COMBUSTIBLES DEL HORNO DE CUBILOTE

[Hornos Metalúrgicos]

U.N.J.F.S.C. - HUACHO COMBUSTIBLES

1. INTRODUCCION Los combustibles y su combustión representan la forma más práctica, efectiva y económica de aportar la energía térmica requerida para el desarrollo de procesos industriales. El desarrollo de la humanidad se ha basado en la utilización de los combustibles fósiles que la naturaleza ha almacenado durante millones de años y que todavía se encuentran disponibles, pero no debemos esperar a que comiencen a agotarse para sustituirlos. Al establecer la teoría inorgánica de la combustión que todos los combustibles son básicamente lo mismo, mezclas carbono-hidrógeno, y todos se queman en la misma forma elemental, nos abre un panorama de posibilidades ilimitado que podemos aprovechar aplicando la tecnología que resulte conveniente para disponer de condiciones adecuadas de combustión de muchos otros elementos, materiales y compuestos técnica y económicamente aprovechables en este campo. Este es el campo de los combustibles industriales que podría alargar la preminencia de la energía química de la combustión, antes de tener que recurrir a otras formas de energía más limpias y ecológicas, por no producir dióxido de carbono, pero todavía muy alejadas de competir en términos económicos.

2. CRITERIOS PARA LA EVALUACION Y CLASIFICACION DE COMBUSTIBLES INDUSTRIALES En términos generales, combustible es cualquier elemento, material o compuesto capaz de arder en contacto con un comburente, combur ente, pero no todos los combustibles pueden utilizarse con fines industriales. Para constituir un combustible industrial debe encontrarse disponible a precios accesibles y poderse manipular en condiciones mínimas de seguridad; tales condiciones nos conducen casi exclusivamente a los combustibles fósiles y sus derivados. En realidad, basados en la teoría inorgánica de la combustión, podemos afirmar que todos los combustibles industriales son combinaciones de Carbono e Hidrógeno en una proporción variable; en relación directa con su relación C/H serán gases (metano: C/H=3), líquidos (combustóleo: C/H=8) o partículas de carbón mineral. El Azufre y otros componentes minoritarios pueden considerarse como impurezas. El Hidrógeno y Carbono puros no constituyen combustibles industriales, por razones análogas: La combustión del Hidrógeno es instantánea, constituyendo una disponibilidad instantánea de energía que resulta aplicable como impulso para cohetes espaciales, pero demasiado violenta para administrarse como energía utilizable con fines industriales. El carbono puro (grafito o diamante) resulta demasiado difícil de quemar, para constituir un combustible industrial. La clasificación de los combustibles industriales en función de su estado físico siempre resulta la más adecuada, considerando al gas natural, el petróleo residual y el carbón mineral, combustibles primarios alrededor de los cuales se agrupan todos los demás.

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Ing. Luis E. LUNA QUITO

Figura 2.1: Clasificación de combustibles industriales.

Para el caso de los hidrocarburos la relación C/H nos indica la facilidad con la que se queman; así, el más fácil de quemar será el metano y el más difícil el asfalto. En la Figura 2.2 se presenta la relación entre poder calorífico y la relación C/H para el caso de los hidrocarburos.

Figura 2.2: Poder calorífico inferior en función de su relación C/H.

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En el caso de los carbones, resulta de fundamental importancia su contenido de volátiles, tanto para definición de sus características como su comportamiento como combustible. En la Figura 2.3 se presentan los rangos de variación de los diferentes tipos de carbones, clasificados en función de su contenido de volátiles y su molturabilidad según hardgrove.

Figura 2.3: Clasificación y Caracterización de carbones minerales con su contenido de volátiles.

El requerimiento de aire para combustión también resulta un factor diferencial importante entre los combustibles primarios. Para generar 1000 kcal utilizando carbón se producen 1.24 m 3N, utilizando petróleo residual 1.31 m 3N, y con gas natural, 1.47 m 3N de gases de combustión. Una buena estimación del requerimiento de aire para cualquier combustible puede establecerse, considerando 1 m 3N de aire por cada 1000 Kcal de poder calorífico. En esta forma, considerando los poderes caloríficos inferiores y asumiendo la necesidad de trabajar con excesos de aire de 10, 20 y 30 % para gas natural, petróleo residual y carbón mineral, respectivamente: 





El Petróleo Residual de 9712 Kcal/Kg requerirá 11.65 m 3N de aire por Kg de combustible. El Carbón Mineral de 7000 Kcal/Kg requerirá 9.1 m 3N de aire por Kg de combustible. El gas natural de 9252 Kcal/m 3N requerirá 10.2 m 3N de aire por m 3N y 13.15 m3N para quemar 1 kg de gas natural (densidad absoluta = 0.7758).

3. CARACTERIZACION DEL GAS NATURAL El Gas Natural es una mezcla de hidrocarburos parafínicos, que incluye el Metano (CH 4) en mayor proporción, y otros hidrocarburos en proporciones menores y decrecientes. Esta mezcla generalmente contiene impurezas tales como vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno y helio. 3

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En la Tabla 3.1 se muestra la composición del gas natural que se extrae de los pozos y que contiene, además del metano, su principal componente, otros hidrocarburos más pesados, tales como el etano, todavía típicamente un gas, el propano, un gas tirando para líquido; el butano, un líquido tirando para gas, y los pentanos, principales componentes de las gasolinas. Las impurezas que acompañan al gas podrían ser más ligeras de las que acompañan al petróleo en el subsuelo y algunos gases inertes. Tabla 3.1: Composición del gas natural.

Componente

Nomenclatura

Composición (%)

Estado Natural

Metano

CH4

95.08

gas

Etano

C2H6

2.14

gas

Propano

C3H8

0.29

GLP

Butano

C4H10

0.11

GLP

Pentano

C5H12

0.04

liquido

Hexano

C6H14

0.01

liquido

Nitrógeno

N2

1.94

gas

Gas Carbónico

CO2

0.39

gas

En la Tabla 3.2 se presentan las propiedades físicas de los hidrocarburos gaseosos que se utilizan como combustibles industriales: metano, etano, propano, isobutano y butano normal. Tabla 3.2: Propiedades de los componentes del gas natural.

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3.1. CARACTERIZACION DE GASES COMBUSTIBLES Los criterios de clasificación de gases en “familias” , en función de las características de los gases o mezclas gaseosas y las condiciones de combustión, sirven para expresar índices que resultan indicadores de las posibilidades de utilización de gases y su intercambiabilidad. Los más empleados son el “Índice de Wobbe” , la “Fórmula de Knoy” y el criterio de Delbourg. 3.1.1. Índice de Wobbe Se basa en el Poder Calorífico Superior (H) y la densidad relativa al aire del gas, o mezcla gaseosa (d). Su expresión es la siguiente:

 

 √ 

Se adapta bien para caracterizar gases naturales secos. Cuando en la mezcla gaseosa existe productos oxidados (CO2, CO) y por otra parte los hidrocarburos superiores influyen, por su viscosidad, en la exactitud del Poder Calorífico Superior, se utiliza en “Indice de Wobbe Corregido”, que corrige tales deficiencias con dos coeficientes: K 1 y K2, con lo que el I.W corregido es:

     El valor de K 1 es el siguiente:

  

     

En donde (CO), (O2) y (CO2) representa las concentraciones de dichos gases. En cuanto a K 2, su valor se ha determinado estadísticamente y varía según el poder calorífico aportado por hidrocarburos superiores al metano. 3.1.2. Fórmula de Knoy Pretende corregir las anomalías mencionadas mediante la siguiente fórmula:



 √ 

Donde H se expresa en BTU/ft. 3.1.3. Criterio de Delbourg Para la división de gases en “familias”, el criterio más utilizado, es el de DELBOURG. Utiliza este investigador el Indice de Wobbe (corregido si es necesario) y otro índice que denomina “Potencial de Combustión” y que correlaciona con el caudal térmico aportado por cada mezcla gaseosa. El “Potencial de Combustión ” alcanza a mezclas en las que incluso existe pentano en forma de vapor y su expresión es la siguiente:



                √  5

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Ing. Luis E. LUNA QUITO Tabla 3.3: Identificación de “familias de gases” – criterio de Delbourg.

FAMILIA PRIMERA Gas manufacturado SEGUNDA Gas natural Metano Puro TERCERA Propano comercial Butano comercial Propano puro N-Butano puro

PCS (Kcal/m3N)

4200

9500 a 10500 9530

2200 (11800 Kcal/kg) 2830 (1100 Kcal/kg) 24350 32060

Figura 3.1: Representación gráfica de Delbourg.

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3.2. CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIÓN Y LLAMAS DE GAS NATURAL Las características de formación de llama permiten explicar el comportamiento de la combustión de mezclas de gases combustibles aire en cuanto al encendido, el desarrollo y la estabilidad de la combustión, lo cual resulta de particular importancia en las aplicaciones industriales de gas natural. 3.2.1. Límites de inflamabilidad En la Tabla 3.4 se muestran los límites de inflamabilidad de mezclas gas – aire a 20° C y presión atmosférica.

Tabla 3.4: Limites de inflamabilidad.

COMPONENTE CO H2 CH4 C2H4 C2H6 C3H8 C2H1O C2H12 C6H6 Gas Natural

% VOLUMEN EN AIRE Límite Inferior Limite Superior 12.5 74 4.1 74 5.3 14 3 29 3.2 12.5 2.4 9.5 1.9 8.4 1.4 7.8 1.4 6.7 4.8 13.5

En una atmósfera homogénea de gas metano en aire, solo se dan condiciones de inflamabilidad si la proporción de metano se encuentra entre 5 y 15%. La presencia de nitrógeno y vapor de agua en la zona de inflamación puede restringir estos valores. 3.2.2. Temperatura de autoinflamación En la Tabla 3.5 se muestran las temperaturas de autoinflamación de algunos gases y vapores determinados según Ensayo DIN 51794 a presión atmosférica. Tabla 3.4: Temperaturas de autoinflamación.

COMBUSTIBLE CO H2 CH4 C2H6 C3H8 nC5H12 nC8H18 C6H6

TEMPERATURA C º

605 400 537 515 450 260 210 535

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3.2.3. Velocidad de propagación de llama Una llama estable de una mezcla aire – gas comprendida entre los límites de inflamabilidad se propaga a una cierta velocidad, depende de variables físicas y químicas composición de su mezcla con el aire de combustión, temperatura, presión, forma y dimensiones del quemador. Para el gas natural, la velocidad de propagación o deflagración es del orden de 0.3 m/s. En forma similar, se designa como la velocidad crítica de retorno de llama el límite inferior de velocidad de salida en la cabeza de un quemador con mezcla previa aire – gas, compatible con una llama estable; si la velocidad de salida es inferior a la velocidad crítica, la llama se propaga al interior del quemador en la mezcla gas – aire (retrollama). La velocidad de desprendimiento de llama es el límite superior de velocidad de salida a la cabeza del quemador compatible con una llama estable; si la velocidad de salida es superior a la velocidad de propagación de la llama, ésta se desprende del quemador y se apaga.

Figura 3.2: Variación de la velocidad de deflagración en función del factor de aire.

4. CARACTERIZACION DE PETROLEOS RESIDUALES Los petróleos residuales podrían considerarse un nivel intermedio entre los combustibles líquidos y los sólidos, debido a que posee en su composición, además de hidrocarburos líquidos, fracciones muy pesadas e impurezas en estado sólido (metales y cenizas). El análisis comparativo de los combustibles industriales sólidos, líquidos y gaseosos más conocidos. Incluyendo el contenido de C, H, S y cenizas, nos permite establecer algunas características diferenciales de los residuales respecto a los demás combustibles: 8

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




Su facilidad para combustionar, expresada por la relación C/H, resulta intermedia entre los gases, destilados y carbones. La presencia de azufre resulta elevada respecto al mínimo contenido en los destilados y los carbones, aunque los valores considerados resultan variables. La presencia de cenizas marca la diferencia más importante de los residuales respecto a los destilados y marca un punto de aproximación hacia los carbones.

Tabla 4.1: Análisis comparativo de los combustibles típicos.

*BTU/Lb

4.1. COMPOSICION QUIMICA 4.1.1. Compuestos carbono/hidrógeno Estos son compuestos que poseen características muy diferentes del hidrógeno (gas ligero, incoloro e inodoro) y las del carbono (sólido negro), que combinados en variadas formas y proporciones forman los hidrocarburos. Para efectos prácticos, resultará conveniente considerar como factor determinante de la “combustibilidad” de petróleos residuales su relación C/H, lo cual permitirá caracterizarlos en función de su comportamiento como combustibles industriales en forma rápida y simple, conociendo su composición elemental. 4.1.2. Compuestos nitrogenados Se presentan en compuestos de elevado peso molecular, máximo cuando lo hacen en complejos porfirínicos de metales, por lo cual más del 90% del nitrógeno de los crudos permanece en el residual. La presencia del nitrógeno en los combustibles residuales reviste dos aspectos de particular importancia: 



Sometidos a cambios reiterados de temperaturas se envejecen rápidamente, dando lugar a la formación de gomas que se encuentran en finas capas parecidas al barniz sobre bombas, engranajes, filtros, etc. En condiciones de combustión a elevadas temperaturas (>1100 C), se combina con el oxígeno formando compuestos que resultan contaminantes atmosféricos (NOx). º

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4.1.3. Compuestos sulfurados La presencia de azufre en los residuales, en forma elemental o combinada, aunque aporta poder calorífico resulta indeseable, debido a que los productos de su combustión resultan agresivos y contaminantes. El petróleo bruto, dependiendo de su origen, puede contener hasta 5% de azufre en casos extremos o valores muy bajos; normalmente varía entre 1 y 3%; durante la refinación, una mayor proporción del azufre se queda en el residual, concentrándose en aproximadamente un 40% respecto al crudo. El azufre en los hidrocarburos naturales se encuentra bajo formas de tioles (mercaptanos), disulfuros, tiofenos y azufre elemental. Debido al olor penetrante y desagradable de sus compuestos, es fácilmente detectable en los productos de combustión. El SO2 producido, en presencia de exceso de aire y pentóxido de vanadio como catalizador, se oxida a SO3, el cual con el agua de la combustión forma ácido sulfúrico. Si la temperatura dentro del sistema disminuye por debajo del punto de rocío (condensación), el ácido se depositará sobre los refractarios y partes metálicas en el interior de los ductos de circulación de gases, produciendo corrosión ácida, también llamada corrosión a baja temperatura. Cuando los gases salen por la chimenea, tal condensación se producirá en la atmósfera, dando lugar a la forma de contaminación ambiental conocida como lluvia ácida. 4.1.4. Contenido de Asfaltenos Los asfaltenos son compuestos orgánicos de alto peso molecular, entre 1.000 y 100.000, constituidos por los elementos del combustible de origen (carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno, oxígeno, vanadio, etc), cuya presencia en los residuales resulta de gran importancia durante su combustión por constituir la fracción del residual más difícil de quemar. Estos compuestos tienen tendencia a formar estructuras cíclicas complejas, como resultados de los cual poseen altas relaciones C/H, típicamente alrededor de 10/1, frente a un 8/1 característico del combustible. Durante la combustión, el hidrógeno del asfalteno es fácilmente oxidado, conduciendo a la formación de un coque denso, a menudo de una estructura grafítica, muy poco reactivo y difícil de quemar en los cortos tiempos de residencia disponibles durante el transporte a través de las regiones de altas temperaturas en el interior de las llamas en Hornos y Cámaras de combustión. El contenido de asfaltenos en los residuales resultará un factor indicativo de la dificultad para lograr una combustión completa, siendo probable que una gran proporción de las emisiones de inquemados sólidos procedan de estos compuestos. 4.1.5. Contenido de Vanadio El contenido de cenizas de los combustibles residuales, aunque resulta mínimo comparado con el que se presenta en los carbones, tipifica el empleo de residuales respecto a combustibles limpios, tales como los gases y destilados. Cualitativamente, el Vanadio también constituye el componente que ocasiona mayores riesgos y problemas en la práctica industrial, por lo cual conocer la proporción en que se encuentra en los residuales permitirá prevenir y controlar sus efectos y consecuencias. 10



Se conoce que el vanadio está frecuentemente asociado con los asfaltenos en forma de complejos estables solubles en el combustible; durante la combustión es muy probables que el vanadio se asocie con el coque de origen asfalténico formado, dando lugar a cenizas con bajo punto de fusión. Aunque el vanadio constituye un efectivo catalizador de las reacciones de oxidación, ello resultará conveniente cuando se encuentre asociado a coques de origen asfáltico, al acelerar su combustión, pero influye negativamente al favorecer la reacción de formación de SO 3. Asociado con el sodio y el azufre, forma compuestos de bajo punto de fusión, dando lugar a la corrosión por cenizas fundidas, al adherirse a superficies metálicas y refractarios, actuando como transportador de oxígeno. El control de la relación molar Na/V resulta indicativo de la probabilidad de que se presente este tipo de corrosión, para condiciones de temperatura de operación usuales en la práctica.

4.2. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS La utilización eficiente de petróleos residuales en la práctica industrial exige conocer, interpretar y controlar las propiedades físico-químicas del combustible: 4.2.1. Densidad en API º

Define la relación entre la masa del combustible y el volumen que ocupa a una determinada temperatura y presión, por lo cual resulta una variable particularmente importante en el caso de los combustibles residuales, para juzgar en forma rápida sus características de empleo y las dificultades que presentará su combustión. Se expresa en API (American Petroleum Institute). Se presentarán valores más altos para combustibles livianos y bajos para los pesados. La relación entre grados API y gravedad específica es la siguiente: º

  

   

4.2.2. Viscosidad La viscosidad de un líquido puede definirse por la resistencia que oponen sus moléculas a la fuerza que tiende a desplazarlas, debido a la fricción que se produce entre ellas. En el caso de los residuales constituye una de las propiedades de mayor importancia, por utilizarse como factor de referencia para efectuar el bombeo y la atomización en condiciones adecuadas a los equipos utilizados. La viscosidad dinámica o absoluta (u) se expresa en poises y equivale a la fuerza en dinas que se requiere para desplazar un plano líquido de 1 cm 2 de superficie, a una distancia de 1 cm, con la velocidad de 1 cm/seg. La viscosidad cinemática es el cociente del coeficiente de viscosidad absoluta por la densidad del líquido a la temperatura de ensayo y se expresa en stokes o centistokes. En varios viscosímetros comerciales comunes se mide la viscosidad cinemática en función del tiempo (t) que tarda en pasar un volumen de líquido por un tubo capilar normalizado y a una temperatura determinada. Para los residuales, los sistemas más empleados para medir y expresar su viscosidad son los Segundos Saybolt Furol (SSF) a 122 y 210ºF y los grados Engler. 11

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4.2.3. Punto de fluidez La temperatura a la cual el combustible fluye libremente por gravedad se denomina Punto de Fluidez. Resulta una variable importante para juzgar la facilidad con la cual los combustibles industriales pueden ser transportados y manipulados. Siendo la Fluidez la inversa de la viscosidad, los combustibles residuales, teniendo valores elevados de viscosidad, resultarán poco fluidos. Los valores promedio de los residuales más empleados en la práctica industrial se ubican en valores cercanos a los rangos de temperatura ambiental, por lo cual su manipulación por gravedad sin aporte de calor resultará factible en aquellos lugares donde la temperatura ambiental se mantenga en niveles mayores al punto de fluidez determinado. 4.2.4. Residuo Carbón Conradson El residuo carbonoso conradson proporciona una indicación u orientación valiosa sobre la tendencia del combustible a formar inquemados, esto es, a coquizar. Los índices de conradson elevados dan una indicación significativa sobre la tendencia a la formación de coque de un combustible en los precalentamientos y la posibilidad de que se produzca el ensuciamiento de la boquilla del quemador durante su operación. También proporcionan una orientación significativa sobre la tendencia a "craquizar" de un residual en los precalentamientos previos a su combustión, imponen severas restricciones a su aplicación y, finalmente, delimitan el dominio de las potencias térmicas en las que puede emplearse racionalmente un determinado combustible líquido. 4.2.5. Contenido de agua y sedimentos El agua, en forma de minúsculas gotas y con otros tipos de impurezas, se encuentra en suspensión en todos los combustibles líquidos, y en forma particular, en los residuales. Sus efectos dependen fundamentalmente de la forma en que las gotas de agua se encuentren presentes: Si las gotas de agua dispersas en el fluido son de un diámetro tal que su decantación se pueda producir rápidamente, a las temperaturas que alcanza el residual en el precalentador del quemador, su presencia, a partir de porcentajes del orden del 1%, puede ya provocar irregularidades apreciables en el funcionamiento del quemador y en la estabilidad de l a llama. Por el contrario, si las gotitas de agua emulsionada en el combustible no son susceptibles de decantar, porque sus diámetros son muy reducidos y las necesidades de calentamientos moderadas, porcentajes relativamente importantes (10 ó 15%), no ejercen una influencia perjudicial apreciable sobre el funcionamiento del quemador, desde el punto de vista mecánico. Respecto a la presencia de sedimentos, si las partículas extraídas están constituidas esencialmente por granitos de sílice o de óxidos de hierro, la circulación del combustible por equipos tales como las bombas de desplazamiento positivo o las boquillas de los quemadores, podría provocar problemas de abrasión. Si por el contrario, los sedimentos están constituidos por partículas blandas, su acción, dentro de ciertos límites, no resultará apreciablemente nociva.

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4.2.6. Tensión Superficial Se puede definir, para el caso de un combustible líquido en contacto con un gas o el aire, como la tendencia del fluido a presentar la mínima área expuesta al contacto con el gas, y por tanto, a la acción de las fuerzas que actúan sobre el en la interfase líquido-gas. Es la verdadera responsable del tamaño de gotas que se produce durante la atomización del combustible líquido, por lo cual reviste particular importancia en el caso de atomización de los residuales. La tensión superficial, al igual que la viscosidad, disminuye cuando aumenta la temperatura; la única razón por la cual se utiliza como referencia para una adecuada atomización del combustible líquido, por lo cual reviste particular importancia en el caso de atomización de los residuales. 4.2.7. Inflamabilidad El punto de inflamación o inflamabilidad de un combustible líquido proporciona una indicación sobre el valor de la temperatura a la cual el producto, ensayado según una cierta norma, emite suficientes vapores para que pueda inflamarse la mezcla aire-gases provocada por el calentamiento del fluido. Se admite generalmente que los distintos combustibles líquidos pueden manipularse sin grave riesgo de explosión o incendio, siempre y cuando permanezcan a temperaturas inferiores a las correspondientes a sus puntos de inflamación. El punto de inflamación de los combustibles industriales (diesel y residuales) está alrededor de 65 – 70 C, lo cual permite considerar que en el almacenamiento estos productos no son peligrosos. º

4.2.8. Poder Calorífico Representa la cantidad de calor que posee y es capaz de liberar un combustible residual por cada unidad de volumen o masa considerado. Así, se puede expresar el poder calorífico de los combustibles líquidos en relación a su volumen o su masa. En un equipo industrial se debe liberar como mínimo un 99% del poder calorífico del combustible, en condiciones que permitan su máxima conversión en calor útil.

5. CARACTERIZACION DE CARBONES MINERALES El carbón es un combustible orgánico sólido, no homogéneo, conteniendo más del 50% en peso y más del 70% en volumen de material carbonoso, incluyendo humedad inherente, formado por la compactación y metamorfosis de diversas plantas.

5.1. CLASIFICACIÓN DE LOS CARBONES Los cambios bioquímicos y geoquímicos modifican las características de los depósitos de materiales orgánicos, determinando la presencia de diferentes rangos. Existen diferentes formas de clasificar los carbones estableciendo distinciones más específicas, pero los 4 rangos más comúnmente reconocidos son lignito, sub-bituminoso, bituminoso y antracita. Estos rangos son establecidos por la ASTM en función de su carbono fijo, materia volátil, poder calorífico y su capacidad de aglomeración. Los carbones de rango más alto, antracita y bituminoso (bajo y medio contenido de volátiles) están diferenciados en base a su contenido de carbono fijo; los carbones de grado menor en base a su poder calorífico. 13

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5.1.1. Lignito Los lignitos se encuentran normalmente en las rocas de formación más reciente. Es el que presenta el rango más bajo de carbono fijo; su color va del marrón al negro y muestra un alto contenido de humedad y bajo poder calorífico. 5.1.2. Sub-bituminoso Son lignitos que han perdido algo de humedad, teniendo aún un poder calorífico bajo; su color es negro opaco y es difícil distinguirlo del carbón bituminoso. 5.1.3. Bituminoso Son los carbones cuya utilización a nivel mundial está más difundida. Son densos, compactos, de color marrón oscuro y brilloso. Asimismo, es más resistente a la desintegración en aire que los sub-bituminosos y lignitos. El carbón bituminoso presenta un bajo contenido de humedad, materia volátil variable y su poder calorífico es alto. 5.1.4. Antracita Es el carbón más duro, de color negro azabache y brilloso; se rompe con una fractura concoidal y se muestra altamente lustroso. Su contenido de humedad y materia volátil es bajo y su contenido de carbón fijo alto, así como también alto su poder calorífico.

5.2. ANÁLISIS DE CARBONES MINERALES 5.2.1. Análisis Inmediato (ASTM D3172) El carbón no es una sustancia pura ni tiene una composición uniforme, por tanto, no se le podrá dar una fórmula química definida. En el análisis inmediato se incluyen los porcentajes en peso de los siguientes componentes: 







Humedad. Cenizas (derivadas de las impurezas de los minerales). Materias volátiles (gases y vapores obtenidos por la acción del calor). Carbono fijo.

Este análisis se emplea para caracterizar los carbones según sus aplicaciones industriales: a) b) c) d)

Para determinar el rango de carbón. Para indicar la razón entre sus constituyentes combustibles y no combustibles. Para suministrar la base para su compra y venta. Para evaluarlo como combustible.

5.2.1.1. Humedad El agua está presente siempre en el Carbón. Puede permanecer ocluida en los poros, estar combinada químicamente o presentarse como un contenido superficial adquirido durante su lavado, transporte y almacenamiento. El agua superficial desaparece mediante secado al aire a la temperatura ambiente; calentando a poco más de 100ºC desaparece totalmente. 14



Se suele denominar a ésta, agua de inhibición. El agua retenida en los poros del carbón no se evapora y es necesaria una temperatura algo mayor para eliminarla (en algunos carbones, ciertas pérdidas de peso entre 100 y 185 C se deben a la pérdida de agua de constitución o higroscópica). El secado a altas temperaturas debe realizarse en atmósfera de nitrógeno para evitar la autocombustión del carbón. La relatividad del concepto humedad de un carbón, viene marcada por las dificultades en su determinación y los resultados variables en los distintos métodos para obtenerla (ASTM D3302 y ASTM D3173). º

5.2.1.2. Cenizas El carbón contiene siempre materias minerales ajenas a la parte combustible, de diversas procedencias: de la roca adyacente, propia del carbón, de las combinaciones orgánicas o inorgánicas de los vegetales, y de la materia mineral formada al mismo tiempo que el carbón. Es una sustancia mineral, no combustible, que queda cuando el carbón ha sido quemado en condiciones rígidamente controladas de temperatura, tiempo y atmósfera (ASTM D3174 y ASTM D388). Las cenizas reducen el poder calorífico del combustible y su eliminación de los hogares resulta costosa. Ambos factores están en relación directa a la cantidad de cenizas existentes. El rendimiento térmico de un horno disminuye debido a que las cenizas y escorias dificultan la transmisión de calor, reduciendo la cantidad de calor que podría extraerse de un carbón. Si las cenizas de un carbón funden a temperaturas relativamente bajas, forman escorias que son perjudiciales para los refractarios y dan origen a un costo adicional de extracción. La necesidad de limpieza y mantenimiento de hogares se verá incrementada con el aumento en el porcentaje de cenizas. Si se quema el carbón en hogares de parrilla, además de las consideraciones anteriores, las cenizas reducen el tiro, causan una combustión irregular y pueden estropear la parrilla si se producen escorias en cantidad suficiente. Sólo en ciertos procesos industriales, como la fabricación de cemento, si el carbón es de buena calidad, y aproximadamente con un 15% de cenizas, no resultan tan perjudiciales, ya que la ceniza es absorbida por la carga y reacciona con ella. 5.2.1.3. Materias volátiles Son productos gaseosos, con exclusión de los vapores de humedad, obtenidos bajo las condiciones de pruebas estandarizadas (ASTM D3175). Los gases combustibles son el monóxido de carbono, el hidrógeno, el metano y otros hidrocarburos orgánicos. Los que habitualmente no son combustibles son el dióxido de carbono, el amoniaco, el sulfuro de hidrógeno y algunos cloruros. El contenido en volátiles se determina calentando la muestra seca sin aire, a 955ºC en horno eléctrico de mufla durante 7 minutos. La pérdida de peso se obtiene después de enfriada la muestra y el porcentaje en volátiles se calcula teniendo en cuenta la humedad original del carbón. El contenido en volátiles se determina la longitud de la llama al quemar carbón pulverizado. Por ejemplo, si se quema carbón de hulla en un horno rotatorio interesa que el contenido de materias volátiles se sitúe alrededor del 18-22%, al objeto de tener la longitud de llama necesaria para que se alcance toda la zona de fundición. En principio, se podría esperar un aumento del poder calorífico con un incremento en el contenido en volátiles. Esto sucede hasta un contenido en volátiles de 20% aproximadamente. Para contenidos más elevados el poder calorífico decrece, debido a que una parte de las materias volátiles están formadas por combinaciones de oxígeno y nitrógeno no combustible. 15

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5.2.1.4. Carbono fijo Es el residuo sólido distinto de la ceniza, que resulta de las pruebas acerca de la materia volátil; su valor se calcula restando del 100%, la humedad, la materia volátil y la ceniza (ASTM D3172). Carbono fijo = 100% - humedad - materias volátiles – cenizas. 5.2.2. Análisis elemental de un Carbón El análisis elemental trata de determinar el contenido de elementos simples de un carbón, pero solamente aquellos que se gasificarán y/o supondrán un aporte calorífico en las reacciones de combustión. Se efectúa en base seca. Estos elementos se expresan en porcentaje en peso y son: 











Carbono total. Hidrógeno. Azufre. Nitrógeno. Oxígeno. Cenizas.

5.2.2.1. Carbono total El carbono procede de la sustancia orgánica y de los carbonatos minerales; será la suma del carbono fijo y del contenido en los materiales volátiles. El carbono fijo, o carbono sin combinar, como ya se ha indicado, es el que no destila cuando se calienta un carbón (ASTM D1756). 5.2.2.2. Hidrógeno El Hidrógeno está presente en la sustancia orgánica en forma de humedad y agua de constitución de los silicatos de la materia mineral. El análisis químico descompone el agua en Hidrógeno y Oxígeno (ASTM D1756). 5.2.2.3. Azufre La mayoría de los carbones contienen azufre, que únicamente puede determinarse por análisis químicos (ASTM D3177): e) El método Eschka. f) El método de lavado con bomba. g) El método de combustión a alta temperatura. El azufre está presente en tres formas: Compuestos sulfurados orgánicos Pirita o marcasita Sulfatos inorgánicos. La presencia del azufre sólo tiene su plena potencia calorífica cuando se encuentra en estado libre. En porcentajes elevados podrá formar escorias muy perjudiciales. Durante la combustión, el azufre como impureza forma óxidos, que corroen piezas en hornos, siendo además sus emisiones a la atmósfera contaminantes. 5.2.2.4. Nitrógeno El nitrógeno se encuentra en todos los carbones, ligado a combinaciones orgánicas, en pequeños porcentajes. Se determina por métodos de absorción atómica (ASTM D3179). Al ser 16



inerte no produce ningún efecto perjudicial, excepto que obliga en su manipulación a gastar energía. Al igual que las cenizas, disminuye la cantidad de energía disponible por tonelada de combustible. 5.2.2.5. Oxígeno El contenido en oxígeno se estima por diferencia a 100 de la suma de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre total y cenizas. El oxígeno rebaja la potencia calorífica del combustible, aunque contribuye a las necesidades del aire de combustión. 5.2.3. Propiedades de los carbones 5.2.3.1. Poder calorífico o Valor térmico La propiedad más importante de los combustibles es su poder calorífico, es decir, la cantidad de calor desarrollado por 1 kg. de combustible en su combustión en el hogar. También es muy importante para la relación comprador-vendedor. Se han propuesto varios métodos para determinarlo, pero habitualmente el más usado es el Calorímetro Adiabático de Bomba (ASTM D2015). El valor térmico se determina quemando una muestra de carbón en la bomba de oxígeno, y midiendo la elevación de la temperatura; se convierte a Kcal/kg o BTU/lb, mediante la comparación algebraica con el valor térmico del ácido benzoico. Se aplican correcciones para tener en cuenta el calor producido por el alambre de ignición y los calores de formación del ácido nítrico y ácido sulfúrico. El poder calorífico bruto es el número obtenido mediante la prueba real ASTM D2015. Todos los vapores de agua producto de la combustión han sido condensados. El valor del calor neto, un valor más bajo, es calculado con base en el valor bruto, suponiendo que toda el agua de los productos de combustión se mantiene bajo forma de vapor. 5.2.3.2. Propiedades Químicas Las redes estructurales del carbón son similares a las del grafito, donde los átomos se presentan en camadas paralelas pero con ligazones químicas éntrelos planos, representados principalmente como puentes metileno, enlaces éter, sulfito, disulfito y bifenil. Por este tipo de arreglo el carbón presenta una estructura altamente plana y laminada con poros pequeños que ocupan un volumen entre 8 y 20%. La composición del carbón es bastante variable; es difícil encontrar dos carbones que tengan la misma composición, aunque pertenezcan al mismo rango. La composición típica del carbón incluye: 25-95% de carbono, 2-7% de hidrógeno, hasta 25% de oxígeno y 10% de azufre, así como de 1 a 2% de nitrógeno. La materia mineral inorgánica puede alcanzar valores tan altos como el 50%, pero un rango entre 5-15% es más típico. El contenido de humedad comúnmente varía de 2 al 10%. La materia mineral está presente en forma de pizarras y carbonatos. Físicamente, la materia inorgánica puede ser dividida en dos grupos: Materia mineral inherente y materia extraña. Las impurezas del primer grupo provienen por lo general de material extremadamente fino, sedimentado simultáneamente con l a materia vegetal de origen; éstas no pueden ser eliminadas por el lavado del carbón.

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Combustibles


El otro grupo, que sí puede ser separado mecánicamente del carbón, proviene de la roca donde se ubican los depósitos del carbón. Por otro lado, la humedad está también presente en los carbones, sea como agua libre o adherida al carbón, o como agua física y químicamente enlazada. El azufre asociado al carbón es de dos tipos, orgánico e inorgánico; el tipo orgánico proviene de proteínas de la materia vegetal original; el azufre inorgánico tiene su origen en las piritas de hierro, así como sulfatos de calcio y hierro. En general, cerca del 50% del azufre puede ser pirítico, particularmente cuando el contenido de éste es alto. La descomposición térmica del carbón da origen a productos sólidos, líquidos y gaseosos. La materia volátil es el producto gaseoso que se produce cuando la muestra de carbón es calentada hasta 900ºC en un medio inerte; el carbono fijo se determina restando del 100%, el porcentaje de humedad, materia volátil y cenizas.

Tabla 5.1: Valores de los constituyentes de los carbones.

5.2.3.3. Propiedades Físicas La densidad, apariencia, abrasividad, cohesión, friabilidad, molturabilidad y finura de molienda son las propiedades físicas que resultan de mayor importancia en la preparación y utilización de los carbones. a) Densidad Varía entre 1.3 y 1.5, teniendo la antracita densidades más elevadas que los carbones bituminosos. Los métodos más comúnmente utilizados para el lavado de carbones están basados en la separación por diferencia de densidades. b) Apariencia Física Incluye color, lustre o brillo, porosidad, resistencia y reflectancia. Respecto a los carbones de menor rango, la antracita es más brillante, menos resistente y presenta menor reflectancia. c) Abrasividad La abrasividad viene marcada por las impurezas más que por el carbón mismo. Como elementos más abrasivos se encuentran la pirita, sílice y arenisca, que pueden acompañar al carbón según su naturaleza. Es una propiedad que tiene una gran significación económica, ya que los elementos abrasivos que acompañan al carbón pueden influir notoriamente en el desgaste de las piezas metálicas de tolvas, molinos, conductos, quemadores, etc.

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d) Cohesión, Friabilidad y Fragilidad Marcan la degradación, es decir paso a granulometrías menores, por impacto o rozamiento. e) Molturabilidad Es una propiedad que marca la facilidad con la cual puede pulverizarse un carbón. Para ello se utiliza el método Hardgrove, que sirve para determinar la facilidad relativa de pulverización del carbón por comparación con una serie de carbones estándar. Una cantidad pesada de carbón, cernida con mallas del número 16 al número 30, pasa a ser molida durante un tiempo dado en un molino de anillo de bolas. El índice se calcula partiendo de la cantidad de polvo malla menos Nº200 que se produce (ASTM D409). f) Finura de Molienda Se determina haciendo pasar una muestra de carbón pulverizado por un tamiz de un determinado ancho de malla. El residuo retenido en el tamiz se denomina rechazo y se expresa en tanto por ciento del peso total de la muestra. La finura óptima de molienda, depende del contenido de materias volátiles del carbón.

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COMBUSTIBLES DEL HORNO DE CUBILOTE

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