Las técnicas de análisis del carbón son métodos analíticos específicos diseñados para medir las propiedades físicas y químicas particulares del carbón . Estos métodos se utilizan principalmente para determinar la idoneidad del carbón para la coquización , la generación de energía o la fundición de mineral de hierro en la fabricación de acero .
El carbón se divide en cuatro tipos o categorías principales: lignito o carbón pardo , carbón bituminoso o carbón negro, antracita y grafito . Cada tipo de carbón tiene un conjunto determinado 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 otros tipos de humedades extrañas se conocen como humedad adventicia y se evaporan fácilmente. La humedad contenida en el 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 por la pérdida de masa entre una muestra sin tratar y la muestra una vez analizada. Esto se logra mediante cualquiera de los siguientes métodos:
Los métodos 1 y 2 son adecuados para carbones de bajo rango, pero el método 3 solo es adecuado para carbones de alto rango, ya que el secado al aire libre de carbones de bajo rango puede promover la oxidación. La humedad inherente se analiza de manera similar, aunque puede realizarse al vacío.
La materia volátil en el carbón se refiere a los componentes del carbón, excepto la humedad, que se liberan a alta temperatura en ausencia de aire. Por lo general, se trata de una mezcla de hidrocarburos de cadena corta y larga, hidrocarburos aromáticos y algo de azufre. La materia volátil también se evalúa mediante la aplicación de adsorción de un carbón activado. La materia volátil del carbón se determina según estándares estrictamente controlados. En los 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, la materia volátil disminuye (AMK).
El contenido de cenizas del carbón es el residuo no combustible que queda después de quemarlo. Representa la materia mineral a granel después de que el carbono, el oxígeno, el azufre y el agua (incluso de las arcillas) se han eliminado durante la combustión. El análisis es bastante sencillo: el carbón se quema por completo y el material de cenizas se expresa como un porcentaje del peso original. También puede dar una indicación sobre la calidad del carbón. El contenido de cenizas se puede determinar en base al secado al aire y en base al secado al horno. La principal diferencia entre los dos es que el último se determina después de expulsar el contenido de humedad en 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 de carbono final del carbón porque parte del carbono se pierde en los hidrocarburos junto con los volátiles. El carbono fijo se utiliza como una estimación de la cantidad de coque que se obtendrá 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. El conocimiento de la densidad de cada yacimiento de carbón es necesario para determinar las propiedades de los compuestos y las mezclas. La densidad de la veta de carbón es necesaria para convertir los recursos en reservas.
La densidad relativa se determina normalmente por la pérdida de peso de una muestra en el 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 grado del carbón, que determina su fragilidad, y de la manipulación, trituración y molienda a la que ha sido sometido. Generalmente, el carbón se utiliza en hornos y hornos de coque con un tamaño determinado, por lo que es necesario 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 la maquinaria de trituración adecuada para optimizar el tamaño de las partículas para su 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 mineral y la porosidad. El carbón se lava generalmente pasándolo sobre un baño de líquido de densidad conocida. Esto elimina las partículas con alto valor de cenizas y aumenta la comerciabilidad del carbón, así como su contenido energético por unidad de volumen. Por lo tanto, los carbones deben someterse a una prueba de flotación-hundimiento en el laboratorio, que determinará el tamaño óptimo de partícula 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-hundimiento se logra en carbón triturado y pulverizado en un proceso similar a la prueba metalúrgica en mineral metálico .
La abrasión es una propiedad del carbón que describe su propensión y capacidad de desgastar la maquinaria y someterse a una molienda 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 cuchillas 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, 1500 revoluciones durante 8 min). El índice de abrasión se determina midiendo la pérdida de masa de las cuatro cuchillas metálicas.
Además de los análisis físicos o químicos para determinar el perfil de manejo y contaminantes de un carbón, la producción de energía de un carbón se determina utilizando un calorímetro de bomba que mide la producción de energía específica de un carbón durante la combustión completa. Esto es necesario en particular para los carbones utilizados en la generación de vapor.
El comportamiento de los residuos de cenizas del carbón a altas temperaturas es un factor crítico a la hora de seleccionar carbones para la generación de energía a vapor. La mayoría de los hornos están diseñados para eliminar las cenizas en forma de residuo pulverulento. El carbón que tiene cenizas que se funden en una escoria vítrea dura conocida como clínker no suele ser adecuado para los hornos, ya que requiere limpieza. Sin embargo, los hornos pueden diseñarse para manipular el clínker, 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. Las cenizas, en forma de cono, pirámide o cubo, se calientan de manera constante por encima de los 1000 °C hasta alcanzar 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. Esta prueba consiste en calentar una pequeña muestra de carbón en un crisol estandarizado a unos 800 grados Celsius (1500 °F).
Después de calentar durante un tiempo determinado, o hasta que se hayan eliminado todos los componentes volátiles, queda un pequeño botón de coque en el crisol. El perfil de la sección transversal de este botón de coque comparado con un conjunto de perfiles estandarizados determina el índice de hinchamiento libre.
Varias normas internacionales clasifican los carbones por su rango, donde el aumento de rango 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 por su valor calorífico . Los volátiles y el carbono se encuentran en una base libre de minerales secos; el valor calorífico se basa en el contenido de humedad tal como se extrae, pero sin agua libre.
La ISO también tiene un sistema de clasificación del carbón, aunque sus subdivisiones no se alinean con el estándar ASTM.
Métodos analíticos del carbón Blackwell Scientific Press, 1984.