Análisis del carbón

La humedad es una propiedad importante del carbón, ya que todos los carbones se extraen húmedos. El agua subterránea y otra humedad externa se conoce como humedad adventicia y se evapora fácilmente. La humedad contenida en el propio carbón se conoce como humedad inherente y se analiza cuantitativamente. La humedad puede presentarse en cuatro formas posibles dentro del carbón:

• Humedad superficial : agua retenida en la superficie de las partículas de carbón o macerales.
• Humedad higroscópica : agua retenida por acción capilar dentro de las microfracturas del carbón.
• Humedad de descomposición : agua contenida en los compuestos orgánicos descompuestos del carbón.
• Humedad mineral : agua que forma parte de la estructura cristalina de silicatos hidratados como las arcillas.

La humedad total se analiza mediante la pérdida de masa entre una muestra sin tratar y la muestra una vez analizada. Esto se logra mediante cualquiera de los siguientes métodos:

1. Calentar el carbón con tolueno
2. Secado en un horno de espacio libre mínimo a 150 °C (302 °F) en atmósfera de nitrógeno.  
3. Secado al aire a 100 a 105 °C (212 a 221 °F) y determinación de la pérdida de masa relativa.  

Los métodos 1 y 2 son adecuados para carbones de bajo rango, pero el método 3 solo es adecuado para carbones de alto rango, ya que el secado al aire libre de carbones de bajo rango puede favorecer la oxidación. La humedad inherente se analiza de forma similar, aunque puede realizarse al vacío.

La materia volátil del carbón se refiere a los componentes del carbón, excepto la humedad, que se liberan a altas temperaturas en ausencia de aire. Generalmente se trata de una mezcla de hidrocarburos de cadena corta y larga, hidrocarburos aromáticos y algo de azufre. La materia volátil también se utiliza para evaluar la aplicación de adsorción del carbón activado . La materia volátil del carbón se determina bajo normas rigurosamente controladas. En laboratorios australianos y británicos , esto implica calentar la muestra de carbón a 900 ± 5 °C (1650 ± 10 °F) durante 7 minutos. Asimismo, a medida que aumenta el rango del carbón, disminuye la materia volátil (AMK).

El contenido de cenizas del carbón es el residuo no combustible que queda tras su combustión. Representa la materia mineral principal una vez que el carbono, el oxígeno, el azufre y el agua (incluidas las arcillas) se han eliminado durante la combustión. El análisis es bastante sencillo: basta con quemar completamente el carbón y expresar el contenido de cenizas como porcentaje del peso original. También puede indicar la calidad del carbón. El contenido de cenizas se puede determinar tanto en base seca al aire como en base seca en estufa. La principal diferencia entre ambos métodos radica en que el segundo se determina tras eliminar la humedad de la muestra de carbón.

El contenido de carbono fijo del carbón es el carbono presente en el material una vez eliminados los componentes volátiles . Este valor difiere del contenido de carbono final, ya que parte del carbono se pierde en los hidrocarburos junto con los volátiles. El carbono fijo se utiliza como una estimación de la cantidad de coque que se obtendrá de una muestra de carbón. El carbono fijo se determina restando la masa de volátiles, determinada mediante la prueba de volatilidad descrita anteriormente, de la masa original de la muestra de carbón.

La densidad relativa o gravedad específica del carbón depende de su clasificación y del grado de impurezas minerales. Es necesario conocer la densidad de cada yacimiento para determinar las propiedades de los compuestos y las mezclas. La densidad de la capa de carbón es fundamental para la conversión de recursos en reservas.

La densidad relativa se determina normalmente por la pérdida de peso de una muestra en agua. Esto se logra mejor utilizando carbón finamente molido, ya que las muestras a granel son bastante porosas. Sin embargo, para determinar el tonelaje de carbón in situ, es importante preservar el espacio vacío al medir la gravedad específica.

La distribución del tamaño de partícula del carbón molido depende en parte de su clasificación, que determina su fragilidad, y del proceso de manipulación, trituración y molienda al que ha sido sometido. Generalmente, el carbón se utiliza en hornos y coquizadores con un tamaño determinado, por lo que es necesario determinar su triturabilidad y cuantificar su comportamiento. Es fundamental conocer estos datos antes de la extracción del carbón para poder diseñar maquinaria de trituración adecuada que optimice el tamaño de partícula para su transporte y uso.

Las capas y partículas de carbón presentan diferentes densidades relativas, determinadas por el contenido de vitrinita , el rango, el valor de ceniza/contenido mineral y la porosidad . El carbón se lava generalmente haciéndolo pasar por un baño de líquido de densidad conocida. Esto elimina las partículas con alto contenido de ceniza y aumenta la comercialización del carbón, así como su contenido energético por unidad de volumen. Por lo tanto, es necesario someter el carbón a una prueba de flotación-sedimentación en el laboratorio, que determinará el tamaño óptimo de partícula para el lavado y la densidad del líquido de lavado necesaria para eliminar el máximo valor de ceniza con el mínimo esfuerzo.

El ensayo de flotación-sedimentación se realiza sobre carbón triturado y pulverizado mediante un proceso similar al de los ensayos metalúrgicos sobre mineral metálico .

La abrasión es la propiedad del carbón que describe su propensión y capacidad para desgastar la maquinaria y someterse a molienda autónoma. Si bien la materia carbonácea del carbón es relativamente blanda, el cuarzo y otros minerales que lo componen son bastante abrasivos. Esto se comprueba en un molino calibrado con cuatro palas de masa conocida. El carbón se agita en el molino durante 12 000 revoluciones a una velocidad de 1500 revoluciones por minuto (es decir, 1500 revoluciones durante 8 minutos). El índice de abrasión se determina midiendo la pérdida de masa de las cuatro palas metálicas.

Además de los análisis físicos o químicos para determinar el manejo y el perfil de contaminación del carbón, su producción energética se determina mediante un calorímetro de bomba , que mide la energía específica que produce durante la combustión completa. Esto es especialmente necesario para los carbones utilizados en la generación de vapor.

El comportamiento de las cenizas del carbón a altas temperaturas es un factor crítico en la selección de carbones para la generación de energía a vapor. La mayoría de los hornos están diseñados para eliminar las cenizas en forma de residuo pulverulento. El carbón cuyas cenizas se funden formando una escoria vítrea dura conocida como clínker suele ser inadecuado para los hornos, ya que requiere limpieza. Sin embargo, los hornos pueden diseñarse para procesar el clínker, generalmente eliminándolo en estado líquido fundido.

Las temperaturas de fusión de las cenizas se determinan observando una muestra moldeada de ceniza de carbón a través de una ventana de observación en un horno de alta temperatura. La ceniza, en forma de cono, pirámide o cubo, se calienta gradualmente por encima de los 1000 °C hasta alcanzar la temperatura más alta posible, preferiblemente 1600 °C (2910 °F) . Se registran las siguientes temperaturas:  

• Temperatura de deformación : Se alcanza cuando las esquinas del molde comienzan a redondearse.
• Temperatura de reblandecimiento (forma esférica) : Se alcanza cuando la parte superior del molde adquiere una forma esférica.
• Temperatura hemisférica : Se alcanza cuando todo el molde adquiere forma de hemisferio.
• Temperatura de fluidez : Se alcanza cuando la ceniza fundida se desintegra formando un botón aplanado en el suelo del horno.

La prueba más sencilla para evaluar la idoneidad del carbón para la producción de coque es la prueba del índice de hinchamiento libre. Esta consiste en calentar una pequeña muestra de carbón en un crisol estandarizado a unos 800 grados Celsius (1500 °F). Tras un tiempo de calentamiento determinado, o hasta que se eliminen todos los volátiles, queda un pequeño botón de coque en el crisol. El perfil transversal de este botón de coque, comparado con un conjunto de perfiles estandarizados, determina el índice de hinchamiento libre.