Carbón
On enero 16, 2022 by admin
El carbón, un sólido combustible de origen natural, es una de las fuentes de energía más importantes y abundantes del mundo. Desde su introducción hace 4.000 años como combustible para calentar y cocinar, hasta su uso en los siglos XIX y XX para generar electricidad y como materia prima química, el carbón, junto con el petróleo y el gas natural, ha seguido siendo una importante fuente de energía. Sólo Estados Unidos tiene 1,7 billones de toneladas cortas de recursos de carbón identificados (depósitos naturales) y suficientes reservas recuperables (carbón que puede ser desarrollado para su uso) para satisfacer sus necesidades energéticas hasta el año 2225. Sus reservas demostradas incluyen 274.000 millones de toneladas cortas que la tecnología actual puede recuperar, lo que representa el 25% de los 1,08 billones de toneladas cortas de carbón recuperable del mundo, y 508.000 millones de toneladas cortas de carbón que la tecnología actual puede potencialmente extraer de forma económica. Sus reservas recuperables contienen más del doble de energía que las reservas probadas de petróleo de Oriente Medio. Unos 100 países tienen reservas recuperables; 12 países -entre ellos Canadá, la República Popular China, Rusia, Polonia, Australia, Gran Bretaña, Sudáfrica, Alemania, India, Brasil y Colombia- poseen las mayores reservas.
Origen, composición y estructura del carbón
Los geólogos creen que los depósitos de carbón subterráneos se formaron hace unos 250-300 millones de años, cuando gran parte de la Tierra estaba cubierta por densos bosques y plantas. Cuando las plantas y los árboles murieron, se hundieron bajo la superficie húmeda de la Tierra, donde la falta de oxígeno ralentizó su descomposición y dio lugar a la formación de turba. Nuevos bosques y plantas sustituyeron a la vegetación muerta, y cuando los nuevos bosques y plantas murieron, también se hundieron en el terreno pantanoso. Con el paso del tiempo y la consiguiente acumulación de calor, las capas subterráneas
de vegetación muerta empezaron a acumularse, empaquetándose y comprimiéndose, y dieron lugar a diferentes tipos de carbón, cada uno con una concentración de carbono diferente: antracita, carbón bituminoso, carbón subbituminoso y lignito. El geólogo inglés William Hutton (1798-1860) llegó a esta conclusión en 1833 al comprobar, mediante un examen microscópico, que todas las variedades de carbón contenían células vegetales y eran de origen vegetal, diferenciándose únicamente por la vegetación que las componía. Debido a su origen en materia viva antigua, el carbón, al igual que el petróleo y el gas, se conoce como combustible fósil. Se presenta en filones o vetas en rocas sedimentarias; las formaciones varían en grosor, siendo las de las minas subterráneas de 0,7 a 2,4 metros (2,5 a 8 pies) de espesor y las de las minas de superficie, como en el oeste de Estados Unidos, a veces de 30,5 metros (100 pies) de espesor.
Hasta el siglo XX los químicos sabían muy poco sobre la composición y la estructura molecular de los diferentes tipos de carbón, y hasta la década de 1920 seguían creyendo que el carbón estaba formado por carbono mezclado con impurezas que contenían hidrógeno. Sus dos métodos para analizar o separar el carbón en sus componentes, la destilación destructiva (calentando fuera del contacto con el aire) y la extracción con disolventes (reaccionando con diferentes disolventes orgánicos como la tetralina), sólo mostraban que el carbón contenía una cantidad importante de carbono y porcentajes menores de los elementos hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Los compuestos inorgánicos, como los óxidos de aluminio y silicio, constituyen la ceniza. La destilación producía alquitrán, agua y gases. El hidrógeno era el principal componente de los gases liberados, aunque también había amoníaco, monóxido y dióxido de carbono, benceno y otros vapores de hidrocarburos. (La composición porcentual de un carbón bituminoso es aproximadamente la siguiente: carbono , 75-90; hidrógeno , 4,5-5,5; nitrógeno , 1-1,5; azufre , 1-2; oxígeno, 5-20; cenizas, 2-10; y humedad, 1-10). A partir de 1910, los equipos de investigación dirigidos por Richard Wheeler en el Imperial College of Science and Technology de Londres, Friedrich Bergius (1884-1949) en Mannheim, y Franz Fischer (1877-1938) en Mülheim, hicieron importantes contribuciones que indicaban la presencia de compuestos bencenoides (similares al benceno) en el carbón. Pero la confirmación de la estructura benzenoide del carbón no llegó hasta 1925, como resultado de los estudios de extracción y oxidación del carbón de William Bone (1890-1938) y su equipo de investigación en el Imperial College. Los ácidos bencénicos tri-, tetra- y otros ácidos carboxílicos superiores que obtuvieron como productos de la oxidación indicaban una preponderancia de estructuras aromáticas con anillos bencénicos de tres, cuatro y cinco fusiones, y otras estructuras con un solo anillo bencénico. Las estructuras más simples constaban de ocho o diez átomos de carbono, las estructuras de anillos fusionados contenían quince o veinte átomos de carbono.
Clasificación y usos del carbón
Los investigadores europeos y americanos del siglo XIX y principios del XX propusieron varios sistemas de clasificación del carbón. El más antiguo, publicado en París en 1837 por Henri-Victor Regnault (1810-1878), clasifica los tipos de carbón según su análisis proximal (determinación de las sustancias que lo componen, por porcentaje), es decir, por sus porcentajes de humedad, materia combustible, carbono fijo y cenizas. Este sistema sigue siendo el preferido, en forma modificada, por muchos científicos estadounidenses especializados en el carbón. Otro sistema ampliamente adoptado, introducido en 1919 por la científica británica Marie Stopes (1880-1958), clasifica los tipos de carbón según sus constituyentes macroscópicos: clarain (carbón brillante ordinario), vitrain (carbón negro brillante), durain (carbón rugoso apagado) y fusain, también llamado carbón mineral (carbón pulverulento blando). Otro sistema se basa en el análisis final (determinación de los elementos químicos que lo componen, por porcentaje), clasificando los tipos de carbón según sus porcentajes de carbono fijo, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, excluyendo la ceniza seca y el azufre. (Regnault también había introducido el análisis último en su artículo de 1837.) El científico británico del carbón Clarence A. Seyler desarrolló este sistema en 1899-1900 y lo amplió en gran medida para incluir un gran número de carbones británicos y europeos. Finalmente, en 1929, a falta de un sistema de clasificación universal, un grupo de sesenta científicos estadounidenses y canadienses especializados en carbón que trabajaban bajo las directrices establecidas por la American Standards Association (ASA) y la American Society for Testing Materials (ASTM) desarrollaron una clasificación que se convirtió en la norma en 1936. No se ha revisado desde 1938.
El sistema ASA-ASTM estableció cuatro clases o rangos de carbón -antracita, bituminoso, subbituminoso y lignito- basados en el contenido de carbono fijo y el valor calorífico medido en unidades térmicas británicas por libra (Btu/lb). La antracita, una hulla dura que arde con poca llama y humo, tiene el mayor contenido de carbono fijo, entre el 86 y el 98%, y un valor calorífico de 13.500-15.600 Btu/lb (equivalente a 14,2-16,5 millones de julios/lb ). Proporciona combustible para la calefacción comercial y doméstica, para la generación de electricidad y para las industrias del hierro, el acero y otras. El carbón bituminoso (de baja, media y alta volatilidad), un carbón blando que produce humo y cenizas cuando se quema, tiene un contenido de carbono fijo del 46-86% y un valor calorífico de 11.000-15.000 Btu/lb (11,6-15,8 millones de julios/lb). Es el carbón económicamente recuperable más abundante del mundo y el principal combustible que se quema en las centrales eléctricas con turbinas de vapor. Algunos carbones bituminosos, conocidos como carbones metalúrgicos o coquizables, tienen propiedades que los hacen adecuados para su conversión en coque, utilizado en la fabricación de acero. El carbón subbituminoso tiene un 46-60
por ciento de contenido de carbono fijo y un valor calorífico de 8.300-13.000 Btu/lb (8,8-13,7 millones de julios/lb). La cuarta clase, el lignito, un carbón blando de color marrón-negro, también tiene un contenido de carbono fijo del 46-60 por ciento, pero el valor calorífico más bajo, 5.500-8.300 Btu/lb (5,8-8,8 millones de julios/lb). La generación eléctrica es el principal uso de ambas clases. Además de producir calor y generar electricidad, el carbón es una importante fuente de materias primas para la fabricación. Su destilación destructiva (carbonización) produce gases de hidrocarburos y alquitrán de hulla, a partir de los cuales los químicos han sintetizado medicamentos, tintes, plásticos, disolventes y otros numerosos productos químicos orgánicos. La hidrogenación o licuefacción del carbón a alta presión y la licuefacción indirecta del carbón mediante síntesis de Fischer-Tropsch son también fuentes potenciales de combustibles líquidos y lubricantes de combustión limpia.
Preocupaciones medioambientales
La principal desventaja de utilizar el carbón como combustible o materia prima es su potencial para contaminar el medio ambiente tanto en la producción como en el consumo. Esta es la razón por la que muchos países productores de carbón, como Estados Unidos, cuentan desde hace tiempo con leyes que regulan la minería del carbón y establecen normas mínimas tanto para la minería de superficie como para la subterránea. La producción de carbón requiere la extracción en minas de superficie (a cielo abierto) o subterráneas. La minería de superficie deja pozos al retirar el carbón y, para evitar la erosión del suelo y un entorno antiestético, los operadores deben recuperar el terreno, es decir, rellenar los pozos y replantar el suelo. El agua ácida de las minas es el problema medioambiental asociado a la minería subterránea. El agua que se filtra en las minas, a veces inundándolas, y el oxígeno atmosférico reaccionan con la pirita (sulfuro de hierro) del carbón, produciendo aguas ácidas de mina. Cuando se bombea fuera de la mina y llega a los ríos, arroyos o lagos cercanos, el agua de la mina los acidifica. Neutralizar el agua de la mina con cal y dejar que se asiente, reduciendo así la presencia de pirita de hierro antes de su liberación, controla el drenaje ácido.
La combustión del carbón emite dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, ambos causantes de la lluvia ácida . Varios métodos eliminan o reducen la cantidad de azufre presente en muchos carbones o evitan su liberación a la atmósfera. El lavado del carbón antes de la combustión elimina el azufre pirítico (azufre combinado con hierro u otros elementos). La combustión del carbón en un quemador de diseño avanzado conocido como cámara de combustión de lecho fluidizado, en el que la piedra caliza añadida al carbón se combina con el azufre en el proceso de combustión, evita la formación de dióxido de azufre. La depuración del humo que se desprende de la combustión elimina el dióxido de azufre antes de que pase a la atmósfera. En un depurador, la pulverización de piedra caliza y agua en el humo permite que la piedra caliza absorba el dióxido de azufre y lo elimine en forma de lodo húmedo. Las tecnologías de carbón limpio mejoradas inyectan piedra caliza seca en las tuberías que salen de la caldera de la planta y eliminan el dióxido de azufre en forma de polvo seco (CaSO 3 ) en lugar de un lodo húmedo. La depuración no elimina los óxidos de nitrógeno, pero el lavado del carbón y las cámaras de combustión de lecho fluidizado que funcionan a una temperatura más baja que las calderas más antiguas de la planta reducen la cantidad de óxidos de nitrógeno producidos y, por tanto, la cantidad emitida.
Las tecnologías limpias del carbón y los procesos de conversión del carbón en líquido han dado lugar a carbones de combustión más limpia y a combustibles líquidos sintéticos, pero la lluvia ácida sigue siendo un grave problema a pesar de que la sociedad reconoce sus efectos perjudiciales desde 1852. El calentamiento global resultante de la emisión de los gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono, el metano y los clorofluorocarbonos , es otro problema de la combustión del carbón que la industria y el gobierno han ignorado en gran medida desde 1896, pero que ya no puede evitarse sin graves consecuencias a largo plazo.
Conclusión
El carbón sigue siendo el combustible fósil más abundante del mundo y, junto con el petróleo y el gas natural, seguirá proporcionando la mayor parte de la energía mundial. Pero los tres son recursos finitos, y la sociedad debe consumirlos con prudencia, no con despilfarro, para prolongar su vida útil y reducir sus emisiones nocivas. La conservación de los combustibles fósiles y el desarrollo de energías alternativas, como la solar y la eólica, son vías para un futuro energético más limpio de la sociedad mundial.
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