carbones con poder calorífico bruto menor a 14 000 Btu/lb en base húmeda libre de materia mineral, se clasifican de acuerdo con el poder calorífico bruto en base húmeda libre de materia mineral, siempre y cuando el carbono fijo en la base seca libre de materia mineral sea menor al 69 %. Para la clasificación de la muestra del carbón se compararon los datos obtenidos con la tabla 1 de la norma ASTM D-388, realizando las respectivas correcciones para el carbono fijo, materia volátil y poder calorífico con base en la fórmulas de Parr. 

La humedad obtenida fue del 1.385% el cual concuerda con la tabla del anexo 2 que nos muestra que la humedad debe ser poca.



Se obtuvo un 43.33 % de materia volátil, el cual se encuentra dentro del rango que propone la norma ASTM D388-92 mayor a 31%.



Según la norma el carbón es comúnmente aglomerante lo que indica que en algunas ocasiones se podrá presentar que el carbón no aglomere.



El carbono fijo seco en base libre de materia mineral obtenido fue de 56.67%, el cual también se encuentra dentro del rango de carbón bituminoso A .



Su poder calorífico fue de 15688.6 [BTU/lb] que corresponde a un valor alto. Industrialmente se utilizan carbones con alto poder calorífico debido a que disminuyen la carga en el alto horno y por ende costos económicos. Es un parámetro de clasificación por rango.



El contenido de azufre en el carbón obtenido fue de 0.4%. Debido a que es un valor muy bajo, el carbón es de muy buena calidad y su proceso de refinación

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será más fácil, lo cual disminuye costos adicionales al proceso de fabricación del acero. Aplicaciones del carbón El carbón bituminoso es el carbón que se utiliza en gran cantidad en las centrales termoeléctricas. Tiene aspecto negro, con capas alternadas de negro brillante y mate. Su poder calorífico es más alto, la humedad y volátiles más bajos que los que corresponden a los sub-bituminosos y lignitos; su alto poder calorífico y su alto contenido en volátiles, permiten que estos carbones bituminosos ardan fácilmente cuando se atomizan hasta un polvo fino y rara vez experimentan combustión espontánea durante su almacenamiento, por ello son utilizados en el sector siderúrgico como coque para la carga del alto horno. Se pueden mezclar con otros carbones para aplicaciones industriales puesto que los más usados son los de medio volátil, es decir se debe mezclar con un bajo volátil para que se homogenice y se consiga un carbón medio volátil.

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CONCLUSIONES 

Basados en la norma ASTM D388-92 se concluye que la muestra asignada corresponde a un carbón bituminoso alto en volátiles de clase A.



El carbón contiene un elevado poder calorífico, es aptamente coquizable



Por su bajo contenido de azufre su refinación es económicamente viable.

BIBLIOGRAFIA Normas ASTM       

    

ASTM D 3173-03. Método de prueba estándar para el análisis de humedad de carbón y coque. ASTM D3174-04. Método de prueba estándar para el análisis de cenizas de carbón y coque. ASTM D3175-07. Método de prueba estándar para materia volátil en el análisis de muestras de carbón y coque. ASTM D3177-02. Método estándar de ensayo para azufre total en el análisis de muestras de carbón y coque. ASTM D 388-05. Clasificación estándar de carbones por Rango ASTM D 720-91. Método de prueba estándar para el índice de hinchamiento del carbón. ASTM D 5865-07a. Método de prueba estándar para la determinación del valor del poder calorífico del carbón.

http://aula2.elmundo.es/aula/laminas/lamina1075976702.pdf http://www.ingenieroambiental.com/4017/geologia%20del%20petroleo.pdf http://es.scribd.com/doc/13047567/Geologia-del-Carbon http://www.unalmed.edu.co/~ctcarbon/analisis_proximos.htm http://newton.cnice.mec.es/newton2/Newton_pre/escenas/trabajo_energia/c arbon.php