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Carbón bituminoso

Carbón bituminoso El carbón bituminoso , o carbón negro , es un tipo de carbón que contiene una sustancia parecida al alquitrán llamada betún o asfalto. Su coloración puede ser ...

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Carbón bituminoso

El carbón bituminoso , o carbón negro , es un tipo de carbón que contiene una sustancia parecida al alquitrán llamada betún o asfalto. Su coloración puede ser negra o a veces marrón oscuro; [ 1 ] a menudo hay bandas bien definidas de material brillante y opaco dentro de las vetas . Típicamente es duro pero friable . Su calidad se clasifica más alta que la del lignito y el carbón subbituminoso , pero más baja que la de la antracita . Es el rango de carbón más abundante, con depósitos que se encuentran en todo el mundo, a menudo en rocas de edad carbonífera . El carbón bituminoso se forma a partir de carbón subbituminoso que está enterrado a suficiente profundidad como para calentarse a 85 °C (185 °F) o más.  

El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica [ 2 ] y en la industria siderúrgica . El carbón bituminoso apto para la fundición de hierro ( carbón coquizable o carbón metalúrgico ) debe tener bajo contenido de azufre y fósforo . Su precio es más elevado que el de otros tipos de carbón bituminoso (carbón térmico) utilizados para calefacción y generación de energía.

En la industria minera del carbón , este tipo de carbón es conocido por liberar grandes cantidades de grisú , una peligrosa mezcla de gases que puede provocar explosiones subterráneas. La extracción de carbón bituminoso exige los más altos estándares de seguridad, incluyendo una monitorización constante de los gases, una buena ventilación y una gestión rigurosa de la zona de extracción.

Propiedades

Carbón bituminoso (Formación Pikeville, Pensilvánico Medio, Kentucky, EE. UU.)

El carbón bituminoso es un tipo particular de carbón , determinado por la cantidad y el tipo de carbono presente en él y la cantidad de energía que puede producir al quemarse. [ 3 ] Es de mayor rango que el carbón subbituminoso , pero de menor rango que la antracita . [ 4 ] El carbón bituminoso es el tipo de carbón más abundante. [ 4 ] [ 3 ]

La clasificación del carbón se basa en varias características del mismo. El contenido de carbono fijo se refiere al porcentaje del carbón que no es humedad, ni ceniza, ni materia volátil. Cuando se evalúa sobre una base seca, libre de materia mineral, el contenido de carbono fijo es la fracción del carbón que no es materia orgánica volátil. [ 5 ] Un carbón aglomerante es un carbón que se ablanda al calentarse, formando un coque duro, gris y poroso que resiste la trituración. [ 6 ] La reflectancia de la vitrinita es una medida de cuán reflectante es la superficie pulida de una partícula promedio de vitrinita en el carbón. Está determinada por la cantidad de carbono que se ha condensado a una forma aromática debido al calor y la presión del enterramiento profundo. [ 7 ]

En Estados Unidos, el carbón bituminoso se define como carbón aglomerante que produce al menos 10 500 Btu /lb (24 400 kJ/kg) de energía en la combustión (en base húmeda y libre de materia mineral), con un contenido de carbono fijo inferior al 86 % (en base seca y libre de materia mineral). El carbón con un contenido de carbono fijo superior se clasifica como antracita, mientras que el carbón aglomerante que produce menos de 10 500 Btu/lb (24 400 kJ/kg) o el carbón no aglomerante que produce menos de 11 500 Btu/lb (26 700 kJ/kg) se clasifica como carbón subbituminoso. [ 8 ] En el mercado internacional, el carbón bituminoso se define como carbón con una reflectancia de vitrinita entre 0,5 y 1,9. La reflectancia de vitrinita también se mide de forma rutinaria para el carbón estadounidense como control de su clasificación. [ 9 ]

El carbón bituminoso es de color marrón oscuro a negro, [ 4 ] duro, [ 10 ] pero friable . [ 11 ] Comúnmente está compuesto de bandas delgadas de material brillante y opaco alternados. [ 10 ] Aunque el carbón bituminoso varía en su composición química, una composición típica es de aproximadamente 84,4% de carbono, 5,4% de hidrógeno, 6,7% de oxígeno, 1,7% de nitrógeno y 1,8% de azufre, en base al peso. [ 12 ] Su densidad de banco (la densidad de una capa de carbón antes de romperse durante la minería) es de aproximadamente 1346  kg/m 3 (84  lb/ft 3 ) mientras que la densidad aparente del carbón extraído es de hasta 833  kg/m 3 (52  lb/ft 3 ). [ 13 ] El carbón bituminoso se caracteriza por arder con una llama humeante y se ablanda y expande durante la combustión. [ 14 ] Recibe su nombre de esta tendencia a formar una masa blanda y pegajosa cuando se calienta, [ 9 ] lo que refleja la presencia de betún (alquitrán mineral) en el carbón. [ 9 ]

Aunque casi todo el carbón aglomerante es de rango bituminoso, algunos carbones bituminosos no son aglomerantes. [ 8 ] El carbón bituminoso no aglomerante incluye el carbón de cannel y el carbón de boghead . Estos no presentan bandas ni reflectividad, y se fracturan con una fractura concoidea. Ambos son sapropélicos , a diferencia de la mayoría del carbón bituminoso, que es húmico (compuesto de tejido leñoso de plantas en descomposición). El carbón de cannel se compone principalmente de esporas de plantas, mientras que el carbón de boghead se compone principalmente de restos de algas no esporuladas. [ 15 ] [ 16 ]

Subrangos

En Estados Unidos, el carbón bituminoso se subdivide en distintos rangos según su poder calorífico y su contenido de carbono fijo.

De este modo, el carbón bituminoso se divide en categorías de alto, medio y bajo contenido volátil según su contenido de carbono fijo, y el carbón bituminoso de alto contenido volátil se subdivide a su vez según su contenido energético.

La clasificación ISO del carbón bituminoso se basa en la reflectancia de la vitrinita. [ 7 ] Esta clasificación divide el carbón de rango medio (aproximadamente equivalente al carbón bituminoso) en cuatro subrangos. En orden de rango creciente, estos son: [ 18 ]

  • Medio D: Reflectancia de vitrinita de 0,5 a 0,6. Corresponde aproximadamente a la norma ASTM C bituminosa de alto contenido volátil o a la norma A subbituminosa.
  • Medio C: Reflectancia de vitrinita de 0,6 a 1,0. Corresponde aproximadamente a los bituminosos ASTM de alta volatilidad C a alta volatilidad B.
  • Medio B  : Reflectancia de vitrinita de 1,0 a 1,4. Corresponde aproximadamente a la clasificación ASTM A de volátil alto a volátil medio bituminoso.
  • Medio A: Reflectancia de vitrinita de 1,4 a 2,0. Corresponde aproximadamente a la norma ASTM para bituminosos de baja volatilidad.

Usos

El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica y en la fabricación de acero .

carbón coquizable

carbón coquizable primario

El carbón coquizable ( carbón metalúrgico o «carbón metal») se utiliza en la fabricación de acero . Un buen carbón coquizable debe tener excelentes propiedades de aglomeración, un alto contenido de carbono y un bajo contenido de azufre, fósforo y cenizas. El mejor carbón coquizable puro es el carbón bituminoso de volatilidad media de alta calidad. [ 19 ] Sin embargo, dado que los carbones puros con todas las propiedades necesarias son escasos, el carbón coquizable suele ser una mezcla de carbón bituminoso de alta volatilidad con cantidades menores de carbón bituminoso de volatilidad media y baja. [ 20 ]

El carbón de herrería es carbón bituminoso de la más alta calidad, lo más libre posible de cenizas y azufre, utilizado para fabricar coque para uso de los herreros . [ 13 ]

El carbón coquizable tiene un precio más alto que el carbón utilizado para la producción de energía. A partir de 2020, el carbón coquizable en los EE. UU. se vendía por aproximadamente$127/ tonelada corta , en comparación con50,05 $/tonelada corta para carbón bituminoso en general. El costo del carbón coquizable es aproximadamente 3,5 veces mayor que el costo del carbón utilizado para la generación de energía eléctrica (que incluye carbones de menor rango, como el carbón subbituminoso y el lignito , así como carbón bituminoso no coquizable). [ 21 ]

Carbón térmico

Central térmica de Rajpura

El carbón bituminoso que carece de las cualidades necesarias para su uso como carbón metalúrgico se clasifica como carbón térmico. Este se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica. [ 22 ] [ 23 ] El carbón térmico ideal se enciende fácilmente pero tiene un alto contenido calorífico. [ 13 ]

Carbón activado

El carbón bituminoso se utiliza para la producción de carbón activado . El carbón se coquiza primero, eliminando los volátiles, y luego se trata con vapor para activarlo. También se han investigado procesos químicos para activar el coque producido a partir de carbón bituminoso. [ 24 ]

Origen

El pantano de Okefenokee , un pantano moderno formador de turba.

Al igual que otros tipos de carbón, el carbón bituminoso se forma a partir de gruesas acumulaciones de materia vegetal muerta que se entierran más rápido de lo que se descomponen. Esto suele ocurrir en turberas , donde los restos vegetales que caen quedan sumergidos en agua estancada. El agua estancada excluye el oxígeno, crea un ambiente ácido y ralentiza la descomposición. La materia vegetal muerta se convierte en turba . [ 25 ]

La turba es principalmente una mezcla de celulosa , hemicelulosa y lignina que originalmente formaban el tejido leñoso de las plantas. [ 26 ] La lignina tiene una composición en peso de aproximadamente 54% de carbono, 6% de hidrógeno y 30% de oxígeno, mientras que la celulosa tiene una composición en peso de aproximadamente 44% de carbono, 6% de hidrógeno y 49% de oxígeno. El carbón bituminoso tiene una composición de aproximadamente 84,4% de carbono, 5,4% de hidrógeno, 6,7% de oxígeno, 1,7% de nitrógeno y 1,8% de azufre, en base al peso. [ 12 ] Esto implica que los procesos químicos durante la carbonización eliminan la mayor parte del oxígeno y gran parte del hidrógeno, dejando carbono, un proceso llamado carbonización . [ 27 ]

Durante la carbonización, el carbón en maduración aumenta su contenido de carbono, disminuye el de hidrógeno y volátiles, aumenta su poder calorífico y se vuelve más oscuro y brillante. [ 28 ] Los cambios químicos incluyen la deshidratación (que elimina oxígeno e hidrógeno en forma de agua), la descarboxilación (que elimina oxígeno en forma de dióxido de carbono ) y la desmetanización (que elimina hidrógeno en forma de metano ). Para cuando el carbón alcanza el rango bituminoso, la mayor parte de la deshidratación y la descarboxilación ya se han producido, y la maduración del carbón bituminoso se caracteriza por la desmetanización. [ 29 ] Durante la carbonización en el rango bituminoso, el carbón se acerca a su poder calorífico máximo y comienza a perder la mayor parte de su contenido volátil. [ 30 ]

A medida que avanza la carbonización , los compuestos alifáticos (compuestos de carbono caracterizados por cadenas de átomos de carbono) son reemplazados por compuestos aromáticos (compuestos de carbono caracterizados por anillos de átomos de carbono) y los anillos aromáticos comienzan a fusionarse en compuestos poliaromáticos (anillos enlazados de átomos de carbono). [ 31 ] La estructura se asemeja cada vez más al grafeno , el elemento estructural del grafito . Esto se acompaña de un aumento en la reflectancia de la vitrinita, que se utiliza para evaluar el rango del carbón. [ 7 ]

Durante la carbonización, la presión de enterramiento reduce el volumen de la turba original en un factor de 30 a medida que se convierte en carbón. [ 32 ] Sin embargo, el aumento en el rango del carbón maduro refleja principalmente la temperatura máxima que alcanza el carbón. Ni la presión máxima, ni la naturaleza del material vegetal original, ni la longitud del enterramiento son tan importantes. [ 28 ] El rango de temperatura para la maduración del carbón bituminoso es de 85 a 235 °C (185 a 455 °F) . [ 33 ] [ 34 ] El betún que caracteriza al carbón bituminoso se forma bajo aproximadamente las mismas condiciones en las que se forma el petróleo en las rocas madre de petróleo. La bituminización está acompañada por la generación máxima de metano en el carbón bituminoso de volatilidad media a baja. Esto hace que estos carbones bituminosos sean "gasíferos" y se deben tomar precauciones contra explosiones de metano. Si el carbón alcanza temperaturas superiores a unos 235 °C (455 °F) , el betún se descompone ( desbituminización ) y el carbón madura hasta convertirse en antracita. [ 9 ]    

Ocurrencia y producción

Los depósitos de carbón están ampliamente distribuidos en todo el mundo y su edad varía desde el Devónico (hace aproximadamente 360 ​​a 420 millones de años) [ 35 ] hasta los depósitos del Neógeno de tan solo unos pocos millones de años. [ 36 ] Sin embargo, el 90% de todos los yacimientos de carbón se depositaron en los períodos Carbonífero y Pérmico , que representan solo el 2% de la historia geológica de la Tierra. [ 37 ] Se formaron vastos depósitos de carbón en humedales —llamados bosques de carbón— que cubrieron gran parte de las áreas terrestres tropicales de la Tierra durante el Carbonífero tardío ( Pensilvaniense ) y el Pérmico . [ 38 ] [ 39 ] El carbón bituminoso es predominantemente de edad Carbonífera . [ 4 ] [ 40 ]

La mayor parte del carbón bituminoso en Estados Unidos tiene entre 100 y 300 millones de años. [ 41 ] En las provincias de los Apalaches y del Interior de Norteamérica se encuentran vastos depósitos de carbón bituminoso del Pensilvánico. La extracción se realiza tanto a cielo abierto como mediante minas subterráneas. Históricamente, las numerosas vetas dispersas por el terreno accidentado de los Apalaches han favorecido la minería por parte de pequeñas empresas, mientras que la gran extensión y la suave inclinación de los estratos más al oeste favorecen las operaciones a gran escala. El carbón de los Apalaches es notablemente bajo en azufre y suele ser de grado metalúrgico, mientras que el carbón de la Provincia del Interior tiene un contenido de azufre mucho mayor. [ 42 ]

El cinturón de campos de carbón del Carbonífero se extiende hasta Europa central, [ 43 ] y gran parte de este es carbón bituminoso. Los campos de carbón bituminoso se encuentran en Polonia [ 44 ] y la República Checa, [ 45 ] y los depósitos polacos son uno de los recursos naturales más importantes de esa nación. [ 46 ] Los depósitos checos se han explotado desde tiempos prehistóricos. [ 45 ] Los depósitos europeos incluyen las Medidas de Carbón de Gran Bretaña, que representan la mayor parte de la producción de carbón de Gran Bretaña y que son principalmente carbón bituminoso. [ 47 ] La cuenca carbonífera de Westfield es la más grande de Gran Bretaña. [ 48 ] Otros depósitos importantes de carbón bituminoso se encuentran en gran parte de Europa, incluyendo Francia, Alemania y el norte de Italia. [ 49 ]

Mina de carbón Fushun, Liaoning , China

La sedimentación de carbón se interrumpió por el evento de extinción del Pérmico-Triásico , pero se reanudó posteriormente en el Triásico Medio . [ 50 ] Se encuentran extensos depósitos de carbón bituminoso de edad pérmica en Siberia, Asia oriental y Australia. [ 51 ] Estos incluyen la cuenca carbonífera de Minusinsky en Siberia, [ 52 ] las cuencas de Queensland , Bowen y Sydney en Australia, [ 53 ] y las extensas reservas de carbón bituminoso de China. [ 54 ]

A second peak in coal deposition began in the Cretaceous, though most of this is lower rank coal rather than bituminous.[51] In the United States, Cretaceous bituminous coals occur in Wyoming, Colorado and New Mexico.[55][56] In Canada, the Western Canada Sedimentary Basin of Alberta and British Columbia hosts major deposits of bituminous coal that formed in swamps along the western margin of the Western Interior Seaway. They range in age from latest Jurassic or earliest Cretaceous in the Mist Mountain Formation, to Late Cretaceous in the Gates Formation.[57] The Intermontane and Insular Coalfields of British Columbia also contain deposits of Cretaceous bituminous coal.[58]

As of 2009, the countries with the greatest estimated ultimately recoverable resources of bituminous coal were the US, 161.6 Gt; India, 99.7 Gt; China, 78.4 Gt; Australia, 51.3 Gt; South Africa, 38.7 Gt; the UK, 26.8 Gt; Germany, 25.2 Gt; Colombia, 7.8 Gt; Indonesia, 5.6 Gt; and France, 4.4 Gt[59]

As of 2018, total world production of bituminous coal (coking coal plus other bituminous coal) was 6.220 Gt. The leading producer is China, with India and the United States a distant second and third.[60]

U.S. production of bituminous coal was 238 million short tons in 2020[61] and represented 44% of all U.S. coal production. Bituminous coal is mined in 18 states, but the five states of West Virginia, Pennsylvania, Illinois, Kentucky, and Indiana produce 74% of U.S. coal.[3]

Hazards and their mitigation

Firedamp (1889) by Constantin Meunier depicts the aftermath of a mining disaster

Maturation of bituminous coal at medium and low volatile subrank is accompanied by peak methane generation. This makes these bituminous coals "gassy" and precautions must be taken against methane explosions.[9]

El carbón bituminoso se utilizó ampliamente para la calefacción doméstica en Estados Unidos. Sin embargo, es un combustible relativamente contaminante. Se estima que la reducción en su uso entre 1945 y 1960 salvó al menos 1923 vidas de personas de todas las edades y 310 vidas infantiles por mes de invierno. [ 62 ] La calidad del carbón bituminoso mejora con los métodos de flotación , que aumentan la fracción de vitrinita para obtener un producto de combustión más limpia. [ 63 ]

La bioconversión del carbón bituminoso en metano se está investigando activamente como una tecnología de carbón limpio. [ 64 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Adams, Sean Patrick. «La industria del carbón en Estados Unidos durante el siglo XIX». Enciclopedia EH.Net, 15 de agosto de 2001, reseña académica.
  • Buxton, NK. El desarrollo económico de la industria británica del carbón: desde la Revolución Industrial hasta nuestros días . 1979.
  • Freese, Barbara (2004). El carbón: una historia humana . Basic Books. ISBN 978-0-465-09618-3.
  • Hatcher, John, et al. La historia de la industria británica del carbón (5 vols., Oxford UP, 1984–87); 3000 páginas de historia académica.
  • Long, Priscilla . Donde nunca brilla el sol: una historia de la sangrienta industria del carbón de Estados Unidos. Paragon, 1989.
  • Netschert, Bruce C. y Sam H. Schurr, La energía en la economía estadounidense, 1850-1975: Un estudio económico de su historia y perspectivas. (1960) Disponible en línea. Archivado el 2 de mayo de 2010 en Wayback Machine.
  • Veenstra, Theodore A., y Wilbert G. Fritz. «Principales tendencias económicas en la industria del carbón bituminoso», Quarterly Journal of Economics 51#1 (1936), págs.  106-130 en JSTOR