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Carbón - Monografía



 
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Introducción e historia



El carbón es un combustible sólido de origen vegetal. En eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Muchas de estas plantas eran tipos de helechos, algunos de ellos tan grandes como árboles. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y se descomponían poco a poco. A medida que se producía esa descomposición, la materia vegetal perdía átomos de oxígeno e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con un elevado porcentaje de carbono. Así se formaron las turberas. Con el paso del tiempo, la arena y lodo del agua fueron acumulándose sobre algunas de estas turberas. La presión de las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar carbón.
Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo. La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. El carbón bituminoso tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico también es superior. La antracita es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafito, que es prácticamente carbono puro. Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como diferentes minerales que quedan como cenizas al quemarlo.
Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbón se produce dióxido de carbono entre otros compuestos. Muchos científicos creen que, debido al uso extendido del carbón y otros combustibles fósiles (como el petróleo), la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre podría aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima de la Tierra. Por otra parte, el azufre y el nitrógeno del carbón forman óxidos durante la combustión que pueden contribuir a la formación de lluvia ácida.
Todos los tipos de carbón tienen alguna utilidad. La turba se utiliza desde hace siglos como combustible para fuegos abiertos, y más recientemente se han fabricado briquetas de turba y lignito para quemarlas en hornos. La siderurgia emplea carbón metalúrgico o coque, un combustible destilado que es casi carbono puro. El proceso de producción de coque proporciona muchos productos químicos secundarios, como el alquitrán de hulla, que se emplean para fabricar otros productos. El carbón también se utilizó desde principios del siglo XIX hasta la II Guerra Mundial para producir combustibles gaseosos, o para fabricar productos petroleros mediante licuefacción. La fabricación de combustibles gaseosos y otros productos a partir del carbón disminuyó al crecer la disponibilidad del gas natural. En la década de 1980, sin embargo, las naciones industrializadas volvieron a interesarse por la gasificación y por nuevas tecnologías limpias de carbón. La licuefacción del carbón cubre todas las necesidades de petróleo de Sudáfrica.

Principales yacimientos carboníferos



El carbón se encuentra en casi todas las regiones del mundo, pero en la actualidad los únicos depósitos de importancia comercial están en Europa, Asia, Australia y América del Norte.
En Gran Bretaña, que fue el líder mundial en producción de carbón hasta el siglo XX, existen yacimientos en el sur de Escocia, Inglaterra y Gales. En Europa occidental hay importantes depósitos de carbón en toda la región francesa de Alsacia, en Bélgica y en los valles alemanes del Sarre y el Ruhr. En Centroeuropa hay yacimientos en Polonia, la República Checa y Hungría. El yacimiento de carbón más extenso y valioso de la ex Unión Soviética es el situado en la cuenca de Donets, entre los ríos Dniéper y Don; también se han explotado grandes depósitos de la cuenca carbonera de Kuznetsk, en Siberia occidental. Los yacimientos carboníferos del noroeste de China, que están entre los mayores del mundo, fueron poco explotados hasta el siglo XX.
Las estimaciones de las reservas mundiales de carbón son muy variadas. Según el Consejo Mundial de la Energía, las reservas recuperables de antracita, carbón bituminoso y subbituminoso ascendían a finales de la década de 1980 a más de 1,2 billones de toneladas. De ese carbón recuperable, China tenía alrededor del 43%, Estados Unidos el 17%, la Unión Soviética el 12%, Suráfrica el 5% y Australia el 4%.

Producción y transporte



-    Explotación a cielo abierto


Se comienza por retirar el material que recubre el yacimiento. Después se procede a la extracción del mineral y acto seguido, cuando se  termina de sacar el carbón de yacimiento, se vuelve a cubrir el terreno para que no haya un gran impacto medioambiental.

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Perforadora helicoidal


Después de retirar las capas superiores de una colina, una gigantesca perforadora rotativa taladra las laderas para llegar a las ricas vetas de carbón situadas por debajo. La perforadora puede penetrar hasta 30 m.

-    Explotación subterránea



Cuando el mineral se encuentra a grandes profundidades se cavan pozos hasta llegar a la veta y después galería para extraerlo.
Para ventilar este tipo de explotación se utiliza un método que consiste en comunicar entre sí estos pozos para que los gases que emana el carbón salgan al exterior y no se produzcan explosiones.
Para evitar que la mina se hunda se le pone pilares en cada capa y cuando ya se ha terminado se provoca el derrumbe.
Para transportar el material se hace por medio de vagonetas en las instalaciones y si la explotación minera está más modernizada se hace por medio de cintas transportadoras y elevadores.
Ela carbón siempre sale con materiales que dificultan su utilización y disminuye su calidad con respecto al poder calorífico del mismo. Para limpiarlo se utilizan medios físicas como la trituración y el lavado.

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Mina subterránea


Las minas subterráneas se abren en zonas con yacimientos minerales prometedores. El pozo es la perforación vertical principal empleado para el acceso de las personas a la mina y para sacar el mineral. Un sistema de ventilación situado cerca del pozo principal lleva aire fresco a los mineros y evita la acumulación de gases peligrosos. Un sistema de galerías transversales conecta el yacimiento de mineral con el pozo principal a varios niveles, que a su vez están conectados por aberturas llamadas alzamientos. Las gradas son las cámaras donde se extrae el mineral.

Seguridad e higiene



-    Ventilación. Se instalan sistemas de ventilación capaces de mantener un porcentaje mínimo de gas inflamable (grisú) a niveles que no sea posible dicha inflamación.
-    Derrumbamientos. Adoptar el mejor método de explotación, apuntalando las diversas capas para evitar que se derrumbe.
-    Tecnología. Utilizar maquinaria avanzada y transporte automático.
-    Personal y equipo.  Tener un personal cualificado para  esta tarea y tener el material necesario y equipos de salvamento junto con personal de sanitario.

Producciones de carbón



La producción mundial del carbón en 1994 refleja la crisis de la minería en la Unión Europea (la producción bajó un 17,4%) y en Rusia (decayó en un 6,2%). En cambio se produjo un dinamismo en la industria carbonífera de Estados Unidos, China, India, Colombia y Australia entre otros países. La producción total en el mundo ese año fue 2.158,3 millones de toneladas, de las cuales China produjo un 27,4%, Estados Unidos un 5,5% y la República de Suráfrica un 4,8%.

Aplicaciones


1.    combustible se uso general
2.    coque para la industria
3.    producción de productos químicos
4.    gas de aplicación domestica

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El  coque



El coque es un residuo duro y poroso que resulta después de la destilación destructiva del carbón. El coque se emplea como agente reductor para la fundición de hierro y como combustible; tiene un color gris negruzco y un brillo metálico. Contiene fundamentalmente carbono, alrededor del 92%; casi el 8% restante es ceniza. El valor calorífico del coque es muy elevado.
El coque era antes un subproducto de la fabricación de gas de alumbrado. Sin embargo, el crecimiento de la industria siderúrgica llevó a un aumento de la demanda de coque metalúrgico, con lo que fue inevitable que pasara a fabricarse como producto principal.
El primer método de coquefacción del carbón consistía simplemente en apilarlo en grandes montones al aire libre dejando una serie de conductos horizontales y verticales. Estos conductos se llenaban con madera a la que se prendía fuego, lo que a su vez inflamaba el carbón. Cuando la mayor parte de los elementos volátiles del carbón habían desaparecido, las llamas se hacían más débiles. Entonces se sofocaba parcialmente el fuego con polvo de carbón y se rociaba con agua.
Un avance posterior fue la coquefacción de carbón en hornos de colmenas, llamados así por su forma. Igual que en el caso del cocido al aire libre, no se hacía nada para recuperar el gas ni el alquitrán, valiosos subproductos del proceso. En la actualidad, casi todos los hornos de colmenas han sido sustituidos por los modernos hornos de coque de recuperación de subproductos. Estos hornos, por lo general agrupados en baterías de unas 60 unidades, son estrechas cámaras verticales con paredes de sílice, calentadas por la combustión del gas que fluye entre los hornos adyacentes. Cada horno se carga por una abertura en la parte superior con una cantidad de entre 10 y 20 toneladas de carbón, que se calienta a temperaturas de hasta 1.500 °C durante unas 17 horas. Mientras, los gases procedentes del horno se recogen por otra abertura en la parte superior. El alquitrán de carbón se condensa al contacto con el agua de la tubería principal, y el gas, después de depurarse con agua para eliminar el amoníaco y con aceite para eliminar el benceno, se emplea para calentar los hornos. Al final del proceso de coquefacción, un pistón saca del horno el coque al rojo vivo y lo deposita directamente en una vagoneta que lo lleva a la campana de extinción, donde se rocía con agua. El proceso de vaciado sólo dura unos 3 minutos, con lo que el horno puede ser recargado con pocas pérdidas de calor.

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Centrales térmicas



Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.
La descripción anterior se refiere a las centrales clásicas, ya que existe, aunque todavía en fase de investigación, otra generación de térmicas que mejoran el rendimiento en la combustión del carbón y disminuyen el impacto medioambiental: son las Centrales de Combustión de Lecho Fluidificado. En estas centrales se quema carbón sobre un lecho de partículas inertes (por ejemplo, de piedra caliza), a través de las que se hace circular una corriente de aire que mejora la combustión.
La última generación de térmicas son las GICC, Gasificación de Carbón Integrada en Ciclo Combinado, que parten de una tecnología con la que se consiguen gases combustibles a partir de la gasificación del carbón con una inyección de oxígeno. El gas combustible obtenido se depura y pasa a una turbina en cuyo alternador asociado se produce energía eléctrica, como en el ciclo de una térmica convencional. La obtención de gases combustibles a partir del carbón es un proceso conocido desde hace más de cien años, y fue impulsado en Alemania durante la II Guerra Mundial. Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas. Es una tecnología todavía en desarrollo, de forma que en Europa, a finales de la década de los noventa, sólo existían cinco plantas GICC, una de ellas en Puertollano, España. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.
España contaba a finales de la década de 1990 con un parque de 160 centrales térmicas clásicas, con 21.029 MW de potencia instalada. La central de Puentes de García Rodríguez, en La Coruña, es la de mayor potencia, con 1.400 MW conseguidos con la combustión de lignitos que se extraen de una mina situada a pie de central.
Una central nuclear también se puede considerar una central térmica, donde el combustible es un material radiactivo, que en su fisión genera la energía necesaria para su funcionamiento; no obstante, en la bibliografía industrial, en sentido estricto, sólo se consideran centrales térmicas las antes citadas.

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Central térmica



Esquema de una central térmica clásica. El carbón, el fuel o el gas son los combustibles que alimentan este tipo de centrales eléctricas. La energía eléctrica producida llega a los centros de consumo a través de las líneas de transporte.

El carbón y el medio ambiente


a)    Repercusiones sobre el suelo



-    Explotaciones a cielo abierto, por la restauración que sufre el terreno después de esta explotación gran parte del impacto medioambiental desaparece.
-    Deterioro de la capa superficial, debido a la lluvia ácida

b)    Repercusiones sobre el agua



-    Térmica. Las centrales térmicas necesitan un circuito de refrigeración para condensar el vapor. Si la central coge el agua de un río o un mar y lo vuelve a verter se produce un aumento de temperatura en el ecositema. Si este circuito fuese cerrado se podría aprovechar este calor para generar otras energía pudiendo ser utilizada igualmente en el ámbito domestico como la calefacción.
-    Física y química. Se produce principalmente en la minería y en el sistema de tratamiento de aguas

c)    Repercusiones acústicas



Sobre todo las centrales térmicas, para evitar los ruidos, hacen un revestimiento especial insonoro para que no sea tanto el impacto en las poblaciones cercanas.

d)    Repercusiones sobre la atmósfera



La combustión del carbón origina también residuos que pasan a la atmósfera como los ósidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partícula, hidrocarburos, dióxido de carbono y vapor de agua. Esto productos pueden originar problemas graves a la naturaleza si no son absorbidos por ella problemas como:

-    Efecto invernadero al producirse un aumento de CO2, las partículas no dejan que el calor salga fuera de la atmósfera y se produce un aumento considerable de temperatura, cambiando el clima en alguna zonas.
-    Lluvia ácida se produce por la emisión de azufre y óxidos de nitrógeno que se generan por la combustión de combustibles fósiles como el carbón.

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Contaminación atmosférica y lluvia ácida



En tiempos remotos, el agua de lluvia era la más pura disponible, pero hoy contiene muchos contaminantes procedentes del aire. La lluvia ácida se produce cuando las emisiones industriales se combinan con la humedad atmosférica. Las nubes pueden llevar los contaminantes a grandes distancias, dañando bosques y lagos muy alejados de las fábricas en las que se originaron. Cerca de las fábricas, se producen daños adicionales por deposición de partículas de mayor tamaño en forma de precipitación seca. La contaminación ha ido en aumento desde la Revolución Industrial, pero hasta hace poco sus efectos, como la lluvia ácida, no han producido alarma internacional.

-    Pérdidas de parte del manto fértil del suelo. Junto con la perdida de los bosques es un problema grave en los continentes industrializados como Europa y Norteamérica.
-    Contaminación de aguas y lagos que dañan la vida en los lagos y deteriora el agua que consumimos.
-    Deterioro en el patrimonio arquitectónico, pues atacan la piedra poniendo en peligro la conservación de los mismo.

Autor:

Francisco José Méjías





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