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Transporte del carbón parte 1 - Monografía



 
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Mercado naval. Fuentes de energía. Origen, tipos, producción y yacimientos. Antracita. Hulla. Centrales térmicas



 Origen del carbón



El carbón se origina por descomposición de vegetales terrestres, hojas, maderas, cortezas, esporas, etc., que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad.
Los vegetales muertos se van acumulando en el fondo de una cuenca. Quedan cubiertos de agua, y por lo tanto protegidos del aire que los destruiría.
Comienza una lenta transformación por la acción de bacterias anaerobias, un tipo de microorganismos que no pueden vivir en presencia de oxígeno.
Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono.
Posteriormente pueden cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuirá al mantenimiento del ambiente anaerobio, adecuado para que continúe el proceso de carbonización.
Los geólogos estiman que una capa de carbón de un metro de espesor proviene de la transformación, por el proceso de diagénesis, de más de diez metros del limos carbonoso.
En las cuencas carboníferas las capas de carbón están intercaladas con otras capas de rocas sedimentarias como areniscas, arcillas, conglomerados y en algunos casos, rocas metamórficas como esquistos y pizarras.
Esto se debe a la forma y el lugar donde se genera el carbón.
Supongamos un gran bosque situado cerca del litoral.
Si el mar invade la costa, el bosque queda progresivamente sumergido, por descenso del continente o por una trasgresión marina, y los vegetales muertos y caídos se acumulan en la plataforma litoral.
Si continúa el descenso del continente o la invasión del mar, el bosque queda totalmente inundado.
Las zonas emergidas cercanas comienzan a erosionarse y los productos resultantes, arenas y arcillas, cubren los restos de los vegetales que se van transformando en carbón.
Si se retira el mar, puede desarrollarse un nuevo bosque y comenzar otra vez el ciclo.
En las cuencas hulleras se conservan, tanto en el carbón como en las rocas intercaladas, restos y marcas de vegetales terrestres que pertenecen a especies actualmente desaparecidas.
El tamaño de las plantas y la exuberancia de la vegetación permiten deducir que el clima en el que se originó el carbón era probablemente tropical.

Tipos de carbón



Existen cuatro tipos de carbón, en función de su poder calorífico y de su antigüedad, o lo que es lo mismo, según la mayor o menor riqueza de carbono que posea:
- Turba
- Lignito
- Hulla
- Antracita

Turba:

material orgánico compacto, de color pardo oscuro y muy rico en carbono, que se forma como resultado de la putrefacción y carbonización parciales de la vegetación en el agua ácida de las turberas.

En el hemisferio norte, la vegetación formadora de turba está compuesta en su mayoría por musgos.

La turba salada es una forma especial de los marjales salados que se produce a partir de fragmentos de plantas del género Spartina y otras similares parcialmente descompuestas.

La formación de turba constituye la primera etapa del proceso por el que la vegetación se transforma en carbón.

Las turberas están distribuidas por todo el mundo. Hay extensos depósitos en el norte de Estados Unidos, Canadá, Rusia, los países escandinavos, Inglaterra e Irlanda.

La turba seca, comprimida en ladrillos, se usa en muchos países de Europa, sobre todo en Irlanda, como combustible, aunque no es tan eficaz como el carbón, debido a su elevado contenido en agua y cenizas.

La turba, y otros preparados comerciales de materia vegetal parcialmente descompuesta y también llamados turba, tienen excelentes propiedades de retención de agua, y se usa mucho en jardinería para cubrir y mejorar suelos.

Pero la explotación de las turberas empieza a privar a muchas plantas y animales de su hábitat natural.

Por ello, muchos conservacionistas defienden el uso en jardinería y horticultura de otros materiales, como bonete, cáscara de cacao y compost de corteza.

Lignito:

variedad de carbón, de calidad intermedia entre el carbón de turba y el bituminoso.

Desde el punto de vista geológico, el lignito es de origen reciente pues se encuentra en los estratos del cretácico y del terciario.

Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leñosa.
Tiene una capacidad calorífica inferior a la del carbón común debido al gran contenido de agua (43.4%) y bajo de carbono (37.8%); el alto contenido de materia volátil (18.8%) provoca la desintegración rápida del lignito expuesto al aire.

El calor del lignito es de 17.200 kJ por kg.

Es muy frecuente en los países de Europa del este y España, en especial en la provincia de Teruel y en la cuenca del Llobregat.

Hulla:

combustible fósil con una riqueza en carbono entre 75 y 90% y un contenido en volátiles que oscila entre 20 y 35%. Tiene un poder calorífico que oscila entre 7.000 y 8.500 kcal/kg.

Es negra, mate, y arde con dificultad con una llama amarillenta.

Procede, como los otros tipos de carbones, de la acumulación de vegetales que vivieron durante el periodo carbonífero sometidos a grandes presiones y temperaturas por la acumulación de sedimentos posteriores y por las fuerzas tectónicas.

Los yacimientos más importantes están en Rusia, Estados Unidos, Polonia y Alemania. En España se encuentra sobre todo en Asturias y en el norte de León.

La hulla impulsó la revolución industrial durante los siglos XVIII y XIX, empleándose principalmente en siderurgia y como combustible para las máquinas de vapor.

Se la llamó entonces carbón de piedra para diferenciarla del carbón vegetal, que era el que durante el siglo XVIII se utilizaba en siderurgia.

También se usaba para obtener “gas de ciudad” y una gran cantidad de productos químicos, dando lugar a la denominada carboquímica.

Ha sido sustituida en muchas aplicaciones por el petróleo y el gas natural.

La carboquímica ha sido desplazada, en gran medida, por la petroquímica.

Hay dos aplicaciones que todavía subsisten: la obtención de coque mediante calcinación en hornos cerrados y como combustible en centrales térmicas.

El coque se utiliza como reductor en siderurgia para obtener acero a partir del arrabio.

Desgraciadamente, la mayor parte de la hulla española no es coquizable.

Antracita:

carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor contenido de material volátil de todos los tipos de carbón.

Contiene aproximadamente un 87.1% de carbono, un 9.3% de cenizas y un 3.6% de materia volátil.

Tiene un color negro brillante, una estructura cristalina y una fractura concoidea.

Aunque se inflama con más dificultad que otros carbones, libera una gran cantidad de energía al quemarse (es el carbón de mayor poder calorífico) y desprende poco humo y hollín.

La antracita se formó principalmente hacia el final del periodo carbonífero como consecuencia de movimientos telúricos que generaron calor y presión que transformaron los materiales carbonosos que existían en la Tierra.

Es un recurso energético no renovable que se utiliza para producir electricidad en las centrales termoeléctricas, y en la industria química como elemento básico.

Los principales productores mundiales de antracita son: China, la antigua Unión Soviética, Corea del Norte, Corea del Sur, España, Alemania y Estados Unidos.

Yacimientos de carbón



El hombre extrae carbón desde la Edad Media.
En los yacimientos poco profundos la explotación es a cielo abierto. Sin embargo, por lo general las explotaciones de carbón se hacen con minería subterránea ya que la mayoría de las vetas se encuentran a cientos de metros de profundidad.

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, Sudáfrica 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 del 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.
Cuando los expertos realizan estimaciones sobre la cantidad de carbón en el mundo, distinguen entre reservas y recursos.
Se consideran reservas los depósitos de carbón que pueden ser explotados con la tecnología existente, es decir, con los métodos y equipos actuales.
Los recursos son una estimación de todos los depósitos de carbón existentes en el mundo, independientemente de que sean o no accesibles desde el punto de vista comercial.

Las exploraciones geológicas han permitido localizar los yacimientos de carbón más extensos del mundo.
En 1997 las reservas mundiales de carbón ascendían a 1.04 billones de toneladas y los recursos se estimaron en 9.98 billones.
Geográficamente estas reservas se distribuyen así: Europa, incluidas Rusia y las antiguas repúblicas soviéticas, 44%; Norteamérica, 28%; Asia, 17%; Australia, 5%; África, 5%, y Sudamérica, 1%.

PRODUCCIÓN DE CARBÓN



La producción mundial de 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 de 2.158,3 millones de toneladas, de las cuales China produjo un 27.4%, Estados Unidos un 5.5% y la República de Sudáfrica un 4.8%.

En 1996 la producción mundial de carbón fue de 4.666,7 millones de toneladas, siendo los principales productores China, Estados Unidos, India, Rusia y Australia.


-    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.

-    Explotación subterránea:


Cuando el mineral se encuentra a grandes profundidades se cavan pozos hasta llegar a la veta y después galerías 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 desprende 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.
El 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 físicos como la trituración y el lavado.

Aplicaciones



Sus aplicaciones son principalmente:
- Coque
- Plásticos
- Combustible

Coque:

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 poder 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.

Esta técnica es altamente contaminante, aunque en la actualidad los gases procedentes de la campana de extinción son tratados mediante conducción y filtrado.

Plásticos:

materiales polímeros orgánicos (compuestos formados por moléculas orgánicas gigantes) que son plásticos, es decir, que pueden deformarse hasta conseguir una forma deseada por medio de extrusión, moldeo o hilado.
Las moléculas pueden ser de origen natural, por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho (hule) natural, o sintéticas, como el polietileno y el nailon.
Los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes.
Las enormes moléculas de las que están compuestos pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo del tipo de plástico.
Las moléculas lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoestables (no se ablandan con el calor).

Combustible:

cualquier sustancia que reacciona con el oxígeno de forma violenta, con producción de calor, llamas y gases. Supone la liberación de una energía.
Hay varios tipos de combustibles.

Entre los combustibles sólidos se incluyen el carbón, la madera y la turba.
El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción).
La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción doméstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para la generación de energía y las locomotoras que utilizaban madera como combustible eran comunes en el pasado.

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.

El carbón y el medio ambiente



1.    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.

2.    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 ecosistema. 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.

3.    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.

4.    Repercusiones sobre la atmósfera.



La combustión del carbón origina también residuos que pasan a la atmósfera como los óxidos 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.
-    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 mismos.





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