cartilla carbones y coques

CARBONES Y COQUES
EL CARBON
1. DESCRIPCION Y DEFINICION1
Nombre de la roca,
mineral
Tipo de roca
Grupo mineral
Sistema Cristalino
Composición
química Cenizas
Formación
Sedimentario
Combustibles fósiles
Amorfo a Hexagonal
Silicatos (base)
Color
Por destilación seca de madera
Madera seca
Variable
Poroso resistente
Variable
Negro y grisáceo
Brillo
Variable
Propiedades
Sólido, ligero
Usos
Producción de energía térmica doméstica e industrial,
coque y carboquímica.
Leyenda
El carbón que se convirtió en diamante. Había una vez un
carbonero que regresaba de su trabajo con tres costales de
carbón; en eso llegó un viejito y le dijo: ¿tienes un pan que me
regales? Y el carbonero contestó: nada más tengo uno y si te lo
doy me quedo sin nada; entonces siguió su camino, pero se
quedó pensando: ¡ese señor es más pobre que yo!, por lo que
regresó y le regaló el pan. El viejito le dio las gracias, además de
asegurarle que lo recompensaría. Le dijo que no vendiera el
carbón que llevaba en sus costales, que lo cerrara por tres días
Estructura
Dureza
Textura
Densidad
1
Carbón
www.losminerales.com . CD de La Tierra. Encarta CD.
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
1
CARBONES Y COQUES
y al cuarto lo abriera. Siguiendo las instrucciones, el carbonero
abrió los costales al cuarto día y se encontró con lo que creía
cuentas de vidrio, fue a la vidriería y le dijeron que eran
diamantes. Su sorpresa fue que en verdad quedó recompensado
por la buena obra realizada.
Definición e historia
El carbón es un combustible sólido, ligero, de color pardo o
negro, principalmente vegetal. Se puede obtener directamente
sometiendo la madera a un proceso de carbonización
(combustión incompleta), o por extracción en las minas, donde
se encuentra desde las eras geológicas como resultado de una
larga transformación. El uso del fuego por los antepasados, al
utilizar el primer combustible la madera, descubrieron también el
carbón vegetal. Al principio aprovecharon la leña
semidescarbonizada que queda al apagar las hogueras, hasta
que más tarde aprendieron a obtenerlo en las carboneras.
Aunque el modo de prepararlas varía según las épocas y los
países, se hacen quemar cubiertos con leña verde, hierbas y
tierra, dejando una abertura para la combustión. En la actualidad
el carbón vegetal se obtiene en hornos continuos y por
destilación seca, y las técnicas re
cientes permiten aprovechar los gases desprendidos. Este
carbón se emplea como combustible ligero y en la
fabricación de pólvora negra, catalizadores y electrodos. El
carbón mineral (o carbón de piedra) se encuentra en la corteza,
en capas cuyo espesor varía de unos centímetros a más de
treinta metros. Los chinos fueron los primeros en utilizarlo
unos 500 años a.C., mientras que otras civilizaciones de la
antigüedad jamás llegaron a conocerlo. Los griegos y los
romanos lo emplearon a pequeña escala. Su uso empezó a
alimentar las calderas de la máquina de vapor, siendo la
Revolución Industrial el punto de partida de la moderna minería
del carbón. El carbón mineral que se extrae en la actualidad
se emplea principalmente en las grandes ciudades
termoeléctricas, en la obtención de coque metalúrgico y en
industrias carboquímicas, para la fabricación de plásticos,
desinfectantes, y productos farmacéuticos.
Observaciones
particulares
Es una fuente de calor extremadamente controlable
Bibliografía y/o
fuentes de
información
CD de La Tierra
Página de internet www.losminerales.com
Encarta CD
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2
CARBONES Y COQUES
2.
ORIGEN2
El carbón es una roca metamórfica sedimentaria de origen vegetal, formado en
cuencas límnicas (intracontinentales) y parálicas (incursiones marinas).
Su
composición es bastante heterogénea constando principalmente de materia
orgánica; contiene constituyentes minerales de las plantas a partir de las cuales se
formo e inclusiones de otras materias orgánicas encerradas durante su formación
geológica. Toda esta materia acumulada bajo la corteza terrestre a pasado por una
fase bioquímica y geoquímica sometida a condiciones rigurosas de presión y
temperatura, factores que a la vez definen sus propiedades físicas tales como
dureza, resistencia mecánica, anisotropía óptica y porosidad; la temperatura
modificó la composición química del carbón.
2
Lexique International de Petrografia des Charbon. Segunda Edición. Paris, 1963.
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3
CARBONES Y COQUES
Tomado de “Introducción a la Tecnología del Carbón”. Ingeominas 1986.
FIGURA 1. – ETAPAS DEL CICLO DE FORMACION DE CAPAS DE CARBON
a) Ambiente boscoso próximo o área de subsidencia cubierta por aguas.
b) Inicio de la formación de la turbera. Invasión de aguas.
c) El material de origen vegetal es cubierto por sedimentos.
hundimiento del área.
Subsidencia o
d) El material de origen vegetal se transforma paulatinamente en carbón. Ambiente
anaeróbico. Hay emersión de los sedimentos y retiro temporal de las aguas. Se
desarrolla nueva vegetación.
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4
CARBONES Y COQUES
3.
TEORÍAS DE LA FORMACIÓN DEL CARBÓN
Teoría de la Celulosa3 (Bergins, 1913). Transformación de la celulosa al
someterla a las condiciones geosinclinales de la formación del carbón.
50(C6H10O5) ----- C263 H200 O26 + 37Co2 + 150H2O
Tiempo estimado de la transformación: 8 millones de años.
Teoría de la Lignita4 (Fisher y Schraeder, 1922).
PLANTAS
Celulosa
Ceras y
Resinas
Lignina
Acido acético
(CH3COOH)
Acidos húmicos
(contienen
radicales
CO2, CH4, Sust.
Solubles en agua
(alcoholes y
ácidos alifáticos)
Metoxilo
CH3OH
Acidos
húmicos
sin
H2 O
Huminas
solubles en
álcalis
3
Bitúmenes
CARBON
Bergins F. Die Anwendung hoher Dizucken bei chemischen Vorgangen und eine nachbildung der entstehung der
kohle. Holle, 1913.
4
Fisher y Schraeder. Entstehung und chemiche struktur der kohle. Girardert, 1922.
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5
CARBONES Y COQUES
Teoría de Waksman5 (1938).
MATERIA
Celulosa, almidón,
azúcares , grasas
Proteínas,
aminoácidos
Ataque por
microorganismos
Cutículas
exinas
Descomposición por
microorganismos
CO2 H2O
NH3
Acidos y alcoholes
intermedios
CO2 H2O
Lignina
No
descompuestos
NO2
Sustancias celulares de
los Microorganismos
Ceras, grasas,
hemicelulosa,, etc.
Proteínas
Núcleos
Húmicos
CARBON
5
6
Teoría de Enders6 (1943).
Waksman S.A. Humus origin chemical composition and importance in nature, Baltimore, 1938.
Enders C. Angew Chemical. USA, 1943.
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6
CARBONES Y COQUES
PLANTAS MUERTAS
ANIMALES
MUERTOS
Proteínas
Maderas
Lignina
Oxidación
microbacteria
Celulosa
y otros
Triosa
(metabolismo
anormal)
Hidrólisis por
microorganismos
Metilglioxal
Aminocompuestos
Reacciones en
disolución acuosa
Precursores de los
ácidos húmicos pobres
en nitrógeno
Precursores de los
ácidos húmicos ricos en
nitrógeno
Otras reacciones de
condensación
Acidos húmicos
verdaderos pobres en
nitrógeno
Acidos húmicos
verdaderos ricos en
nitrógeno
Lignitos
CARBON
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
7
CARBONES Y COQUES
Teoría de Flaig7 (1952).
Hidratos de
carbono,
proteínas,
lignina, cenizas
Aeróbico
Aeróbico
anaeróbico
Anaeróbico
CO2
Mineralización
En: CO2, H2O y
NH3
Tiempo
Micro
organismos
Hidratos de
carbono,
proteínas,
ligninas,
productos de
descomposición
Sustancias
húmicas
(ácidos
húmicos)
Tiempo
Humificación
Temperatura
presión
Formación
de turba
Creciente
desaparición de
celulosa
Formación
de lignitos
Cambio creciente de lignina,
productos intermedios, ácidos
húmicos
Formación de
hullas
Tendencia a:
decrecimiento de O, H, N y
crecimiento de C y aromaticidad
7
FLAIG W. Y SCHULZE H. Z. Pflanzenernahr, Dug, u Bodenk,, Alemania, 1958.
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8
CARBONES Y COQUES
4.
RANGO Y TIPO DE UN CARBON
Rango. Es el grado de evolución alcanzado por un carbón desde el momento
de su formación hasta el estado actual. El aumento en el Rango conlleva las
siguientes transformaciones físico-químicas:
o
o
o
o
o
o
o
5.
Incremento del carbono
Reducción de Materias Volátiles
Reducción de O2 y H2
Menor retención de humedad
Incremento en la dureza
Mayor reflectancia de la Vitrinita
Mayor poder calorífico
Tipo de un Carbón. Lo define el tipo de vegetación del cual se
originaron como hojas, esporas o algas; además, las condiciones de su
transformación
CLASIFICACION
La clasificación determina los parámetros de calidad y las características de los
carbones; a su vez, normaliza los valores óptimos para una aplicación especifica.
5.1
Según el Rango. Los carbones se clasifican en:
Turbas.
Producto de la primera etapa del proceso de descomposición de los
restos vegetales por acción de bacterias aeróbicas, a nivel superficial y
anaeróbicas (reductoras), en las profundidades. Se extrae en forma de lodos, se
beneficia secándola, pero es altamente higroscópica.
Las propiedades más importantes :
Color pardo al negro
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9
CARBONES Y COQUES
Densidad 0.2 – 1.1 g/cm3
Temperatura de inflamación 230°C
Arde con llama larga y humeante
Cenizas, 12 – 30%
Poder calorífico, 3400 a 4000 Kcal/kg.
Las principales aplicaciones son en briqueteado, coquización de baja temperatura
(150 – 600°C) y gas de gasógeno.
Lignitos.
En su mayor parte son resultado de la transformación de turberas.
Se definen como carbones terrosos o xiloides, con contenidos de humedad hasta
del 60% y poderes caloríficos apenas superiores a las turbas. Los más
evolucionados (lignitos negros) pueden alcanzar color negro brillante. Tratado
con sustancias alcalinas produce ácidos húmicos. Secos son muy oxidables y
susceptibles de inflamarse expontáneamente, son autoaglomerantes;
especialemte los pardos.
Las propiedades más importantes :
Color pardo al negro brillante
Densidad 1.2 – 1.14 g/cm3
Temperatura de inflamación 250 - 450°C
Arde con llama larga y muy humeante
Cenizas, 10 – 25%
Poder calorífico, 3700 Kcal/kg. (prom)
Las principales aplicaciones son Combustible de hogar, extracción de betunes
(benzol), destilación a baja temperatura (500°C) para obtener alquitrán, del cual
a la vez se obtiene gasolina, gas oil, aceites ligeros y pesados, aceites
combustibles, etc. En briqueteado, en combustión (pulverizado), en semicoques
y para carbón activado, entre otros.
Hullas.
Provienen de la evolución de los lignitos. Se describe como una
masa amorfa, densa, de estructura fibrosa o pizarroza no mancha los dedos,
tiene fractura vítrea y bajos volátiles.
Las propiedades más importantes :
Color pardo al negro brillante o mate
Densidad 1.2 – 1.3 g/cm3
Temperatura de inflamación 300 - 350°C
Arde con llama larga y poco humeante
Cenizas, 6 – 15%
Poder calorífico, 3700 Kcal/kg. (prom)
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10
CARBONES Y COQUES
En términos generales, las hullas se usan en generación térmica, en procesos de
gasificación, en calefacción de fraguas o forjas, coquización de alta temperatura,
briqueteado y combustión doméstica.
Antracitas.
Es el producto final de la evolución del carbón (Turba –
Lignito – Hulla – Antracita).
Las propiedades más importantes :
Color negro brillante
Densidad >1.3 g/cm3
Temperatura de inflamación 350°C
Arde sin humo
Cenizas, <4%
Poder calorífico >4000 Kcal/kg. (prom)
5.2 Clasificación según su aplicación. Los carbones según su aplicación se
clasifican en:
Carbones térmicos: La propiedad más importante en estos carbones es el poder
calorífico. Se usan en combustión directa para la producción de vapor en la
generación de energía eléctrica, entre sus más importantes aplicaciones.
Carbones para coquización: Las propiedades más importantes en estos
carbones son: el contenido de materias volátiles, la dilatometría y la plastometría.
Se emplean en la producción de coque, ya sea de forma unitaria o en mezclas.
o
Según el contenido de materias volátiles, los carbones coquizables se
clasifican así:
Tipo de carbón
% M.V
Grado Coquización
Bajo volátil
14 a 22
Bajo
Medio volátil Alto
22 a 31
Mediano
31 o más
Alto
volátil
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CARBONES Y COQUES
5.3 Clasificación internacional por Rango. A nivel Internacional la ASTM clasifica
los carbones por Rango según la siguiente tabla:
Clasificación de los carbones por Rango, según Norma A.S.T.M. D 388
CLASE
GRUPO
1. Meta – Antracita
I. ANTRACITA 2. Antracita
3. Semi – Antracita
1.
Bituminoso Bajo
Volátil
2.
Bituminoso Medio
II.
Volátil
BITUMINOSO 3. Bituminoso Alto Volátil
A
4. Bituminoso Alto Volátil
B
5. Bituminoso Alto Volátil
III.
SUBBITUMINOSO
IV.
LIGNITO
CARBONO FIJO
%
≥
<
98
-92
98
86
92
78
86
69
MATERIA
VOLATIL %
≥
<
-2
2
8
8
14
14
22
78
22
69
31
PODER CALORIFICO
Cal / g.
≥
<
---
CARÁCTER
AGLOMERANTE
AGLOMERANTE
31
7780
7780
7220
7220
6380
5830
5830
5280
4610
3500
6380
6380
5830
5280
4610
3500
COMUNMENTE
AGLOMERANTE
AGLOMERANTE
NO
AGLOMERANTE
NO
AGLOMERANTE
FUENTE : American Society for Testing and Materials.
6.
CARACTERIZACION DE LOS CARBONES
La caracterización de los carbones es el resultado de la cuantificación de sus
propiedades.
Estos valores se obtienen por medio de pruebas normalizadas,
registradas en diferentes normas, entre ellas las mas aplicadas para América son la
ASTM (American Society for Testing and Material) y la ISO (International Organization
for Standarization); homologadas en cada caso.
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12
CARBONES Y COQUES
6.1
MUESTREO DE CARBONES
El objetivo de un muestreo de carbones, es obtener una muestra representativa de una
unidad de muestreo, de tal manera que la distribución y proporción de sus variables
físicas, químicas y petrográficas sean equivalentes a esa unidad de muestreo.
Un muestreo adecuado permite evaluar o conocer entre otros los siguientes resultados:
♦
Caracterizar física, química, petrográfica y tecnológicamente los carbones.
♦
Conocer la variabilidad de los diferentes parámetros de calidad analizados.
♦
Planificar las etapas de desarrollo y producción de proyectos mineros.
♦
Definir usos industriales y tecnológicos del carbón.
♦
Realizar contratos de compraventa
♦
Identificar problemas de tipo ambiental durante la producción, manejo, procesos
de beneficio y utilización del carbón.
Componentes de la varianza de un resultado analítico
La heterogeneidad de los mantos de carbón, hacen que la escogencia de
muestras al azar, no sean igualmente representativas del Manto de carbón y
pueden variar considerablemente de una muestra a otra.
La variabilidad de los resultados analíticos, esta basada fundamentalmente en el
método y cuidado con el que se realice el muestreo.
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5
CARBONES Y COQUES
Factores de Varianza en Resultados de Análisis
Tipos de Muestreo. Los tipos de muestreo de los carbones se pueden clasificar
de acuerdo con las siguientes etapas:
♦
♦
♦
Muestreo de columna
Muestreo de canal
Muestreo de perforación
Durante la operación
minera
♦
♦
♦
Muestreo en bandas transportadoras
Muestreo en Volquetas, vagones y camiones
Muestreo en pilas y barcos
Para propósitos
especiales (Muestras
para objetivos)
específicos)
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
De uso industrial
Para uso científico
Para caracterización petrográfica
Para caracterización palinológica
Para caracterización química
Para caracterización física
Para propósitos educativos
Durante la fase de
exploración y desarrollo
TIPOS DE
MUESTREO
Esquema de los diferentes tipos de Muestreo.
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CARBONES Y COQUES
Ficha para Identificación de Muestras
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7
CARBONES Y COQUES
Preparación y Cuarteo
Diagrama para preparación de Muestras.
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8
CARBONES Y COQUES
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
9
CARBONES Y COQUES
7.
ANALISIS
7.1 Próximos o Inmediatos. Son los primeros análisis que se le hacen a los
carbones para caracterizarlos y definir su clasificación. Estos son:
Humedad: Se define como la cantidad de agua contenida dentro y sobre la
superficie del carbón. Se determina según la Norma A.S.T.M. D3173.
La humedad provoca siempre una pérdida de calorías en cualquier caldera u
horno, pues entra al hogar en forma líquida y sale como vapor, reduciendo el
calor útil liberado por el combustible. Altos contenidos de humedad afectan
negativamente los sistemas de manejo y preparación del carbón, ocasionando
atascamientos en tolvas y reducción en el rendimiento de los trituradores,
especialmente si va acompañado de un alto contenido de finos.
En los diferentes tipos de parrillas, cierto contenido de humedad es necesaria,
porque actúa como acelerante del proceso de combustión (mejorando la
reactividad del carbón), lo que favorece un quemado uniforme y un lecho
regular. Contrariamente, la presencia de una humedad muy alta retrasa el
encendido del carbón, dando lugar a que no exista suficiente tiempo, para su
consumo total siendo evacuado parte de él con las cenizas.
Cenizas: Es el residuo no combustible resultante de la descomposición de la
materia inorgánica y orgánica en el proceso de combustión. Se determina según
Norma A.S.T.M D3174.
Materias Volátiles: Son los productos, excluyendo la humedad, que son
liberados durante el calentamiento (y no combustión) en forma de gases y
vapores. Se determina según la Norma A.S.T.M. D3175. Este análisis es factor
determinante en el proceso de coquización.
Carbono Fijo: Es el contenido de carbono (C) elemental disponible para
reaccionar un proceso. Este contenido es función directa del Poder Calorífico de
un carbón y se determina bajo la Norma A.S.T.M. D3172.
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10
CARBONES Y COQUES
Poder Calorífico: Representa la energía de combustión del carbono e
hidrógeno en la fracción orgánica y el azufre tanto orgánico como pirítico,
generalmente se expresa en Unidades Térmicas Británicas (BTU) por libra. Se
determina según Norma A.S.T.M D2015.
7.2 Elementales. Comprende la medición de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno,
Azufre y Oxígeno por diferencia. Este análisis se emplea en general para los siguientes
propósitos: Clasificación de Carbones, Balances térmicos en hornos y calderas y
determinación teórica del Poder Calorífico.
Carbono e Hidrógeno: Este ensayo determina los porcentajes totales de
carbono e hidrógeno en los carbones analizados, e incluye el carbono de los
carbonatos y el hidrógeno de la humedad y el agua de hidratación de los
silicatos. Se determinan según la norma A.S.T.M D3178.
Nitrógeno: Es el único elemento del carbón que aparece en forma netamente
orgánica sus concentraciones varían entre el 1 y el 2%. Se determina según la
norma A.S.T.M D3179.
Azufre: El azufre está presente en el carbón como azufre pirítico, orgánico y
sulfato. La suma de los tres (3) da el azufre total Se determina según la norma
A.S.T.M D3177 o D4239.
7.3 Tecnológicos: Son los procedimientos analíticos de laboratorio que se utilizan
para distinguir los carbones según su comportamiento en los usos comerciales. Para
conocer el comportamiento del carbón en condiciones similares a las encontradas en las
Plantas de Coquización se efectúan los análisis de Dilatometría, Plastometría y GrayKing.
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11
CARBONES Y COQUES
Las propiedades aglutinantes que afectan la aptitud del carbón de aglomerarse durante
la coquización se determina mediante los ensayos de Indice de Hinchamiento Libre
(F.S.I. : Free Swelling Index) o Indice de Roga.
Plastometría: Es la tendencia del carbón a fundirse o a ablandarse, llegando al
estado líquido al ser calentado; éste método da una medida relativa del
comportamiento plástico del carbón por medio de la aplicación de un torque
constante sobre un agitador ubicado dentro de un crisol el cual contiene la
muestra del carbón; la fluidez se mide por la velocidad de rotación del agitador
en divisiones del dial por minuto (d.d.p.m). Se determina según la norma
A.S.T.M D2639.
P LA S T O M ET R IA M 7 C O N T R A M UES T R A
10000
3 53 5
19 0 5
1000
605
178
100
20
27
10
5
1
1
1
T EM PER A T U R A ( °C )
Ejemplo de una Curva de Plastometria
Dilatometría: Este método cubre las pruebas de laboratorio a gran escala para
obtener información sobre la expansión y contracción de un carbón o mezclas de
carbones durante la carbonización bajo condiciones específicas. Es aplicable en la
examinación de carbones o mezclas de carbones para la producción de coque. Se
determina según la norma A.S.T.M D5515.
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12
CARBONES Y COQUES
DILATOMETRIA MEZCLA 2.3
40
35
30
% Dilatometrico
25
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
-5
-10
Tem peratura (°C)
Ejemplo de una curva Dilatométrica
Indice de hinchamiento (F.S.I.) En este método se mide el incremento en
volumen de un carbón cuando se calienta sin restricción bajo condiciones
específicas. El incremento de volumen está asociado con las propiedades
plásticas y por lo tanto es útil para evaluar características de coquización. Los
resultados también pueden usarse también como un índice de las características
de aglutinación del carbón cuando se emplea como combustible. Este ensayo no
se recomienda como método para la determinación de la expansión de carbones
en hornos de coque. Se determina según la norma A.S.T.M D720.
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CARBONES Y COQUES
FIGURA 2. PATRONES PARA INDICE DE HINCHAMIENTO.
Fusibilidad de Cenizas:
Este método cubre la observación de las
temperaturas a las cuales los conos preparados de cenizas de carbón y/o coque
alcanzan y pasan a través de ciertos estados definidos de fusibilidad y fluidez,
cuando se calientan a una velocidad específica en atmósferas controladas
oxidantes o reductoras. El método es empírico y es necesaria la estricta
observación. Se determina según la norma A.S.T.M D1857.
7.4 Estructurales: Este tipo de análisis permite determinar la formación estructural y
los constituyentes microscópicos o macerales y macroscópicos o litotipos del carbón.
Petrografía: Se basa en el estudio de los grupos de macerales: Vitrinita,
exinita e inertinita a través de los análisis de macerales y análisis de Rango o
reflexión de la Vitrinita. Permite establecer con mayor precisión
el
comportamiento del carbón en sus diferentes aplicaciones. Sin embargo, aunque
es más efectivo, es también más compleja su ejecución e interpretación y
ocasiona mayores costos. Se determina según la norma A.S.T.M D2798 y
A.S.T.M. D2799.
8. BENEFICIO DEL CARBON
Proceso físico y/o químico de separación del carbón, de acuerdo a su contenido de
impurezas, para obtener una parte útil para el mercado. Sus objetivos son:
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14
CARBONES Y COQUES
♦
♦
♦
♦
♦
Mejorar la calidad
Mejoramiento en el precio de venta
Reducir sus contaminantes ambientales
Reducir costos por transporte
Reducir perdidas en combustión y otros procesos del carbón
En un proceso de beneficio se pueden obtener dos o tres productos: Carbón limpio y
estéril, o, carbón limpio, mixtos y estériles.
Generalmente, la limpieza de los carbones se hace con técnicas físicas, las cuales
pueden remover la materia distinta del carbón, tales como la roca y el azufre pirítico,
utilizando la diferencia de densidades (Drewboy, Tambor Wenco, Espirales, Ciclones) o
las variaciones en las propiedades superficiales (Celdas de flotación).
Los procesos de beneficio del carbón están encaminados a mejorar su calidad y
preservar el Medio Ambiente, lo cual ha conllevado a desarrollar Tecnologías
Limpias.
8.1 TECNOLOGIAS LIMPIAS
Precombustión
+ Limpieza física: Basada en propiedades físicas como: color, tamaño,
dureza, densidad, Tensión superficial.
• Limpieza manual (color y tamaño)
• Granulometría (distribución de tamaño vs cenizas y azufre)
• Quebrantador rotatorio (dureza carbón vs dureza de la ganga)
• Pulsadora JIG (gravedad, peso específico)
• Drewboy (Densidad del carbón vs densidad de la ganga en medio denso)
• Flotación en espumas (Tensión superficial)
+ Limpieza química: Basado en las propiedades químicas de los compuestos
sulfurados presentes en el carbón.
+
Limpieza Biológica: Desulfuración utilizando bacterias.
Combustión
Remueve los contaminantes durante el proceso de combustión.
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15
CARBONES Y COQUES
Postcombustión
Implica la limpieza de los gases de combustión, antes de ser descargados a la
atmósfera.
9.
COQUIZACION
La coquización es el proceso artificial de carbonificación del carbón y eliminación de la
materia volátil, por calentamiento en ausencia de oxígeno.
9.1 TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE COQUE
A nivel industrial se aplican cuatro tipos de tecnologías para la fabricación de coque:
•
•
•
•
Hornos
Hornos
Hornos
Hornos
verticales
solera
colmena
pampa.
Hornos verticales con recuperación de subproductos. El proceso de
coquización más utilizado en la actualidad en el mundo para la fabricación de
coque de alta calidad es el denominado de “Hornos Verticales”. La instalación
completa consta esencialmente de tres secciones a saber:
a) Una destinada al recibo, manejo y preparación de los diversos carbones que
se utilizan para conformar la mezcla que se carga a los hornos.
b) Una batería, la cual esta constituida por un conjunto de hornos verticales,
colocados uno a continuación del otro, pero separados entre sí por una
pequeña cámara de combustión.
c) Una sección donde se separa el gas del coque, una serie de compuestos
que es necesario remover para que este gas pueda circular por las diversas
tuberías y equipos (caso del alquitrán y naftalina) y además se separan
algunos otros compuestos de cierto valor comercial, como el amoniaco, el
ácido sulfídrico, los benzoles, toluoles y xiloles.
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16
CARBONES Y COQUES
Se utiliza una mezcla de carbones de buenas propiedades coquizables, si ésta
se tritura a un tamaño en que el 80% sea inferior a 3.2 mm y se controlan las
principales variables de operación, tales como la densidad de carga y
temperatura y tiempo de coquización, los hornos verticales producen las
mejores calidades de coque que puedan obtenerse.
La principal limitación que afecta esta tecnología es la elevada inversión inicial,
la cual en estos momentos se sitúa en el orden de los 350 dólares por ton. de
coque producido por año. La segunda limitación surge del hecho de que este
tipo de hornos, una vez entran en operación, no pueden apagarse, ni trabajar
a temperaturas bajas, pues existe el riesgo de que se produzcan daños
irreparables en el ladrillo de sílice, del cual están construidas las paredes de
los mismos.
Esquema de un planta de Coquizacion de Hornos Verticales.
Hornos de Solera. Son hornos de sección rectangular con bóveda cilíndrica.
Se caracterizan porque en la parte interna de cada muro se localiza una serie
de conductos, los cuales se comunican con el piso o solera. Los gases
generados durante el proceso de coquización son obligados a circular por la
solera, donde se inyecta aire para su combustión. Los productos gaseosos de
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
17
CARBONES Y COQUES
esta combustión transfieren su calor sensible tanto a la solera como a las
paredes y de aquí a la masa de carbón, para realizar la coquización en 24
horas.
La capacidad de estos hornos varía entre 5 y 6 ton. de carbón y se obtienen
producciones que oscilan entre 3 y 4 ton. de coque, dependiendo de la
cantidad de carbón cargado.
El rendimiento real de coque es del 62% aproximadamente. Si se cargan
mezclas coquizables adecuadas, se obtiene una granulometría satisfactoria y
se controlan los principales parámetros de operación. Los hornos de solera
producen buenas calidades de coques siderúrgicos : M40 entre 76 y 78 y M10
entre 8 y 10%
La principal limitación de los hornos de solera es su baja capacidad, la cual no
supera las 4 ton. por día. Una segunda limitación la constituye el hecho de no
poder recuperar ningún subproducto del proceso de coquización aunque sería
factible utilizar el calor en procesos de cogeneración.
Esquema de un Horno de Solera
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
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CARBONES Y COQUES
Esquema de un Horno de Solera con Sistema de Recuperación de Energía
Hornos Colmena. Básicamente consiste en una cámara semiesférica con una
bóveda en forma de domo. El diámetro interno oscila entre 2.5 y 3m, mientras
que las alturas varían entre los 3 y 3.5 m.
Los hornos se cargan hasta una altura de 50 - 60 cm, lo cual corresponde a una
carga de 3.5 a 4 ton. de carbón, para una producción de 2 a 2.5 ton. de coque.
El rendimiento real de estos hornos oscila entre el 56 y el 58%. El coque
fabricado en hornos de colmena a partir de mezclas coquizables adecuadas y
teniendo esta una granulometría satisfactoria, es de relativamente buena calidad.
Una de las mayores limitaciones de los hornos de colmena lo constituye su baja
capacidad, ya que los de mayor tamaño solamente alcanzan a producir alrededor
de 3 ton. de coque. Una segunda limitación lo constituye el tiempo de
coquización de 48 horas. La tercera la constituye el hecho de tener que
descargar a la atmósfera gases y productos de combustión altamente
contaminantes.
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
19
CARBONES Y COQUES
Esquema de un Horno de Coquizacion Tipo Colmena
Hornos de Pampa. Los hornos de pampa constituyen la versión más
rudimentaria y obsoleta de todos los tipos de hornos utilizados para la
fabricación de coque. Consisten esencialmente de un piso horizontal de ladrillo y
paredes laterales construidas en el mismo material. En los extremos del horno
existen puertas para el cargue del carbón y descargue del coque. Estas puertas
se sellan luego de cargado el horno.
Los hornos vacíos se calientan quemando maderas o llantas y cuando se alcanza
la temperatura requerida se cargan y se cubren con arena o finos de coque. El
apagado se realiza por asfixia con tierra. El proceso de coquización dura entre
15 y 18 días, dependiendo del tamaño del horno. El rendimiento de coque a
carbón es del 50% aproximadamente, debido al tiempo de coquización
excesivamente largo. El coque producido en estos hornos es de baja resistencia
y por ello su uso esta restringido al secado de granos y de arroz.
La principal limitación de los hornos de pampa es su tiempo de coquización
excesivamente largo (15 días o más), lo cual conduce a una productividad muy
baja.
La segunda limitación de estos hornos la constituye la baja resistencia del coque
producido, lo cual limita su utilización a unos pocos usos. Una limitación
adicional la constituye el hecho de contaminar un área muy extensa, en razón de
la gran superficie que ellos ocupan.
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20
CARBONES Y COQUES
Por las anteriores razones no es recomendable bajo ningún punto de vista
mantener en operación este tipo de hornos. Es recomendable impedir su
operación en el país.
Comparativo de Producción entre los diferentes Hornos:
TIPO
PAMPA
COLMENA
SOLERA
VERTICAL
t carbón / t coque
2/1
1,5 / 1
1,45 / 1
1,4 / 1
9.2 CARBONES PARA PRODUCCION DE COQUE
La aceptación de un carbón para la fabricación de coque depende de varios factores
relacionados con sus características físicas y químicas, como de su disponibilidad
económica. No todos los carbones bituminosos pueden producir coque, así como no
todos los carbones coquizantes pueden dar origen a una masa porosa y resistente,
característica de un coque de buena calidad.
En la actualidad el uso de un solo tipo de carbón está bastante restringido y se utilizan
más bien, las mezclas de aquellos carbones cuyas características se complementan en
una forma tal que posibiliten la obtención del coque deseado.
Carbón Coquizante. Carbón que por sí solo produce coque, cuando es
sometido a métodos convencionales de descomposición térmica en ausencia de
aire.
Carbón Coquizable. Aquel que por sí solo no produce coque, pero que en
mezclas con carbones coquizantes o empleando otros procedimientos no
convencionales puede producir coque.
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CARBONES Y COQUES
10. CONTROL DE CALIDAD DE CARBONES PARA COQUE
Parámetros Típicos de Calidad en la manufactura del coque.
•
Humedad Total:
(BCR).
5% - 10% (Deseado). 12%(Máximo)
•
Ceniza:
6% - 8% (Máximo) (BS)
•
Matería Volátil:
- 31% (AV) (BLMM)
16% - 21% (BV), 21% - 26% (MV) 26%
•
Azufre Total:
0.6% - 0.8% (Máximo)
•
Fósforo (P2O5):
0.1% Máximo (BS)
•
FSI:
7 – 9 (6 Mínimo)
•
Indice de Roga:
60 – 90 (50 mínimo)
•
Dilatometría Audibert – Arnu :
25% - 70% (BV), 80% - 140%
(MV), 150% - 350% (AV).
•
Plastometría, (Fluidez T3-T1) :
>80ºC (BV), >130ºC(AV).
•
Tipo de coque, Gray - King:
G6 – G14 (G4 – G5, mínimo).
Especificaciones de la ASTM Y DE LA EPA
•
Humedad:
•
Pto Fusión Ceniza:
•
Cenizas:
Menor al 9% (carbón seco)
•
Azufre:
Menor al 1.0% en coque seco para gas
Menor o igual al 4%
Mayor a 1200ºC
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CARBONES Y COQUES
11.
Menor al 1.0% en coque seco para
hornos
Menor al 1.0% en coque seco para
fundición
MEZCLAS
Para hablar de mezclas de carbones Coquizables, es importante tener en cuenta las
características de estos, que permiten obtener un coque de buena calidad. Tales
características son :
• Formación de aglomerados. El carbón debe aglomerarse al ser calentado en
ausencia de aire y debe presentar un alto porcentaje de C.F. Esto depende en
parte de la acción del calor en estas condiciones.
• Coquización o aglomeración. La presenta un carbón cuando es suave y
eventualmente se solidifica formando un coque más o menos sólido. Si el
carbón se demora al calentarse o forma una masa débilmente coherente se
denomina no coquizable.
• Formación de estructura celular. El carbón debe tener características propias
en la formación de estructura celular y el grado de carbón definido por la
proporción de azufre y cenizas tanto en el carbón como en el coque resultante.
O sea el carbón no debe tener más del 1.55% de azufre y el 8% de cenizas.
• Contenido de Materia Volátil. Cuando el contenido de MV del carbón varía
entre el 23 y el 32% el rendimiento del coque metalúrgico aumenta de una
manera importante. En cambio otros carbones de MV bajas al ser muy
compatibles con las buenas propiedades de coquización produce coque pero de
muy baja calidad. Generalmente los carbones bituminosos presentan las
mejores características de un carbón coquizable.
El coque puede ser de muy buena calidad siempre y cuando provenga de un buen
carbón. La práctica corriente es usar dos o más carbones para producir un coque
satisfactorio y que funcione muy adecuadamente en el Alto Horno.
Para la preparación de mezclas, hay que tener en cuenta que no existen reglas
absolutas para construir una mezcla conveniente ni un criterio de laboratorio cierto
único, que permita afirmar, que una mezcla determinada diaria buenos y concretos
resultados.
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23
CARBONES Y COQUES
Es de resaltar que de acuerdo con la magnitud del volumen de información necesaria
en el proyecto y el corto tiempo con que se cuenta para la realización del mismo, se
hace necesario contar con equipos que nos suministren tales datos con exactitud,
rapidez y eficiencia.
10.1 Preparación de Mezclas.
La amplia gama de tipos de carbón coquizable, el diferente comportamiento de los
carbones en la coquización, dan como resultado diferentes clases de coque, hay una
necesidad casi absoluta para preparar las mezclas de carbón para la obtención de un
coque uniforme y estable con características metalúrgicas bien definidas.
Los objetivos buscados para la preparación de una buena mezcla son los siguientes:
a)
Dosificación correcta de los constituyentes : Es la parte más importante de la
preparación ya que la dosificación rige evidentemente la composición de la mezcla, lo
cual influye directamente en la calidad del coque.
Es el punto clave y el que necesitará tal vez la inversión más grande de toda la línea
de preparación, pero a la vez es el pilar para obtener la mezcla deseada y de
composición estable. Existen varios tipos de sistemas dosificadores, cuya precisión
puede variar entre 1 y 10%. Someramente se pueden clasificar en dos tipos : Los
dosificadores volumétricos y los dosificadores ponderables. Los primeros son mucho
más sencillos y fáciles de construir y, por consecuencia más económicos. Los
dosificadores del segundo tipo son más complejos ; tienen un sistema de detección
(de masa o velocidad) y regulación, que los hace difíciles de adquirir y por
consiguiente, de mayor costo.
b)
Molienda apropiada de los carbones : La molienda permite, por una parte, realizar
una mezcla más íntima, y más regular, de los constituyentes de la pasta para el
coque, y, por otra parte, mejora la calidad del mismo. Por lo menos, es importante
rebajar al máximo la proporción de granos de tamaño mayor de 2 o 3 mm. teniendo
en cuenta que se trata de buenos carbones para coque y que el propósito de la
carbonización es lograr coque metalúrgico.
c) Homogeneización conveniente de la mezcla final
d) Control cuidadoso de la fabricación de esa mezcla
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24
CARBONES Y COQUES
e) Almacenamiento de la mezcla.
?
DISEÑO DE MEZCLAS TERNARIAS
Este sistema pretende encontrar la mejor mezcla de tres carbones destinados a la
coquización por procedimientos gráficos y de modo relativamente empírico
Ao
Z1
100
Z
% de carbón A
d
b
Y
% de carbón B
y
100
B
O
C
100
X
x
Diagrama ternario para mezclas de Carbones Coquizantes
Refiriéndonos a una mezcla ternaria, es sabido que si por un punto interior de un
triángulo equilátero orientado ABC se trazan las paralelas MX, MY y MZ a los lados AB,
BC y Ca, respectivamente, la suma de los segmentos x, y, z, medidos sobre los lados y
contados a partir de los vértices, es igual al lado del polígono de la figura 1.
Si este lado equivale a 100 unidades, el punto M representa una mezcla de los tres
carbones, constituida por: x% del carbón C1; % del carbón A1 y z% del carbón B.
Dando a K un valor suficientemente grande, las rectas que unen el vértice B con los
puntos de lado CA correspondientes al valor de K1 cortan a todas las paralelas a dicho
lado, que entonces resulten del mismo valor de K1 en los puntos representativos de
mezclas ternarias cuyas composiciones se pueden hacer variar por incrementos tan
pequeños como se quiera. Determinando en cada mezcla el valor del parámetro
escogido para caracterizar sus propiedades coquizantes e indicando este valor sobre
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
25
CARBONES Y COQUES
cada punto, se podrán representar gráficamente los resultados obtenidos sin más que
unir convenientemente los puntos en los que el parámetro alcance igual magnitud. Las
curvas “ISO VALOR” así trazadas, permiten extender a mezclas no ensayadas
efectivamente los resultados obtenidos de la coquización de las elegidas.
DISEÑO DE MEZCLAS POR MODELOS MATEMATICOS
U.S. STELL CO.
METODO
AUTOR
Shapiro, Gray, Eusner
ILLIONS STATE GEOLOGICAL SURVEY
Harrison, Jackman
TIPO
Reactivos
inertes
R/I
CONSOLIDATION COAL
Consol
R/I
U.S.A
BETHLEHEM STEEL
Thomson Benedict
R/I
U.S.A
INDALD STEEL
Kaegi
R/I
U.S.A
AUSTRALINO
Brown, Taylor, Cook.
Brown y Taylor
Cook y Wilson
R/I
Australia
R/I
R/I
R/I
Dilatom.
Dilatom.
Inglaterra
Inglaterra
Alemania
NATIONAL COAL BOARD
NATIONAL COAL BOARD
BERGBAU- FORSCHUNG
Smith
Gibson
Simonis, Mackoscky
NIPON KOKAN K.
Miyasu
CENTRE DE RECHERCHES
METALLURGIQUES. CRM
ITALSIDER
ENSIDESA
Munix
Damiani, Conti et AL.
Sirgado, Verduras
ALGOMA STEEL
STEIN-SMITH
?
Stein. Smith
Petrograf.
Plastom.
Petrograf.
Plastom.
R/I
Petrograf.
Plastom.
Petrogra.
Plastom.
Petrogra.
Plastom
PAIS
U.S.A
U.S.A
Japón
Belgica
Italia
España
Canada
Suráfrica
DISEÑO DE MEZCLAS EMPIRICAS
Las mezclas empíricas se han venido desarrollando durante muchos años, basándose
en las proporciones de carbón de alto, medio y bajo volátil y los resultados obtenidos
en la calidad del Coque. Una proporción promedio pude ser del orden del 50% de HV,
30% MV y 20% BV.
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26
CARBONES Y COQUES
Control de Calidad de Mezclas. Las propiedades a evaluar son las mismas de los
carbones usados en la mezcla y sus valores corresponden al promedio de la sumatoria
de las proporciones mezcladas.
VARIABLES DEL PROCESO DE COQUIZACION
En la producción de coque siderúrgico o de fundición de altas especificaciones y de
calidad uniforme, es necesario determinar las características fisico-químicas, plásticas y
petrográficas de los carbones, así como las variables operacionales. El análisis conjunto
de las variables permitirá realizar una mejor predicción de la calidad del coque.
Las variables operacionales que se consideran de mayor incidencia en la calidad del
coque producido son: granulometría, densidad de carga, temperatura y tiempo de
coquización, ancho de la celda, humedad y envejecimiento de los carbones durante el
almacenamiento.
Granulometría. Generalmente se acepta que una granulometría fina mejora la
calidad del coque producido. En Francia la mayoría de las coquerias emplean
una granulometría simple entre 65-90%< 2 mm, a menudo se establece que el
80% sea menor de 2 mm. En Estados Unidos se exige entre 70-80% menor de
2mm. Una trituración fina mejora el micum 40 y el micum 10, excepto si el
carbón es poco fusible, el efecto de la trituración fina es más acentuado cuanto
más componentes tiene la mezcla.
Densidad de Carga. La densidad de carga expresa la relación entre la masa
del carbón cargada y el volumen de la cámara, limitada por la altura de la
nivelación.
Los factores que más afectan la densidad de carga son la granulometría y la
humedad, la calidad del coque depende de ambos factores. La densidad de
carga puede ser incrementada por la adición de aceites o por el apisonamiento
de la mezcla, el cual puede incrementar la densidad entre 35-40%, generando
un coque más grueso y de mejor micum 10.
La densidad de carga en base seca disminuye cuando la humedad aumenta. Un
aumento de humedad disminuye la velocidad de calentamiento, siendo los
carbones poco fusibles los más afectados por este factor.
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27
CARBONES Y COQUES
Temperatura de coquización.
La temperatura de coquización es un
parámetro operacional, que influye drásticamente en la calidad del coque
obtenido. Es decir, que a medida que se incremente la temperatura de
coquización se obtendrá un coque de mejor calidad. Sin embargo, altas
temperaturas tampoco son deseables, debido a que pueden originar la requema
del coque y disminuir las características del coque producido. Si se controla la
presión del gas, el tiro de chimenea y la cantidad de aire suministrado, se podrá
producir un calentamiento uniforme y a la temperatura deseada. El calor de
cada horno debe ser controlado, así como las condiciones individuales de las
cámaras de combustión.
La temperatura de coquización está relacionada directamente con la marcha del
horno indicada por el operador de batería y por la velocidad de calentamiento
deseada. La temperatura de coquización generalmente se estipula entre 11001200ºC en la carga de los hornos tradicionales.
Tiempo de coquización. A medida que se disminuye la velocidad de
coquización y se incrementa el tiempo de coquización, se mejora la resistencia
mecánica del coque obtenido (dicho tiempo es un factor determinante de la
capacidad de la planta). Este período depende de la temperatura de las paredes,
del ancho de la celda de coquización, del tipo de carbón utilizado y del contenido
de humedad del mismo.
Aunque aparentemente resultaría interesante incrementar este parámetro con el
fin de mejorar la calidad del coque, en la practica siempre tiende a disminuir,
debido a que menor tiempo de coquización, menor será el rendimiento de la
batería. Por lo tanto, para fines prácticos se debe tener en cuenta los
parámetros con el fin de obtener un coque de buena calidad, mediante un
proceso económicamente rentable.
El tiempo de coquización esta relacionado con el rendimiento de la batería, es
decir que depende directamente del tipo de tecnología que tenga la batería. En
una batería de subproductos, el calentamiento se realiza por la transferencia de
calor del gas de coquería, el cual circula por las paredes de las cámaras de
combustión hacia el centro de la carga. En la batería se encuentran sistemas de
control que permiten fijar flujos y temperatura del gas, asegurando una
temperatura constante en la pared de la cámara. Este sistema permite tener
tiempos cortos de coquización.
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28
CARBONES Y COQUES
La batería de hornos de solera, está constituida por una serie de hornos sin
recuperación de subproductos. En la parte superior e interna de cada muro se
encuentran una serie de coquización. En estos hornos los requerimientos
calóricos se logran a partir de la combustión de cada carbón. El tiempo que
toma el proceso de carbonización en estos hornos es de 48 horas
aproximadamente.
En los hornos de pampa los cuales poseen el diseño más rudimentario, el tiempo
de coquización puede ser hasta de 14 días por cochada.
El tiempo de coquización es una variable operacional que juega un papel
importante en la producción de coque de fundición, en donde los porcentajes de
carbones bajo volátiles pueden ser del orden del 30% al 50%. El empleo de
altos porcentajes de carbones bajo volátiles, puede incrementar la presión
ejercida sobre la pared del horno y consecuentemente incrementar la
peligrosidad de la muestra. Con el fin de disminuir la presión que se ejerce
sobre las paredes a límites inferiores de 2 psi, se recomienda utilizar mayores
tiempos de coquización y por consiguiente menores velocidades de coquización.
Ancho de la Celda de Coquización. Es una variable involucrada en el diseño
del horno. En las baterías de tipo recuperación de subproductos puede oscilar
entre 40 y 55 cm. en los hornos de solera es de cerca de 2 metros de ancho y en
los de colmena varía entre 3 y 3.5 m.
Humedad. La variación de la humedad de los carbones acarrea una variación
en la densidad de carga, y por consiguiente el rendimiento de producción de
coque.
Debido a la evaporación del agua se reduce la velocidad de
calentamiento, aumentando el tiempo de coquización.
Envejecimiento de los carbones durante el almacenamiento.
El
almacenamiento de los carbones altera sus propiedades coquizantes por
oxidación, presentando mayor incidencia en carbones con alto contenido en
materias volátiles. Dentro de los límites industriales la incidencia sobre la
productividad de los hornos es muy pequeña.
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29
CARBONES Y COQUES
EL COQUE
El coque se define como el producto sólido de la destilación a alta temperatura de un
carbón o mezcla de carbones (generalmente bituminosos), al cual se le elimina el
contenido de volátiles, incrementando el carbono fijo, con o sin la adición de otros
materiales; su naturaleza depende de las materias primas de partida, de las
características de los hornos donde se realice el proceso, y del modo operativo que se
siga.
El proceso se realiza basándose en una destilación seca y el producto residual que se
obtiene es un compuesto poroso, de propiedades físicas y químicas específicas.
Tipos de Coque y sus aplicaciones.
Coque Siderúrgico.
funciones en el Alto Horno:
•
•
•
•
El coque siderúrgico debe cumplir con las siguientes
Productor y generador del gas reductor
Soporte estructural para asegurar permeabilidad
Como agente carburante
Como medio filtrante de material pulverizado
Con base en las necesidades del mercado se han desarrollado y estandarizado
diversos ensayos mecánicos que sirven para determinar la resistencia mecánica
del coque producido, estos incluyen diversos ensayos de tambor en donde se
determina el índice de fisuración y de cohesión. Los tres métodos más comunes
son el micum (M40 y M10 ), el tumbler test (FS) y el drum index test (DI).
Otra propiedad importante es la Reactividad del coque hacia el dióxido de
carbono en el alto horno, prefiriéndose coques de baja Reactividad en el
mercado.
Coque para Fundición. Se define así, al coque usado en los cubilotes. Este
debe cumplir con las siguientes características :
• No aumentar el contenido de azufre de la fundición.
ING. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B.
30
CARBONES Y COQUES
• Carburar el metal (según las necesidades de la carga del cubilote).
• Permitir colar una fundición caliente.
El coque de fundición puede ser producido en hornos tipo colmena o de batería
de subproductos, a partir de carbones bituminosos o de mezclas coquizables
seleccionadas. La condición de inertes como finos de coque o antracita, pueden
ejercer un efecto antifisurante, que mejora la resistencia mecánica del coque
producido.
Coque Químico. El coque químico es utilizado en la fabricación del carburo de
calcio, materia prima en la producción del acetileno, compuesto de múltiples usos
en la industria carboquímica. El carburo de calcio se obtiene cuando se hace
reaccionar el coque con cal.
Coque para Hornos Eléctricos. El coque para hornos eléctricos es utilizado en
la producción de diferentes aleaciones tales como: ferro-cromo, ferro-niquel,
ferro-manganeso, ferro-sílice o para aleaciones especiales. La producción de
estas aleaciones se realiza por la reacción térmica del coque con la chatarra y con
el óxido respectivo.
Los coques para hornos eléctricos son producidos a partir de carbones de altos
volátiles, por lo tanto los coques resultantes presentan una baja resistencia
mecánica y una alta resistividad eléctrica (propiedad deseable para los
requerimientos energéticos del horno).
Un parámetro que es altamente
controlado es el contenido de cenizas, debido a que casi todos los óxidos que
constituyen la materia mineral son reducidos y convertidos en impurezas en las
ferroaleaciones, ocasionando una pérdida de carbono y un consumo adicional de
energía.
Coque Agroindustrial. El coque agroindustrial es utilizado en el secado de
granos, por lo tanto se requiere un coque con bajo contenido de volátiles y
cenizas y alto poder calorífico. La granulometría y la resistencia mecánica no son
factores preponderantes.
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31
CARBONES Y COQUES
Influencia de los factores de fabricación sobre la calidad del coque. La
calidad del coque esta dependiendo de una serie de parámetros que son muy
importantes en su fabricación. Unos tiene que ver directamente con los hornos de
coquización y otros con la preparación de la pasta para coque.
En cuanto a los hornos encontramos:
•
•
•
•
Sistema de enhornado
Tiempo de permanencia en las cámaras
Temperatura (en las baterías, en los pies derechos).
Tipo de horno (anchura de la cámara).
En cuanto a la preparación de la pasta:
•
•
•
•
•
Humedad
Aceitado
Granulometría
Homogeneidad
Grado de oxidación
Algunos, como es la anchura de las celdas, esta determinada por las
características de construcción de la batería y de sus instalaciones anexas, en
nuestro medio del tipo de horno, de pampa, de colmena o de solera.
Propiedades físicas del coque. El coque salido del horno se presenta como un
sólido poroso, en trozos de forma irregular y dimensiones variables, más o menos
compacto y resistente a los tratamientos mecánicos y de manipulación. Una vez
apagado, se envía a las instalaciones de clasificación donde puede ser sometido a
granulometría deseada, cribado y clasificado para entrega final.
Si es destinado a la industria metalúrgica, es necesario controlar sus propiedades
físicas, primando en muchos casos el análisis químico.
Propiedades del Coque para usos industriales. Como se ha indicado, las
aplicaciones más importantes del coque están en la industria metalúrgica, en el
alto horno y en fundición, además en usos domésticos, calefacción, gasógenos,
producción de vapor de agua, etc.
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32
CARBONES Y COQUES
Las propiedades del coque para usos industriales pueden considerarse desde tres
puntos de vista :
• Propiedades inherentes a su composición química
• Propiedades físicas y mecánicas
• Reactividad, considerada en sentido general como actitud del coque a
reaccionar con otros elementos, y en particular con el oxígeno, sea libre, sea
combinado.
Control de calidad del coque. El coque se degrada porque está sometido a
diferentes tensiones:
• Tensión mecánica
• Tensión térmica
• Ambiente químico y disolución de carbono
El coque solo debe contener pequeñas cantidades de álcalis y de azufre, el
contenido de estas sustancias depende de la mezcla de los carbones de donde
proviene. Las propiedades físicas del coque deben ser excelentes para prevenir su
destrucción, para una buena permeabilidad se requieren pedazos grandes y baja
cantidad de finos. Un bajo CRI (Coke Reactivity Index) y un alto CSR (Coke
Strength Reactivity) tienen una influencia positiva sobre las condiciones del alto
horno.
Humedad del coque. La humedad en el coque depende fundamentalmente de
la manera como ha sido apagado en los hornos, seguido de la acción de los
agentes atmosféricos que puedan ocurrir dentro del almacenamiento.
Su
determinación se hace según la norma ASTM D 3173.
Cenizas del coque. Las cenizas son originadas por las materias inorgánicas
presentes en el carbón o carbones de origen. La destilación tiene el efecto de
concentrar las impurezas y por lo tanto, la ceniza en el coque se encuentra en un
porcentaje mayor que en el carbón, teniendo como consecuencia una disminución
en el poder calorífico y en el contenido porcentual del carbono. Su determinación
se hace según la Norma ASTM D 2795.
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33
CARBONES Y COQUES
Materias volátiles del coque. El contenido de Materias Volátiles en el coque es
un buen medio para determinar el índice de destilación incompleta, lo cual es
probable para valores relativamente elevados. Su determinación se hace según
las normas ASTM D 3175.
Considerando que el proceso de coquización, pasa por tres fases sucesivas:
plasticidad, desprendimiento de gases con el consiguiente aumento de volumen y
finalmente la resolidificación como coque, resulta de vital importancia tener en
cuenta que factores como la fluidez de la fase plástica y la intensidad de la
emisión de materias volátiles influyen directamente en la estructura porosa del
coque.
Azufre del coque. El tenor de azufre del coque es un índice de calidad, muy
importante, pues tiene un efecto de deterioro en el alto horno, disminuye el poder
calorífico y el poder reductor del coque sustituye el carbono y además, es
absorbido por el arrabio.
El azufre de los carbones se reparte entre la materia orgánica y las cenizas; un
lavado relativamente elaborado tiende a reducir el contenido de azufre. Su
determinación se hace según las normas ASTM D 3177 método B del lavado de la
bomba calorimétrica y la ASTM 1757(Método para determinar azufre en cenizas de
carbón y coque
Características mecánicas del coque.
El coque desarrolla un papel
preponderante en la permeabilidad del alto horno, siendo de gran importancia la
granulometría y solidez. Es por esto que siempre se trata de disponer de un
coque grueso, que conserve esta característica, a pesar de los esfuerzos
mecánicos a los cuales se somete durante el manejo previo a su cargue, y durante
su descenso en la cuba del alto horno.
Las pruebas que determinan la resistencia mecánica, abrasividad y estabilidad del
coque son :
Micum 40 (M40) y Micum 10 (M10) contemplados en las normas ISO R552 ; el
ensayo Tumbler según norma ASTM D 3402, respectivamente.
La clasificación de calidad del coque con base a los valores normales de M40 y
M10 se presenta así:
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CARBONES Y COQUES
Calidad del Coque
M40
M10
Mala
<63
>10
Mediocre
63 – 72
9 – 7.8
Mediana
72 – 78
7.8 – 7.2
Buena
78 – 82
7.2 – 6
Excelente
82 – 85
<6
Porosidad y Reactividad
La porosidad, junto con el estado de grafitación del coque define su Reactividad.
La porosidad influye en la Reactividad del coque fundamentalmente por la
distribución y tamaño de los poros, así como el espesor de sus paredes y por las
comunicaciones entre ellos, o sea, por la superficie específica que regula, como
en todos los procesos de reacción sólido – gas, la velocidad de la transformación
química puesta en juego.
La Norma ASTM D5341 permite determinar la Reactividad del coque en el gas
CO2 a temperaturas elevadas (CRI) y la resistencia del coque después de esta
reacción (CSR).
Indice de Reactividad del coque (CRI). Esta prueba permite determinar la
Reactividad del coque en CO2 (dióxido de carbono), a alta temperatura durante
un tiempo definido en un horno de retorta. El índice corresponde a la relación
de pesos de muestra inicial - muestra final. Norma ASTM D 5341 - 93a.
Indice de resistencia después de reacción del coque (CSR). Esta prueba
permite determinar la resistencia mecánica del coque después de reaccionar con
CO2. La muestra a analizar es la muestra final del CRI. El índice corresponde al
peso retenido en un tamiz, una vez han sido sometidas a rotación las muestras
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CARBONES Y COQUES
en un tambor que gira a determinado número de revoluciones. Norma ASTM D
5341 - 93a.
Requisitos de calidad del coque para alto horno.
debe cumplir con las siguientes características :
Humedad
Materia Volátil
Carbono Fijo
Cenizas
M40
M10
CRI
CSR
El coque siderúrgico
2 a 4%
1 a 2%
85 a 87%
8 a10%
78 a 84%
7 a10%
22 a 25%
58 a 69%
ESTABILIZACIÓN DEL COQUE
Los diferentes especificaciones del coque demandan una serie de propiedades
químicas y físicas que garantizan su máximo rendimiento en sus usos.
Dentro de las propiedades físicas está la granulometría, la cual se obtiene
mediante el proceso de estabilización del coque, que consiste en hacer
reducciones de tamaño y clasificación de los mismos hasta conseguir los
tamaños comerciales.
Tamaños Comerciales
?
?
?
De
5
a
De
30
a
Mayor de 60 mm.
30 mm.
60 mm.
Control de Calidad del coque estabilizado
Relaciona la eficiencia del proceso de reducción de tamaño y la producción de
finos.
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CARBONES Y COQUES
MANEJO E INTERPRETACION DE NORMAS
Hace referencia al control de procedimientos, calibración de equipos y registro de
datos.
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