Manual de Carbones

7/22/2019 Manual de Carbones

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MANUAL DE CARBONES Y COQUIZACIN

IGNACIO BEZ RODRGUEZ UPTC SOGAMOSO 1

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN .......................................................................................................22

INTRODUCCIN.............................................................................................. 24

1 ALTERNATIVAS ENERGETICAS................................................................... 26

1.1 ALTERNATIVAS ENERGTICAS................................................................ 29

1.1.1 Los combustibles vegetales:.............................................................30

1.1.2 Fisin nuclear ................................................................................. 30

1.1.3 Fusin nuclear ................................................................................ 31

1.1.4 Energa Solar .................................................................................. 31

1.1.5 Energa Elica ................................................................................. 32

1.1.6 Energa Biomsica........................................................................... 33

1.1.7 Energa geotrmica ......................................................................... 33

1.1.8 Energa Trmica Ocenica................................................................ 33

1.1.9 Hidrgeno ...................................................................................... 34

1.1.10 Hidroelectricidad .............................................................................34

2 EL CARBON COMO FUENTE DE ENERGA.................................................... 35

2.1 PERSPECTIVAS DEL CARBON COLOMBIANO ............................................ 37

2.2 PRINCIPALES PROCESOS DE TRANFORMACIN DEL CARBON................... 38

Oxidacin ................................................................................................. 39

2.2.2 Sulfonacin.....................................................................................39

2.2.3 Carbonizacin ................................................................................. 40

2.2.4 Gasificacin .................................................................................... 40


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2.2.5 Licuefaccin del Carbn ................................................................... 41

3 ORIGEN Y FORMACIN QUMICA DEL CARBN........................................... 423.1 COMPOSICIN QUMICA DEL CARBN....................................................42

3.2 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LAS PLANTAS...................................... 42

3.2.1 Hidratos de Carbono y Similares. ...................................................... 42

3.2.2 Lignina y Lignanos........................................................................... 43

3.2.3 Ceras y Grasas................................................................................ 43

3.2.4 Resinas. .........................................................................................43

3.2.5 Protenas........................................................................................43

CARBONIFICACIN DE LAS PLANTAS. ........................................................... 45

3.3.1 Teoras sobre la carbonificacin de las plantas ...................................45

3.3.2 Teora de la Celulosa. ...................................................................... 46

3.3.3 Teora de la Lignina.........................................................................46

3.3.4 Teora de Waksman......................................................................... 47

3.3.5 Teora de Flaig................................................................................ 48

3.3.6 Origen autctono In situ............................................................. 50

3.3.7 Teora Alctona o de Transportacin.................................................50

3.3.8 Naturaleza y Origen de la Materia Mineral en el Carbn......................51

3.3.9 Fase biolgica o de White en la formacin del carbn......................... 52

3.3.10 Accin bacteriana............................................................................ 53

3.3.11 Fase metamrfica o geoqumica ....................................................... 53

4 CONCEPTO Y CLASIFICACIN GENERAL DE LOS COMBUSTIBLES................. 56

4.1 DEFINICIN.......................................................................................... 56


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4.2 CLASIFICACIN GENERAL DE LOS COMBUSTIBLES.................................. 56

4.2.1 Madera........................................................................................... 574.2.2 Turba............................................................................................. 58

4.2.3 Lignito............................................................................................ 59

4.2.4 Hulla .............................................................................................. 59

4.2.5 Las antracitas ................................................................................. 60

5 COMPOSICIN PETROGRFICA DEL CARBN ............................................. 61

5.1 FUNDAMENTOS..................................................................................... 61

5.2 COMPOSICIN MACROPETROGRFICA ................................................... 61

5.3 PETROGRAFA DE LOS CARBONES HMICOS........................................... 63

5.4 LOS MACERALES DEL CARBON ...............................................................64

5.4.1 Los macerales:................................................................................ 65

5.5 MICROLITOTIPOS.................................................................................. 70

5.6 INCLUSIONES MINERALES EN LAS HULLAS ............................................. 72

5.6.1 Carbomineritas................................................................................ 73

6 CONTROL DE CALIDAD DE CARBONES .......................................................74

6.1 CALIDAD DEL CARBON........................................................................... 74

6.2 MUESTREO DE CARBONES. .................................................................... 74

6.2.1 Importancia.................................................................................... 75

6.2.2 Factores que afectan un muestreo.................................................... 76

6.2.3 EQUIPO DE MUESTREO................................................................... 80

6.2.3.1Sonda Manual. ............................................................................81

6.2.3.2Cucharn .................................................................................... 81


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6.2.3.3Palas de Mano.............................................................................81

6.2.3.4Bastidor para Muestreo. ...............................................................826.2.4 Tipos de Muestreo........................................................................... 82

6.2.4.1Muestreo Durante la Fase de Exploracin y Desarrollo. ................... 84

6.2.4.2Muestreo durante la Operacin Minera. ......................................... 85

6.2.4.3Muestreo para Propsitos Especiales. ............................................ 88

6.3 PROCEDIMIENTO PARA TOMA DE MUESTRAS DURANTE LA FASE DEEXPLORACION Y DESARROLLO...................................................................... 88

6.3.1 Muestra de Canal. ...........................................................................88

6.3.2 Muestras de Afloramiento ................................................................91

6.3.3 Muestras de Columna...................................................................... 91

6.4 PROCEDIMIENTO PARA LA TOMA DE MUESTRAS DE PRODUCCION...........92

6.4.1 Aspectos e Implicaciones Tcnicas de un Muestreo ............................ 92

6.4.2 Peso de cada incremento.................................................................936.5 PREPARACIN DE LA MUESTRA DE CARBN. ..........................................95

6.5.1 Preparacin de la Muestra para Anlisis............................................. 95

6.5.2 Procedimiento de Preparacin. ......................................................... 95

6.5.3 Preparacin y Cuarteo para Muestras de Canal y de Afloramiento........ 96

7 CARACTERIZACION DEL CARBON............................................................. 100

7.1 CAUSALES DE ERROR EN LA CARACTERIZACIN ................................... 100

7.2 ANLISIS INMEDIATO.......................................................................... 102

7.2.1 Humedades del carbn.................................................................. 102

7.2.2 Materia mineral y cenizas del carbn............................................... 104


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7.2.3 Materias Voltiles (Norma ASTM D 3175, ISO 562)......................... 107

7.2.4 Carbono Fijo (Norma ASTM D 3172) ............................................. 1087.2.5 Utilizacin de los Valores de los Anlisis Inmediatos ......................... 108

7.2.6 Bases de relacin en los carbones................................................... 109

7.2.7 Base de anlisis relativos a la humedad........................................... 109

7.3 ANLISIS ELEMENTAL O FINAL............................................................. 110

7.3.1 Carbn e Hidrgeno. ..................................................................... 111

7.3.2 Azufre S ....................................................................................... 111

7.3.3 Nitrgeno..................................................................................... 113

7.3.4 Oxigeno. ...................................................................................... 113

7.4 ANLISIS ESPECIALES ......................................................................... 113

7.4.1 Poder Calorfico............................................................................. 113

7.5 FUSIBILIDAD DE CENIZAS (NORMA ASTM D- 1857) ............................... 114

7.5.1 Anlisis Qumico de las Cenizas (Norma Astm D-3682) ..................... 116

7.5.1.1Determinacin de los Parmetros de Caracterizacin de Cenizas. ... 117

7.5.1.2Tipos de Cenizas........................................................................ 117

7.6 PROPIEDADES FSICAS DEL CARBON.................................................... 117

7.6.1 Estructura..................................................................................... 117

7.6.2 Porosidad. .................................................................................... 118

7.6.3 Punto de Ignicin.......................................................................... 118

7.6.4 Densidad o Gravedad Especifica (no est estandarizado por la Astm). 118

7.6.5 Friabilidad (norma ASTM d-440 y d-441) ......................................... 119

7.6.6 Abrasividad (No est estandarizado por ASTM)................................ 120


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7.6.7 Dureza ......................................................................................... 120

7.6.8 Indice de Molienda Hardgrove (Norma ASTM D-409)........................ 1207.6.9 Distribucin de Tamaos en Suministros de Carbn ......................... 121

7.6.10 Granulometria............................................................................... 121

7.7 PROPIEDADES COQUIZANTES Y AGLUTINANTES ................................... 122

7.7.1 Propiedades Coquizantes. .............................................................. 124

7.7.1.1Plastometra. ............................................................................. 124

7.7.1.2Dilatometra. ............................................................................. 125

7.7.1.3ndice de Hinchamiento: (Free Swelling Index: FSI)...................... 128

7.7.2 Propiedades Aglutinantes............................................................... 129

7.7.2.1Indice Roga............................................................................... 129

7.7.2.2Indice Gray King. .................................................................... 130

7.8 PROPIEDADES PETROGRFICAS........................................................... 131

7.8.1 Anlisis Cuantitativo de Grupos Macerales. ...................................... 131

7.8.1.1Anlisis de Grupos Macerales. ..................................................... 132

7.8.2 Reflectancia media de la Vitrinita.................................................... 133

7.8.3 Aplicaciones de los Estudios Petrogrficos del Carbn....................... 135

8 CLASIFICACION DE LOS CARBONES ......................................................... 137

8.1 PARMETROS GENERALES DE CLASIFICACION...................................... 137

8.2 TABLAS DE CLASIFICACIN ................................................................. 138

8.2.1 Clasificacin Norteamericana.......................................................... 138

8.2.2 Clasificacin Francesa.................................................................... 140

8.2.3 Clasificacin Polaca........................................................................ 140


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8.2.4 Clasificacin Alemana. ................................................................... 140

8.2.5 Clasificacin Belga......................................................................... 1408.2.6 Clasificacin Inglesa. ..................................................................... 140

8.2.7 Clasificacin Sovitica. ................................................................... 142

8.2.8 Clasificacin de la ASTM ................................................................ 142

8.2.9 Clasificacin Internacional.............................................................. 144

8.2.10 Propuesta de Ingeominas .............................................................. 146

9 BENEFICIO DEL CARBON......................................................................... 149

9.1 PREPARACION DEL CARBON................................................................. 149

9.1.1 Preparacin Mecnica del Carbn. .................................................. 149

9.2 BENEFICIO DE CARBON....................................................................... 149

9.2.1 Limpieza del Carbn...................................................................... 151

9.2.1.1Depuracin. .............................................................................. 152

9.2.1.2Productos que salen de una Lavadora.......................................... 153

9.2.1.3Propiedades que inciden en el lavado.......................................... 153

9.2.1.4Propiedades fsicas que intervienen en la separacin..................... 154

9.2.1.5Preparacin del Crudo................................................................ 154

9.3 CURVAS DE LAVABILIDAD.................................................................... 155

9.3.1 Fundamento terico y aplicaciones practicas de las curvas de lavabilidad.

155

9.3.2 Lavado Terico ............................................................................. 156

9.3.3 Curva de las Cenizas Elementales. .................................................. 157

9.3.4 Curva del carbn lavado. ............................................................... 161


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9.3.5 Curva de los Estriles .................................................................... 162

9.3.6 Curva de las densidades. ............................................................... 1629.3.7 Escogencia del Mtodo de Lavado. ................................................. 162

9.3.8 Condiciones tericas en las que se realizara la depuracin. ............... 163

9.3.9 Esquema de una planta lavadora.................................................... 165

9.3.9.1Circuito de gruesos. ................................................................... 166

9.3.9.2Circuito de finos......................................................................... 167

9.3.9.3Circuito de extrafinos ................................................................. 169

9.3.9.4Control de calidad de una planta lavadora.................................... 169

10 TECNOLOGIA GENERAL DE LA COQUIZACION........................................... 172

10.1 PIROLISIS DEL CARBON. .................................................................. 172

10.2 CALIDADES DEL CARBON PARA COQUIZACION. ................................. 173

10.3 COMPORTAMIENTO DEL CARBON AL CALENTARSE EN AUSENCIA DE AIRE

17410.3.1 Sucesin de Fenmenos de Transformacin de Carbn en Coque...... 174

10.4 TEORIAS SOBRE LA COQUIZACION. .................................................. 175

10.4.1 Teora de Fischer y Gluud. ............................................................. 175

10.4.2 Teora de Fusin Total de Gillete..................................................... 176

10.4.3 Teora Petrogrfica de OELE........................................................... 176

10.5 VALOR DE USO DE UN CARBON PARA COQUIZACION......................... 177

10.5.1 Caractersticas de un carbn para coquizacin ................................. 177

10.5.2 Propiedades de los carbones coquizables......................................... 178

10.5.3 Propuesta de clasificacin de los carbones coquizables colombianos .. 178


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10.6 CARACTERISTICAS A DETERMINAR PARA CARBONES COQUIZANTES... 179

10.6.1 Humedad. .................................................................................... 17910.6.2 Contenido de Cenizas. ................................................................... 179

10.6.3 Materias Voltiles. ......................................................................... 179

10.6.4 Azufre.......................................................................................... 179

10.6.5 Ensayo de Hinchamiento................................................................ 180

10.6.6 Plastometria. ................................................................................ 180

10.6.7 Dilatometria.................................................................................. 180

10.6.8 Anlisis Petrogrfico. ..................................................................... 180

10.6.9 Influencia de la velocidad de calentamiento..................................... 181

10.7 VARIABLES OPERACIONALES EN LA PRODUCCIN DE COQUE............. 181

10.7.1 Granulometra............................................................................... 181

10.7.2 Homogeneidad de carga................................................................ 182

10.7.3 Densidad de Carga. ....................................................................... 182

10.7.4 Temperatura de Coquizacin.......................................................... 182

10.7.5 Espesor de la Zona Plstica............................................................ 183

10.7.6 Tiempo de Residencia.................................................................... 183

10.7.7 Tiempo de Coquizacin.................................................................. 183

10.7.8 Rata de calentamiento................................................................... 184

10.7.9 Ancho de la Celda de Coquizacin................................................... 184

10.7.10 Estabilizacin del Coque. ............................................................ 184

10.8 TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE COQUE...................................... 184

10.8.1 Hornos de Pampa.......................................................................... 184


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10.8.2 Hornos de Colmena....................................................................... 185

10.8.3 Hornos de Solera........................................................................... 18610.8.4 Hornos de Subproductos................................................................ 188

10.9 COMPORTAMIENTO DEL CARBON EN HORNO DE COQUIZACION......... 191

10.10 TRANSFORMACION TERMICA DEL CARBON EN COQUE....................... 193

10.10.1 Transmisin del Calor................................................................. 193

10.10.2 Fusin del Carbn...................................................................... 193

10.10.3 Fisuracin. ................................................................................ 194

10.11 EL COQUE ....................................................................................... 194

10.11.1 Coque Siderrgico...................................................................... 195

10.11.2 Coque para Fundicin................................................................. 195

10.11.3 Coque Qumico. ......................................................................... 195

10.12 PROPIEDADES QUIMICAS Y FISICAS DEL COQUE SIDERURGICO......... 196

10.12.1 Humedad.................................................................................. 196

10.12.2 Cenizas..................................................................................... 196

10.12.3 Materias Voltiles....................................................................... 196

10.12.4 Azufre....................................................................................... 196

10.12.5 Fsforo. .................................................................................... 197

10.12.6 Carbono Fijo.............................................................................. 197

10.12.7 Porosidad y Reactividad.............................................................. 197

10.12.8 ndice de Reactividad del coque (CRI). ........................................ 197

10.12.9 ndice de Resistencia despus de reaccin del coque (CSR)........... 197

10.12.10 Combustibilidad. ........................................................................ 197


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10.13 PROPIEDADES FSICAS..................................................................... 198

10.13.1 Granulometria. .......................................................................... 19810.13.2 Aspecto..................................................................................... 198

10.13.3 Densidad................................................................................... 198

10.13.4 Porosidad.................................................................................. 198

10.13.5 Resistencia Mecnica.................................................................. 198

10.14 CALIDAD DEL COQUE PARA MERCADOS INTERNACIONALES. .............. 205

10.14.1 Coque Electrometalrgico:.......................................................... 205

10.14.2 Coque de fundicin: ................................................................... 205

10.14.3 Coque siderrgico:..................................................................... 206

10.14.4 Requerimientos del mercado....................................................... 207

10.15 LOS SUBPRODUCTOS DE LA COQUIZACION (Grfica 40)..................... 208

10.15.1 Mtodos Empleados en la Recuperacin de Subproductos. ............ 209

10.15.2 Operaciones Principales en la Recuperacin de Subproductos. ....... 209

11 COMBUSTION DEL CARBON..................................................................... 213

11.1 PROPIEDADES DEL CARBON ............................................................. 213

11.2 CALIDAD DE LOS CARBONES PARA COMBUSTION.............................. 214

11.2.1 Anlisis Inmediato......................................................................... 214

11.2.2 Ensayos ligados a las propiedades plsticas de los carbones ............. 215

11.2.3 Ensayos particulares para carbones destinados a la combustin ........ 215

11.2.4 Requerimientos de la mayora de los hogares de combustin............ 218

11.2.5 Valores de hinchamiento y aglutinacin requeridos, segn los hogares 219


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11.2.6 Rangos de calidad del carbn de acuerdo con el tipo de instalacin... 219

12 INFLUENCIA DE LOS FACTORES DE LA COQUIZACION EN LA CALIDAD DELCOQUE ......................................................................................................... 221

12.1 CARBONES PARA COQUIZACIN. ...................................................... 221

12.2 DISEO DE MEZCLAS. ...................................................................... 222

12.2.1 Regla General. .............................................................................. 223

12.2.2 Criterios bsicos para las mezclas de carbones................................. 223

12.2.3 Preparacin de mezclas ................................................................. 223

12.3 CARBONES PARA LA FABRICACION DEL COQUE................................. 224

12.3.1 Calidad del carbn para coquizacin ............................................... 225

12.3.2 Adicin de aceites minerales al carbn de coque.............................. 226

12.3.3 Mezclas por preparacin petroGrfica de los carbones ...................... 226

12.3.4 Briqueteado del carbn para uso directo en el alto horno.................. 227

12.3.5 Precalentamiento del carbn .......................................................... 22812.4 INFLUENCIA DE LA DENSIDAD DE CARGA EN LA CALIDAD DEL COQUE 228

12.5 EFECTO DE LA GRANULOMETRIA SOBRE LA CALIDAD DE COQUE........ 229

12.6 ACCION DE POLVO DE COQUE.......................................................... 230

12.6.1 Accin del polvo de coque sobre la fisuracin. ................................. 232

12.6.2 Accin sobre la cohesin y dureza del coque. .................................. 233

12.7 ESTABILIZACION TERMICA. .............................................................. 234

12.7.1 Influencia de la temperatura de las paredes sobre la calidad del coque. 235

12.8 ANCHURA DE LA RETORTA. .............................................................. 235


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12.9 EJEMPLO PRACTICO DE MEZCLAS TERNARIAS DE CARBONES PARAPRODUCIR COQUE DE CALIDAD POR METODO GRAFICO.............................. 236

12.9.1 Determinacin de mezclas ternarias por diagramas triangulares........ 237

12.9.2 Lneas de iso cualidad o lneas de nivel del coque.......................... 239

13 BRIQUETEADO Y AGLOMERACION DE MENUDOS DE CARBON ................... 242

13.1 IMPORTANCIA ECONOMICA DEL PROBLEMA. ..................................... 242

13.2 CLASES DE BRIQUETEADO................................................................ 242

13.2.1 Briqueteado sin aglomerantes. ....................................................... 243

13.2.2 Prensas de autobriqueteado........................................................... 243

13.2.3 Autobriqueteado de hullas.............................................................. 244

13.2.4 Briqueteado con aglomerantes. ...................................................... 244

14 CAMBIOS DEL CARBON DURANTE SU ALMACENAMIENTO.......................... 247

14.1 PATIOS DE ACOPIO DE CARBON ....................................................... 247

14.1.1 Conceptos bsicos......................................................................... 24714.1.2 Tipos de patios de acopio .............................................................. 247

14.1.3 Consideraciones tcnicas para el almacenamiento del carbn............ 248

14.2 Cambios del carbn durante su almacenamiento ................................. 250

14.2.1 Causas de la combustin espontanea.............................................. 251

14.2.2 Normas y recomendaciones en el apilado de carbones ..................... 253

15 EL CARBON Y EL MEDIO AMBIENTE ......................................................... 255

15.1 TECNOLOGAS LIMPIAS DEL CARBON................................................ 257

15.1.1 Extraccin y preparacin de carbn ................................................ 258

15.1.2 Tratamiento de gases de chimenea aplicados a emisiones gaseosas dela combustin de carbn pulverizado ........................................................ 258


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15.2 ASPECTOS AMBIENTALES EN PATIOS DE ACOPIO DEL CARBON.......... 259

15.2.1.1 Requerimientos y especificaciones mnimas .............................. 25915.3 Aspectos ambientales en la coquizacin de carbn .............................. 260

15.3.1 Localizacin .................................................................................. 260

15.3.2 Equipos y operacin ..................................................................... 260

15.4 ASPECTOS AMBIENTALES EN EL TRANSPORTE DEL CARBN............... 261

16 BIBLIOGRAFIA........................................................................................ 263


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Clasificacin general de los combustibles................................................ 57

Tabla 2 Litotipos de carbones hmicos y saproplicos ......................................... 62

Tabla 3 Elementos de las plantas transformados a carbn...................................66

Tabla 4 Grupos Macerales.................................................................................66

Tabla 5 Variacin vertical de la calidad en un manto ........................................... 77

Tabla 6 Calidad comparativa de muestras de carbn fresco y oxidado .................. 77

Tabla 7 Normas ASTM para nmero y peso de incrementos................................. 92

Tabla 8 Normas ISO para nmero y peso de incrementos ................................... 93

Tabla 9 Resultados de un anlisis granulomtrico ............................................. 122

Tabla 10 Disposicin de la reflectancia media ................................................... 134

Tabla 11 Clasificacin segn el FUEL-RATIO..................................................... 139

Tabla 12 clasificacin por porcentajes de H2y C2 .............................................. 139

Tabla 13 Clasificacin del carbn por formacin geolgica y edad ...................... 140

Tabla 14 Clasificacin Francesa ....................................................................... 141

Tabla 15 Clasificacin ASTM de carbones por rango.......................................... 143

Tabla 16 Clasificacin internacional de carbones duros...................................... 145

Tabla 17 Propuesta de Ingeominas.................................................................. 148

Tabla 18 Resultados del ensayo de lavabilidad.................................................. 158

Tabla 19 Resultado del lavado de tamaos gruesos, muestra lobatera................ 164

Tabla 20 Caractersticas del carbn para coquizacin ........................................ 178

Tabla 21 Normas para medir la resistencia mecnica del coque ......................... 201


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Tabla 22 Caractersticas del coque con respecto a la densidad de carga.............. 229

Tabla 23 Granulometra de la mezcla ............................................................... 230Tabla 24 Estabilizacin Trmica....................................................................... 234

Tabla 25 Anchura de la retorta........................................................................ 236

Tabla 26 Composicin De las mezclas ensayadas y resultados de los ensayos Micumde los coques procedentes de ellas ........................................................... 239


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LISTA DE GRAFICAS

Grfica 1 Sonda Manual

Grfica 2 Pala de Mano

Grfica 3 Bastidor para muestreo en banda

Grfica 4 Flujo descendente - divisin de dos canales

Grfica 5 Flujo descendente Vasija ranurada

Grfica 6 Banda mvil brazo de arrastre

Grfica 7 Tipos de muestras de carbn

Grfica 8 Errores comunes en el muestreo en banda transportadora

Grfica 9 Cuarteo para muestras grandes

Grfica 10 Divisor rotatorio de muestras

Grfica 11 Divisin con cuarteador

Grfica 12 Como rotatorio

Grfica 13 Plstimetro de Giessler

Grfica 14 curva de fluidez

Grfica 15 Dilatmetro de Arnu

Grfica 16 Curva dilatomtrica

Grfica 17 Modelo de curva segn porcentaje de diltacin

Grfica 18 Curvas de plasticidad e hinchamiento

Grfica 19 Curvas de dilatometra y plastometra

Grfica 20 Residuos y patrones del ensayo Gray King

Grfica 21 Curva del lecho ideal de lavado


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Grfica 22 Curva de las cenizas elementales

Grfica 23 Curva del carbn lavado y estrilesGrfica 24 Curvas de lavabilidad para programar una planta lavadora

Grfica 25 Ejemplo prctico de curvas de lavabilidad

Grfica 26 Esquema de un aplanta lavadora

Grfica 27 Esquema del Drew Boy

Grfica 28 Principio del JIG

Grfica 29 Hidrociclon de medio denso

Grfica 30 Elementos tecnolgicos del proceso de flotacin

Grfica 31 Diagrama esquemtico de la tecnologa de coquizacin

Grfica 32 Horno de pampa

Grfica 33 Materias de horno de colmena

Grfica 34 Hornos tipo colmena

Grfica 35 Hornos de solera

Grfica 36 Hornos de subproductos

Grfica 37 Marcha de horno de coquizacin

Grfica 38 Circuito de calentamiento de una batera

Grfica 39 Trommel para determinar ensayo micun

Grfica 40 Horno de coquizacin con aprovechamiento de subproductos

Grfica 41 Planta de coque y aprovechamiento de los gases en una ladrillera

Grfica 42 Estabilizacin trmica a 3 niveles de temperatura de pared

Grfica 43 Representacin de una mezcla ternaria en un triangulo equiltero

Grfica 44 Disposicin de mezclas ternarias para trazos de curvas de isocalidad


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Grfica 45 Curvas de isovalor til

Grfica 46 Curvas de isoabrasividadGrfica 47 Curvas de isocenizas

Grfica 48 Zonas de calidad de los coques


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Descomposicin de la materia orgnica

Figura 2 Procesos de Transformacin del carbn

Figura 3 Reaccin qumica del carbn

Figura 4 Estructura de los principales hidratos de carbn

Figura 5 Estructura de un carbn bituminoso

Figura 6 Teora de la Lignina

Figura 7 Teora de Waksman

Figura 8 Teora de Flaig

Figura 9 Placa de Koper

Figura 10 Componentes de la varianza de un resultado analtico de muestreo

Figura 11 Secuencia esquemtica del muestreo

Figura 12 - tipos de muestreo en un proyecto minero

Figura 13 Localizacin de puntos de muestreo en volquetas

Figura 14 Secuencia esquemtica de muestro

Figura 15 Preparacin de la muestra de carbn

Figura 16 Deformacin de las cenizas

Figura 17 Perfiles para la determinacin del FSI

Figura 18 Refelctograma de un carbono unitario

Figura 19 Reflectograma de una muestra de carbones

Figura 20 Lavado de carbones en el laboratorio

Figura 21 Estado de la carga en el horno durante la coquizacin


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Figura 22 Instalacin de recuperacin de subproductos

Figura 23 Incorporacin de polvo de coque a dos mezclas de carbonesFigura 24 Esquema de una instalacin de briqueteado con aglomerantes

Figura 25 Proceso de autoencendido


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RESUMEN

Dentro del escenario minero nacional el carbn sobresale como uno de los recursosestratgicos del desarrollo econmico del pas, primero por la importanciaeconmica y social en lo que se refiere a la produccin y consumo del mineral y a lapoblacin econmicamente activa vinculada a su explotacin, comercializacin ytransporte.

Para un uso adecuado del recurso, es necesario volver el carbn mas accesibledesde el punto de vista tcnico y econmico a los diversos consumidorespotenciales; es el objetivo principal que plantea el retorno y utilizacin del carbn agran escala.

Un inters creciente a nivel de la industria del carbn y de quienes abordansistemticamente a nivel investigativo el trabajo sobre el mineral ha mostrado lanecesidad de un trabajo conjunto y coherente que permite un lenguaje comntcnico cuando de caracterizar el carbn se trata.

La validez del control de calidad del carbn como materia prima, carbn trmico,carbn coquizable, carbn aprovechable base de la industria carboqumica, involucrafactores que van desde un muestreo riguroso hasta una interpretacin de los datos

ajustada a las leyes estadsticas pasando por la determinacin de sus propiedadesen el laboratorio, siguiendo criterios y normas precisas.

A todos aquellos que de una u otra forma estamos involucrados en el mundo delcarbn, no se nos escapa la importancia que tiene el conocer ntima yoportunamente el producto que manejamos. Producto, decimos, pues el carbn noes un mineral ms o cualquiera, sino el resultado final de una serie de labores, quesi no son correctamente ejecutados, impedirn que ste, presente sus caractersticasreales y lgicamente no se obtendr el rendimiento esperado, bien sea este de tipotcnico o econmico.

Estas labores van desde la prospeccin geolgica, el clculo de reservas y nivelesesperados de calidad, hasta su embarque o despacho para el usuario final, pasandopor etapas intermedias diversas de extraccin, beneficio, manejo, acopio yalmacenamiento.

El propsito de este manual a travs de los diferentes captulos de su desarrollo essaber, que es necesario conocer sobre el producto, como obtener la informacin,como evaluarla y aplicarla, adems, dar a conocer las operaciones de beneficio.


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El manual lo conforman 15 captulos que los podemos clasificar en cuatro partesfundamentales: una primera, donde se presentan los combustibles como fuentes de

energa, las alternativas energticas, el carbn y sus usos tecnolgicos, gnesis yteoras sobre la formacin del carbn, lo mismo que los fundamentos ynomenclatura de la petrografa, recogiendo los elementos necesarios para hacervisible el anlisis petrogrfico y sobre todo para resaltar la estrecha dependencia dela tecnologa del carbn con su composicin petrografica.

La segunda parte se refiere a las operaciones que constituyen el control de calidaddel carbn, como son muestreo, preparacin de la muestra y anlisis, haciendonfasis en el papel fundamental que sobre los resultados analticos finales tiene elmuestreo. Posteriormente se trata o referente a los resultados analticos para unacaracterizacin completa, para culminar este apartado con la clasificacin del carbn

que incluye la ASTM, la Internacional y la propuesta por Ingeominas para CarbonesColombianos.

La tercera tiene que ver con el beneficio propiamente dicho, iniciando con lapreparacin mecnica, fundamento terico y trazado de las curvas de lavabilidadpara pasar a la tecnologa general de la coquizacin y finalizar con elaprovechamiento de los subproductos.

La cuarta y ltima parte se da, la informacin sobre la combustin, calidad decarbones para el proceso y los requerimientos de los hogares, la influencia de losfactores de la coquizacin en la calidad del coque, briquetizacin, almacenamiento,

patios de acopio, causas de la combustin espontnea para finalizar con el carbn yel medio ambiente.

Con stos temas el manual indudablemente se va a constituir en una herramientatil y verstil para los estudiantes y personas interesadas en el estudio del carbn ysu beneficio.


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INTRODUCCIN

No se puede desconocer el nuevo auge que ha tomado el carbn como materiaprima en el desarrollo y sostenimiento del mudo industrial y de la necesidad queexiste de mejorar y crear nuevas tcnicas en todos los procesos de su utilizacin.

Colombia ocupa un lugar de privilegio, no solo en Amrica Latina, si no en el mundo,por poseer uno de los mayores yacimientos carbonferos del planeta y el mineral demejor calidad del continente. Se estima que sus reservas representanaproximadamente 2% del total mundial, pero dada su calidad tiene un peso anmayor en el mercado internacional. Sin embargo no se tiene una poltica definida encuanto a su utilizacin y transformacin y ms bien parece ser la explotacin yexportacin, aunque ltimamente se maneja con bastante inters el tema de lacoquizacin.

En razn a que en la nueva vida econmica del pas la actividad minera del carbntienen una significativa importancia los colombianos hemos aprendido a considerar yvalorar esta tarea, lo que obliga a aquellos que de alguna forma nos encontramosvinculados con el recurso carbonfero a asumir cada vez un mayor compromiso deaunar esfuerzos para lograr un desarrollo armnico de las diferentes fuerzas queintervienen en los procesos de exploracin, explotacin, transformacin, transporte,

embarque, comercializacin, exportacin y consumo de ste mineral, tendiente alfortalecimiento del conocimiento de stas actividades que redundar en el mayoraprovechamiento del producto.

Sin entrar en anlisis evidentes sobre diferentes tecnologas, pero con datos muyparticulares a nuestro pas, se puede afirmar que en razn a su potencialcarbonfero, el esquema colombiano se inscribe ya en el escenario mundialenergtico. Pero una condicin mnima para el ingreso al mercado internacional es lacaracterizacin adecuada del carbn que permita el control de su calidad ajustado anormas de rigor cientfico.

La localizacin geogrfica de la UPTC en una regin netamente carbonfera, hahecho que en sus escuelas de minas y geologa el conocimiento tecnolgico delcarbn sea una fortaleza reconocida de sus egresados; razn por la cual mepropuse realizar un Manual sobre carbones y coquizacin cuyo objetivo escontribuir a la conformacin de una bibliografa concreta que recoja la informacinque cubre la asignatura Beneficio del Carbn que se cursa en el plan de estudios dela escuela de Ingeniera de Minas y que se ofrece como electiva en la Escuela deGeologa.


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Aprovechando la oportunidad que la UPTC me concedi a travs del ao sabtico,he recopilado los materiales que por ms de 15 aos he manejado en las

asignaturas relacionadas con el carbn, as como mis experiencias como docenteinvestigador en ste campo; el haber sido ponente en tres congresos nacionales einternacionales sobre Ciencia y tecnologa del Carbn; as como participante en losmuchos seminarios de actualizacin sobre carbones ofrecidos por Carbocol,Ecocarbn y Minercol; y por ltimo el haber estado al frente de los proyectos quepor ms de 10 aos desarroll el IRME para Ecocarbn y Minercol en las zonasmineras de Boyac y Cundinamarca. Estos antecedentes con la informacinrecopilada y clasificada fueron la base para conformar el Manual sobre Carbones yCoquizacinque hoy se entrega a la comunidad Upetecista, cuyo propsito a travsde sus 15 captulos es saber de antemano que es necesario conocer sobre el carbn,como obtener la informacin y una vez en posesin de ella como evaluarla y

aplicarla.

Este manual no solo servir como texto gua en la seccional Sogamoso, si no quepodr ser utilizado como una buena herramienta de consulta a todas aquellaspersonas vinculadas con la industria del carbn.


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1 ALTERNATIVAS ENERGETICAS

Qu es la energa?

La energa es una magnitud fsica que asociamos con la capacidad que tienen loscuerpos para producir trabajo mecnico, emitir luz, calor, en todas estasmanifestaciones hay un sustrato comn, al que llamamos energa, que es propia decada cuerpo o sistema material segn su estado fsico qumico, y cuyo contenidovara cuando este estado se modifica.

La energa es, por lo tanto, una magnitud fsica que puede manifestarse de distintas

formas: potencial, cintica, qumica, elctrica, magntica, nuclear, radiante, etc.,existiendo la posibilidad de que se transformen entre s pero respetando siempre elprincipio de la conservacin de la energa.

De donde proviene la energa que consumimos?

Casi toda la energa que disponemos proviene el sol. l es la causa de los vientos,de la evaporacin de las aguas superficiales, de la formacin de nubes, de las lluviasy por consiguiente de los saltos de agua. Su calor y su luz son la base de numerosasreacciones qumicas indispensables para el desarrollo de los vegetales y de losanimales que con el paso de los siglos han originado combustibles fsiles: carbn,

petrleo y gas.De forma ms amplia llamaremos fuente de energa a todo sistema natural, artificialo yacimiento que pueda suministrarnos energa. Las cantidades disponibles deenerga de estas fuentes se llaman recurso energtico.

La tierra posee enormes cantidades de estos recursos. Sin embargo uno de losproblemas que tiene planteada la humanidad es la obtencin y transformacin delos mismos.

Las fuentes energticas ms buscadas son aquellas en las que se dispone de

energa concentrada (mucha energa por unidad de masa). Es el caso del carbn,petrleo, gas natural, uranio, etc. Por el contrario, tenemos otro tipo de fuentes deenerga llamada difusa, en la que existen dificultades para su captacin yconcentracin, es el caso la energa solar, elica, etc.

La acumulacin de la energa solar est fundada en una reaccin qumica muyconocida: es la reaccin de la fotosntesis, por la cual el anhdrido carbnico y elagua sintetizan compuestos de carbono, hidrgeno y oxgeno, fijan en ellos la


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energa solar que absorbe la reaccin y desprenden el oxgeno necesario para quesiga la vida.

La reaccin es:

CO2+ H2O + 112 KCAL ! [CHO] + O2

Donde (CHO), representa combinaciones diversas de los tres elementos citados, queel metabolismo vegetal transforma en los tejidos de las plantas.

Aplicada esta reaccin a la transformacin de la celulosa para concretarla mejor, suforma sera:

6CO2+ 5H2O + 6 112 KCAL ! C6H10O5+ 6O2

La fotosntesis es la reaccin ms importante respecto al carbono biolgico; sepuede representar por la formacin de la hexosa, de acuerdo a la siguientereaccin.

6 CO2+ 6H2O + luz solar !C6H12O6+ 6O2; G298 = 2720 kJ

El proceso fotosinttico es importante ya que utilizando la luz solar y los nutrientesque se encuentran en el suelo las plantas superiores producen lignina, celulosa,protenas y otras sustancias que conforman sus estructuras. Por lo tanto laacumulacin de la materia orgnica es en otras palabras, energa solar de lafotosntesis almacenada como combustible.

La produccin anual de materia orgnica en el orden de 1010 toneladas, de lascuales la mitad es producida en los mares por algas unicelulares. La fotosntesis enaguas se restringe a la zona donde penetra el sol que en aguas claras puede llegarhasta las 50 mts. La productividad en el mar se incrementa por los nutrientesespecialmente nitratos y fosfatos que son arrastrados por los ros al ocano.

Una vez incorporado el carbono en la planta, por fotosntesis, est pasa a la cadenaalimenticia de la planta y/o posteriormente a la de los animales. Sin interesar el cicloalimenticio, el final de la cadena es la muerte del organismo viviente con lo que seinicia un proceso de descomposicin; el cual se puede tomar como el inverso de lafotosntesis.

C6H12O6 + 6O2! 6CO2 + H2O


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Este proceso no se completa en la naturaleza y el grado de conversin llega a serhasta de un 95% por lo que el resto es el que da origen a los combustibles como

gas, petrleo y carbn. La reaccin de descomposicin se puede escribir:materia orgnica + oxgeno ! combustible + CO2

La cantidad de combustible obtenida depende la presencia de oxgeno. Cuandoseencuentra en exceso como en el caso de las reacciones aerbicas el CO2es productoprincipal, mientras que si ste es escaso, como por ejemplo por el enterramiento dela materia orgnica, la descomposicin da origen a los combustibles fsiles (verfigura 1). En el agua por la baja concentracin de oxgeno, la descomposicin de lamateria orgnica hacia CO2, es menos importante. De aqu que la materia orgnicaacumulada en lagunas sea buena fuente de combustible.

La acumulacin de la materia orgnica en medios acuticos, disminuye laconcentracin de oxgeno en el agua a medida que se profundiza. En este medioanaerbico preserva su descomposicin y en consecuencia facilita la formacin decombustibles, los cuales al ser extrados por el hombre y quemados para lageneracin de energa, bixido de carbono y agua, inicia el nuevo ciclo.

La vegetacin se transforma en materia animal por asimilacin o se fosiliza como

carbones, a su vez la materia animal tambin pasa a combustible en forma depetrleo o de gas natural. De esta forma la tierra ahorr energa, durante millonesde aos para constituirla en nuestras reservas actuales.

En resumen, el hombre puede utilizar la energa primaria que puede presentarsefundamentalmente en tres formas:

Figura 1 Descomposicin de la materia orgnica

MATERIA ORGNICAREACCION DE

DESCOMPOSICIN

CO2

COMBUSTIBLE


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Energa fsil, constituida por los yacimientos de carbn, petrleo, y rocasbituminosas y gas natural.

Energa nuclear, formada por los yacimientos de minerales radiactivos fisionables(uranio y torio).

Energa hidrulica procedente de la cada por gravedad de aguas a diferentenivel.

Adems existen otras energas primarias que ya hemos mencionado: geotrmica,elica etc. Cuya importancia es pequea en la actualidad. Las energas primariaspueden transformarse en calor, trabajo o electricidad, es decir energas secundarias,pero el balance energtico se establece siempre sobre las energas primarias.

En la actualidad la mayora de energa que se consume est suministrada por loscombustibles fsiles, con los cuales se moviliza el transporte, se genera energatrmica, se produce fuerza elctrica y se desarrolla la industria.

Hay tendencias marcadas al aumento de la demanda de energa, cuando los pasesalcanzan ndices de crecimiento alto como Japn, Estados Unidos, y las nacioneseuropeas.

La crisis de combustible del ao 1973 y 1979 a que se vio sometido el mundo sederiv por razones de tipo poltico que hizo pensar en otras alternativas que

citaremos a continuacin:

1.1 ALTERNATIVAS ENERGTICAS

Cmo se clasifican las fuentes de energa?

Para clasificar las distintas fuentes de energa se utilizan varios criterios:

a) Segn sean o no renovables.

b) Segn la incidencia que tengan en la economa del pas.

c) Segn sea su utilizacin

a) Llamaremos fuentes de energa renovables a aqullas cuyo potencial esinagotable por provenir de la energa que llega nuestro planeta de forma continuacomo consecuencia de la radiacin solar o de la atraccin gravitatoria de otrosplanetas de nuestro sistema solar. Son la energa solar, elica, hidrulica, maremotriz y la biomasa.


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Las fuentes de energa no renovables son aquellas que existen en una cantidadlimitada en la naturaleza. No se renuevan a corto plazo y por eso se agotan cuando

se utilizan. La demanda mundial de energa en la actualidad se satisfacefundamentalmente con este tipo de fuentes. Las ms comunes son el carbn,petrleo, gas natural y uranio.

b) Si atendemos al segundo criterio de clasificacin, llamaremos fuentes de energaconvencionales a aquellas que tienen una participacin importante en los balancesenergticos de los pases industrializados. En el caso del carbn, petrleo, gasnatural, hidrulica, nuclear.

Por el contrario se llama fuentes de energa no convencionales, o nuevas fuentes deenergas, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnolgico en cuanto a su

utilizacin generalizada, no cuentan con participacin apreciable en la cobertura dela demanda energtica de estos pases. Es el caso la energa solar, elica, maremotriz y biomasa.

c) Segn sea su utilizacin las fuentes de energa las podemos clasificar enprimarias y secundarias. Las primarias son las que se obtienen directamentede la naturaleza, como ejemplo tenemos el carbn, petrleo, gas natural. Es unaenerga acumulada. Las secundariasllamadas tambin tiles o finales, se obtienena partir de las primarias mediante un proceso de transformacin por mediostcnicos. Es el caso de la electricidad o de los combustibles.

1.1.1 Los combustibles vegetales:

Como la lea y otros productos del mismo origen, no ofrecen ninguna solucinpermanente ya que su destruccin acarreara gravsimas consecuencias de ordenecolgico a la humanidad, que hacen desaconsejable su utilizacin as sea enpequea o mediana escala.

1.1.2 Fisin nuclear

Los combustibles nucleares (uranio, torio) constituyen una alternativa viable aunquea largo plazo. A causa de mltiples factores de orden gubernamental, o deprocedimiento de licencia y otros de tipo ecolgico, el plazo de tiempo necesariopara construir una central electro nuclear es casi el doble que la correspondiente alas plantas de combustibles fsiles.

La electricidad producida por las plantas nucleares compite econmicamente con laenerga de las instalaciones con combustibles fsiles. Aunque cuesta ms lainstalacin y montaje de una planta nuclear, su explotacin resulta ms barata.


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1.1.3 Fusin nuclear

La energa proveniente de los procesos de fusin nuclear, de gran inters cientfico ytecnolgico no es aprovechables aun por los grandes problemas de ingeniera quedeben resolverse para el diseo y construccin de los reactores utilizables en lageneracin de potencia.

Las ventajas de la energa por fusin consistiran en que se dispondra con facilidadde combustibles en forma de deuterio, no habra residuos radioactivos que controlary tampoco el peligro de explosiones por fallas funcionales

1.1.4 Energa Solar

Energa Solar es la que llega a la tierra en forma de radiacin electromagnticaprocedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusin nuclear.

En el sol se producen constantemente reacciones de fusin: los tomos dehidrgeno se consumen dando lugar a un tomo de helio, liberando una grancantidad de energa, de esta slo una pequea parte llega a la tierra pues el resto esreflejada hacia el espacio exterior por la presencia de la atmsfera terrestre.

La energa solar llega a la superficie de la tierra por dos vas diferentes:

Incidiendo en los objetos iluminados por el sol (radiacin directa).

Por reflexin de la radiacin solar absorbida por el aire y el polvo atmosfrico(radiacin difusa).

La primera es aprovechable de forma directa. Los colectores planos y las clulasfotovoltaicas aprovechan la segunda, en alguna medida.

Las ventajas de la energa solar son:

Es inagotable a escala humana y no contaminante

Mediante procesos convenientes de concentracin puede alcanzarse con ella

temperaturas hasta 3.000C, que en principio permiten poner en marcha ciclostermodinmicos de alto rendimiento.

Los inconvenientes de esta fuente de energa son:

- No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformadainmediatamente en otra forma de energa (Calor, electricidad, biomasa).


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- Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captacin de grandessuperficies y algunos de sus principales componentes son muy caros.

- Es discontinua y aleatoria.

Por tanto la energa solar que llega la tierra es gratuita, pero su transformacin enenerga til es muy costosa y, en muchos casos, est en fase de experimentacin.

El aprovechamiento la energa solar puede hacerse por dos vas: trmica yfotovoltaica.

a) Va trmica: transforma la energa proveniente el sol en energa calorfica. Estatransformacin puede darse a baja, mediana Yalta temperatura.

b) Conversin fotovoltaica: los sistemas solares fotovoltaicos estn formados por unconjunto de clulas solares o fotovoltaicas dispuestas en paneles quetransforman directamente la energa solar en energa elctrica

1.1.5 Energa Elica

La energa elica es la energa producida por el viento. Fue una de las primerasfuentes de energa utilizadas por el hombre. Los barcos de vela y los molinos deviento son las primeras manifestaciones del aprovechamiento energtico de laenerga elica. En la actualidad existen sistemas para aprovechar la energa cintica

del viento transformarla, posteriormente, en energa elctrica mediante losaerogeneradores.

Esta fuente energa presenta las ventajas y los inconvenientes de la energa solar:es inagotable, limpia, no contaminante, y, una vez hecha la instalacin para sucaptacin, gratuita. Pero al mismo tiempo es dispersa, intermitente y se presenta deforma irregular en cuanto a su intensidad.

Las principales aplicaciones de la energa elica en aquellos lugares a los que llega elviento de forma regular y con gran intensidad son:

Arobombas. Para elevar el agua se usan ruedas de 6 a 15 alabes, que puedenbombear de 500 a 600L/h.

Produccin de energa elctrica mediante aerogeneradores.


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1.1.6 Energa Biomsica

Es la energa que se puede obtener de los compuestos orgnicos formados enprocesos naturales. Es lo que comnmente se denomina biomasa.

La Energa de la biomasa se puede conseguir fundamentalmente

Estableciendo determinados cultivos que puedan transformarse posteriormenteenerga (biomasa cosechables)

Aprovechando residuos forestales, agrcolas y domsticos, transformndolodespus en combustible (biomasa residual).

Transformando qumica o biolgicamente ciertas especies vegetales para

convertirlas tambin en combustible (metanol y etanol).

La principal aplicacin de la biomasa cosechable es la produccin de calor en unproceso de combustin

1.1.7 Energa geotrmica

Se manifiesta de dos formas:

El vapor de agua seco, con muy poco o ningn condensado, y el agua caliente atemperaturas que se mantienen por encima el punto de ebullicin normal debido

a las altas presiones a que est someta en el seno de la tierra.

El vapor seco recalentado es el de ms barata explotacin, ya que eso solo hayque llevarlo a impulsar las turbinas, mientras que los depsitos de agua caliente,que son ms numerosas que los de vapor seco, presentan para suaprovechamiento el inconveniente de que las sales disueltas son muy corrosivasy atacan las turbinas y los alabes de estas.

Problemas adicionales al limitado aprovechamiento cabal de los recursosgeotrmicos. es preciso mejorar las tcnicas de exploracin, sondeo y hallar mejoresmtodos para separar los minerales y desalinizar las aguas calientes.

1.1.8 Energa Trmica Ocenica

Conceptos tan recientes como el aprovechamiento del diferencial trmico entre ellecho y la superficie de los ocanos est siendo investigados y ya los conversoresde energa trmica ocenica utilizan la diferencial de temperatura de 20- 25 C entrela cual la superficie y el agua profunda de los ocanos tropicales y subtropicales.


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Alrededor de 6/7 partes del total de energa solar recibida por la tierra es absorbidaen la capa superior del ocano y en latitudes clidas se puede aprovechar el calor de

la superficie el agua para mover turbinas.

1.1.9 Hidrgeno

As mismo, se considera que en un futuro el hidrgeno ocupar un lugarpreponderante como fuente energtica reemplazando la gasolina en los vehculosautomotores y los aceites combustibles con fines de calefaccin.

Numerosas investigaciones y consideraciones vaticinan el uso del hidrgeno entrelos sistemas energticos del futuro, como los combustibles fsiles, puede ser nosolamente una fuente primaria de energa sino un portador de sta de gran

flexibilidad; como sustancia combustible, quema de manera invisible y limpia,generando agua como producto primario de la combustin, la cual retorna al medioambiente de manera natural y rpida.

1.1.10 Hidroelectricidad

Finalmente, la energa hidrulica, que con el carbn, representa el mayor potencialenergtico en Colombia, sita al pas en un lugar entre los 5 de mayores reservashidrulicas en el mundo, junto con la URSS, Suecia, Canad y Brasil.

Podemos considerar la energa hidrulica como la energa que se obtiene a partir del

agua de los ros. Es una fuente de energa renovable; de forma indirecta tiene el solcomo origen. El calor evapora el agua de los mares formando las nubes, que a suvez se transforman en lluvias o nieve asegurado la perennidad del cielo.

El mayor aprovechamiento de esta energa se realiza en los altos de agua de laspresas, la mayora de estas se destina a producir electricidad. Presentainconvenientes en tiempos de sequa.


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2 EL CARBON COMO FUENTE DE ENERGA

Ante las perspectivas enunciadas, el carbn parece ser la solucin ms obvia alproblema de escasez de combustibles. Los yacimientos son abundantes en muchosde los pases con gran consumo de energa y se ha avanzado bastante en latecnologa para convertirlo no solo en gas sino en combustibles lquidos.

Por qu es el carbn tan importante para la vida diaria en el mundoentero? El carbn es el combustible fsil ms abundante: seguro y de suministrogarantizado. Puede utilizarse en forma limpia y econmicamente.

ABUNDANTE: Las reservas de carbn son extensas y estn presentes en muchospases; en la actualidad el carbn se explota en ms de 50 pases.

SEGURO: El carbn es estable y, por tanto es el combustible fsil ms seguro desdelos puntos de vista de su transporte. almacenamiento y utilizacin.

SUMINISTRO GARANTIZADO: La abundancia de las reservas significa que a losusuarios de carbn se les puede garantizar la seguridad de los suministros delrecurso y ello a su vez, a precios competitivos, asegura el suministro de laelectricidad necesaria para los usos industriales y domsticos.

LIMPIO: Usando tecnologas disponibles. puede ahora quemarse el carbnlimpiamente en todo el mundo.

ECONOMICO: A nivel mundial. el carbn es un combustible competitivo para lageneracin de electricidad. sin la cual la vida en el mundo moderno seravirtualmente imposible. Es la principal fuente de energa para la generacin elctricaen el mundo entero.

Pero hay varios factores que han contribuido a retardar el uso del carbn comosustituto energtico. En primer lugar, a partir de la Segunda Guerra Mundial y hastala mitad de la dcada de los setenta, se haba invertido poco capital y tecnologa en

el desarrollo de su minera, debido al bajo costo del petrleo entonces y a laspredicciones de una rpida aceptacin de la energa nuclear, unido a las drsticasrestricciones para combatir la contaminacin atmosfrica, lo que ha ocasionado quemuchas plantas hayan abandonado el uso del carbn con alto contenido de azufre, afavor del petrleo y del gas natural. Estos factores restrictivos tienden a disminuir enla actualidad con los progresos logrados en el tratamiento de los humos y demssubproductos de combustin y una disminucin de las restriccionesanticontaminacin.


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Considerando que la era de la energa barata ha llegado a su fin, es de esperarseque en un futuro prximo el carbn constituya una alternativa muy promisoria, no

solo como materia prima para la produccin de gas, sino para la obtencin decombustible lquido, a la vez que abrir un futuro muy amplio a la industriacarboqumica.

La crisis energtica mundial en que forma tan dramtica ha afectado el desarrollo ylos trminos de intercambio entre los pases, ha motivado una nueva era deutilizacin del carbn. Se ha incrementado sustancialmente su consumo comocombustible slido especialmente para fines termoelctricos donde ha sustituido elgas y el fuel oil.

De todos los combustibles fsiles. el carbn es por mucho el ms abundante en el

mundo. Se ha estimado que, hasta 1996, haba ms de I billn (1 X 1012

) detoneladas de reservas totales de carbn accesibles de forma econmica. mediante eluso de tecnologas y explotacin actualmente disponibles; de ellas aproximadamentela mitad es carbn duro. No solamente existen grandes reservas, sino que tambinestn geogrficamente esparcidas en ms de 100 pases en todos los continentes.

La abundancia de las reservas significa su disponibilidad para suministro durantemucho tiempo. A los niveles de produccin de 1996. las reservas de carbn sonsuficientes para los prximos 250 aos. La cifra anterior no tiene en cuenta losrecursos carbonferos que:

Pueden probarse durante las exploraciones en curso; se vuelvan accesibles a medidaque se hagan mejoras en las tecnologas de explotacin; o, se vuelvan comercialespor el incremento en el uso de carbones de bajo grado cuya utilizacin no esactualmente rentable.

Adicionalmente, se continan haciendo avances significativos para mejorar lautilizacin eficiente del carbn, de tal manera que pueda obtenerse ms energa tilde cada tonelada de carbn.

Las relaciones actuales de reservas de carbn son aproximadamente 4 veces Lasreservas de Petrleo (45 aos aproximadamente) y gas (70 aos

aproximadamente).

La disponibilidad de reservas abundantes y fcilmente accesibles tambin significadisponibilidad de energa estable para pases tanto importadores como productores.


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2.1 PERSPECTIVAS DEL CARBON COLOMBIANO

Colombia cuenta con 6648 Mt. de reservas medidas y 2957 de reservas indicadas decarbn in situ, de tipo trmico y metalrgico, distribuidos en la regin andina y enla Costa Atlntica. De esta ultima las reservas se destinan principalmente a laexportacin, gracias a su cercana a los puertos de embarque. Del interior del passe vienen exportando carbones antractico y metalrgico, en un volumen que nosupera el milln de toneladas anuales.

Se estima, con base en las reservas conocidas y las proyecciones de produccin, queen Colombia se mantendr como un importante exportador de carbn por mas de40 aos.

Colombia ocupa un lugar de privilegio, no slo en Amrica Latina, sino en el mundo,por poseer un de los mayores yacimientos carbonferos del planeta y el mineral demejor calidad, del continente. Se estima que las reservas representanaproximadamente 2% del total mundial, pero dada su calidad tiene un peso anmayor en el mercado internacional. As las cosas, los conocedores opinan que elpas podra obtener este ao ms del 10% de participacin en el mercado decarbones trmicos en el mundo.

Para dimensionar esta riqueza, basta entender que Colombia pas de producir 21,3millones de toneladas en 1993 a 39 millones en 2002, y la Empresa Nacional Minera(Minercol) calcula que, de mantenerse la tendencia observada en el primer trimestre

del ao, la produccin subira a 46 millones de toneladas en 2003. Pero eso no estodo. Las proyecciones muestran que la produccin de carbn debera crecer 8%anualmente hasta alcanzar 64,7 millones de toneladas en 2006.

Mas all de esos clculos, lo alcanzado es notable. Colombia es ya el segundomayor vendedor de carbn en Europa, donde coloca el 52% de su produccin y esel mayor proveedor de Estados Unidos, pas al que vende el 26% adicional.

La importancia del sector en la economa del pas es creciente. Las exportaciones decarbn no slo sobrepasaron las del caf como generador de divisas, sino quegeneran el 90% de las regalas mineras (sin hidrocarburos) recaudadas por el

Estado. Segn el DANE, las exportaciones de carbn pasaron de 587,4 millones dedlares entre enero y julio de 2002, a 900,7 millones de dlares en el mismo perodode 2003.

La evolucin positiva del sector carbn se debe a: la poltica general adoptada, lapromocin que se le ha dado y, por su puesto, la ubicacin estratgica de loscarbones que se producen de los yacimientos de Cesar y Guajira, lo que redunda enuna alta competitividad a la hora de exportar.


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Los entendidos afirman que en un escenario de ms largo plazo, las posibilidadesson todava mayores. La localizacin geogrfica de los yacimientos, muy cerca de los

puertos de Santa Marta y Baha Portete, seguir siendo un factor clave, que a su vezse traduce en un precio ms competitivo a la hora de exportar. De esta forma, elpas podra competir contra pesos pesados de la industria ubicados en Surfrica,

Australia e Indonesia.

Por otra parte, los subsidios que hoy reciben los productores de Alemania, Francia,Espaa y Polonia, se han venido reduciendo de manera continua, lo cual les abregrandes posibilidades a los pases con costos de produccin menores, como es elcaso de Colombia. Mientras en Europa para sacar una tonelada de carbn seremueven 30 toneladas de materiales, en Colombia slo se mueven entre cinco yseis toneladas. Adicionalmente, los precios han subido y estn bordeando los 35

dlares por tonelada. Pero gracias a la posibilidad de extraccin y al aumento en losprecios, se pede prever que las exportaciones de carbn aumentarn en el cortoplazo.

Quiz la nica inquietud real en torno al mercado del mineral depende de lasdecisiones sobre las llamadas tecnologas limpias para evitar las emisiones dedixido de carbono, dixido de azufre y xido de nitrgeno, que se produce en laquema del mineral.

No obstante, en este caso la tecnologa puede proveer la respuesta. Una nuevageneracin de filtros ha permitido la construccin de plantas poco contaminantes,

con lo cual la demanda de carbn seguira asegurada en el corto plazo. Peromientras esa duda se define, lo cierto es que Colombia esta viviendo un bonanzacarbonfera que, con seguridad, continuar en el futuro cercano.

2.2 PRINCIPALES PROCESOS DE TRANFORMACIN DEL CARBON

El siguiente cuadro ilustra los principales procesos de transformacin del carbn.


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CARBON

Oxidacin (combustin)Sulfonacin

Licuefaccin Gasificacin Carbonizacin

2.2.1 Oxidacin

Se entiende por oxidacin un aumento controlado del contenido de oxgeno en lacomposicin elemental del carbn para la obtencin de cidos, en esencia cidoshmicos.

La aplicacin principal de este proceso se localiza en la produccin de materia primapara la industria de abonos y fertilizantes, en la obtencin de cidos orgnicos comolos cidos actico y oxlico: sin embargo este ltimo paso an no ha sidodesarrollado a nivel industrial.

La oxidacin total del carbn se conoce como combustin. En este proceso seemplean carbones trmicos, quemados directamente en trozos o pulverizados parala produccin de energa elctrica y adems en industrias como las del cemento,cermica, papel, metalurgia, vidrio, ladrillos y otros. El carbn mineral usado comocombustible slido constituye una base energtica fundamental, la cual serampliada con la puesta a punto de las tecnologas de gasificacin y licuefaccin.

2.2.2 Sulfonacin

Consiste en el tratamiento del carbn con cido sulfrico a determinadascondiciones de temperatura y presin. De escaso desarrollo: su finalidad es laobtencin de carbn activado a partir de carbn y coque, tambin la obtencin deresinas de intercambio inico.

Figura 2 Procesos de Transformacin del Carbn


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2.2.3 Carbonizacin

Es la descomposicin trmica de la hulla en ausencia de aire. Segn temperatura deoperacin se habla de carbonizacin a bajas temperaturas (500 700C) y altastemperaturas (por encima de 800C). El tipo de carbn, el proceso y los productosobtenidos son caractersticas para cada temperatura de trabajo.

Los mtodos de bajas temperaturas son procesos continuos, cuya finalidad principales la obtencin de semicoque (Combustible slido sin humo) de empleo corriente enlos pases industrializados por su bajo nivel contaminarte, su gran reactividad y sufcil combustin. El alquitrn obtenido se caracteriza por su baja densidad y altocontenido de parafina y fenoles, es materia prima para la obtencin de gasolinasinttica o directamente como combustible lquido.

En la carbonizacin a altas temperaturas se busca la obtencin de coque, materiaprima para la industria siderrgica. Por este mtodo se obtienen alquitranes mspesados y de mayor contenido de aromticos que los alquitranes de bajastemperaturas.

El tipo de carbn utilizado es diferente para cada uno de los sistemas, mientras queen altas se hace con carbones voltiles medio, el de bajas se realiza en carbonesaltos en materia voltil. Los alquitranes de bajas temperaturas se pueden someter alos procesos tradicionales de destilacin para la obtencin de productos qumicoscomo aceite diesel, gasolinas, fenoles, aceites pesados y breas. Los alquitranes de

altas temperaturas permiten la obtencin de cresota, antraceno, naftaleno, fenoles ybreas.

Para la carbonizacin a bajas temperaturas existen varios procesos comerciales,tales como: Coalite, Rexco, Lurgi Spulgas, Disco, Krupp Lurgi, etc.

Entre los procesos de carbonizacin a altas temperaturas con el fin de obtenercoque metalrgico, uno de los ms aceptados industrialmente es el Koppers.

2.2.4 Gasificacin

La gasificacin se puede interpretar como la reaccin del carbn o del coque conaire, oxgeno o vapor de agua para obtener como productos grandes cantidades degases utilizados en la produccin de energa o como materia prima para la sntesisqumica. Mediante la gasificacin del carbn se puede obtener un gas de alto o debajo poder calorfico segn el proceso empleado.

La composicin fundamental del gas obtenido es CO2, CO, H2y CH4.


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A partir de los gases se pueden sintetizar diferentes productos qumicos, tales comoamoniaco, urea, alcoholes, cetonas, gasolinas, aceite diesel, etc. Adems los gases

se pueden utilizar como agentes reductores en la metalurgia. Los procesos degasificacin de mayor inters comercial son los siguientes: Lurgi, Koppers Totzek yWinkler. En este campo se est investigando intensamente en la bsqueda desistemas de gasificacin ms econmicos y eficientes.

Un tipo particular de gasificacin se realiza bajo tierra, la que adems permiteaprovechar carbones de mala calidad y difcil extraccin mecnica.

2.2.5 Licuefaccin del Carbn

Es un proceso de transformacin del carbn a productos lquidos, normalmente

realizado por va de hidrogenacin.Fundamentalmente se pueden obtener como productos lquidos gasolina (paraautomotores y aviacin), aceites diesel, lubricantes y en cantidades menoresproductos gaseosos como butano, propano, etano y metano. Los rendimientosobtenidos dependen del tipo de carbn o brea utilizado, de las condicionestermodinmicas del proceso y del catalizador usado, estos rendimientos oscilanentre 70% - 90% en productos.

En los aos 30 se desarroll en Alemania el proceso BERGIUS para la hidrogenacindirecta de la hulla hasta combustibles lquidos y el proceso FISCHER TROPSCH para

sntesis de combustibles a partir de una mezcla de H2 y CO, ambos producidos apartir de la hulla. Los combustibles obtenidos por estos procesos suplieron lasnecesidades alemanas durante la Segunda Guerra Mundial. Recientemente losmayores desarrollos de esta tecnologa han sido logrados por EE.UU. y la URSS y lainvestigacin est centrada en la bsqueda de catalizadores selectivos que logrendisminuir la temperatura y presin de trabajo. Entre los procesos de mayordesarrollo en este campo se pueden citar el SYNTHOIL y el CONSOL. Tambin setrabaja actualmente con la extraccin por solventes en estado supercrtico paralograr mayores rendimientos.


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3 ORIGEN Y FORMACIN QUMICA DEL CARBN

3.1 COMPOSICIN QUMICA DEL CARBN

Por la reaccin de la fotosntesis se logra, la unin del carbono, del hidrgeno y deloxgeno, para transformar los tejidos de las plantas. Sin embargo la estructuraqumica de esos tejidos, no es igual en todas las partes de la planta y depende de lapropia vida de esta. Haremos un resumen de las funciones qumicas msimportantes, que existen en la vida vegetal, con el propsito de seguirlos en sustransformaciones hasta la aparicin del carbn.

3.2 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LAS PLANTAS

El carbn y el petrleo estn bsicamente constituidos de material orgnicoproveniente de los seres vivos.

En primer lugar se consideran los hidratos de carbono que son las formas qumicasms abundantes en cualquier vegetal de nuestra poca, aunque bien pudiera serque en otros periodos geolgicos no existieron en tanta cantidad.

3.2.1 Hidratos de Carbono y Similares.

En la actualidad los vegetales tienen la mayor cantidad de hidratos de carbono comofunciones qumicas: es posible que en los periodos geolgicos ms antiguos, losvegetales tuviesen una composicin diferente.

Los hidratos de carbono consisten en macro molculas formadas por anilloshexagonales no aromticos, compuestos por cinco tomos de carbono y uno de

CO2+ H2O + Energa Solar ! O2+ (CHO)

CelulosaLigninasGrasasCerasResinasOtros

Figura 3 Reaccin qumica del carbn


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oxgeno, unidos entre s para constituir largas cadenas rectas: ligados a estos anilloshay tomos de hidrgeno y radicales de bajo peso molecular.

La celulosa, es el principal representante de los hidratos, es el componente msimportante de las paredes celulares.

El almidn, similar al anterior, y reserva alimenticia de las plantas.

Las pectinas, son los constituyentes de muchas fibras vegetales

Las pentasonas, son los componentes de muchas gomas.

En la Figura 4 se muestran las estructuras de los principales hidratos de carbono.

3.2.2 Lignina y Lignanos.

La Lignina es el material que une las fibras celulsicas entre s; acta en forma decemento. La estructura de la lignina se conoce imperfectamente, pero se sabe quees de naturaleza aromtica.

Los Lignanos, son los principales constituyentes de muchos tejidos vegetales;corresponden, entre otros, al cido guayecrico, la conidendrina y el pinoresinol.Todos estos son muy resistentes al ataque qumico y es muy probable que as secomporten durante la fosilizacin de las plantas.

3.2.3 Ceras y Grasas.

Se derivan de los cidos grasos unidos a los alcoholes superiores. Las grasas seconcentran en algunos frutos y las ceras son mucho ms abundantes en las exinasde las esporas y en las cutculas de las hojas.

3.2.4 Resinas.

Forman el grupo de los materiales ms resistentes al ataque qumico; forman partede ellas algunos cidos como el abitico y el dextropimrico. Igualmente forman las

resinas los terpenos cclicos o acclicos derivados del isopropeno.

3.2.5 Protenas.

Son polmeros derivados de aminocidos; formados por el radical amina al unirse acadenas aliftica, aunque algunos tengan anillos alifticos o heterocclicos. Sedistinguen fundamentalmente por la presencia de nitrgeno. Muy relacionada con


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las protenas est la clorofila y los alcaloides. En la figura 5 se muestra la estructurade un carbn.

Figura 4 Estructuras de los principales hidratos de carbono


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3.3 CARBONIFICACIN DE LAS PLANTAS.

Es complicado imaginar lo que ha sido la evolucin de las plantas hasta llegar a loscarbones actuales. Sin embargo, vamos a presentar algunas teoras que nos ilustranal respecto.

3.3.1 Teoras sobre la carbonificacin de las plantas

Entre todos estos compuestos, como hemos dicho, la parte ms importante laconstituye la celulosa y sus derivados. Su proporcin, en las plantas, variaconsiderablemente en la actualidad, y puede haber sido muy diferente en otrosperodos geolgicos. Hoy en da, la celulosa representa, por trmino medio del 55 al60% de la planta; la lignina llega a un 30% y las grasas, ceras y resinas suponen un

Figura 5 Estructura de un carbn bituminoso segn modelo de Wiser


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5%. Las hemicelulosas pueden sustituir a la celulosa hasta en su mitad. El resto estrepartido entre pectinas almidones , etc.

Sin embargo, Standnikoff ha determinado en plantas existentes en los Urales hastaun 37,7% de lignina frente a slo el 15,5% de celulosa en la misma planta, lo quesupone una inversin de la importancia relativa de estas sustancias.

3.3.2 Teora de la Celulosa.

Hasta principios de este siglo, se admita universalmente que el carbn se derivabatotalmente de las transformaciones sufridas por la celulosa de las plantas, y andespus, la defensa de la Teora de la Celulosa, la asumi BERGIUS que sometiendola celulosa a una temperatura de 300C, y a una elevada presin, condiciones

anlogas, segn se pensaba a las existentes en lo profundo de los geosinclinalesdonde se formaron las cuencas carbonferas, logr obtener una sustancia parecida alcarbn, las reacciones producidas podan resumirse en la siguiente:

50 (C6H10O5) !C263H200O26 + 37CO2 + 50H2O

El tiempo necesario para esta transformacin sera de unos 8 millones de aos.

Sin embargo, MAILLARD, en 1911 haba probado que los azcares puedentransformarse en sustancia hmica bajo la accin de los aminocidos. Esto suponala posibilidad de una conversin de la celulosa en compuestos hmicos, paralela a la

misma transformacin de la lignina.

3.3.3 Teora de la Lignina.

Pero la oposicin ms rotunda a la Teora de la Celulosa la realizaron FISCHER ySHCRADER, en 1922, enunciando la llamada Teora de la Lignina, y demostrandoque la celulosa en las condiciones de fermentacin propias de los pantanos donde seinici la formacin de los carbones, desaparecera totalmente al convertirse enproductos solubles en el agua, como alcoholes o cidos alifticos y en gases,especialmente anhdrido carbnico y metano.

El esquema de la transformacin de las plantas, segn esta teora, sera la siguiente:


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3.3.4 Teora de Waksman.

Waksman atribuy un papel importante a las protenas en la formacin del carbn.Segn el esquema, los hidratos de carbono son atacados por los microorganismosdando anhdrido carbnico y agua, aprovechando parte para formar su propiamateria celular. Igualmente, las protenas vegetales son descompuestos por los

microorganismos transformndose parte en Compuestos voltiles (amonaco yxidos) pasando el resto a constituir la materia viviente de dichos seres. En estomateria viviente existan grasas y aminocidos que por accin sobre la lignina ms omenos alterada dieron lugar a los materiales hmicos, a los que se aaden otrosms resistentes como las exinas para formar el carbn.

PLANTA

Celulosa Li nina Ceras resinas

CO2; CH4; alcoholescidos alifticos

Acidos hmicos conradicales metoxlicos

CH3COOH

Acidos hmicos sinradicales metoxlicos

CH3OH

H2OHuminas insolubles en

alcalisBitumenes

CCCAAARRRBBBOOONNNFigura 6 Teora de la Lignina


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3.3.5 Teora de Flaig.

En la actualidad los investigadores formulan que tanto la lignina como la, celulosaintervienen en la formacin del carbn. Flaig y Schulze confirmaron este mecanismoen 1952, en el cual interviene

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Manual de Carbones