Evaluación de una técnica alternativa para el análisis de ceniza en muestras de carbón

Por: Eunice Alejandra González Barraza¹, Diego Martínez Carrillo², Adrián Moisés García Lara³, Gema Trinidad Ramos Escobedo⁴, Jesús Emilio Camporedondo Saucedo³, Brenda Berenice Cano Becerra⁵.

Resumen

En este trabajo se realizó un estudio comparativo sobre el tiempo empleado para el análisis de ceniza de acuerdo con la Norma A.S.T.M. D-3174 y un procedimiento similar alternativo, como una opción para reducir el tiempo de espera de resultados. Las pruebas con el procedimiento similar alternativo se realizaron con tiempos de 2:00, 2:15 y 2:30 horas, en comparación con las 4 horas que establece el procedimiento de la Norma A.S.T.M D-3174. Se tomaron 3 muestras diferentes, dos sin caracterizar y a la tercera muestra se le realizaron los análisis correspondientes de la Norma A.S.T.M. D-388 y se determinó su rango de madurez, siendo este sub-bituminoso.

Se comprobó la estabilidad de la mufla utilizada en el estudio con ambos procedimientos, utilizando las 2 muestras no caracterizadas y se utilizó la tercera muestra como base de estudio, dando resultados satisfactorios con un Ir (índice de repetibilidad) por debajo de lo que marca la Norma A.S.T.M D-3174, no excediendo del 0.22 entre los resultados obtenidos de los dos procedimientos de estudio.

Los resultados indicaron que el procedimiento similar alternativo está dentro del límite de repetividad en los 3 tiempos de estudio, siendo el tiempo de 2:15 horas el tiempo óptimo al ser comparado con los resultados del porcentaje de ceniza obtenidos bajo la Norma A.S.T.M D-3174.

Palabras clave: Ceniza, carbón, índice de repetibilidad, estudio comparativo.

Abstract

A comparative studies was carried out for ash of coal in accordance with A.S.T.M. D-3174 and a similar alternative method, as an option to reduce the time for analysis. The tests with the similar alternative method were performed with times of 2:00, 2:15 and 2:30 hours, compared with the 4 hours established by the procedure of A.S.T.M D-3174. Three different samples were taken, two without characterization and the third sample was carried out with the corresponding analyzes of A.S.T.M. D-388, the rank of coal is sub-bituminous.

The stability of the ashing furnace was approved for both methods, it was used the 2 uncharacterized samples and the third sample was used as the basis of the study, the results with an Ir (repeatability index) not exceeding 0.22 between the results obtained from the two studies procedures.

the results indicated that the similar alternative method is within the repeatability limit in the 3 studies cases, the time of 2:15 hours being the optimal time to be compared with the results of the percentage of ash obtained in accordance with A.S.T.M. D-3174.

Keywords: Ash, coal, repeatability index, comparative study.

Introducción

En México se descubrieron los yacimientos de carbón mineral desde el año 1804. La primera producción comercial de la que se tiene referencia se inició en el año 1884, en el estado de Coahuila (Martinez-Carrillo et al, 2016).

El carbón mineral, es el resultado de la acumulación de materia vegetal en un ambiente muy especial de depósito en combinación de una alteración geológica, siendo la maduración de éste un producto de la presión y temperatura (Elard and León, 2006; Kabe, 2004; Speight,1994). El Carbón es una roca sedimentaria de origen orgánoclástica que se genera por la diagénesis de la materia vegetal procedente de pteridofitas, gimnospermas, angiospermas, y ocasionalmente de briofitas. Se dispone en una secuencia llamada ciclotemas. La composición del carbón incluye carbono, hidrógeno, oxígeno, así como pequeñas cantidades de azufre y nitrógeno; además contiene dióxido de carbono y metano; compuestos aceitosos, como alquitrán y brea, que a su vez contienen amoniaco, tolueno, naftas y creosotas (Clayton, 1998; Prothero and Schwab, 1996).

Para determinar la calidad del carbón se requiere de análisis próximos (contenido de humedad, porcentaje de ceniza y porcentaje de materia volátil), además del poder calorífico. En ocasiones estos análisis se complementan con el análisis elemental y de macerales incluyendo la reflectancia de la vitrinita.

La región carbonífera es la productora de carbón más importante en México, y éste es utilizado en la producción de energía eléctrica y coque. Eventualmente, el carbón requiere de un proceso de concentración (lavado) que elimina gran cantidad de ceniza (estéril). Sin embargo, para este proceso se requiere de un análisis previo de ceniza para ajustar los parámetros de lavado y un monitoreo sistemático cada 1 ó 2 horas, para afinar y controlar todo el proceso de concentrado.

Por esta razón, es necesario hacer análisis de ceniza a una muestra de carbón, la cual puede ser tomada por barrenos, in-situ, de canal, pilas de producción, para poder determinar y ajustar los parámetros de operación de una planta lavadora.

Clasificación del carbón

En general el carbón se clasifica según el rango de maduración, cuanto más alto sea, mayor será su edad y contenido de carbono y poder calorífico, de igual modo, más bajo será su contenido de hidrogeno y materias volátiles. (Catamutun, 2011) 

En la Norma A.S.T.M. D-388, se fija un estándar en la clasificación de carbones. Esta norma define que los carbones de bajo rango son aquellos cuyo poder calorífico bruto, base húmeda sea menor a 11,494.31 BTU/Lb, en dicho rango están los carbones denominados sub bituminosos y los lignitos. En los carbones de alto rango, con un poder calorífico mayor a 11,494.31 BTU/Lb se incluyen los carbones bituminosos y antracitas. (Tabla 1).

Desarrollo experimental

Análisis de ceniza del carbón

El análisis de ceniza de carbón se realizó mediante la norma A.S.TM. D-3174. La ceniza es el residuo inorgánico que se obtiene después de la quema del carbón y su composición es variable dependiendo de los constituyentes inorgánicos del carbón. En general, la norma indica el siguiente procedimiento:

Pesar alrededor de 1 gramo de muestra homogenizada que pase la malla de 250 µm (N°60), en un crisol de 22 mm de profundidad y 44 mm de diámetro, pesado previamente.

Colocar el crisol con la muestra en la mufla a temperatura ambiente y calentar gradualmente hasta alcanzar una temperatura de 500°C en una hora.

Continuar calentando la mufla gradualmente hasta que alcance una temperatura de 750 °C, al final de la segunda hora.

Continuar el quemado la muestra a esta última temperatura durante dos horas más.

El pesaje se hace en una balanza analítica con 0.1 mg de sensibilidad. Se inyecta un flujo de aire constante (20 psi de presión y 40 litros/min de flujo) a la mufla, para mantener una temperatura homogénea dentro de ella.

Se propone un procedimiento similar alternativo basado en la norma A.S.T.M. D-3174, donde se omite las dos primeras horas del calentamiento de la mufla y se introdujeron las muestras estando la mufla a una temperatura de 750 °C (Figura 1). También, se omite la inyección de aire. Reduciendo así el tiempo de análisis.

Cálculo del porcentaje de Ceniza

El procedimiento para calcular el porcentaje de ceniza (%Cza) en el análisis de muestra de carbón es el siguiente:

% Cza=((A – B))X 100

                  C

Donde,

A= Peso del crisol + la muestra calcinada, en gramos.

B= Peso del crisol vacío, en gramos.

C= Peso inicial de la muestra, en gramos.

Descripción de las pruebas de estabilidad y experimentales

Se desarrollaron pruebas para determinar la estabilidad de la mufla con ambos procedimientos, teniendo como parámetro de respuesta los parámetros de precisión (Tabla 2) que marca la misma norma A.S.T.M. D-3174, en específico el índice de repetibilidad (Ir). En estas pruebas se usaron dos muestras de carbón no caracterizadas, pasadas por la malla 60 y homogenizadas. El tiempo de prueba de estabilidad fue de 2:00 horas para el procedimiento similar alternativo.

Para las pruebas comparativas de ambos procedimientos, se utilizó una tercera muestra de carbón la cual se caracterizó de acuerdo con la norma A.S.T.M. D-388. La muestra se pasó por la malla 60, se homogenizó y se separaron 4 fracciones para el estudio comparativo, tomando como variable de estudio el tiempo de permanencia en la mufla, los cuales fueron 2:00, 2:15 y 2:30 horas.

Resultados

Pruebas de estabilidad de la mufla

Los resultados obtenidos para comprobar la estabilidad de la mufla se presentan en la Tabla 3 y Tabla 4, correspondientes al de la norma A.S.T.M. D-3174 y procedimiento similar alternativo.

El Ir determinado en estas pruebas indica que existe estabilidad para ambos procesos, ya que la máxima diferencia fue de 0.041 y en un caso la diferencia es nula, tomando en cuenta que la norma A.S.T.M. D-3174 establece como límite de repetibilidad máximo un valor de 0.22, que es el valor absoluto de la diferencia entre dos ensayos separados calculados en base seca, provenientes de la misma muestra con las mismas condiciones, mismo equipo y mismo operador, de la cual puede esperarse que ocurra con una probabilidad de aproximadamente 95%. Además, el Rango de la Estabilidad de Resultados fue muy baja en ambos casos (0.02 y 0.07, respectivamente).

Análisis de muestra de carbón para definir su rango

Se realizaron una serie de pruebas de acuerdo con la norma A.S.T.M. D-388 para clasificar el rango de madurez del carbón (Tabla 5).

La muestra de carbón se clasificó como sub bituminoso, con un alto poder calorífico (9,780.76 BTU/lb), además, presenta un contenido de materia volátil bajo (24.71%) pero un elevado contenido de carbono fijo (44.34). Tiene propiedades para convertirse en coque de acuerdo con su índice de hinchamiento (7) (Figura 2).

Análisis de ceniza de las muestras de carbón, siguiendo la norma A.S.T.M. D-3174

Se realizaron los análisis de ceniza para las 4 fracciones de la muestra de estudio y se aprovechó para determinar el índice de repetibilidad, así como el Rango de estabilidad de los resultados. La Tabla 6 muestra los resultados obtenidos siguiendo la norma A.S.T.M. D-3174. Se puede observar que los pares de pruebas presentan un Ir muy bajo, inclusive entre las diferentes pruebas el resultado es muy similar.

Análisis de ceniza de las muestras de carbón, siguiendo el procedimiento similar alternativo

Las Tablas 7, 8 y 9, muestran los resultados de las pruebas realizadas a 2:00, 2:15 y 2:30 horas, respectivamente. Al igual que las pruebas presentadas en la Tabla 6, en las 3 series de pruebas el Ir es muy bajo, garantizando así la repetibilidad de las pruebas. Si se compara el Ir entre cada serie, se puede observar que al tiempo de 2:15 horas alcanza valores muy similares que a 2:30 horas. Sin embargo, la prueba a 2:15 horas es más similar que la prueba realizada con la norma A.S.T.M. D-3174.

Para complementar el estudio comparativo, toda la información se dispuso en la Tabla 10. Donde la columna 1 es el tiempo de permanencia de las muestras en la mufla, después de alcanzar la temperatura de los 750°C. La columna 2, son los resultados obtenidos del contenido de ceniza en las muestras de acuerdo con la norma A.S.T.M. D-3174. La columna 3, son los resultados obtenidos del contenido de ceniza en las muestras de acuerdo con el procedimiento similar alternativo. Por último, la columna 4 es el Ir, el cual es la diferencia entre los resultados de la columna 2 y las 3 series de la columna 3, respectivamente en orden descendente.

Haciendo un comparativo entre los datos de la columna 2 y columna 3 en función del Ir, se puede determinar que los resultados obtenidos al tiempo de 2:15 horas presentan un valor más bajo, además, los valores son muy similares. Si calculamos el promedio del contenido de ceniza para los resultados de la columna 2, este será de 30.948%. Por otra parte, si calculamos el promedio de cada serie de la columna 3 y su respectivo Ir, los promedios serán: 31.121% y 0.173; 30.924% y 0.037; 30.894% y 0.060; para los tiempos de 2:00, 2:15 y 2:30 horas, respectivamente. De esta información podemos corroborar que el tiempo de permanencia de 2:15 horas del procedimiento similar alternativo se aproxima más al resultado obtenido con el procedimiento cabal de la A.S.T.M. D-3174, donde tenemos 30.948% contra 30.924% y una diferencia de 0.024 entre ambos procedimientos, el cual representa poco más del 10% del límite de repetibilidad. Por lo tanto, se garantiza que los datos son confiables con este procedimiento similar alternativo.

Conclusiones

Se demostró a través de las pruebas de estabilidad que la operación de la mufla es confiable, ya sea con o sin inyección de aire. Además, es estable independientemente del tiempo de permanencia de las muestras durante su análisis.

Los resultados del análisis de ceniza con la norma A.S.T.M. D-3174, nos permiten ratificar la validez de esta norma, así como la habilidad del operador encargado de hacer los análisis en base a este procedimiento.

El estudio comparativo demuestra que el procedimiento similar alternativo a 2:15 horas, es una buena herramienta para disminuir el tiempo de análisis de ceniza en un poco más del 40%, con resultados muy aceptables.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad Autónoma de Coahuila por las facilidades y apoyo financiero otorgado para la realización de este trabajo, en especial al Ing. Hilario Cadena Cantú, por los conocimientos compartidos.

Bibliografía

• ASTM D388-19, Clasificación Estándar de Carbones por Rank, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019, www.astm.org
• ASTM D3174-12 (2018), Método de prueba estándar para la ceniza en el análisis de la muestra de carbón y coque de carbón, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018, www.astm.org
• Catamutun, 2011. Origen del carbón. Recuperado de: http://www.catamutun.com/produc/carbon/clasi.html
• Clayton, J.L.,1998. Geochemistry of coal bed gas –A review: International Journal of Coal Geology, 35, 159-173. 
• Elard F. and León D., 2006, The Importance of the mineral coal in the development. Figmmg, v. 9, n. 18, p. 91-97
• Kabe, T., 2004, Coal and Coal-Related Compounds: Structures, Reactivity and Catalytic Reactions. Elsevier Science.
• Martinez-Carrillo D., Camacho Ortegón L.F., López-Saucedo F.J., Batista Rodríguez J.A. and Alvarado Flores A.P., 2016, Reseña histórica y situación actual del desarrollo de la minería del carbón en la Región Carbonífera del Estado de Coahuila, México. GEOMIMET, v. XLIII, n. 319, p. 15-19. 
• Prothero, D. R. and Schwab F., 1996, Sedimentary Geology, an Introduction to Sedimentary Rocks and Stratigraphy: New York, W.H. Freeman and Company, p. 575.
• Speight, J.G., 1994, The Chemistry and Technology of Coal. 2nd Ed, ed. G.J. Antos., New York, U.S.A.

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