Ntc 4196 Carbón Por Rango

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA

NTC 4196 2009-12-16

CLASIFICACIÓN DEL CARBÓN POR RANGO

E:

STANDARD CLASSIFICATION OF COALS BY RANK.

CORRESPONDENCIA: CORRESPOND ENCIA:

esta norma es una adopción idéntica (IDT) por traducción, respecto a la norma ASTM D388:2005, Copyright © ASTM International. International. 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19429-2959. United States.

DESCRIPTORES: DESCRIPT ORES:

carbón; vitrinita.

clasificación;

carbón

de

I.C.S.: 73.040 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435

Prohibida su reproducción

Segunda actualización Editada 2009-12-24

PRÓLOGO

El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, normalización, según el Decreto 2269 de 1993. ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 4196 (Segunda actualización) fue ratificada por el Consejo Directivo de 2009-12-16. 2009-12-16. Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación en el Comité Técnico 42 Carbón y coque. BTU LTDA. INGEOMINAS MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA NANOCOLOMBIA PROFESIONAL INDEPENDIENTE JOSE DOLCEY IRREÑO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA - TUNJA

Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas: ACERIAS PAZ DEL DEL RÍO BSI -INSPECTORATE C.I. PROINTERCOAL S.A. COLCARBON INDÚMINA LTDA. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

PROCARBÓN SENA UNIVERSIDAD NACIONAL – MEDELLÍN UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA SOGAMOSO

ICONTEC ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados. relacionados. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN


NTC 4196 (Segunda actualización)

CONTENIDO Página 1.

OBJETO .......................................................................................................................1

2.

REFERENCIAS NORMATIVAS ...................................................................................1

3.

TERMINOLOGÍA..........................................................................................................3

3.1

DEFINICIONES ............................................................................................................3

3.2

ABREVIATURAS .........................................................................................................3

4.

IMPORTANCIA Y USO ................................................................................................4

5.

CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN ...............................................................................4

6.

CLASIFICACIÓN POR RANGO...................................................................................4

6.1

CARBONO FIJO Y PODER CALORÍFICO BRUTO ....................................................4

6.2

CRÁCTER AGLOMERANTE .......................................................................................5

6.3

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA.........................................................................5

7.

MUESTREO..................................................................................................................5

7.1

MUESTRAS..................................................................................................................5

7.2

OTROS TIPOS DE MUESTRAS ..................................................................................7

8.

MÉTODOS DE ENSAYO..............................................................................................8

9.

CÁLCULO EN BASE LIBRE DE MATERIA MINERAL...............................................9

10.

PALABRAS CLAVE.....................................................................................................9



Página

DOCUMENTO DE REFERENCIA..........................................................................................15 ANEXO A (Informativo) ..........................................................................................................10 Tabla 1. Clasificación de los carbones por rango...............................................................6



CLASIFICACIÓN DEL CARBÓN POR RANGO

1.

OBJETO

1.2 La presente norma contempla la clasificación de los carbones por rango, de acuerdo con su grado de metamorfismo o alteración progresiva en la serie natural desde el lignito hasta la antracita. 1.2

Esta clasificación es aplicable a carbones compuestos principalmente de vitrinita.

NOTA 1 Los carbones ricos en inertinita o liptinita (exinita), o ambos, no se pueden clasificar apropiadamente porque en estos macerales las propiedades que determinan el rango (poder calorífico, materia volátil y carácter aglomerante) se diferencian considerablemente de las de la vitrinita en el mismo carbón. Con frecuencia estos carbones se pueden reconocer por examen macroscópico. En Norteamérica son principalmente variedades de carbones no bandeados que contienen solamente una pequeña porción de vitreno y constituidos principalmente de materiales atriciales. El grado de metamorfismo de los carbones no bandeados y otros bajos en vitrinita se puede estimar determinando las propiedades de clasificación de fracciones de vitrinita aisladas o concentradas, o por determinación de la reflectancia de la vitrinita (véase la NTC 5614 y el Anexo A.1. de esta clasificación). Sin embargo, en el uso de estos carbones bajos en vitrinita, algunas propiedades normalmente asociadas con el rango, como la reología, la combustibilidad, la dureza y la molturabilidad (al igual que las propiedades de determinación del rango) pueden ser sustancialmente diferentes de las de los carbones ricos en vitrinita del mismo grado de metamorfismo. La precisión de la clasificación del carbón impuro se puede alterar por el efecto de grandes cantidades de materia mineral sobre las determinaciones de materia volátil y poder calorífico y sobre su cálculo en base libre de materia mineral.

1.3 Los valores establecidos en unidades térmicas británicas por libra se deben considerar como los normativos. Los equivalentes SI de las unidades térmicas británicas por libra son aproximados. Todos los demás valores en unidades SI deben considerarse como normativos. 2.

REFERENCIAS NORMATIVAS

Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables para la aplicación de este documento normativo. Para referencias fechadas, se aplica únicamente la edición citada. Para referencias no fechadas, se aplica la última edición del documento normativo referenciado (incluida cualquier corrección). NTC 1824, Determinación de la humedad de equilibrio de carbón a 96 % - 97 % de humedad relativa y 30 °C (ASTM D1412), 1 de 15



NTC 1859, Determinación de la ceniza en muestras de análisis de carbón y coque. (ASTM D3174). NTC 1872, Método de ensayo para la determinación de la humedad total en carbón. (ASTM D3302). NTC 1969, Carbón y coque. Terminología (ASTM D121). NTC 2018, Análisis de materia volátil en muestras de carbón y coque. (ASTM D3175). NTC 2075, Método de ensayo para determinar el índice de hinchamiento libre del carbón - IHL(ASTM D720). NTC 2128, Carbón y coque. Determinación del poder calorífico bruto de carbón y coque (ASTM D5865). NTC 2347 Recolección de una muestra bruta de carbón (ASTM D2234). NTC 2391 Análisis de azufre total en muestras de carbón y coque (ASTM D3177). NTC 2480, Cálculo de análisis de carbón y coque de base como se determina a diferentes bases (ASTM D3180 ). NTC 2713, Minería. Carbón. Toma de muestras de carbón en canal en las minas. (ASTM D4596). NTC 3268, Método de ensayo para la determinación del azufre total en muestras de carbón y coque por métodos de combustión a alta temperatura. (ASTM D4239). NTC 3484, Determinación de la humedad en la muestra de análisis de carbón y coque. (ASTM D3173 ). NTC 4898 Preparación de muestras de carbón para análisis (ASTM D2013). NTC 5614, Determinación microscópica de la de la reflectancia de la vitrinita del carbón (ASTM D2798) ASTM D121, Terminology of Coal and Coque . ASTM D720, Test Method for Free-Swelling Index of Coal ASTM D1412, Test Method for Equilibrium Moisture of Coal at 96 to 97 Percent Relative Humidity and 30 °C 2. ASTM D1757, Test Methods for Sulfur in Ash from Coal and Coke. ASTM D2013, Method of Preparing Coal Samples for Analysis. ASTM D2234, Practice for Collection of a Gross Sample of Coal . ASTM D2798, Test Method for Microscopical Determination of the Reflectance of Vitrinite in a Polished Specimen of Coal.

ASTM D3172, Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. 2



ASTM D3173, Test Method for Moisture in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM D3174, Test Method for Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke from Coal. ASTM D3175, Test Method for Volatile Matter in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM D3177, Test Methods for Total Sulfur in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM D3180, Practice for Calculating Coal and Coke Analyses from As-determined to Different Bases.

ASTM D3302, Test method for Total Moisture in Coal. ASTM D4239, Standard Test Methods for Sulfur in the Analysis Sample of Coal and Coke Using High-Temperature Tube Furnace Combustion Methods.

ASTM D4596, Practice for Collection of Channel Samples of Coal in the Mine. ASTM D5192, Practice for the Collection of Coal Samples from Core. ASTM D5865, Test Method for Gross Calorific Value of Coal and Coke. ASTM D5016, Standard Test Method for Total Sulfur in Coal and Coke Combustion Residues Using a High-Temperature Tube Furnace Combustion Method with Infrared Absorption.

3.

TERMINOLOGÍA

3.1

DEFINICIONES

Para las definiciones de los términos adicionales usados en esta clasificación, se debe consultar la NTC 1969 (ASTM D121). 3.1.1 Aglomeración. Aplicado al carbón, es la propiedad de ablandamiento y aglutinación cuando se calienta por encima de 400 °C en una atmósfera no oxidante, y forma una masa coherente después del enfriamiento a temperatura ambiente. 3.1.2 Rango aparente. Del carbón, designación de rango obtenido sobre muestras diferentes a muestras de canal o muestras de núcleo con recuperación del 100 %, pero que en lo demás cumplen con los procedimientos de esta norma. 3.1.3 Manto de carbón. Estrato, capa o lecho de carbón que yace entre dos capas de roca cuyas composiciones son significativamente diferentes de la del carbón. 3.2

ABREVIATURAS

En donde se desee abreviar la designación de los rangos de carbón, se deben usar las siguientes abreviaturas: ma - meta-antracita an - antracita sa - semiantracita 3



bbv- bituminoso bajo volátil bmv- bituminoso medio volátil bavA- bituminoso alto volátil A bavB- bituminoso alto volátil B bavC- bituminoso alto volátil C subA - subbituminoso A subB - Subbituminoso B subC - Subbituminoso C ligA - lignito A ligB - lignito B 4.

IMPORTANCIA Y USO

4.1 Esta clasificación establece categorías del carbón basadas en las propiedades que dependen principalmente del grado de metamorfismo al cual ha sido sometido. Estas categorías indican intervalos de características físicas y químicas, útiles generalmente para estimar el comportamiento del carbón en minería, preparación y uso. 5.

CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN

5.1 La clasificación se hace de acuerdo con el carbono fijo y el poder calorífico bruto (expresado en unidades térmicas británicas por libra) calculados en base libre de materia mineral. Los carbones de rango más alto se clasifican de acuerdo con el carbono fijo en base seca; los carbones de bajo rango se clasifican de acuerdo con el poder calorífico bruto en base húmeda. El carácter aglomerante se usa para diferenciar entre algunos grupos adyacentes. 6.

CLASIFICACIÓN POR RANGO

6.1

CARBONO FIJO Y PODER CALORÍFICO BRUTO

Los carbones pueden ser clasificados por rango de acuerdo con la Tabla 1. Los carbones que contengan poder calorífico bruto igual o superior a 14 000 Btu/lb, en base húmeda libre de materia mineral, y los carbones que tengan 69 % de carbono fijo ó más, en base seca libre de materia mineral, se clasifican de acuerdo con el carbono fijo, en base seca libre de materia mineral. 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 %.

4

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 6.2


CARÁCTER AGLOMERANTE

Los carbones que tengan 86 % o más de carbono fijo, en base seca libre de materia mineral, si aglomeran, se deben clasificar en el grupo bituminoso bajo volátil.. Los carbones que tengan poder calorífico bruto entre 10 500 Btu/lb y 11 500 Btu/lb, en base húmeda libre de materia mineral, se clasifican de acuerdo con su carácter aglomerante (véase la Tabla 1). 6.3

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA

En el Anexo A.1 se presenta una correlación entre el rango, dado por la materia volátil (100 carbono fijo) y la reflectancia media-máxima de la vitrinita, en carbones analizados en un laboratorio, durante varios años. 7.

MUESTREO

7.1

MUESTRAS

La clasificación de los mantos de carbón o parte de ellos en cualquier sitio se basa en el promedio de los análisis próximo y el poder calorífico bruto ( y el carácter aglomerante cuando sea requerido) de mínimo tres y preferiblemente cinco o más muestras de frente de canal o muestras de núcleo tomadas en diferentes sitios, distribuidos uniformemente, ya sea dentro de la misma mina o en minas adyacentes que representan un área continua y compacta de aproximadamente cuatro millas cuadradas en regiones geológicamente uniformes. En regiones donde las condiciones indican que las propiedades del carbón varían bruscamente en cortas distancias, el espaciamiento de los puntos de muestreo y el agrupamiento de los análisis para obtener valores promedio, no deben permitir la inclusión de carbones con rango evidentemente diferente.

5


NTC 4196 (Segunda actualización) Tabla 1. Clasificación de los carbones por rango A

Clase/Grupo Antracítica: - Meta-antracita - Antracita - SemiantracitaD Bituminosa: - Carbón bituminoso bajo en volátiles Carbón bituminoso medio en volátiles - Carbón bituminoso alto en volátiles A - Carbón bituminoso alto en volátiles B - Carbón bituminoso alto en volátiles C Subbituminosa: - Carbón subituminoso A - Carbón subituminoso B - Carbón subituminoso C

Límites de carbono fijo (Base seca libre de materia mineral) % Igual o Menor que mayor que

Límites de materia volátil (Base seca libre de materia mineral) % Mayor Igual o que menor que

Límites de poder calorífico bruto (Base húmeda libre de materia mineral) B Btu/lb Mj/kgC Igual o Menor Igual o Menor mayor que que menor que que

98 92 86

... 98 92

... 2 8

2 8 14

... ... ...

... ... ...

... ... ...

... ... ...

78

86

14

22

...

...

...

...

69

78

22

31

...

...

...

...

...

69

31

...

14 000E

32,557

...

30,232

32,557

...

...

...

...

13 000E

... 14 000

...

...

...

...

11 500

13 000

26,743

30,232

10 500

11 500

24,418

26,743

10 500 9 500 8 300

11 500 10 500 9 500

24,418 22,09 19,30

26,743 24,418 22,09

... ... ...

... ... ...

... ... ...

... ... ...

Carácter aglomerante

No aglomerante

Comúnmente aglomeranteF

Aglomerantes

No aglomerante Lignitica: 19,30 - Lignito A ... ... ... ... 8 300 14,65 14,65 6 300 - Lignito B ... ... ... ... 6 300 ... ... A Esta clasificación no aplica a ciertos carbones, como se discutió en el numeral 1. B Base humeda se refiere al contenido de humedad natural inherente del carbón que no incluye agua visible sobre la superficie del carbón. C Megajulios por kilogramo. Para convertir las unidades térmicas británicas por libra a megajulios por kilogramo, se multiplica por 0,0023255. D Si es aglomerante, se clasifica en el grupo bituminoso bajo volátil . E Los carbones con 69 % o más de carbono fijo en base seca libre de materia mineral se deben clasificar de acuerdo con el carbono fijo, independientemente del poder calorífico bruto. F Se reconoce que puede haber variedades no aglomerantes dentro de la clase bituminosa y hay excepciones notables en el grupo bituminoso alto volatil. C, G Corregido editorialmente G

6



7.1.1 Tomar muestras de canal excluyendo las intercalaciones de minerales de más de 1 cm (3/8 de pulgada) y lentes o concreciones (como esferas de sulfuro) de más de 1,25 cm (1/2 pulgada) de espesor y 5 cm (2 pulgadas) de ancho, como se especifica en la NTC 2713 (ASTM D4596). 7.1.2 Pueden usarse muestras de perforación o núcleos, siempre y cuando éstas hayan sido recolectadas como se especifica en la norma ASTM D5192 y cumplan con las siguientes condiciones: recuperación del núcleo del 100 % del manto; se excluyen las láminas y concreciones minerales principales, como se especificó en el numeral 7.1.1 y el lodo de perforación sea removido del núcleo (véase también el numeral 7.1.6). 7.1.3 Colocar todas las muestras en recipientes plásticos o de metal con tapas herméticas al aire, o bolsas impermeables a vapor denso, selladas apropiadamente para preservar la humedad inherente. 7.1.4 Para la clasificación por rango no se deben usar los análisis de muestras de afloramientos ni carbón oxidado o alterado por la intemperie. 7.1.5 Para clasificar el carbón en base humedad, es decir, incluyendo su contenido natural de humedad inherente, las muestras se deben tomar de manera que preserven la humedad inherente, para los análisis. Debido a que parte de la humedad en una mezcla recién recolectada se condensa en el interior del recipiente de la muestra, se deben pesar ambos, el recipiente y el carbón antes y después de secado al aire y se reporta la pérdida total del peso como pérdida por secado al aire. 7.1.6 Si la muestra es un núcleo o es imposible muestrear el carbón sin la humedad superficial, o si por otras razones la exactitud del contenido de humedad inherente



7.1.1 Tomar muestras de canal excluyendo las intercalaciones de minerales de más de 1 cm (3/8 de pulgada) y lentes o concreciones (como esferas de sulfuro) de más de 1,25 cm (1/2 pulgada) de espesor y 5 cm (2 pulgadas) de ancho, como se especifica en la NTC 2713 (ASTM D4596). 7.1.2 Pueden usarse muestras de perforación o núcleos, siempre y cuando éstas hayan sido recolectadas como se especifica en la norma ASTM D5192 y cumplan con las siguientes condiciones: recuperación del núcleo del 100 % del manto; se excluyen las láminas y concreciones minerales principales, como se especificó en el numeral 7.1.1 y el lodo de perforación sea removido del núcleo (véase también el numeral 7.1.6). 7.1.3 Colocar todas las muestras en recipientes plásticos o de metal con tapas herméticas al aire, o bolsas impermeables a vapor denso, selladas apropiadamente para preservar la humedad inherente. 7.1.4 Para la clasificación por rango no se deben usar los análisis de muestras de afloramientos ni carbón oxidado o alterado por la intemperie. 7.1.5 Para clasificar el carbón en base humedad, es decir, incluyendo su contenido natural de humedad inherente, las muestras se deben tomar de manera que preserven la humedad inherente, para los análisis. Debido a que parte de la humedad en una mezcla recién recolectada se condensa en el interior del recipiente de la muestra, se deben pesar ambos, el recipiente y el carbón antes y después de secado al aire y se reporta la pérdida total del peso como pérdida por secado al aire. 7.1.6 Si la muestra es un núcleo o es imposible muestrear el carbón sin la humedad superficial, o si por otras razones la exactitud del contenido de humedad inherente determinable de la muestra es cuestionable, y dada la posibilidad de que el carbón sea clasificado en base húmeda, el operador de muestreo debe incluir la siguiente declaración en la descripción: Humedad cuestionable . Las muestras así marcadas no se deben usar para clasificación en base húmeda a menos que se lleven a la condición estándar de humedad de equilibrio a 30 °C en un desecador de vacío que contenga una solución saturada de sulfato de potasio (97 % de humedad), como se especifica en la norma ASTM D1412. Los análisis de las muestras, que han sido tratadas de esta manera, se deben designar como muestras tratadas a 30 °C y humedad relativa del 97 % (humedad de equilibrio).

7.2

OTROS TIPOS DE MUESTRAS

No se puede hacer una determinación estándar de rango a menos que las muestras hayan sido obtenidas de acuerdo con el numeral 7.1. Sin embargo, la relación para las determinaciones estándar puede ser útil para otros tipos de muestras tomadas en condiciones no especificadas, siempre y cuando se sigan los mismos estándares de análisis y cálculos. Estas indicaciones comparativas se designan como rango aparente, el cual indica la clasificación relativa correcta para la muestra analizada, pero no implica estándares de muestreo. Cada vez que se establezca un rango aparente se debe presentar información adicional en cuanto a la naturaleza de la muestra. 7.2.1 El rango aparente del carbón producido en una mina se debe determinar con base en muestras representativas tomadas de acuerdo con el numeral 7 “ Planning of Sampling Operations Section de la norma ASTM D2234 (NTC 2347). 7.2.2 En caso de que el carbón se deba clasificar en base húmeda, se toman las muestras en el frente de mina o planta de preparación y se sella la muestra para evitar pérdida de humedad. 7

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 8.

MÉTODOS DE ENSAYO

8.1

Muestreo y análisis de laboratorio


El carbón se prepara de acuerdo con la norma ASTM D 2013 y se analiza de acuerdo con las normas NTC 3484 (ASTM D3173), NTC 1859 (ASTM D3174), NTC 2018 (ASTM D3175), NTC 2391 (ASTM D3177), NTC 1872 (ASTM D3302) y ASTM D3172. El poder calorífico bruto se determina de acuerdo con la NTC 2128 (ASTM D5865). El trióxido de azufre (SO 3) retenido en la ceniza se determina de acuerdo con la norma ASTM D1757 o ASTM D5016 y el resultado se expresa en base seca. Si la muestra fue recolectada de acuerdo con el numeral 7.1.1, la humedad inherente se reporta como humedad como se recibe, ó se reporta como humedad de equilibrio si la muestra fue recolectada de acuerdo con el numeral 7.1.6. (véase la NTC 1824 (ASTM D1412)). 8.2 Se ajusta el valor de la ceniza determinado de acuerdo con la NTC 1824 (ASTM D3174) de manera que quede libre de sulfatos, como sigue: SO 3 Hu C z = C z(bs) (1 )(1 ) 100 100

(1)

en donde C z

=

valor ajustado de la ceniza a la base de humedad inherente.

z(bs) C

=

ceniza obtenida, en base seca, determinada de acuerdo con la norma NTC 1824 (ASTM D3174).

SO 3

=

SO 3 en

=

humedad inherente.

Hu

la ceniza, determinado de acuerdo con la norma ASTM D1757 o D 5016, y

Se adiciona al valor del carbono fijo, determinado de acuerdo con la norma ASTM D3172, el valor de SO 3 determinado en la ceniza, para obtener el valor de carbono fijo que se va a usar en la ecuación 2 8.3

Carácter aglomerante

Para determinar el carácter aglomerante se examina el residuo obtenido en el crisol de platino de la determinación de materia volátil 1). Los carbones que, en la determinación de materia volátil, producen un botón aglomerado que soporta un peso de 500 g sin pulverizarse, o un botón que presenta hinchamiento o una estructura celular, se deben considerar aglomerantes desde el punto de vista de la clasificación. Además, un resultado de 1,0 ó más en el ensayo de Índice de Hinchamiento Libre (véase la NTC 2075 (ASTM D720)) también se usa para indicar si el carbón es aglomerante; un resultado de 0,5 ó 0 indica que el carbón no es aglomerante.

1)

Gilmore, R.E., Connell, G.P., and Nicholls, J.H.H., "Agglomerating and Agglutinating Test for Classifying Weakly Caking Coals, "Transactions, American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, Coal División. Vol 108, 1934, P.255.

8



9.

CÁLCULO EN BASE LIBRE DE MATERIA MINERAL

9.1

Cálculo de carbono fijo y poder calorífico

Para la clasificación del carbón de acuerdo con el rango, se calculan el carbono fijo y el poder calorífico bruto en base libre de materia mineral (1 mm) de acuerdo con las fórmulas de Parr ,2) ecuaciones 2, 3 y 4. En el Anexo A.2 se presenta información básica concerniente al desarrollo de las fórmulas de Parr , lo mismo que otras consideraciones de clasificación y ejemplos de los cálculos (véase la Tabla 1). 9.2

Se calcula la base libre de materia mineral (lmm) de la siguiente manera

9.2.1 Fórmulas de Parr CF , Seco, lmm = 100 ( CF -

0,15S)/(100 - (Hu + 1,08 C z + 0,55S ))

MV , Seca, lmm = 100 - CF seco, BTU , Húmedo, lmm = 100 ( Btu -

(2)

lmm

(3)

50 S) / (100 - (1,08 C z + 0,55 S))

(4)

en donde BTU

=

poder calorífico bruto, Btu/lb

CF

=

carbono fijo, %

MV

=

materia volátil, %

Hu

=

humedad, %

C z

=

ceniza, % y

S

=

azufre, %

Las cantidades de las ecuaciones 2 y 4 están en base de humedad inherente. El carbono fijo (CF) y la ceniza ( C z) se ajustan a la base libre de SO3 de acuerdo con el numeral 8.2. 10.

PALABRAS CLAVE

10.1

Antracita, bituminoso, carbón, lignito, rango.

2)

Parr, S.W., "The Classification of Coal", Bulletin No. 180, Engineering Experiment Station, University of Illinois, 1928.

9


NTC 4196 (Segunda actualización) ANEXO A (Informativo)

A.1

CORRELACIÓN DE LA MATERIA VOLÁTIL CON LA REFLECTANCIA MÁXIMA PROMEDIO DE LA VITRINITA

A.1.1 La reflectancia de la vitrinita en una muestra de carbón, determinada por la NTC 5614 (ASTM D2798), brinda una guía útil para la clasificación del carbón. En la Figura A.1.1 se presenta la correlación de la reflectancia máxima promedio de todas las variedades de vitrinita con la materia volátil, expresada en base seca libre de materia mineral. Se graficaron datos de 807 muestras de carbón que contenían menos del 8 % de ceniza pertenecientes a diferentes yacimientos de carbón en Norteamérica. Todas las determinaciones se realizaron en un solo laboratorio, con la participación de varios analistas, durante un período de varios años. La gráfica muestra un intervalo de reflectancias para tres grupos de rangos importantes. Intervalo de reflectancia máxima promedio en aceite, %

distribución de punto medio de

Rango

< 1,15 1,02 - 1,55 1,35 - 2,0 (?)

< 1,1 1,10 - 1,45 1,45 - 2,0(?)

bav bmv bbv

NOTA A.1.1 Los carbones con la misma reflectancia de vitrinita y similares composiciones de maceral pueden tener diferentes propiedades reológicas y de fluorescencia e incluso formas de combustión y carbonización diferentes. Estas diferencias pueden deberse a diversos factores, tales como su edad geológica, el ambiente y/o el modo de acumulación (tiempo, temperatura y presión), e incluso a diferencias en las plantas que contribuyeron a su formación. Por tanto, el empleo de la reflectancia de la vitrinita con el fin de seleccionar el uso de los carbones, puede requerir de otras cualidades para predecir su potencial utilización. Esto es particularmente importante en la selección de carbones para la producción de coque, puesto que se conoce que vitrinitas con la misma reflectancia pero con diferentes propiedades de fluorescencia, producen diferentes formas de carbonizados con diferentes propiedades físicas (resistencia) y químicas (reactividad).

A.1.2 Los puntos medios de la distribución presentados son los puntos medios entre el límite inferior y superior en la escala de reflectancia para el rango indicado. De los 807 carbones los que contienen mas del 25 % en volumen de inertinita tienden a ubicarse en la parte mas baja del intervalo de distribución que los que contienen más vitrinitas y liptinitas. a s a m n e e j a t n e c r o P ) M M L S ( l i t á l o v a i r e t a M

50 45 40 35

Alto volátil

30 25

Medio volátil

20 15

Bajo volátil Semiantracita

10 0,4

0,6

0,8 1,2 1,4 1,6 1 Reflectancia en aceite, media máxima, %

1,8

2

Figura A.1.1. Relación entre el rango y la reflectancia de la vitrinita para carbones de Estados Unidos de América

10

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA A.2


INFORMACIÓN BÁSICA SOBRE LAS ECUACIONES DE CONSIDERACIONES DE CLASIFICACIÓN

Y OTRAS

PARR

A.2.1 Introducción La clasificación del rango de los carbones de acuerdo con los requisitos de esta norma se hace sobre bases seca o húmeda libres de materia mineral, dependiendo del parámetro que se aplique. Los laboratorios reportan comúnmente los parámetros de clasificación, ya sea materia volátil (o carbono fijo) o poder calorífico bruto, en las bases como se recibe, seca y libre de ceniza. Estos valores reportados deben convertirse a la base libre de materia mineral para propósitos de clasificación. Las propiedades de los macerales (carbonáceos), así convertidas, se emplean como criterios de clasificación, eliminándose así, los efectos del contenido de materia mineral variable, que no tiene relación con el rango. En esencia, sólo se clasifica la fracción de "carbón puro" de una muestra determinada. La fórmula de Parr se utiliza para calcular la materia mineral original en el carbón empleando la ceniza producida y el contenido de azufre total determinados en dicho carbón, de la siguiente manera: mm = 1,08 Cz + 0,55S

en donde mm

=

materia mineral

z C

=

ceniza producida NTC 1859 (ASTM D3174) y

S

=

contenido de azufre total (NTC 2391 (ASTM D3177) o NTC 3268 (ASTM D4239))

En esta fórmula se asume que los minerales de arcilla, contienen un promedio de agua de hidratación de 8 % y la pirita que contiene esencialmente todo el azufre, son los únicos grupos minerales presentes. Además, se supone que ocurren las siguientes reacciones durante la producción de cenizas: (1) los grupos hidroxilos de los minerales de arcilla se pierden en la atmósfera; (2) el azufre se convierte en dióxido de azufre, el cual también se pierde; y (3) la pirita se descompone en óxido de hierro que se retiene en la ceniza. La fórmula de Parr pretende corregir los valores de la ceniza y azufre medidos con respecto a estas reacciones y ajustando su masa a la de los minerales originales en el carbón. El empleo de esta fórmula, permite excluir las cantidades variables de materia mineral para la clasificación de carbones. Por ejemplo, las muestras A y B de la Tabla A.2.1 se clasifican ambas como Lignito A puesto que tienen valores de poder calorífico bruto similares cuando se calculan para una base húmeda, libre de materia mineral (Poder calorífico bruto H u, lmm), en contraste con sus valores de poder calorífico bruto en la base como se recibe que son bastante diferentes. En este ejemplo, entonces, se excluyen los diferentes contenidos de materia mineral para propósitos de clasificación. En la numeral A.2.3 se presentan ecuaciones útiles que posibilitan calcular los parámetros de clasificación a partir de los resultados del laboratorio en base seca, para materia volátil, ceniza y azufre.

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Tabla A.2.1. Ejemplo de cálculos de rango de carbón de acuerdo con la clasificación NTC 4196 A Muestra A

Muestra B

Muestra C

Muestra D

Muestra E

Muestra F

Base como se recibe (bcr) B Humedad % (humedad inherente) 34,79 32,45 14,94 9,85 9,20 1,88 Ceniza % 5,65 11,93 7,57 6,00 7,54 11,86 Materia volátil % 30,32 28,07 33,89 32,81 31,69 25,27 Carbono fijo % 29,24 27,55 43,60 51,34 51,57 60,99 Azufre % 0,71 1,15 0,66 3,07 1,14 0,33 Poder calorífico bruto, Btu/lb 7 676 7 093 10 178 10 178 12 077 13 045 Base seca Ceniza, % 8,66 17,66 8,90 6,66 8,30 12,09 Materia volátil, % 46,50 41,55 39,84 36,39 34,90 25,75 Carbono fijo % 44,84 40,78 51,26 56,95 56,80 62,16 Azufre % 1,09 1,70 0,78 3,41 1,26 0,34 Poder calorífico bruto, Btu/lb 11 771 10 500 11 966 11 290 13 301 13 295 Otros resultados Índice de hinchamiento libre (IHL) 0 0 0 2 4 2,5 SO3 % en ceniza 11,00 10,57 9,75 2,17 2,18 2,27 SO3 en ceniza, % en carbón (base 0,62 1,26 0,74 0,13 0,16 0,27 como se recibe) Ceniza libre de SO3 (C zl s) % (base 5,03 10,67 6,83 5,87 7,38 11,59 como se recibe)C Materia mineral, Parr % (C zl s, base 5,82 12,16 7,74 8,03 8,59 12,70 como se recibe) CF(bcr, base como se recibe)B 29,86 28,81 44,34 51,47 51,73 61,26 D Valores determinantes de rango Poder calorífico bruto, Btu/lb (base 8 113 8 009 10 996 10 899 13 150 14 924 húmeda, lmm) Materia volátil % (seco, lmm) 49,90 48,30 42,78 37,89 37,28 28,34 Carbono fijo % (seco, lmm) 50,10 51,70 57,22 62,11 62,72 71,66 Carácter aglomerante no no no agl agl agl Rango NTC 4196 (ASTM D 388) Lig A Lig A sub A bav C bav B bmv A Pie de página 4) B La base como se recibe es equivalente a la base con contenido de humedad inherente sólo para muestras tomadas y preservadas como se describe en el numeral 7. Para muestras que no cumplan con estos criterios, se deben ajustar los datos de la base como se recibe a la base con contenido de humedad inherente. C Valores corregidos para base de ceniza libre de sulfato, de acuerdo con la NTC 4196 (ASTM D388), numeral 8.2. Estos parámetros ajustados se emplean para calcular valores de determinación de rango. D Los parámetros empleados para clasificar cada muestra empleando la Tabla 1 de NTC 4196 (ASTM D388) se muestran en negrilla. Los otros valores se muestran sólo con propósitos de información y comparación.

A.2.2 Explicación de las bases analíticas para propiedades de clasificación A.2.2.1 Base seca, libre de materia mineral Base sobre la cual se calculan las propiedades químicas de las muestras de carbón para los rangos bituminoso medio volátil y superiores. La mejor aproximación de materia mineral (mm, no carbón) para carbones Norteaméricanos se calcula mediante la fórmula de Parr z (bs)+ (5/8)S (bs) +0,08(C z(bs)- (10/8)S (bs) mm= C )

en donde z (bs) C

=

contenido de ceniza en base seca (posiblemente con contenido de sulfato) y

S (bs)

=

contenido de azufre en base seca

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(X.2.1)



Citando a Parr 2 (excepto para el subíndice adicionado con propósitos de claridad):

bs

y el paréntesis alrededor de las fracciones,

"(5/8)Sbs equivalen a la relación del FeS2 en el carbón respecto al Fe2O3 en la ceniza o también, 3 oxigenos ó 48 (uma) en la ceniza corresponden a 4 azufres ó 128 (uma) originalmente en el carbón;" (10/8)Sbs representan el equivalente de Fe2O3, en la ceniza, es decir la molécula de Fe 2O3, 160 (uma), es 10/8 del azufre presente en el carbón; (C z( bs )- (10/8)Sbs) es la ceniza menos el Fe2O3; 0,08 es una constante aplicada a la ceniza libre de hierro para compensar el agua de hidratación del material terroso menos la piríta, que representan la cantidad real de los constituyentes terrosos presentes en el carbón original". Lo anterior se reduce a: mm = 1,08 C z(bs) + 0,525 Sbs y se simplifica a: mm = 1,08 C z(bs) + 0,55 Sbs

donde el coeficiente de azufre fue ajustado arbitrariamente en un valor de 0,025 (a fin de que arrojen resultados que no difieran estadísticamente de otras fórmulas propuestas 3). A.2.2.2 Base húmeda, libre de materia mineral Base a la cual se calcula el poder calorífico para determinar el rango del carbón para muestras de carbón de rangos bituminoso alto volátil A y menores. Esta es una base libre de materia mineral, con contenido de humedad inherente, la cual es equivalente a la base como se recibe para muestras tomadas y preservadas como se describe en el numeral 7. En la Ecuación 4, se corrigió el poder calorífico con respecto al calor de combustión estimado para la pirita (-50 S ) y luego se calculó en la base húmeda, libre de materia mineral por el factor (100 – mm), equivalente a (100-(1,08 C z+ )). Todos los datos están sobre la base de contenido de 0,55S humedad inherente. A.2.3 Ecuaciones útiles La ecuación de clasificación (Ecuación 3 del numeral 9.2.1) puede simplificarse para casos donde los datos se encuentran disponibles sobre la base seca: ceniza seca ( C z(bs )), materia volátil ( MV bs), azufre (S bs), y el contenido de sulfato ( SO3bs) en la ceniza4). En tales casos, la Ecuación 3 del numeral 9.2.1 puede expresarse de modo que arroje el parámetro de clasificación directamente, la materia volátil en la base seca, libre de materia mineral, ( MV bslmm): ⎛

SO 3bs ⎞

⎝

100 ⎠

MV bs − 0,08 C z ( bs ) ⎜⎜1 − VM bs / mm =

⎛ ⎜ ⎝

1 − 0,0108 C z (bs ) ⎜1 −

⎟⎟ − 0,4S (bs )

SO 3(bs ) ⎞

⎟ − 0,0055 S bs

100 ⎠⎟

Para un carbón de rango bituminoso alto volátil A o inferior, para el cual se ha determinado la humedad inherente ( Hui , o humedad como se recibe, equivalente) y se conocen los valores secos para el poder calorífico bruto en Btu/lb (Btu bs), y contenidos de ceniza y azufre, la ecuación de clasificación (Ecuación 4, numeral 9.2.1) – el poder calorífico bruto sobre la base húmeda, libre de materia mineral, (Btu Hu. lmm) es equivalente a:

3)

4)

Fieldner, A.C., Selvig, W.A., and Gibson, F.H., "Application of Ash Corrections to Analyses of Various Coals, "Transactions, American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, Coal Division, Vol 101, 1932, pp. 223-246. Hoeft, A.P., Harvey, R.D., and Luppens, J.A., "Notes on the Determination of ASTM Coal Rank, "Journal of Coal Quality, Vol 12, No. 1, 1993, pp. 8-13

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NORMA TÉCNICA COLOMBIANA BTU h / mm =

NTC 4196 (Segunda actualización) 100 Btu (bs ) − 50 S (bs )

⎛ SO 3(bs ) ⎞ ⎞ ⎟ − 0,55 S (bs ) ⎟ − 1,08 C z (bs ) ⎜1 − ⎟ ⎜ ⎟ − 100 Hu 100 ( ) i ⎠ ⎝ ⎝ ⎠ ⎛

100 ⎜⎜

100

La Tabla A.2.1 ofrece ejemplos de cálculos para muestras con rangos ampliamente diferentes a fin de demostrar algunas de las consideraciones importantes para la clasificación de los carbones. Estos ejemplos también demuestran los efectos del factor de corrección para el azufre retenido en la ceniza durante los procesos de producción de cenizas, de acuerdo con el numeral 8.2 y su importancia para la determinación del rango. Las muestras A y B se clasifican ambas como Lignito A puesto que tienen poderes caloríficos brutos similares cuando se calculan en base húmeda, libre de materia mineral (poder calorífico bruto Hu. lmm), en contraste con sus poderes caloríficos brutos los cuales son completamente diferentes sobre la base como se recibe. En este ejemplo, se excluyen los contenidos de materia mineral diferentes para propósitos de clasificación. Las muestras C y D tienen esencialmente el mismo poder calorífico bruto Hu. lmm, pero no se clasifican igual debido a sus propiedades de aglomeración diferentes. Una consideración importante, aunque algunas veces confusa, respecto a los carbones de rango superior es su carácter aglomerante. Desde 1934, el carácter aglomerante de la muestra se ha empleado para diferenciar los carbones subbituminosos A de los bituminosos alto volátil C. Se reconoció que el poder calorífico de los dos rangos se superponía. En versiones anteriores de la norma, el "examen del residuo de la determinación de la materia volátil" en los crisoles de platino, era el procedimiento requerido para determinar el carácter aglomerante. En estas versiones se lee You're Reading a Preview luego: "Los carbones que, en la determinación de materia volátil, producen un botón aglomerado que soporta un peso de 500 g sin pulverizarse, o un botón que presenta una Unlock full access with a free trial. estructura celular, se debe considerar aglomerante". No obstante, durante más de 25 años, el ensayo de la norma para Índice de Hinchamiento Libre (NTC 2075 (ASTM D720)) ha Download With Free Trial bajo un peso de 500 g. Ha sido una considerado probar la naturaleza pulverizante del botón práctica por muchos años emplear los resultados del ensayo de Hinchamiento Libre para determinar el carácter aglomerante de un carbón como se esboza en el numeral 8.3 de esta norma. La muestra F demuestra la necesidad de usar los contenidos de carbono fijo y de materia volátil (en base seca libre de materia mineral) ya que el carbono fijo excede el 69 % sin tener en cuenta el poder calorífico bruto Hu. lmm. En las muestras E y F, los poderes caloríficos brutos sobre base seca son muy similares, pero debido a que la Muestra F contiene más del 69 % de carbono fijo en base seca, lmm, estas dos muestras no presentan el mismo rango. La muestra E es un carbón bituminoso alto volátil B y la muestra F se clasifica como un carbón bituminoso medio volátil.

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DOCUMENTO DE REFERENCIA ASTM INTERNATIONAL. Standard Classification of Coals by Rank. Philadelphia, 2005. 4 p. (ASTM D388-05).

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Ntc 4196 Carbón Por Rango

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