Carbón bituminoso

Carbón bituminoso

El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica y en la industria siderúrgica. El carbón bituminoso apto para la fundición de hierro (carbón coquizable o carbón metalúrgico) debe ser bajo en azufre y fósforo. Tiene un precio más alto que otros grados de carbón bituminoso (carbón térmico) que se utiliza para calefacción y generación de energía.

Dentro de la industria minera del carbón, este tipo de carbón es conocido por liberar la mayor cantidad de grisú, una mezcla peligrosa de gases que puede provocar explosiones subterráneas. La extracción de carbón bituminoso exige los más altos procedimientos de seguridad que implican un control atento del gas, una buena ventilación y una gestión atenta del sitio.

Propiedades

Carbón bituminoso (Pikeville Formation, Middle Pennsylvanian, Kentucky, USA)

El carbón bituminoso es un rango particular de carbón, determinado por la cantidad y el tipo de carbono presente en el carbón y la cantidad de energía que puede producir cuando se quema. Tiene un rango más alto que el carbón subbituminoso pero un rango más bajo que la antracita. El carbón bituminoso es el rango de carbón más abundante.

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

En los Estados Unidos, el carbón bituminoso se define como carbón aglomerado que produce al menos 10 500 Btu/lb (24 400 kJ/kg) de energía en la combustión (sobre una base húmeda, libre de minerales), con un contenido fijo de carbono menos del 86 % (sobre una base seca, sin materia mineral). El carbón con un contenido de carbono fijo más alto se clasifica como antracita, mientras que el carbón aglomerado produce menos de 10 500 Btu/lb (24 400 kJ/kg) o el carbón no aglomerante produce menos de 11 500 Btu/lb (26 700 kJ/kg) se clasifica como carbón subbituminoso. En el mercado internacional, el carbón bituminoso se define como carbón con una reflectancia vitrinita entre 0,5 y 1,9. La reflectancia de vitrinita también se mide de forma rutinaria para el carbón de EE. UU. como verificación de su clasificación de rango.

El carbón bituminoso es de color marrón oscuro a negro, duro, pero friable. Por lo general, se compone de bandas delgadas de material brillante y opaco que se alternan. 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 peso. Su densidad de banco (la densidad de una veta de carbón antes de romperse durante la extracción) es de aproximadamente 1346 kg/m³ (84 lb/ft³), mientras que la densidad aparente de el carbón extraído es de hasta 833 kg/m³ (52 lb/ft³). El carbón bituminoso arde característicamente con una llama humeante y se ablanda y se hincha durante la combustión. Recibe su nombre de esta tendencia a formar una masa blanda y pegajosa cuando se calienta, lo que refleja la presencia de betún (alquitrán mineral) en el carbón.

Aunque casi todo el carbón aglomerante es de tipo bituminoso, parte del carbón bituminoso no es aglomerante. El carbón bituminoso no aglomerante incluye carbón de canal y carbón de boghead. Estos no tienen bandas ni son reflectantes, y se rompen con una fractura concoidea. Ambos son saprolíticos, en contraste con la mayoría del carbón bituminoso, que es húmico (compuesto por tejido leñoso descompuesto de plantas). El carbón de canal se compone principalmente de esporas de plantas, mientras que el carbón de pantano se compone principalmente de restos de algas sin esporas.

Subrango

En los Estados Unidos, el carbón bituminoso se divide en subclases según su poder calorífico y su contenido fijo de carbono.

Por lo tanto, el carbón bituminoso se divide en categorías de alta, media y baja volatilidad según el contenido fijo de carbono, y el carbón bituminoso de alta volatilidad se subdivide según el contenido de energía.

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

• Mediano D: Reflexión vitrinita de 0,5 a 0,6. Corresponds approximately to ASTM high volatile C bituminous or sub-bituminous A.
• Mediano C: Reflexión vitrinita de 0,6 a 1.0. Corresponds approximately to ASTM high volatile C to high volatile B bituminous.
• Mediano B: Reflexión vitrinita de 1.0 a 1.4. Corresponds approximately to ASTM high volatile A to medium volatile bituminous.
• Medio A: Reflexión vitrinita de 1,4 a 2,0. Corresponds approximately to ASTM low volatile bituminous.

Usos

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

Carbón coquizable

carbón de cocción primario

El carbón de coque (carbón metalúrgico o "carbón metálico") se utiliza en la fabricación de acero. Un buen carbón de coque debe tener excelentes propiedades de aglomeración, un alto contenido de carbono y un bajo contenido de azufre, fósforo y cenizas. El mejor carbón de coque sin mezclar es el carbón bituminoso de volatilidad media de alta calidad. Sin embargo, dado que los carbones individuales con todas las propiedades necesarias son escasos, el carbón de coque suele ser una mezcla de carbón bituminoso de alta volatilidad con cantidades menores de carbón bituminoso de volatilidad media y baja.

El carbón de herrería es carbón bituminoso de la más alta calidad, lo más libre posible de cenizas y azufre, que se utiliza para fabricar coque para uso de los herreros.

El carbón de coque 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 alrededor de 127 USD/tonelada corta, en comparación con $50,05/tonelada corta para carbón bituminoso en general. El costo del carbón coquizable es aproximadamente 3,5 veces más alto que el costo del carbón utilizado para la energía eléctrica (que incluye rangos inferiores de carbón, como el carbón subbituminoso y el lignito, así como el carbón bituminoso no coquizable).

Carbón térmico

Rajpura Planta de energía térmica

El carbón bituminoso que carece de las cualidades requeridas para su uso como carbón metalúrgico se clasifica como carbón térmico. Esto se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica. El carbón térmico ideal se enciende fácilmente pero tiene un alto contenido de calor.

Carbón activado

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

Origen

Okefenokee Swamp, un moderno pantano con forma de turba

Al igual que otros tipos de carbón, el carbón bituminoso se forma a partir de acumulaciones espesas de material vegetal muerto que se entierran más rápido de lo que se descomponen. Esto generalmente ocurre en turberas, donde los restos de plantas que caen se sumergen en agua estancada. El agua estancada excluye el oxígeno, crea un ambiente ácido y retarda la descomposición. El material vegetal muerto se convierte en turba.

La turba es principalmente una mezcla de celulosa, hemicelulosa y lignina que originalmente componían el tejido leñoso de las plantas. 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 peso. 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.

Durante la carbonificación, el carbón en maduración aumenta en contenido de carbono, disminuye en hidrógeno y volátiles, aumenta en su poder calorífico y se vuelve más oscuro y brillante. Los cambios químicos incluyen la deshidratación (que elimina el oxígeno y el hidrógeno como agua), la descarboxilación (que elimina el oxígeno como dióxido de carbono) y la desmetanización (que elimina el hidrógeno como metano). Cuando el carbón alcanza el rango bituminoso, ya ha tenido lugar la mayor parte de la deshidratación y descarboxilación, y la maduración del carbón bituminoso se caracteriza por la desmetanización. Durante la carbonificación en el rango bituminoso, el carbón se acerca a su valor calorífico máximo y comienza a perder la mayor parte de su contenido volátil.

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). La estructura se parece cada vez más al grafeno, el elemento estructural del grafito. Esto va acompañado de un aumento en la reflectancia de la vitrinita, que se utiliza para evaluar el rango del carbón.

Durante la carbonificación, la presión del enterramiento reduce el volumen de la turba original en un factor de 30 a medida que se convierte en carbón. Sin embargo, el aumento en el rango del carbón en maduración refleja principalmente la temperatura máxima que alcanza el carbón. Ni la presión máxima, ni la naturaleza del material vegetal original, ni la duración del entierro son tan importantes. El rango de temperatura para la maduración del carbón bituminoso es de 85 a 235 °C (185 a 455 °F). El betún que caracteriza al carbón bituminoso se forma bajo aproximadamente las mismas condiciones en las que se forma el petróleo en las rocas generadoras de petróleo. La bituminización va acompañada de una generación máxima de metano en carbón bituminoso de volatilidad media a baja. Esto hace que estos carbones bituminosos sean "gaseosos" y se deben tomar precauciones contra las explosiones de metano. Si el carbón alcanza temperaturas superiores a los 235 °C (455 °F), el betún se descompone (desbituminización) y el carbón madura a antracita.

Ocurrencia y producción

Los depósitos de carbón están ampliamente distribuidos en todo el mundo y varían en edad desde el Devónico (hace unos 360 a 420 millones de años) hasta los depósitos del Neógeno de unos pocos millones de años. Sin embargo, el 90 % de todas las capas de carbón se depositaron en los períodos Carbonífero y Pérmico, que representan solo el 2 % de la historia geológica de la Tierra. Vastos depósitos de carbón se formaron en humedales, llamados bosques de carbón, que cubrieron gran parte de las áreas terrestres tropicales de la Tierra durante el Carbonífero tardío (Pennsylvanian) y el Pérmico. El carbón bituminoso es predominantemente carbonífero en edad.

La mayor parte del carbón bituminoso de los Estados Unidos tiene entre 100 y 300 millones de años. Vastos depósitos de carbón bituminoso de la edad de Pensilvania se encuentran en las provincias de los Apalaches y del interior de América del Norte. La minería se realiza a través de minas de superficie y subterráneas. Históricamente, las muchas vetas esparcidas sobre terreno accidentado en los Apalaches han sido propicias para la minería por parte de pequeñas empresas, mientras que la gran extensión y el suave buzamiento de las capas más al oeste favorecen las operaciones a gran escala. El carbón de los Apalaches es notablemente bajo en azufre y, a menudo, es de grado metalúrgico, mientras que el carbón de la Provincia Interior tiene mucho más azufre.

El cinturón de yacimientos carboníferos del Carbonífero se extiende hasta el centro de Europa y gran parte es carbón bituminoso. Los campos de carbón bituminoso se encuentran en Polonia y la República Checa, y los depósitos polacos son uno de los recursos naturales más importantes de esa nación. Los yacimientos checos han sido explotados desde tiempos prehistóricos. 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 en su mayoría carbón bituminoso. La cuenca de carbón de Westfield es la más grande de Gran Bretaña. Otros depósitos importantes de carbón bituminoso se encuentran en gran parte de Europa, incluidos Francia, Alemania y el norte de Italia.

Mina de carbón de Fushun, Liaoning, China

La deposición de carbón fue interrumpida por el evento de extinción Pérmico-Triásico, pero se reanudó más tarde en el Pérmico. Se encuentran extensos depósitos de carbón bituminoso de edad Pérmica en Siberia, el este de Asia y Australia. Estos incluyen la cuenca de carbón Minusinsky en Siberia, las cuencas de Queensland, Bowen y Sydney en Australia, y las extensas reservas de carbón bituminoso de China.

Un segundo pico en la deposición de carbón comenzó en el Cretácico, aunque la mayor parte es carbón de rango inferior en lugar de bituminoso. En los Estados Unidos, los carbones bituminosos del Cretácico se encuentran en Wyoming, Colorado y Nuevo México. En Canadá, la cuenca sedimentaria del oeste de Canadá de Alberta y la Columbia Británica alberga importantes depósitos de carbón bituminoso que se formaron en pantanos a lo largo del margen occidental de la vía marítima interior occidental. Varían en edad desde el Jurásico tardío o el Cretácico temprano en la Formación Mist Mountain, hasta el Cretácico tardío en la Formación Gates. Los yacimientos de carbón intermontanos e insulares de la Columbia Británica también contienen depósitos de carbón bituminoso del Cretácico.

A partir de 2009, los países con los mayores recursos finalmente recuperables estimados de carbón bituminoso fueron EE. UU., 161,6 Gt; India, 99,7 Gt; China, 78,4 Gt; Australia, 51,3 Gt; Sudáfrica, 38,7 Gt; el Reino Unido, 26,8 Gt; Alemania, 25,2 Gt; Colombia, 7,8 Gt; Indonesia, 5,6 Gt; y Francia, 4,4 Gt

A partir de 2018, la producción mundial total de carbón bituminoso (carbón coquizable más otro carbón bituminoso) fue de 6220 Gt. El principal productor es China, con India y Estados Unidos en un distante segundo y tercer lugar.

Estados Unidos la producción de carbón bituminoso fue de 238 millones de toneladas cortas en 2020 y representó el 44% de toda la producción de carbón de EE. UU. El carbón bituminoso se extrae en 18 estados, pero los cinco estados de Virginia Occidental, Pensilvania, Illinois, Kentucky e Indiana producen el 74 % del carbón estadounidense.

Amenazas y su mitigación

Firedamp (1889) de Constantin Meunier describe las consecuencias de un desastre minero

La maduración del carbón bituminoso en el subrango de volatilidad media y baja va acompañada de una generación máxima de metano. Esto hace que estos carbones bituminosos sean "gaseosos" y se deben tomar precauciones contra las explosiones de metano. Los solventes líquidos iónicos a base de imidazolio pueden reducir la combustión espontánea, que representa del 2 al 3 por ciento de las emisiones globales anuales de dióxido de carbono.

Anteriormente, el carbón bituminoso se usaba ampliamente para la calefacción doméstica en los EE. UU. Sin embargo, el carbón bituminoso es un combustible relativamente sucio. Se estima que la reducción en el uso de carbón bituminoso entre 1945 y 1960 salvó al menos 1923 vidas de todas las edades y 310 vidas infantiles por mes de invierno. La calidad del carbón bituminoso se mejora con métodos de flotación, que aumentan la fracción de vitrinita para producir un producto de combustión más limpia.

La bioconversión de carbón bituminoso en metano se está investigando activamente como una tecnología de carbón limpia.