El carbón bituminoso , o carbón negro , es un tipo de carbón que contiene una sustancia parecida al alquitrán llamada betún o asfalto. Su coloración puede ser negra o, a veces, marrón oscuro; a menudo hay bandas bien definidas de material brillante y opaco dentro de las vetas . Por lo general, es duro pero friable . Su calidad se clasifica por encima del lignito y el carbón subbituminoso , pero por debajo de la antracita . Es el rango de carbón más abundante, con depósitos encontrados en todo el mundo, a menudo en rocas de la era Carbonífera . El carbón bituminoso se forma a partir de carbón subbituminoso que está enterrado lo suficientemente profundo como para ser calentado a 85 °C (185 °F) o más.
El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica [1] y en la industria siderúrgica . El carbón bituminoso adecuado para la fundición de hierro ( carbón de coque o carbón metalúrgico ) debe tener un bajo contenido de azufre y fósforo . Su precio es más alto que el de otros tipos de carbón bituminoso (carbón térmico) utilizados para calefacción y generación de energía.
En la industria minera del carbón , este tipo de carbón es conocido por liberar las mayores cantidades de grisú , una peligrosa mezcla de gases que puede provocar explosiones subterráneas. La extracción de carbón bituminoso exige los más altos procedimientos de seguridad que incluyen un control atento de los gases, una buena ventilación y una gestión atenta del lugar.
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El carbón bituminoso es un rango particular de carbón , determinado por la cantidad y el tipo de carbono presente en el carbón y la cantidad de energía que puede producir cuando se quema. [2] Es de rango superior al carbón subbituminoso pero de rango inferior al antracita . [3] El carbón bituminoso es el rango de carbón más abundante. [3] [2]
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 ceniza, ni materia volátil. Cuando se evalúa sobre una base seca y libre de materia mineral, el contenido de carbono fijo es la fracción del carbón que no es materia orgánica volátil. [4] Un carbón aglomerante es un carbón que se ablanda cuando se calienta, formando un coque duro, gris y poroso que resiste el aplastamiento. [5] La reflectancia de la vitrinita es una medida de cuán reflectante es una superficie pulida de una partícula promedio de vitrinita en el carbón. Se determina por la cantidad de carbono que se ha condensado a una forma aromática a partir del calor y la presión del enterramiento profundo. [6]
En los Estados Unidos, el carbón bituminoso se define como carbón aglomerante 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 contenido de carbono fijo más alto se clasifica como antracita, mientras que el carbón aglomerante que produce menos de 10 500 Btu/lb (24 400 kJ/kg) o el carbón no aglomerante que produce menos de 11 500 Btu/lb (26 700 kJ/kg) se clasifica como carbón subbituminoso. [7] 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 rutinariamente para el carbón estadounidense como una verificación de su clasificación de rango [8].
El carbón bituminoso es de color marrón oscuro a negro, [3] duro, [9] pero friable . [10] Comúnmente está compuesto de bandas delgadas de material brillante y opaco alternado. [9] Aunque el carbón bituminoso varía en su composición química, una composición típica es de aproximadamente 84,4% de carbono, 5,4% de hidrógeno, 6,7% de oxígeno, 1,7% de nitrógeno y 1,8% de azufre, en base al peso. [11] Su densidad de 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 lb/ft 3 ). [12] El carbón bituminoso se caracteriza por arder con una llama humeante y se ablanda y se hincha durante la combustión. [13] Recibe su nombre de esta tendencia a formar una masa blanda y pegajosa cuando se calienta, [8] lo que refleja la presencia de betún (alquitrán mineral) en el carbón. [8]
Aunque casi todo el carbón aglomerante es de rango bituminoso, algunos carbones bituminosos no son aglomerantes. [7] El carbón bituminoso no aglomerante incluye el carbón de canal y el carbón de pantano . Estos no tienen bandas ni son reflectantes, y se rompen con una fractura concoidea. Ambos son sapropélicos , en contraste con la mayoría del carbón bituminoso, que es húmico (compuesto de tejido leñoso descompuesto de plantas). El carbón de canal está compuesto principalmente de esporas de plantas, mientras que el carbón de pantano está compuesto principalmente de restos de algas no esporuladas. [14] [15]
En Estados Unidos, el carbón bituminoso se divide en subcategorías según su valor calorífico y su contenido de carbono fijo.
Así, 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 además según el contenido energético.
La clasificación ISO del carbón bituminoso se basa en la reflectancia de la vitrinita. [6] Esta clasificación divide el carbón de rango medio (aproximadamente equivalente al carbón bituminoso) en cuatro subrangos. En orden de rango creciente, estos son: [17]
El carbón bituminoso se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica y en la fabricación de acero .
El carbón de coque ( carbón metalúrgico o "carbón de metal") se utiliza en la fabricación de acero . Un buen carbón de coque debe tener excelentes propiedades de aglomeración, un alto contenido de carbono y un bajo contenido de azufre, fósforo y cenizas. El mejor carbón de coque sin mezclar es el carbón bituminoso de volatilidad media de alta calidad. [18] Sin embargo, dado que los carbones individuales con todas las propiedades necesarias son escasos, el carbón de coque suele ser una mezcla de carbón bituminoso de alta volatilidad con cantidades menores de carbón bituminoso de volatilidad media y baja. [19]
El carbón de herrería es carbón bituminoso de la más alta calidad, lo más libre posible de cenizas y azufre, utilizado para fabricar coque para uso de los herreros . [12]
El carbón de coque tiene un precio más alto que el carbón utilizado para la producción de energía. En 2020 [actualizar], el carbón de coque en los EE. UU. se vendía a aproximadamente127 dólares por tonelada corta , en comparación con50,05 dólares por tonelada corta para el carbón bituminoso en general. El costo del carbón coquizable es aproximadamente 3,5 veces más alto que el costo del carbón utilizado para la energía eléctrica (que incluye carbón de menor calidad, como el carbón subbituminoso y el lignito , así como el carbón bituminoso no coquizable). [20]
El carbón bituminoso, que carece de las cualidades necesarias para su uso como carbón metalúrgico, se clasifica como carbón térmico. Se utiliza principalmente para la generación de energía eléctrica. [21] [22] El carbón térmico ideal se enciende fácilmente pero tiene un alto contenido de calor. [12]
El carbón bituminoso se utiliza para la producción de carbón activado . Primero se coquiza el carbón, eliminando los componentes volátiles, y luego se trata con vapor para activarlo. También se han investigado procesos químicos para activar el coque producido a partir del carbón bituminoso. [23]
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Al igual que otros tipos de carbón, el carbón bituminoso se forma a partir de acumulaciones espesas de material vegetal muerto que se entierra más rápido de lo que puede descomponerse. Esto suele ocurrir en turberas , donde los restos vegetales que caen quedan sumergidos en agua estancada. El agua estancada excluye el oxígeno, crea un ambiente ácido y ralentiza la descomposición. El material vegetal muerto se convierte en turba . [24]
La turba es principalmente una mezcla de celulosa , hemicelulosa y lignina que originalmente componían el tejido leñoso de las plantas. [25] 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 base al peso. [11] Esto implica que los procesos químicos durante la carbonización eliminan la mayor parte del oxígeno y gran parte del hidrógeno, dejando carbono, un proceso llamado carbonización . [26]
Durante la carbonización, el carbón en maduración aumenta su contenido de carbono, disminuye su contenido de hidrógeno y volátiles, aumenta su valor calorífico y se vuelve más oscuro y brillante. [27] Los cambios químicos incluyen la deshidratación (que elimina el oxígeno y el hidrógeno como agua), la descarboxilación (que elimina el oxígeno como dióxido de carbono ) y la desmetanización (que elimina el 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 desmetanización. [28] Durante la carbonización en el rango bituminoso, el carbón se acerca a su valor calorífico máximo y comienza a perder la mayor parte de su contenido volátil. [29]
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 enlazados de átomos de carbono). [30] La estructura se parece cada vez más al grafeno , el elemento estructural del grafito . Esto va acompañado de un aumento de la reflectancia de la vitrinita, que se utiliza para evaluar el rango del carbón. [6]
Durante la carbonización, la presión de enterramiento reduce el volumen de la turba original en un factor de 30 a medida que se convierte en carbón. [31] Sin embargo, el aumento en el rango del carbón en maduración refleja principalmente la temperatura máxima que alcanza el carbón. Ni la presión máxima, ni la naturaleza del material vegetal original, ni la longitud del enterramiento son tan importantes. [27] El rango de temperatura para la maduración del carbón bituminoso es de 85 a 235 °C (185 a 455 °F). [32] [33] El betún que caracteriza al carbón bituminoso se forma aproximadamente en las mismas condiciones en las que se forma el petróleo en las rocas madre del petróleo. La bituminización está acompañada por una generación máxima de metano en el carbón bituminoso de volatilidad media a baja. Esto hace que estos carbones bituminosos sean "gaseosos" y se deben tomar precauciones contra las explosiones de metano. Si el carbón alcanza temperaturas superiores a unos 235 °C (455 °F), el betún se descompone ( desbituminización ) y el carbón madura hasta convertirse en antracita. [8]
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) [34] hasta los depósitos del Neógeno de solo unos pocos millones de años. [35] Sin embargo, el 90% de todos los yacimientos de carbón se depositaron en los períodos Carbonífero y Pérmico , que representan solo el 2% de la historia geológica de la Tierra. [36] 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 los tiempos Carbonífero tardío ( Pensilvaniano ) y Pérmico . [37] [38] El carbón bituminoso es predominantemente carbonífero en edad. [3] [39]
La mayor parte del carbón bituminoso de los Estados Unidos tiene entre 100 y 300 millones de años. [40] En las provincias de los Apalaches y del Interior de América del Norte se encuentran vastos depósitos de carbón bituminoso de la edad de Pensilvania. La minería se realiza tanto a cielo abierto como en minas subterráneas. Históricamente, las numerosas vetas esparcidas por el accidentado terreno de los Apalaches han sido propicias para la minería por parte de pequeñas empresas, mientras que la gran extensión y la suave inclinación de los yacimientos más al oeste favorecen las operaciones a 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 las provincias del Interior tiene un contenido mucho más alto de azufre. [41]
El cinturón de yacimientos de carbón del Carbonífero se extiende hasta Europa central, [42] y gran parte de este es carbón bituminoso. Los yacimientos de carbón bituminoso se encuentran en Polonia [43] y la República Checa, [44] y los depósitos polacos son uno de los recursos naturales más importantes de esa nación. [45] Los depósitos checos han sido explotados desde tiempos prehistóricos. [44] Los depósitos europeos incluyen las Medidas de Carbón de Gran Bretaña, que representan la mayor parte de la producción de carbón de Gran Bretaña y que son principalmente carbón bituminoso. [46] La cuenca de carbón de Westfield es la más grande de Gran Bretaña. [47] Otros depósitos importantes de carbón bituminoso se encuentran en gran parte de Europa, incluyendo Francia, Alemania y el norte de Italia. [48]
La deposición de carbón fue interrumpida por el evento de extinción masiva del Pérmico-Triásico , [49] pero se reanudó más tarde en el Pérmico . Se encuentran extensos depósitos de carbón bituminoso de la era Pérmica en Siberia, el este de Asia y Australia. [50] Estos incluyen la cuenca de carbón de Minusinsky en Siberia, [51] las cuencas de Queensland , Bowen y Sydney en Australia, [52] y las extensas reservas de carbón bituminoso de China. [53]
Un segundo pico en la deposición de carbón comenzó en el Cretácico , aunque la mayor parte de este es carbón de rango inferior en lugar de bituminoso. [50] En los Estados Unidos, los carbones bituminosos del Cretácico se encuentran en Wyoming, Colorado y Nuevo México. [54] [55] 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 . Varían en edad desde el Jurásico tardío o el Cretácico temprano en la Formación Mist Mountain , hasta el Cretácico tardío en la Formación Gates . [56] Los yacimientos de carbón intermontano e insular de Columbia Británica también contienen depósitos de carbón bituminoso del Cretácico. [57]
En 2009 [actualizar], los países con los mayores recursos estimados de carbón bituminoso recuperables en última instancia fueron los EE. UU., 161,6 Gt ; la 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 [58].
En 2018 [actualizar], la producción mundial total de carbón bituminoso (carbón de coque más otro carbón bituminoso) fue de 6,220 Gt. El principal productor es China, seguido de lejos por India y Estados Unidos en segundo y tercer lugar. [59]
La producción estadounidense de carbón bituminoso fue de 238 millones de toneladas cortas en 2020 [60] y representó el 44% de toda la producción de carbón de EE. UU. 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. [2]
La maduración del carbón bituminoso en subrangos volátiles medios y bajos va acompañada de una generación máxima de metano. Esto hace que estos carbones bituminosos sean "gaseosos" y se deben tomar precauciones contra las explosiones de metano. [8] Los disolventes líquidos iónicos a base de imidazolio pueden reducir la combustión espontánea, que representa entre el 2 y el 3 por ciento de las emisiones anuales globales de dióxido de carbono . [61]
En el pasado, el carbón bituminoso se utilizaba ampliamente para la calefacción de los hogares en Estados Unidos. Sin embargo, 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. [62] 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. [63]
La bioconversión de carbón bituminoso en metano se está investigando activamente como una tecnología de carbón limpio. [64]
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