Carbón

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Carbón
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Concepto:Es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos.

Carbón . Es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos, principalmente hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno, utilizada como combustible fósil.

Formación

El carbón se origina por la descomposición de vegetales terrestres que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad. Los restos vegetales se van acumulando en el fondo de una cuenca. Quedan cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire, que los degradaría. Comienza una lenta transformación por la acción de bacterias anaerobias, un tipo de microorganismos que no necesitan oxígeno para vivir. Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono. Posteriormente pueden cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuirá al mantenimiento del ambiente anaerobio, adecuado para que continúe el proceso de carbonización. Se estima que una capa de carbón de un metro de espesor proviene de la transformación por diferentes procesos durante la diagénesis de más de diez metros de limos carbonosos.

En las cuencas carboníferas las capas de carbón están intercaladas con otras capas de rocas sedimentarias como areniscas, arcillas, conglomerados y, en algunos casos, rocas metamórficas como esquistos y pizarras. Esto se debe a la forma y el lugar donde se genera el carbón. Si por ejemplo un gran bosque está situado cerca del litoral y el mar invade la costa, el bosque queda progresivamente sumergido por descenso del continente o por una transgresión marina y los restos vegetales se acumulan en la plataforma litoral. Si continúa el descenso del continente o la invasión del mar, el bosque queda totalmente inundado. Las zonas emergidas cercanas comienzan a erosionarse y los productos resultantes, arenas y arcillas, cubren los restos de los vegetales que se van transformando en carbón. Si se retira el mar, puede desarrollarse un nuevo bosque y comenzar otra vez el ciclo.

En las cuencas hulleras se conservan tanto en el carbón como en las rocas intercaladas restos y marcas de vegetales terrestres que pertenecen a especies actualmente desaparecidas. El tamaño de las plantas y la exuberancia de la vegetación permiten deducir que el clima en el que se originó el carbón era probablemente clima tropical.

Clasificación y descripción

La clasificación y descripción de los carbones depende en gran parte de la información obtenida a través de análisis químicos que consisten en una estandarización sistemática de los procedimientos y el resultado de varias pruebas empíricas. Los análisis químicos son de dos tipos principales: el análisis de elementos o integral y el análisis aproximado o comercial.

El análisis integral se limita a determinar el porcentaje de hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno y azufre sin tomar en cuenta la materia mineral o ceniza. El análisis aproximado que es de naturaleza empírica es de mayor uso en Estados Unidos. En este último se obtienen los porcentajes de materia volátil, carbono fijo, humedad y ceniza. También se determinan el poder calorífico y la proporción de azufre, éste generalmente en términos de la forma en que se presenta ya sea pirítico, orgánico o como sulfato. Es práctica común utilizar términos calificativos para indicar la base en que se realizó el análisis al presentarse el resultado de dicha prueba. Estos términos son: "como fue recibido", "libre de humedad", "libre de humedad y ceniza" y "seco y libre de materia mineral", este último llamado "carbón puro".

La materia mineral o inorgánica que contiene el carbón es el origen de la ceniza que queda al quemarse el carbón. Se presenta en forma predominante como fases minerales definidas, pero también como elementos químicos combinados con la materia orgánica o como elementos disueltos en el agua intersticial. La mayor parte de los carbones minados contienen entre 5 y 15% de materia mineral, aunque algunos tienen cantidades mayores o menores.

El término grado se refiere al estado de carbonización a que ha llegado el proceso de metamorfismo. El grado de carbón es fundamental para determinar sus características y por lo general se basa en la composición química y en los valores aproximados obtenidos del análisis de un carbón libre de materia mineral en muestras representativas. Los carbones de alto grado se clasifican en razón al carbono fijo en muestras en estado seco y los carbones de bajo grado según su poder calorífico en estado húmedo. La propiedad de coquización del carbón como base para su clasificación es usada más comúnmente en Europa que en Estados Unidos.

El poder calorífico de los carbones se expresa en unidades térmicas británicas (Btu) (British thermal units) por libra en los países de habla inglesa y por lo general en otros países en calorías por gramo. Los valores caloríficos de los carbones determinados mediante un calorímetro varían entre unos 14.65 megajoules/kg (6300 Btu/lb) para los lignitos californianos y unos 37.91 megajoules/kg (16 300 Btu/lb) para algunos carbones mate (cannel coals) libres de humedad y ceniza.

Según las presiones y temperaturas que los hayan formado distinguimos distintos tipos de carbón: Turba, Lignito, Hulla (carbón bituminoso) y Antracita. Cuantas más altas son las presiones y temperaturas, se origina un carbón más compacto y rico en carbono y con mayor poder calorífico.

Turba

Turba

La turba es un material orgánico compacto, de color pardo amarillento a negro. Se produce así una carbonificación lenta, en la que la turba es la primera etapa de la transformación del tejido vegetal en carbón. El contenido en carbono aumenta del 40% en el material vegetal original, al 60% en la turba. Tiene un poder calorífico inferior a 8.4 MJ/Kg.es, poco rica en carbono y muy mal combustible.

Lignito

Lignito

El lignito viene a continuación en la escala de riqueza, pero sigue siendo mal combustible, aunque se usa en algunas centrales térmicas. Variedad del carbón de calidad intermedia entre el carbón de turba y el bituminoso. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leñosa. Tiene capacidad calorífica inferior (17200 KJ/Kg) a la del carbón común debido al contenido en agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%). El alto contenido de materia volátil (18,8%) provoca la desintegración del lignito expuesto al Aire. El término grado se refiere al estado de carbonización a que a llegado el proceso de metamorfismo. En otro tipo de clasificación del carbón se tendría en cuenta el aumento de grado acompañado de:

  • Disminución de la humedad natural del carbón.
  • Disminución de la cantidad de materias volátiles que se desprenden por calentamiento.
  • Aumento de carbono fijo, es decir, la cantidad de residuos de carbón o coque que quedan después de calentar el carbón.
  • Aumento de potencia calorífica.

Hulla

Hulla

La hulla es mucho más rica en carbono y tiene un alto poder calorífico por lo que es muy usada, por ejemplo en las plantas de producción de energía. Está impregnada de sustancias bituminosas de cuya destilación se obtienen interesantes Hidrocarburos aromáticos y un tipo de carbón muy usado en Siderurgia llamado coque, pero también contiene elevadas cantidades de Azufre que son fuente muy importante de contaminación del aire. Combustible fósil con una riqueza entre 75 y 90 % y un contenido en volátiles que oscila entre 20 y 35% y un contenido en volátiles entre 20 y 35%. Es negra, mate y arde con dificultad con una llama amarillenta. Se diferencia del lignito, por su mayor poder calorífico (entre 30 y 36 MJ/Kg). En la revolución industrial se le llamo carbón de piedra, se empleaba como combustible y en la siderurgia. Se usaba para obtener gas ciudad y una gran cantidad de productos químicos, dando lugar a la carboquímica. Ha sido sustituida por el petróleo y el gas natural. Todavía persisten dos aplicaciones:

  • Combustible en centrales térmicas
  • Obtención de coque mediante calcinación en hornos cerrados: En España, la mayor parte de la hulla no es coquizable.

Antracita

Antracita

La antracita es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto poder calorífico. Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor en materia volátil de los cuatro tipos. Contiene aproximadamente un 87,1% de carbono, un 9,3% de cenizas y un 3,6% de material volátil. Tiene un color negro brillante de estructura cristalina. Se utiliza sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial. Aunque se inflama con más diferencia que otros carbones, libera una gran cantidad de energía al quemarse y desprende poco humo y hollín.

Tipos

Existen numerosas variedades de carbón, las cuales se pueden clasificar según características como:

  • Humedad.
  • Porcentaje en materias minerales no combustibles (cenizas).
  • El poder calorífico.
  • Inflamabilidad, en conexión con el porcentaje de elementos volátiles.

El análisis elemental es un ensayo químico que proporciona la fracción másica de cada uno de los cinco elementos que componen principalmente todos los tipos de carbón: carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), hidrógeno (H), azufre (S). La mayoría de los países productores de carbón tienen su propia clasificación de tipos de carbón, sin embargo para el comercio internacional es la clasificación americana (ASTM) la más utilizada.

Aplicaciones

El carbón suministra el 25 % de la energía primaria consumida en el mundo, solo por detrás del petróleo. Además es de las primeras fuentes de energía eléctrica, con 40 % de la producción mundial (datos de 2006). Las aplicaciones principales del carbón son:

  1. Generación de energía eléctrica . Las centrales térmicas de carbón pulverizado constituyen la principal fuente mundial de energía eléctrica. En los últimos años se han desarrollado otros tipos de centrales que tratan de aumentar el rendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entre ellas las centrales de lecho fluido a presión. Otra tecnología en auge es la de los ciclos combinados que utilizan como combustible gas de síntesis obtenido mediante la gasificación del carbón.
  2. Coque . El coque es el producto de la pirólisis del carbón en ausencia de aire. Es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, principalmente en los altos hornos (coque siderúrgico). Dos tercios del acero mundial se producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12 % de la producción mundial de carbón (cifras de 2003).
  3. Siderurgia . Mezclando minerales de hierro con carbón se obtiene una aleación en la que el hierro se enriquece en carbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad. Dependiendo de la cantidad de carbono, se obtiene:
  • Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono.
  • Acero: entre 0,2 % y 1,2 % de carbono.
  • Fundición: más del 1,2 % de carbono.
  1. Industrias varias . Se utiliza en las fábricas que necesitan mucha energía en sus procesos, como las fábricas de cemento y de ladrillos.
  2. Uso doméstico . Históricamente el primer uso del carbón fue como combustible doméstico. Aún hoy sigue siendo usado para calefacción, principalmente en los países en vías de desarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sido desplazado por otras fuentes más limpias de calor (gas natural, propano, butano, energía eléctrica) para rebajar el índice de contaminación.
  3. Carboquímica . La carboquímica es practicada principalmente en África del Sur y China. Mediante el proceso de gasificación se obtiene del carbón un gas llamado gas de síntesis, compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis es una materia prima básica que puede transformarse en numerosos productos químicos de interés como, por ejemplo:
  • Amoníaco.
  • Metanol.
  • Gasolina y gasóleo de automoción a través del proceso Fischer-Tropsch (proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos a partir de gas de síntesis, CO y H2).
  1. Petróleo sintético . Mediante el proceso de licuefacción directa, el carbón puede ser transformado en un crudo similar al petróleo. La licuefacción directa fue practicada ampliamente en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial pero en la actualidad no existe ninguna planta de escala industrial en el mundo.

Estas dos últimas aplicaciones antiguas son muy contaminantes y requieren mucha energía, desperdiciando así un tercio del balance energético global. Debido a la crisis del petróleo se ha vuelto a producir de manera similar la creación de petróleo sintético y en la República Popular China el proceso de Carboquímica.

Ubicación del carbón

La producción mundial de carbón de 2001 a 2009 ha sido:

Carbón bituminoso y antracita Carbón sub-bituminoso y lignito
2009 5 990 Mt 913 Mt
2008 5 794 Mt 965 Mt
2007 5 542 Mt 956 Mt
2006 5 205 Mt 937 Mt
2005 4 934 Mt 906 Mt
2004 4 631 Mt 893 Mt
2003 4 231 Mt 893 Mt
2002 3 910 Mt 882 Mt
2001 3 801 Mt 897 Mt

El carbón es el combustible fósil más abundante en el mundo. Se encuentra sobre todo en el Hemisferio Norte, porque durante el período Carbonífero los continentes que ahora están en el Hemisferio Sur, es decir África, América del Sur y Australia, estaban juntos formando un gran supercontinente llamado Gondwana, que estaba situado muy cerca del Polo Sur, con un clima poco propicio para la formación de grandes bosques. En cambio lo que ahora son Asia, Europa y América del Norte estaban situados junto al ecuador en una zona cálida, muy adecuada para el desarrollo de las grandes masas vegetales que formaron las capas de carbón. Los mayores depósitos de carbón están en América del Norte, Rusia y China, aunque también se encuentra en cantidades considerables en algunas islas del Ártico, Europa occidental, India, África del Sur, Australia y la zona este de América del Sur.

Reservas

Reserva de Carbón en el mundo

Los 948 billones de toneladas de reservas de carbón son equivalentes a 4,196 BBEP (billones de barriles equivalentes de petróleo).

British Petroleum, en su informe de 2007, calculaba que a finales de 2006 había por 147 años de reservas, basadas en reservas "probadas". La siguiente tabla muestra solo las reservas probadas, las cuales son calculadas en los programas de exploración de las diferentes empresas mineras. Particularmente, algunas zonas inexploradas están continuamente agrandando el volumen de reservas. Proyecciones especulativas predicen que el pico del carbón global de producción se producirá alrededor de 2025, a un 30 % por encima de la producción actual, dependiendo en la tasa de producción futura.

De todas las energías fósiles, el carbón es la que está más dispersada por todo el mundo y es producido por alrededor de 100 países. Las reservas más importantes se encuentran en Estados Unidos, Rusia, China, Australia e India.

Bibliografías

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Fuentes