Informe Pirometalurgia

CARACTERIZACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE CARBONES

CARLOS ANDRÉS ARIAS AARÓN SERGIO FERNANDO GALLO SILVA

Informe de laboratorio

Profesor M.Sc. Jhon Freddy Palacios Docente académico

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA 2013

INTRODUCCIÓN

El presente informe pretende dar a conocer los resultados obtenidos tras la realización de diferentes prácticas de laboratorio, estandarizadas mediante las normas ASTM correspondientes, con el fin de caracterizar y clasificar un carbón. Estas prácticas de laboratorio tenían como objetivo determinar una serie de parámetros cuantitativos a un carbón desconocido como el porcentaje de humedad, el porcentaje de cenizas, el porcentaje de materias volátiles, el porcentaje de azufre, y el índice de hinchamiento libre y el poder calorífico. Por medio de estos parámetros se puede caracterizar y clasificar un carbón dentro de un rango o categoría. La clasificación más utilizada es la de la norma ASTM D388. La metodología utilizada para la realización de las prácticas ha sido la siguiente: 

En primer lugar, se formaron grupos de dos estudiantes a los cuales se les asignó un tipo de carbón.



Los grupos asistían periódicamente a los laboratorios para realizar las prácticas el día que correspondiera.



En cada una de las prácticas se hacía un análisis. Los procedimientos a seguir eran los basados en las normas ASTM para cada análisis. Por ejemplo: la norma ASTM D3174 se utilizó para la determinación del porcentaje de cenizas en el carbón.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL 

Caracterizar y clasificar un carbón por rango o categoría según la norma ASTM D388 teniendo en cuenta una serie de parámetros cuantitativos, establecidos mediante otras normas ASTM relacionadas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Calcular el porcentaje de humedad y cenizas según las normas ASTM D3173 y D3174, respectivamente.



Determinar el índice de hinchamiento libre (IHL) y el porcentaje de materias volátiles según las normas ASTM D720 y D3175, respectivamente.



Determinar el poder calorífico utilizando el procedimiento de la bomba calorimétrica según la norma ASTM D3286.



Calcular el porcentaje de azufre según la norma ASTM D3177.



Clasificar el carbón por rango o categoría según la norma ASTM D388.

MARCO TEÓRICO 

Generalidades sobre el carbón  El carbón

Es una roca sedimentaria que está compuesta principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Es un mineral negro y brillante, formado a partir de la vegetación consolidada entre los estratos de roca, que fue alterada por los efectos combinados de presión y calor durante millones de años. Es un valioso y abundante recurso natural que cumple un importante papel en la vida cotidiana; no sólo es una de las principales fuentes para la producción de energía sino que se convierte también en un combustible esencial para la producción de acero y otras actividades industriales. Como fósil natural, el carbón ha sido el primer combustible mineral que la humanidad comenzó a explotar industrialmente. Se estima que la formación de carbón se inició durante el período Carbonífero que se extendió desde 360 hasta 290 millones de años antes de la era común. Acerca de las reservas de carbón en el mundo actualmente, se estima que contaremos con carbón durante 119 años más. Este escenario es diferente a lo que pasa con el petróleo o el gas que tienen reservas disponibles para tiempos inferiores.1  Usos del carbón

El carbón es un recurso de gran utilidad en todo el mundo. Algunos de sus más importantes usos corresponden a la generación de electricidad, la producción de acero y la fabricación de cemento. En términos generales existen dos tipos de carbón: el carbón térmico que es utilizado principalmente en la generación de energía y el carbón de coque o carbón metalúrgico que se utiliza principalmente en la producción de acero. Otros usuarios importantes de carbón son las refinerías de alúmina, los fabricantes de papel y las industrias farmacéuticas. Varios productos químicos pueden ser producidos a partir de los subproductos del carbón. El alquitrán de hulla refinado se utiliza en la fabricación de productos como el aceite de creosota, naftaleno, fenol, y el benceno. El gas de amoníaco recuperado de los hornos de coque se utiliza para fabricar sales de amoníaco, ácido nítrico y fertilizantes agrícolas. Adicionalmente los sub-productos del carbón

1

CERREJÓN Minería responsable. El carbón [en línea].

son utilizados como componentes para jabones, aspirinas, disolventes, colorantes, plásticos y fibras, como el rayón y el nylon.2 

Parámetros de calidad y clasificación de carbones  Humedad

La humedad es la cantidad de agua que contiene un sólido. Es una magnitud que se utiliza mucho en el área ambiental, metalúrgica, de materiales, en química y física y en el estudio de los suelos. En el caso del carbón, la humedad está presente como humedad inherente y libre, porque la humedad de constitución está ligada químicamente a la materia mineral. La humedad inherente es la humedad retenida en los poros del carbón, la cual es una función del rango o categoría del mismo. La humedad libre es la existente en la superficie del carbón y en los intersticios de las partículas. Entre más humedad menos poder calorífico. También, un aumento en la humedad del carbón subirá el costo para su manejo, almacenamiento y pulverización.  Ceniza

La ceniza la sustancia mineral inorgánica que queda como residuo de la combustión del carbón. Es la materia inerte del carbón, cuyo exceso rebaja el poder calorífico y disminuye, por tanto, su valor. Parte queda como residuo en forma de polvo depositado en el lugar donde se ha quemado el carbón y parte es expulsado al aire como humo.  Materias volátiles

Son las sustancias que se desprenden al calentar el carbón en ausencia de aire y responsables de los huecos existentes en las estructuras de algunos carbones. Se componen principalmente de carbono, hidrógeno y otros gases. En general, a mayor cantidad de material volátil, mayor será el humo que producirá un tipo específico de carbón al quemarse y menor será su poder calorífico.

2

CERREJÓN Minería responsable. Usos del carbón [en línea]. < http://www.cerrejon.com/site/massobre-el-carbon/usos-del-carbon.aspx>

 Índice de hinchamiento libre (IHL)

Se trata de un indicador del comportamiento del carbón cuando se calienta, haciendo referencia a las características de carbonización y de producción de especies intermedias (coque). Así un alto índice de hinchamiento sugiere que durante la combustión la partícula de carbón se expandirá para formar residuos porosos de poco peso. Este índice también da a conocer las propiedades aglomerantes de un carbón, un cierto grado de coquización, oxidación y desgaste por intemperie.  Azufre

El azufre se presenta en tres formas en el carbón: -

Azufre orgánico: se encuentra en las plantas como parte constituyente de las proteínas. También se encuentra en las sustancias protectoras de las semillas y las células. Estas sustancias se descomponen desprendiendo azufre en forma de . También puede disolverse o reaccionar con el agua que rodea a la planta en su transformación. Una parte de este azufre permanece ligado a átomos de C, O e H formando anillos orgánicos. El azufre combinado orgánico es la menor parte del total.

-

Azufre pirítico: la pirita y en general los diversos sulfuros de hierro presentes en el carbón, pueden haber tenido origen interno o externo. La presencia de la pirita en el carbón ha originado grandes discusiones sobre su formación, que puede deberse a precipitación del sulfuro por la acción del hidrógeno sulfurado sobre compuestos solubles de hierro existentes en las turberas; por la acción del hidrógeno sulfurado sobre el hierro en presencia de materias orgánicas en putrefacción; por reducción del sulfato de hierro existente en las aguas; por acción de determinadas bacterias.

-

Azufre en forma de sulfatos: indica que el carbón ha sido sometido a un efecto de meteorización. Según la velocidad de este efecto, el sulfato puede ser de hierro, o lo más normal, de calcio. Por la gran solubilidad del sulfato de hierro, solo es probable su presencia en carbones con mucha pirita.

Entre los principales problemas derivados por la presencia de azufre en el carbón están los siguientes: -

Corrosión en las puntas metálicas de las instalaciones.

-

En el molido del carbón, es importante tener en cuenta la abrasividad de la pirita.

-

En el almacenamiento, la oxidación de la pirita influye en la combustión espontánea de los carbones.

-

En la coquización, el 50% del S pasa al coque donde es muy perjudicial (produce arrabio muy quebradizo).

-

En la gasificación y otros procesos la presencia de

es indeseable.

 Poder calorífico

Es la cantidad de unidades de energía, en forma de calor, que se pueden obtener en la combustión completa de una unidad de peso o volumen de un combustible. En otras palabras, es la cantidad de energía que una unidad de masa puede desprender al producirse una reacción química de oxidación:

Depende de la composición química del carbón y del contenido de humedad. Mientras menor sea el contenido de humedad en el carbón, mayor será su poder calorífico. Es determinante en la calidad del carbón y sirve como parámetro de clasificación también.

PROCEDIMIENTO 

Determinación de humedad y cenizas según normas ASTM D3173 y D3174, respectivamente. Pesar dos crisoles

Pesar 1 g de la muestra en cada crisol

Colocar un crisol en la estufa y calentar por 1h a 110°C

Colocar el otro crisol en la mufla y calentar hasta 700°C de manera continua

Retirar los crisoles y ponerlos en un secador durante 10 minutos

Pesarlos



Determinación del índice de hinchamiento libre (IHL) según la norma ASTM D720. Pesar 1 g de muestra en el crisol, nivelar bien y tapar el crisol

Calentar la muestra en la mufla a 750°C durante 4 minutos

Extraer del crisol el botón de carbón

Medir el botón con los perfiles patrón y determinar el número de índice correspondiente



Determinación del material volátil según la norma ASTM D3175. Pesar 1 g de la muestra en un crisol previamente pesado

Introducir en el horno el crisol a una temperatura de 950°C

Revisar que el crisol permanezca tapado luego de 2 o 3 minutos

Retirar el crisol, luego de 7 minutos

Pesar cuando esté frio



Determinación del azufre según la norma ASTM D3177 mediante el método ESCHKA. Mezclar completamente 1 g de muestra con 3 g de mezcla Eschka

Se lleva a un crisol y se cubre con 1 g de mezcla eschka Calentar el crisol en una mufla fría y ventilada y elevar gradualmente la temperatura hasta 800°C en 1 hora. Agitar hasta que desaparezcan todas las partículas negras (t = 1 hora y media)

Retirar el crisol y llevar a un vaso de precipitado de 200ml y realizar la digestión con 100ml de agua caliente

Decantar y pasar la solución a través de papel de filtro, reteniendo en el vaso de precipitado la mayor cantidad de materia insoluble

Lavar la materia insoluble en el vaso con agua caliente

Pasar la materia insoluble al filtro y lavar 5 veces con agua caliente manteniendo la mezcla agitada

Filtrar hasta obtener cerca de 250ml y neutralizar con solución de hidróxido de sodio (Na ) o de carbonato de sodio (Na 3 ). Adicionar 1 ml de ácido clorhídrico. Usar metil naranja como indicador Llevar a ebullición en agitación constante y adicionar lentamente 10ml de Ba l

Continuar con la ebullición durante 15 minutos y dejar en reposo durante 2 horas mínimo a una temperatura justo por debajo del punto de ebullición

Filtrar a través de un papel fino sin ceniza como el Whatman

Lavar con agua caliente hasta que una gota de solución de nitrato de plata produzca una leve opalescencia

Colocar el filtro húmedo que contiene (Ba

) en un crisol previamente lavado

Doblar el papel

Quemar gradualmente el papel en una mufla. Después de que el papel se haya consumido, llevar el crisol a una mufla, elevar la temperatura hasta 800°C y calentar hasta obtener un peso constante.

Pesar el sulfato de Bario

RESULTADOS Tabla 1. Datos de las prácticas de análisis de humedad y cenizas

Humedad Cenizas

[g] 12.4282 11.5405

[g] 13.4326 12.5505

[g] 13.3288 11.6125 3

Tabla 2. Datos de la práctica de análisis de materia volátil e IHL

Materia volátil

[g] 33.92707

[g] 34.92879

[g] 34.41380 3

Tabla 3. Datos de la práctica de análisis de azufre

Azufre

[g] 12.41450

[g] 12.42736

[g]

3

0.01286

ANÁLISIS DE RESULTADOS 

Cálculo del porcentaje de humedad y cenizas

Teniendo en cuenta los datos de la Tabla 1, se calcula el porcentaje de humedad y cenizas utilizando las siguientes fórmulas:

3

3

Donde: : Peso del crisol + Tapa : Peso del crisol + Tapa + Peso de la muestra 3:

Peso del crisol + Tapa + Peso de la muestra (Después del calentamiento)

Entonces:



Determinación del índice de hinchamiento libre (IHL) y cálculo del porcentaje de materia volátil.

El índice de hinchamiento libre (IHL) para este carbón es 0, porque después de calentar la muestra en la mufla durante 4 minutos y sacarla, no aglomeró. Con base en los datos de la Tabla 2, se calcula el porcentaje de materia volátil utilizando la fórmula que sigue:

3

Donde: : Peso del crisol + Tapa : Peso del crisol + Tapa + Peso de la muestra 3:

Peso del crisol + Tapa + Peso de la muestra (Luego de 7 minutos en la mufla)

Entonces:



Cálculo del porcentaje de azufre

Basados en los datos de la Tabla 3, se calcula el porcentaje de azufre con la fórmula siguiente: 3

Donde: : Peso del crisol : Peso del crisol + Peso del sulfato de bario (Ba 3:

Peso del sulfato de bario (Ba

) precipitado

: Corrección de sulfato de bario (Ba : Peso de la muestra Entonces:

[g]

)

)

[g]



Cálculo del carbono fijo

Para calcular el carbono fijo utilizamos la siguiente expresión:

Entonces:

CONCLUSIONES

Se calcularon los parámetros cuantitativos como el porcentaje de humedad, el porcentaje de cenizas, el índice de hinchamiento libre, el porcentaje de materia volátil, el porcentaje de azufre y el porcentaje de carbono fijo para la muestra correspondiente. Teniendo en cuenta estos valores, se puede concluir que el carbón en estudio es un carbón subbituminoso por tener 41.5% de carbono fijo, un porcentaje alto de materia volátil, por no ser aglomerante y por tener un bajo contenido de humedad, en relación con el lignito que tiene un porcentaje mucho mayor. Esto se puede evidenciar en la Tabla 4 del Anexo 1. El porcentaje de azufre en los carbones subbituminosos es, por lo general, inferior al 1%.3 Los lignitos tienen mucho más contenido de azufre que los carbones subbituminosos.

Observación

Dentro del grupo subbituminosa existen tres clases de carbones que son: -

Carbón subbituminoso A

-

Carbón subbituminoso B

-

Carbón subbituminoso C

Como se evidencia en la Tabla 5 del Anexo 1, esta clasificación se hace de acuerdo al poder calorífico, magnitud que no fue posible calcular debido a que el equipo de laboratorio estaba dañado. Por lo tanto, no es posible saber si el carbón subbituminoso es de tipo A, B ó C.

3

WEBIDEA. Subbituminoso, propiedades, reservas, uso actual [en línea].

BIBLIOGRAFÍA 

Ciaschi, R. Parámetros de Calidad del Carbón y del Coque en la Industria Siderúrgica. Tomos I y II. 1979.



Ecocarbon. II congreso nacional de ciencia y tecnología del carbón. Volumen 1. Noviembre 1993. Universidad del valle, Colciencias.



Manual de Laboratorio de Metalurgia Extractiva I. Universidad Industrial de Santander. Facultad de ciencias Fisicoquímicas. Departamento de ingeniería metalúrgica y ciencia de materiales.1994.

ANEXO 1 Tabla 4. Clasificación de carbones por rango

C fijo Humedad Materia Volátil Poder calorífico (%) (%) (%) (MJ/kg) 86 – 98