Carbón. Tecnologia. TECNOL.

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Tecnología

Se conoce con el nombre genérico de c. a todo combustible sólido natural formado por la descomposición y transformación de productos vegetales. Esta transformación es debida a las acciones del calor, presión y agentes bacteriológicos. Normalmente, los c. se presentan en capas más o -menos distorsionadas por las acciones geológicas a que se vieron sometidas las acumulaciones vegetales que les dieron origen, y sus propiedades y características varían con las condiciones en que se produjo la transformación y con el tipo y condiciones de los vegetales de que proceden. Esta definición se aplica a los lignitos, hullas y antracitas considerados como c. verdaderos, pues la turba, que puede suponerse como el primer paso en la transformación vegetal-c., no ha sufrido las acciones geológicas a que se vieron sometidos los c. típicos.

La utilización de los c. como combustibles se remonta a épocas prehistóricas, pero no adquiere carácter masivo hasta el s. XII con el advenimiento de la revolución industrial. Desde entonces y durante años, formaron la principal fuente de energía en el mundo (aparte de la energía solar), pero el desarrollo de la industria del petróleo hizo disminuir su importancia relativa como combustibles primarios. En la actualidad, constituyen aproximadamente el 30% de las fuentes de energía, siendo las hullas los productos que tienen más aplicación por ser materias primas necesarias para la fabricación del coque.

Características generales. La transformación de la materia vegetal en c. supone una disminución constante a 1o largo de la serie lignito-hulla-antracita en el contenido en oxígeno e hidrógeno, con aumento en el contenido en carbono como resultado de la degradación de los polisacáridos (v. HIDRATOS DE CARBONO) componentes de los tejidos vegetales.

Químicamente considerados, los c. son compuestos de carbono e hidrógeno que forman hidrocarburos (v.) aromáticos altamente condensados. El grado de condensación (aumento del contenido en carbono con disminución del contenido en hidrógeno) crece progresivamente según se avanza en la serie lignito-hulla-antracita. Se encuentra también presente oxígeno en cantidades que disminuyen constantemente a lo largo de la citada serie, nitrógeno en proporción casi constante, procedente de los aminoácidos (v.) que componían las proteínas de las plantas, y azufre. Además, se encuentran formando parte de los c., si bien no de la sustancia carbonosa propiamente dicha, una serie de carbonatos minerales, sulfatos, sulfuros, etc., procedentes de la materia mineral enterrada juntamente con el depósito vegetal que dio origen a las actuales formaciones carboníferas.

Minería. La extracción de los c. de los yacimientos en que se encuentran puede hacerse por medios de minado a cielo abierto, aunque lo más frecuente es que se presenten en capas profundas o suficientemente inclinadas como para obligar a un minado en pozo o galería (V. MINERÍA II).

En la extracción del c. se obtiene un producto bruto que contiene, aparte del c. propiamente dicho, las materias minerales que sirvieron de recubrimiento de las acumulaciones vegetales originales y que forman intercalaciones en las capas, y parte de los lechos minerales pizarrosos que limitan la capa en sus dos caras, y que se conocen como techo y muro.

Este c. bruto así obtenido ha de ser, generalmente, depurado para la eliminación de la mayor parte de los residuos minerales no combustibles que le acompañan. El lavado se basa en la diferencia de densidad que normalmente existe entre el c. propiamente dicho y la materia mineral que le acompaña, lo que facilita el enriquecimiento del c. por flotación en líquido de densidad adecuada, o en medios que simulen esta situación.

Análisis. Al hablar del análisis de los c. hay que distinguir entre muy distintas formas de análisis empleados y que conducen a resultados diferentes según el fin que se persiga.

Si se trata de investigar la naturaleza química de los c. desde un punto de vista puramente científico que nos permita el establecimiento de su composición química real, hay que recurrir a los siguientes métodos que dan resultados complementarios: a) Tratamientos suaves de las moléculas carbonosas que, sin destruirlas, nos informen sobre su composición. Entre estos métodos se cuenta la solvolisis, utilizando disolventes adecuados que dan lugar a disoluciones en las que se puede investigar la presencia de grupos funcionales orgánicos situados en la periferia de las moléculas carbonosas. Estos tratamientos conducen a un conocimiento muy parcial de la molécula de c. ya que no pueden dar resultados completos al producirse enmascaramiento de estos grupos funcionales, en muchos casos hidroxílicos (OH-) o cetónicos (-C=0), por formación de puentes de hidrógeno u otras causas. b) Tratamientos destructivos de la molécula que produzcan una destrucción parcial y permitan el estudio de los residuos de tratamiento. Se pueden citar los tratamientos de oxidación suave que transforman los núcleos aromáticos presentes en ácidos policarboxílicos. c) Tratamientos destructivos enérgicos, tales como la carbonización y combustión que permiten la identificación de productos de destrucción molecular orientativos sobre la composición primaria de las moléculas carbonosas propiamente dichas.

Normalmente estos tipos de análisis se realizan únicamente en instituciones dedicadas a la investigación sobre el c., y en la actualidad han conducido a un conocimiento aún muy parcial de la verdadera composición de los c.

Desde el punto de vista de su utilización como combustible, se realizan sobre el c. diferentes determinaciones analíticas que permiten su clasificación y ordenación por calidades y posibilidades de empleo. Así, el análisis inmediato, determina los contenidos en humedad, cenizas y materias volátiles de los c. La humedad, que siempre está presente en los c., se determina por destilación azeotrópica de una muestra de c. con tolueno y medida del volumen de agua desplazado por el disolvente. Las cenizas, por combustión de una muestra de un gramo de c. en atmósfera ordinaria a temperatura de 800° y pesada del residuo de combustión. Las materias volátiles, por calefacción de una muestra, de un gramo de c. fuera del contacto con el aire a temperatura de 925° durante 7,5 minutos. La diferencia entre el peso de la muestra original y el residuo del calentamiento es lo que se denomina materias volátiles del c.

Desde el punto de vista de su composición centesimal elemental se realizan determinaciones de carbono, hidrógeno, azufre total o formas en que este azufre se encuentra combinado (pirítico, sulfato, orgánico, etc.), nitrógeno, fósforo, etc., que es lo que constituye el llamado análisis elemental del c.

En el caso de las hullas, se realizan también determinaciones de fusión e hinchamiento. Este hinchamiento se produce por la acción de las materias volátiles al pretender atravesar la masa fundida viscosa que forma la hulla durante su periodo de fusión. Estas determinaciones pueden ser de dos tipos, la conocida como determinación del índice de hinchamiento al crisol, de tipo puramente empírico y la medida de la dilatación en dilatómetro. De estos dilatómetros, el más utilizado en el mundo es el original de Arnu, que mide las contracciones o dilataciones que sufre una probeta de c. finamente pulverizado y prensado en forma de lápiz de 6 cm. de longitud por 7 mm. de diámetro medio, cuando se le somete a un calentamiento progresivo a velocidad determinada, generalmente a 2° ó 3° de elevación de temperatura por minuto. La dilatación, en este caso, se mide como porcentaje de aumento de la longitud inicial de la probeta.

Clasificación. La clasificación de los c. en lignitos, hullas y antracitas se puede hacer desde un punto de vista puramente tecnológico o científicamente. En el primer caso, la separación entre los distintos tipos de c. se hace atendiendo a la propiedad de las hullas de presentar un estado de fusión a determinada temperatura, cuando es calentada fuera del contacto con el aire, generalmente comprendida entre los 300° y los 500°, alcanzados a una velocidad de calentamiento que no exceda de unos 5°/minuto. Desde un punto de vista científico, la observación al microscopio de muestras de c. permite diferenciar las hullas de las antracitas, ya que en éstas no aparecen vestigios de las formas de los vegetales que les dieron origen, mientras que en los lignitos se conservan las formas vegetales apreciables aún en observación macroscópica.

Desde un punto de vista más científico, los c. se pueden clasificar de acuerdo con su rango. Se entiende por rango de un c., el grado de transformación sufrido por el mismo en su paso de materia vegetal a producto de carbonización y se mide por observación de muestras de c., en superficie pulida con microscopio petrográfico capaz de determinar variaciones en la. reflectividad de la probeta. Así, a medida que los c. van siendo de rango superior, o sea, en su paso de lignitos a antracitas, la reflectividad de sus componentes microscópicos va en aumento, llegando al valor máximo en las antracitas. Al observar -al microscopio muestras de c. en superficies pulidas se encuentran diferentes tipos de componentes macroscópicos y microscópicos. De éstos, la vitrinita es el que se utiliza para la definición de las características de reflectividad, pues es el componente que más adecuadamente varía con el rango.

Estas determinaciones analíticas permiten la clasificación de las hullas en diferentes clases orientativas de sus posibilidades de utilización. En España se emplea una clasificación de hullas en seis grupos definidos por sus materias volátiles y el hinchamiento al crisol. La clasificación internacionalmente adoptada para los c. utiliza tres parámetros: materias volátiles, hinchamiento al crisol (o alternativamente el índice de aglutinación de Roga) y la dilatación Arnu (o alternativamente las características del residuo sólido del ensayo Gray-King). Ninguno de los métodos alternativos se utiliza en España. Utilización. Los c. se emplearon como combustibles primarios, en conjunción con la madera y más tarde con el petróleo y sus derivados, bien como productos a granel, tal como se obtienen del proceso de depuración del bruto minado, o bien en forma de aglomerados. Más tarde se utilizaron para la producción de gas por combustión parcial en gasógenos adecuados o por destilación. En estas utilizaciones se vieron paulatinamente desplazados por combustibles procedentes del petróleo y, últimaménte, por la industrialización del gas natural. La utilización industrial de c. ha quedado con ello reducida hoy casi exclusivamente a la producción de energía eléctrica y a la fabricación de coque.

Las grandes centrales termoeléctricas situadas en las proximidades de las cuencas carboníferas, consumen este combustible en forma pulverizada y con contenidos en cenizas incluso superiores al 40%, lo que permite la utilización directa sin proceso de depuración previo. Los c. empleados pueden ser lignitos, hullas o antracitas, si bien se suelen utilizar, por dar mejor rendimiento térmico los c. pertenecientes a estas dos últimas clases.

La transformación en coque supone la utilización de hullas, si bien, en ocasiones, pueden ser adicionadas con pequeñas cantidades de antracitas. Generalmente se emplean mezclas de hullas de diferentes tipos convenientemente trituradas para lograr una pasta capaz de proporcionar el coque de la calidad requerida. La escasez mundial de hullas capaces por sí solas de producir un buen coque extiende cada vez más la técnica del mezclado de c. que, por otro lado, tiene la ventaja de permitir la utilización en siderurgia de hullas, que de otra forma no podrían alcanzar esta utilización, generalmente más remuneradora que el empleo en centrales térmicas.

V.1.: COMBUSTIBLES 1; GAS INDUSTRIAL; SIDERURGIA.

I. R. GARCÍA-CONDE.

BIBL.: W. FRANCIS, Fuels and Fuel Technology, Oxford 1965; F. PINTADO FE, El Carbón, Madrid 1952; F. PINTADO FE y 1. R. GARCíA-CONDE, "Bol. Informativo del Instituto Nacional del Carbón" (varios artículos) 1952; D. W. VAN KREVELEN, Coal, Amsterdam 1961.