Las técnicas de análisis del carbón son métodos analíticos específicos diseñados para medir las propiedades físicas y químicas particulares de los carbones . Estos métodos se utilizan principalmente para determinar la idoneidad del carbón para coque , generación de energía o para la fundición de mineral de hierro en la fabricación de acero .
El carbón se presenta en cuatro tipos o rangos principales: lignito o lignito , hulla bituminosa o hulla, antracita y grafito . Cada tipo de carbón tiene un determinado conjunto de parámetros físicos que están controlados principalmente por la humedad, el contenido volátil (en términos de hidrocarburos alifáticos o aromáticos ) y el contenido de carbono.
La humedad es una propiedad importante del carbón, ya que todos los carbones se extraen húmedos. El agua subterránea y otra humedad extraña se conoce como humedad adventicia y se evapora fácilmente. La humedad contenida dentro del carbón se conoce como humedad inherente y se analiza cuantitativamente. La humedad puede presentarse en cuatro formas posibles dentro del carbón:
La humedad total se analiza mediante la pérdida de masa entre una muestra no tratada y la muestra una vez analizada. Esto se logra mediante cualquiera de los siguientes métodos;
Los métodos 1 y 2 son adecuados con carbones de bajo rango, pero el método 3 solo es adecuado para carbones de alto rango, ya que secar al aire libre los carbones de bajo rango puede promover la oxidación. La humedad inherente se analiza de manera similar, aunque se puede realizar al vacío.
La materia volátil del carbón se refiere a los componentes del carbón, excepto la humedad, que se libera a alta temperatura en ausencia de aire. Suele ser una mezcla de hidrocarburos de cadena corta y larga, hidrocarburos aromáticos y algo de azufre. La materia volátil también evalúa la aplicación de adsorción de un carbón activado. La materia volátil del carbón se determina según normas estrictamente controladas. En laboratorios australianos y británicos, esto implica calentar la muestra de carbón a 900 ± 5 °C (1650 ±10 °F) durante 7 min. Además, a medida que aumenta el rango del carbón, disminuye la materia volátil (AMK).
El contenido de cenizas del carbón es el residuo no combustible que queda después de quemar el carbón. Representa la masa mineral a granel después de que durante la combustión se haya eliminado el carbono, el oxígeno, el azufre y el agua (también de las arcillas). El análisis es bastante sencillo: el carbón se quema completamente y las cenizas se expresan como porcentaje del peso original. También puede dar una indicación sobre la calidad del carbón. El contenido de cenizas se puede determinar secando al aire y en horno. La principal diferencia entre ambos es que este último se determina después de expulsar el contenido de humedad de la muestra de carbón.
El contenido de carbono fijo del carbón es el carbono que se encuentra en el material que queda después de que se eliminan los materiales volátiles . Esto difiere del contenido final de carbono del carbón porque parte del carbono se pierde en los hidrocarburos con los volátiles. El carbono fijo se utiliza como estimación de la cantidad de coque que se producirá a partir de una muestra de carbón. El carbono fijo se determina eliminando la masa de volátiles determinada por la prueba de volatilidad anterior de la masa original de la muestra de carbón.
La densidad relativa o gravedad específica del carbón depende del rango del carbón y del grado de impureza mineral. Es necesario conocer la densidad de cada yacimiento de carbón para determinar las propiedades de los compuestos y mezclas. La densidad de la veta de carbón es necesaria para la conversión de recursos en reservas.
La densidad relativa normalmente se determina por la pérdida de peso de una muestra en agua. Esto se logra mejor utilizando carbón finamente molido, ya que las muestras a granel son bastante porosas. Sin embargo, para determinar los tonelajes de carbón in situ, es importante preservar el espacio vacío al medir la gravedad específica.
La distribución del tamaño de las partículas del carbón molido depende en parte del rango del carbón, que determina su fragilidad, y de la manipulación, trituración y molienda que haya sufrido. Generalmente el carbón se utiliza en hornos y coquerías de cierto tamaño, por lo que se debe determinar la triturabilidad del carbón y cuantificar su comportamiento. Es necesario conocer estos datos antes de extraer el carbón, de modo que se pueda diseñar maquinaria trituradora adecuada para optimizar el tamaño de las partículas para el transporte y uso.
Las capas y partículas de carbón tienen diferentes densidades relativas, determinadas por el contenido de vitrinita , el rango, el valor de cenizas/contenido de minerales y la porosidad. El carbón se suele lavar pasándolo sobre un baño de líquido de densidad conocida. Esto elimina las partículas con alto contenido de cenizas y aumenta la vendibilidad del carbón, así como su contenido de energía por unidad de volumen. Así, los carbones deben ser sometidos a una prueba de flotación-sumidero en el laboratorio, que determinará el tamaño de partícula óptimo para el lavado, la densidad del líquido de lavado necesaria para eliminar el valor máximo de cenizas con el mínimo trabajo.
La prueba de flotación-sumidero se realiza con carbón triturado y pulverizado en un proceso similar a las pruebas metalúrgicas con minerales metálicos .
La abrasión es la propiedad del carbón que describe su propensión y capacidad de desgastar la maquinaria y sufrir una trituración autónoma. Mientras que la materia carbonosa del carbón es relativamente blanda, el cuarzo y otros componentes minerales del carbón son bastante abrasivos. Esto se prueba en un molino calibrado que contiene cuatro aspas de masa conocida. El carbón se agita en el molino durante 12.000 revoluciones a una velocidad de 1.500 revoluciones por minuto (es decir, 1.500 revoluciones durante 8 minutos). El índice de abrasión se determina midiendo la pérdida de masa de las cuatro palas metálicas.
Además de los análisis físicos o químicos para determinar el manejo y el perfil de contaminantes de un carbón, la producción de energía de un carbón se determina utilizando una bomba calorimétrica que mide la producción de energía específica de un carbón durante la combustión completa. Esto es necesario especialmente para los carbones utilizados en la generación de vapor.
El comportamiento de los residuos de cenizas del carbón a alta temperatura es un factor crítico en la selección de carbones para la generación de energía a vapor. La mayoría de los hornos están diseñados para eliminar las cenizas en forma de residuo en polvo. El carbón que tiene cenizas que se fusionan formando una escoria vítrea dura conocida como clinker no suele ser satisfactorio en los hornos, ya que requiere limpieza. Sin embargo, se pueden diseñar hornos para manipular el clinker, generalmente eliminándolo como líquido fundido.
Las temperaturas de fusión de las cenizas se determinan observando una muestra moldeada de ceniza de carbón a través de una ventana de observación en un horno de alta temperatura. La ceniza, en forma de cono, pirámide o cubo, se calienta de manera constante más allá de los 1000 °C hasta la temperatura más alta posible, preferiblemente 1600 °C (2910 °F). Se registran las siguientes temperaturas;
La prueba más sencilla para evaluar si un carbón es adecuado para la producción de coque es la prueba del índice de hinchamiento libre. Esto implica calentar una pequeña muestra de carbón en un crisol estandarizado a alrededor de 800 grados Celsius (1500 °F).
Después de calentar durante un tiempo específico, o hasta que se eliminen todos los volátiles, queda una pequeña porción de coque en el crisol. El perfil transversal de este botón de coca cola en comparación con un conjunto de perfiles estandarizados determina el índice de hinchazón libre.
Varias normas internacionales clasifican los carbones por su rango, donde un rango creciente corresponde al carbón con un mayor contenido de carbono. El rango del carbón está correlacionado con su historia geológica, como se describe en la ley de Hilt .
En el sistema ASTM , cualquier carbón con más del 69% de carbono fijo se clasifica por su contenido de carbono y volátiles. El carbón con menos del 69% de carbono fijo se clasifica según su poder calorífico . Los volátiles y el carbono se encuentran sobre una base seca libre de minerales; El valor calorífico se basa en el contenido de humedad extraída, pero sin agua libre.
La ISO también tiene un sistema de clasificación del carbón, aunque sus subdivisiones no se alinean con la norma ASTM.
Métodos analíticos del carbón Blackwell Scientific Press, 1984.