Propiedades del carbón

Las propiedades que se van a estudiar del carbón son las mecánicas, térmicas, eléctricas y físicas. Estas propiedades, unas más que otras, van a ser importantes desde el punto de vista de la maquinaria y tecnología que se va a usar con el carbón.

Mecánicas

• Dureza
• Abrasividad
• Resistencia Mecánica
• Cohesión
• Friabilidad
• Fragilidad
• Triturabilidad
  

Térmicas

• Conductibilidad Térmica
• Calor específico
• Dilatación

Eléctricas

• Conductividad Eléctrica
• Constante dieléctrica
  

Físicas

• Densidad y peso específico
• Contenido en agua

Propiedades mecánicas

i)     Dureza: Se mide por el tamaño y profundidad de la raya producida por un cuerpo penetrante de forma diversa (cono, esfera, pirámide) y con dureza extrema. Teniendo en cuenta esta propiedad, la antracita se comporta como un cuerpo totalmente elástico, es decir, no es rayado. Los carbones que contienen del orden de 80-85% de carbono muestran un máximo de dureza Vickers que se corresponde con un máximo también en la curva de dureza elástica.

De los componentes del carbón, el que presenta más dureza es el dureno, y el más blando es el vitreno.

ii)    Abrasividad: Es la capacidad del carbón para desgastar elementos metálicos en contacto con él. Esta propiedad nos va a condicionar enormemente el material que se tenga que usar en la maquinaria (molinos, trituradoras,…). Está relaciona con las impurezas que acompañan al carbón: sílice y pirita sobre todo.

iii) Resistencia Mecánica: Tiene gran influencia en los sistemas de explotación del carbón. Esto es porque muchas veces la veta carbonífera se usa como paredes, techos y suelos de las propias galerías de la explotación. Además, hay que tener en cuenta que las vetas suelen ser heterogéneas, por lo que es importante estudiar este aspecto. Se debe medir la resistencia mecánica en el sentido normal a al estratificación, tomándose el valor medio de las mediciones. Esta propiedad va a estar directamente relacionada con la composición petrográfica del carbón.

iv) Cohesión: La cohesión es la acción y efecto que tiende a unir los componentes de la materia carbonosa. Se trata de una propiedad positiva o de resistencia.

v)   Friabilidad: Es la capacidad que presentan los carbones de descomponerse fácilmente en granulometrías inferiores por efecto de un impacto o un rozamiento. Esta propiedad habrá que tenerla muy en cuenta en algunos procesos, puesto que nos da la tendencia del carbón a romperse durante su manipulación.

vi) Fragilidad: Es la facilidad que presentan los carbones para romperse o quebrarse en pedazos. Es lo opuesto a la cohesión. Se trata de una propiedad negativa, que va a depender de su tenacidad y elasticidad, de las características de su fractura y de su resistencia. Para medir la fragilidad es necesario hacer dos ensayos que nos midan:

• Fuerzas de rozamiento
• Fuerzas de choque

Esto es debido a que los aparatos y maquinaria que se usa en el procesado del carbón ejercen estos dos tipos de fuerzas sobre el carbón.

vii) Triturabilidad: Es la facilidad con la que el carbón se desmenuza sin reducirse totalmente a polvo. Es una combinación de dureza, resistencia, tenacidad y modo de fractura

Cada vez es más tenida en cuenta esta propiedad mecánica del carbón, debido sobre todo al empleo de técnicas novedosas de combustión, como el lecho fluido.

Rittenger desarrolló muchos trabajos que tratan sobre la triturabilidad de los carbones y concluye que el tamaño de superficie es directamente proporcional a la energía utilizada en la molienda.

Propiedades térmicas

i)     Conductibilidad Térmica: Es la capacidad que presenta el carbón para conducir el calor. Tiene importancia sobre todo en los hornos de coquización, ya que el hecho de que el calor aplicado se transmita lo más rápidamente posible permite que el proceso tenga un mayor rendimiento

ii)    Calor específico: Es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1g de carbón 1ºC. También es importante esta propiedad en el proceso de conquización.

iii) Dilatación: Es el aumento de volumen por efecto del incremento de temperatura. Bangham y Franklin han hecho estudios sobre la dilatación de los carbones. Concluyen que la antracita presenta importantes variaciones en el volumen con cambios de temperatura, pero dependiendo también de la orientación (anisotropía). En cambio, en cuanto a las hullas, la dilatación va a depender más de la temperatura de experimentación.

Propiedades eléctricas

i)     Conductividad Eléctrica: Capacidad para conducir la corriente eléctrica a su través. Se define en términos de resistencia específica, que es la resistencia de un bloque de carbón de 1cm de longitud y 1 cm² de sección­­­. La unidad es el Ωm. Esta propiedad depende de la presión, de la temperatura y del contenido en agua del carbón. El carbón es considerado en términos generales como un semiconductos

La razón por la cual el carbón conduce la electricidad es la posesión de anillos bencénico y radicales libres.

ii)    Constante Dieléctrica: Esta propiedad es más tenida en cuenta que la conductividad eléctrica. Se trata de una medida de la polarizabilidad electrostática del carbón dieléctrico. Esto está relacionado con la polarización de los electrones π que existen en los anillos bencénicos de la estructura del carbón. Está esta propiedad muy relacionada con el contenido en agua del carbón y varía con el rango del carbón.

Propiedades físicas

i)     Densidad: La densidad del carbón es una magnitud dificil de medir. Se definen varios tipos de densidad

• Densidad a granel o en masa: Es el peso en Kg/m³ del conjunto del carbón en trozos, comprendiendo los espacios vacios que quedan entre éstos. Esta magnitud del carbón es importante de cara al almacenamiento del carbón y su uso en hornos de coque
• Densidad de carga o estiba: Se emplea cuando el carbón se almacena en una retorta de coquización. Depende esta mágnitud de la clase de carbón, su tamaño, la humedad.
• Peso específico aparente: Es el peso específico de un trozo de carbón en su estado natural (poros, humedad y materia mineral incluida).
• Peso específico verdadero: El que presenta la sustancia carbonosa sin poros y sin humedad, pero con la materia mineral que contenga
• Peso específico unitario: Igual que el peso específico verdadero, pero además prescindiendo de la materia mineral (es decir, sin cenizas)

ii)    Contenido en agua: El carbón contiene agua tanto por su proceso de formación en origen como por las transformaciones sufridas. El agua se puede presentar de varias maneras:

• Agua de Hidratación: Es la que está combinada químicamente. Forma parte de la materia mineral que acompaña al carbón.
• Agua Ocluida: La que queda retenida en los poros del carbón. Puede proceder del lugar donde se formó el carbón o de las reacciones posteriores a esa formación.
• Agua de Imbibición: Es la que contiene debido a procesos artificiales en la extracción y procesos posteriores, sobre todo procesos de lavado. Esta agua queda adsorbida en la superficie. Se elimina fácilmente calentando a 100-105ºC

Un problema añadido al contenido del agua en carbón es en el almacenamiento. El agua provoca la meteorización del carbón, debido a los cambios de volumen de aquélla al pasar de sólido a líquido; esto va desgajando el carbón en trozos más pequeños, falseando la granulometría. Esta agua también puede atacar las impurezas del carbón, produciendo sustancias que degradan el carbón.

Coque

Cuando sometemos al carbón a un quemado en ausencia de aire, éste sufre una destilación destructiva, obteniéndose un sólido coherente que recibe el nombre de coque. Además, en el proceso de coquización se van a obtener productos secundarios como:

• Alquitrán de alta temperatura
• Aceites ligeros
• Amoníaco (NH­₃)
• Azufre
• Gases incondensables

El rendimiento y naturaleza de los productos dependerá del rango, tipo de carbón, temperatura y duración del proceso de carbonización (véase esquema)

Este proceso también es usado para poder sintetizar los productos mencionados anteriormente, además de para obtener coque. El mejor carbón para la obtención de coque son las hulla.

Clasificación

Los coques se clasifican según su plasticidad, hinchamiento, aglutinación y aglomeración

• Plasticidad: La plasticidad implica no recuperar la forma primitiva cuando una fuerza deja de actuar sobre una materia que entonces se denomina plástica. Para medir esta característica se usan los plastímetro y los penetrómetro.
• Hinchamiento: Se trata de un aumento franco de volumen con el consiguiente esponjamiento. Para que un carbón sea coquizable deberá tener un buen índice de hinchamiento.
• Aglutinación: Conjunto de ensayos con los que se mide la cohesión y resistencia del coque, cuando se ha mezclado con un cuerpo inerte como arena, coque de electrodos o antracita.
• Aglomeración: Se trata aquí de evaluar la coherencia y resistencia del coque cuando el carbón se ha coquizado sin mezcla alguna

El denominado coque metalúrgico es un carbón coquizado y que se emplea especialmente en la industria metalúrgica