El carbón bituminoso , o hulla negra , es un tipo de carbón que contiene una sustancia parecida al alquitrán llamada betún o asfalto. Su coloración puede ser negra o en ocasiones marrón oscuro; A menudo hay bandas bien definidas de material brillante y opaco dentro de las costuras . [ cita requerida ] Por lo general, es duro pero friable . Su calidad es superior a la del lignito y al carbón subbituminoso , pero inferior a la de la antracita . Es el tipo de carbón más abundante, [ cita necesaria ] con depósitos que se encuentran en todo el mundo, a menudo en rocas de la edad Carbonífera . [ cita necesaria ] El carbón bituminoso se forma a partir de carbón subbituminoso que se entierra lo suficientemente profundamente como para calentarlo a 85 ° C (185 ° F) o más. [ cita necesaria ]
El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica [ cita requerida ] y en la industria del acero . El carbón bituminoso apto para la fundición de hierro ( carbón coquizable o carbón metalúrgico ) debe ser bajo en azufre y fósforo . Tiene un precio más alto que otros grados de carbón bituminoso (carbón térmico) utilizado para calefacción y generación de energía.
Dentro de la industria minera del carbón , este tipo de carbón es conocido por liberar mayores cantidades de grisú , una peligrosa mezcla de gases que puede provocar explosiones subterráneas. [ cita necesaria ] La extracción de carbón bituminoso exige los más altos procedimientos de seguridad que involucran un monitoreo atento del gas, buena ventilación y una gestión atenta del sitio. [ cita necesaria ]
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El carbón bituminoso es un rango particular de carbón , según lo determinado por la cantidad y el tipo de carbono presente en el carbón y la cantidad de energía que puede producir cuando se quema. [1] Tiene un rango superior al del carbón subbituminoso , pero un rango inferior al de la antracita . [2] El carbón bituminoso es el tipo de carbón más abundante. [2] [1]
La clasificación del carbón se basa en varias características del carbón. El contenido de carbono fijo se refiere al porcentaje del carbón que no es ni humedad, ni cenizas, ni materia volátil. Cuando se evalúa en base seca y libre de materia mineral, el contenido de carbono fijo es la fracción del carbón que no es materia orgánica volátil. [3] Un carbón aglomerante es un carbón que se ablanda cuando se calienta, formando un coque duro, gris y poroso que resiste el aplastamiento. [4] La reflectancia de vitrinita es una medida de cuán reflectante es una superficie pulida de una partícula promedio de vitrinita en el carbón. Está determinado por la cantidad de carbono que se ha condensado en una forma aromática debido al calor y la presión del entierro profundo. [5]
En los Estados Unidos, el carbón bituminoso se define como carbón aglomerado que produce al menos 10 500 Btu /lb (24 400 kJ/kg) de energía en la combustión (sobre una base húmeda y libre de materia mineral), con un contenido de carbono fijo inferior al 86 % (sobre una base seca y libre de materia mineral). El carbón con un mayor contenido de carbono fijo se clasifica como antracita, mientras que el carbón aglomerado produce menos de 10 500 Btu/lb (24 400 kJ/kg) o el carbón no aglomerado produce menos de 11 500 Btu. /lb (26.700 kJ/kg) se clasifica como carbón subbituminoso. [6] En el mercado internacional, el carbón bituminoso se define como carbón con una reflectancia de vitrinita entre 0,5 y 1,9. La reflectancia de vitrinita también se mide de forma rutinaria para el carbón estadounidense como control de su clasificación [7].
El carbón bituminoso es de color marrón oscuro a negro, [2] duro, [8] pero friable . [9] Comúnmente se compone de finas bandas de material brillante y opaco que se alternan. [8] Aunque el carbón bituminoso varía en su composición química, una composición típica es aproximadamente 84,4% de carbono, 5,4% de hidrógeno, 6,7% de oxígeno, 1,7% de nitrógeno y 1,8% de azufre, en peso. [10] La densidad de su banco (la densidad de una veta de carbón antes de romperse durante la minería) es de aproximadamente 1346 kg/m 3 (84 lb/ft 3 ), mientras que la densidad aparente del carbón extraído es de hasta 833 kg/m 3 ( 52 libras/pie 3 ). [11] El carbón bituminoso se caracteriza por arder con una llama humeante y se ablanda y se hincha durante la combustión. [12] Recibe su nombre de esta tendencia a formar una masa blanda y pegajosa cuando se calienta, [7] que refleja la presencia de betún (alquitrán mineral) en el carbón. [7]
Aunque casi todo el carbón aglomerante es de rango bituminoso, parte del carbón bituminoso no es aglomerante. [6] El carbón bituminoso no aglomerante incluye el carbón de canal y el carbón de boghead . Estos no tienen bandas ni son reflectantes y se rompen con una fractura concoidea. Ambos son sapropélicos , a diferencia de la mayoría del carbón bituminoso, que es húmico (compuesto de tejido leñoso de plantas en descomposición). El carbón de cannel se compone principalmente de esporas de plantas, mientras que el carbón de boghead se compone principalmente de restos de algas sin esporas. [13] [14]
En los Estados Unidos, el carbón bituminoso se divide a su vez en subrangos según su poder calorífico y su contenido de carbono fijo.
Por lo tanto, el carbón bituminoso se divide en categorías de alta, media y baja volatilidad según el contenido de carbono fijo, y el carbón bituminoso de alta volatilidad se subdivide según el contenido de energía.
La clasificación ISO del carbón bituminoso se basa en la reflectancia de la vitrinita. [5] Esta clasificación divide el carbón de rango medio (aproximadamente equivalente al carbón bituminoso) en cuatro subrangos. En orden creciente de rango, estos son: [16]
El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica y en la fabricación de acero .
El carbón coquizable ( carbón metalúrgico o "carbón metálico") se utiliza en la fabricación de acero . Un buen carbón coquizable debe tener excelentes propiedades de aglomeración, un alto contenido de carbono y un bajo contenido de azufre, fósforo y cenizas. El mejor carbón coquizable sin mezclar es el carbón bituminoso de volatilidad media de alta calidad. [17] Sin embargo, dado que los carbones individuales con todas las propiedades necesarias son escasos, el carbón coquizable suele ser una mezcla de carbón bituminoso de alta volatilidad con cantidades menores de carbón bituminoso de volatilidad media y baja. [18]
El carbón de herrería es carbón bituminoso de máxima calidad, lo más libre posible de cenizas y azufre, utilizado para fabricar coque destinado a los herreros . [11]
El carbón coquizable tiene un precio más alto que el carbón utilizado para la producción de energía. En 2020 [actualizar], el carbón coquizable en EE. UU. se vendía por aproximadamente127 dólares/ tonelada corta , en comparación con50,05 $/tonelada corta para el carbón bituminoso en general. El costo del carbón coquizable es aproximadamente 3,5 veces mayor que el costo del carbón utilizado para generar energía eléctrica (que incluye rangos inferiores de carbón, como el carbón subbituminoso y el lignito , así como el carbón bituminoso no coquizable) .
El carbón bituminoso que carece de las cualidades necesarias para su uso como carbón metalúrgico se clasifica como carbón térmico. Este se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica. [20] [21] El carbón térmico ideal se enciende fácilmente pero tiene un alto contenido de calor. [11]
El carbón bituminoso se utiliza para la producción de carbón activado . Primero se coquiza el carbón, eliminando los volátiles, y luego se trata con vapor para activarlo. También se han investigado los procesos químicos para activar el coque producido a partir de carbón bituminoso. [22]
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Al igual que otras clases de carbón, el carbón bituminoso se forma a partir de espesas acumulaciones de material vegetal muerto que se entierran más rápido de lo que pueden descomponerse. Esto suele tener lugar en turberas , donde los restos de plantas que caen quedan sumergidos en agua estancada. El agua estancada excluye el oxígeno, crea un ambiente ácido y retarda la descomposición. El material vegetal muerto se convierte en turba . [23]
La turba es principalmente una mezcla de celulosa , hemicelulosa y lignina que originalmente formaba el tejido leñoso de las plantas. [24] La lignina tiene una composición en peso de aproximadamente 54% de carbono, 6% de hidrógeno y 30% de oxígeno, mientras que la celulosa tiene una composición en peso de aproximadamente 44% de carbono, 6% de hidrógeno y 49% de oxígeno. El carbón bituminoso tiene una composición de aproximadamente 84,4% de carbono, 5,4% de hidrógeno, 6,7% de oxígeno, 1,7% de nitrógeno y 1,8% de azufre, en peso. [10] Esto implica que los procesos químicos durante la carbonificación eliminan la mayor parte del oxígeno y gran parte del hidrógeno, dejando carbono, un proceso llamado carbonización . [25]
Durante la carbonificación, el contenido de carbono del carbón maduro aumenta, disminuye el contenido de hidrógeno y volátiles, aumenta su poder calorífico y se vuelve más oscuro y brillante. [26] Los cambios químicos incluyen deshidratación (que elimina oxígeno e hidrógeno como agua), descarboxilación (que elimina oxígeno como dióxido de carbono ) y desmetanación (que elimina hidrógeno como metano ). Cuando el carbón alcanza el rango bituminoso, la mayor parte de la deshidratación y descarboxilación ya ha tenido lugar, y la maduración del carbón bituminoso se caracteriza por la desmetanación. [27] Durante la carbonificación en rango bituminoso, el carbón se acerca a su valor calorífico máximo y comienza a perder la mayor parte de su contenido volátil. [28]
A medida que avanza la carbonización, los compuestos alifáticos (compuestos de carbono caracterizados por cadenas de átomos de carbono) son reemplazados por compuestos aromáticos (compuestos de carbono caracterizados por anillos de átomos de carbono) y los anillos aromáticos comienzan a fusionarse en compuestos poliaromáticos (anillos unidos de átomos de carbono). [29] La estructura se parece cada vez más al grafeno , el elemento estructural del grafito . Esto va acompañado de un aumento en la reflectancia de la vitrinita, utilizada para evaluar el rango del carbón. [5]
Durante la carbonificación, la presión del entierro reduce el volumen de la turba original en un factor de 30 a medida que se convierte en carbón. [30] Sin embargo, el aumento en el rango del carbón maduro refleja principalmente la temperatura máxima que alcanza el carbón. Ni la presión máxima, ni la naturaleza del material vegetal original, ni la duración del entierro son tan importantes. [26] El rango de temperatura para la maduración del carbón bituminoso es de 85 a 235 °C (185 a 455 °F). [31] [32] El betún que caracteriza al carbón bituminoso se forma aproximadamente en las mismas condiciones en las que se forma el petróleo en las rocas generadoras de petróleo. La bituminización va acompañada de una generación máxima de metano en carbón bituminoso de volatilidad media a baja. Esto hace que estos carbones bituminosos se conviertan en "gaseosos" y se deben tomar precauciones contra las explosiones de metano. Si el carbón alcanza temperaturas superiores a aproximadamente 235 °C (455 °F), el betún se descompone ( desbituminización ) y el carbón madura hasta convertirse en antracita. [7]
Los depósitos de carbón están ampliamente distribuidos en todo el mundo y su edad varía desde el Devónico (hace unos 360 a 420 millones de años) [33] hasta depósitos del Neógeno de sólo unos pocos millones de años. [34] Sin embargo, el 90% de todos los yacimientos de carbón se depositaron en los períodos Carbonífero y Pérmico , que representan sólo el 2% de la historia geológica de la Tierra. [35] Vastos depósitos de carbón se formaron en humedales , llamados bosques de carbón , que cubrieron gran parte de las áreas terrestres tropicales de la Tierra durante las épocas del Carbonífero tardío ( Pensilvania ) y Pérmico . [36] [37] El carbón bituminoso es predominantemente de edad Carbonífera . [2] [38]
La mayor parte del carbón bituminoso de Estados Unidos tiene entre 100 y 300 millones de años. [39] En las provincias de los Apalaches y del Interior de América del Norte se encuentran grandes depósitos de carbón bituminoso de la edad de Pensilvania . La minería se realiza tanto en minas superficiales como subterráneas. Históricamente, las numerosas vetas diseminadas sobre terreno accidentado en los Apalaches han sido propicias para la minería por parte de pequeñas empresas, mientras que la gran extensión y la suave pendiente de los lechos más al oeste favorecen operaciones a muy gran escala. El carbón de los Apalaches tiene un contenido notablemente bajo de azufre y suele ser de calidad metalúrgica, mientras que el carbón de la Provincia Interior tiene un contenido mucho mayor de azufre. [40]
El cinturón de yacimientos de carbón del Carbonífero se extiende hasta Europa central, [41] y gran parte de él es carbón bituminoso. Los campos de carbón bituminoso se encuentran en Polonia [42] y la República Checa, [43] y los depósitos polacos son uno de los recursos naturales más importantes de esa nación. [44] Los yacimientos checos han sido explotados desde tiempos prehistóricos. [43] Los depósitos europeos incluyen las Medidas del Carbón de Gran Bretaña, que representan la mayor parte de la producción de carbón de Gran Bretaña y que son en su mayoría carbón bituminoso. [45] La cuenca de carbón de Westfield es la más grande de Gran Bretaña. [46] Otros depósitos importantes de carbón bituminoso se encuentran en gran parte de Europa, incluidos Francia, Alemania y el norte de Italia. [47]
La deposición de carbón fue interrumpida por el evento de extinción del Pérmico-Triásico , [48] pero se reanudó más tarde en el Pérmico . En Siberia, el este de Asia y Australia se encuentran extensos depósitos de carbón bituminoso de la edad pérmica. [49] Estos incluyen la cuenca de carbón Minusinsky en Siberia, [50] las cuencas de Queensland , Bowen y Sydney en Australia, [51] y las extensas reservas de carbón bituminoso de China. [52]
Un segundo pico en la deposición de carbón comenzó en el Cretácico , aunque la mayor parte es carbón de rango inferior en lugar de bituminoso. [49] En los Estados Unidos, los carbones bituminosos del Cretácico se encuentran en Wyoming, Colorado y Nuevo México. [53] [54] En Canadá, la cuenca sedimentaria del oeste de Canadá de Alberta y Columbia Británica alberga importantes depósitos de carbón bituminoso que se formaron en pantanos a lo largo del margen occidental de la vía marítima interior occidental . Su edad varía desde el Jurásico tardío o el Cretácico temprano en la Formación Mist Mountain , hasta el Cretácico Tardío en la Formación Gates . [55] Los yacimientos de carbón intermontanos e insulares de la Columbia Británica también contienen depósitos de carbón bituminoso del Cretácico. [56]
En 2009 [actualizar], los países con mayores recursos estimados en última instancia recuperables de carbón bituminoso eran Estados Unidos, 161,6 Gt ; India, 99,7 Gt; China, 78,4 Gt; Australia, 51,3 Gt; Sudáfrica, 38,7 Gt; el Reino Unido, 26,8 Gt; Alemania, 25,2 Gt; Colombia, 7,8 Gt; Indonesia, 5,6 Gt; y Francia, 4,4 Gt [57]
En 2018 [actualizar], la producción mundial total de carbón bituminoso (carbón coquizable más otros carbones bituminosos) fue de 6.220 Gt. El principal productor es China, seguido por India y Estados Unidos en un distante segundo y tercer lugar. [58]
La producción estadounidense de carbón bituminoso fue de 238 millones de toneladas cortas en 2020 [59] y representó el 44% de toda la producción de carbón estadounidense. El carbón bituminoso se extrae en 18 estados, pero los cinco estados de Virginia Occidental, Pensilvania, Illinois, Kentucky e Indiana producen el 74% del carbón estadounidense. [1]
La maduración del carbón bituminoso en el subrango de volatilidad media y baja va acompañada de una generación máxima de metano. Esto hace que estos carbones bituminosos se conviertan en "gaseosos" y se deben tomar precauciones contra las explosiones de metano. [7] Los disolventes líquidos iónicos a base de imidazolio pueden reducir la combustión espontánea, que representa del 2 al 3 por ciento de las emisiones globales anuales de dióxido de carbono . [60]
En el pasado, el carbón bituminoso se utilizaba ampliamente para la calefacción de hogares en Estados Unidos. Sin embargo, el carbón bituminoso es un combustible relativamente sucio. Se estima que la reducción del uso de carbón bituminoso entre 1945 y 1960 salvó al menos 1.923 vidas de todas las edades y 310 vidas infantiles por mes de invierno. [61] La calidad del carbón bituminoso se mejora con métodos de flotación , que aumentan la fracción de vitrinita para producir un producto de combustión más limpia. [62]
Se está investigando activamente la bioconversión de carbón bituminoso en metano como tecnología limpia del carbón. [63]
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