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El carbón ha sido y aun continúa siendo uno de los
recursos energéticos no renovables mas apreciados desde la revolución
industrial. Es de color negro o
marrón oscuro y se utiliza para su combustión en centrales eléctricas y para la
producción de coque metalúrgico.
El carbono es único en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de todos los otros elementos combinados.
Con mucho, el grupo más grande de estos compuestos es el constituido por carbono e hidrógeno. Se estima que se conoce un mínimo de 1.000.000 de compuestos orgánicos y este número crece rápidamente cada año. Aunque la clasificación no es rigurosa, el carbono forma otra serie de compuestos considerados como inorgánicos, en un número mucho menor al de los orgánicos.
El carbono elemental existe en dos formas alotrópicas cristalinas bien definidas: diamante y grafito. Otras formas con poca cristalinidad son carbón vegetal, coque y negro de humo. El carbono químicamente puro se prepara por descomposición térmica del azúcar (sacarosa) en ausencia de aire. Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la estructura cristalina del elemento. La densidad fluctúa entre 2.25 g/cm³ (1.30 onzas/in³) para el grafito y 3.51 g/cm³ (2.03 onzas/in³) para el diamante. El punto de fusión del grafito es de 3500ºC (6332ºF) y el de ebullición extrapolado es de 4830ºC (8726ºF). El carbono elemental es una sustancia inerte, insoluble en agua, ácidos y bases diluidos, así como disolventes orgánicos. A temperaturas elevadas se combina con el oxígeno para formar monóxido o dióxido de carbono. Con agentes oxidantes calientes, como ácido nítrico y nitrato de potasio, se obtiene ácido melítico C6(CO2H)6. De los halógenos sólo el flúor reacciona con el carbono elemental. Un gran número de metales se combinan con el elemento a temperaturas elevadas para formar carburos.
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Formación.
El carbón se formó, principalmente, cuando los extensos bosques de helechos y esquisetos gigantes que poblaban la Tierra hace unos 300 millones de años, en el periodo Carbonífero de la era Paleozoica, morían y quedaban sepultados en los pantanos en los que vivían. Al ser el terreno una mezcla de agua y barro muy pobre en oxígeno, no se producía la putrefacción habitual y, poco a poco, se fueron acumulando grandes cantidades de plantas muertas
Con el tiempo nuevos sedimentos cubrían la capa de plantas muertas, y por la acción combinada de la presión y la temperatura, la materia orgánica se fue convirtiendo en carbón.
Según las presiones y temperaturas que los hayan formado distinguimos distintos tipos de carbón: turba, lignito, hulla (carbón bituminoso) y antracita. Cuanto más altas son las presiones y temperaturas, se origina un carbón más compacto y rico en carbono y con mayor poder calorífico..
La turba es poco rica en carbono y muy mal combustible. El lignito viene a continuación en la escala de riqueza, pero sigue siendo mal combustible, aunque se usa en algunas centrales térmicas. La hulla es mucho más rica en carbono y tiene un alto poder calorífico por lo que es muy usada, por ejemplo en las plantas de producción de energía. Está impregnada de sustancias bituminosas de cuya destilación se obtienen interesantes hidrocarburos aromáticos y un tipo de carbón muy usado en siderurgia llamado coque, pero también contiene elevadas cantidades de azufre que son fuente muy importante de contaminación del aire. La antracita es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto poder calorífico.
El carbón suministra el 25% de la energía primaria consumida en el mundo, sólo por detrás del petroleo. Además es de las primeras fuentes de energía eléctrica, con 40% de la producción mundial (datos de 2006). Las aplicaciones principales del carbón son:
- Generación de energía eléctrica. Las centrales térmicas de carbón pulverizado constituyen la principal fuente mundial de energía eléctrica. En los últimos años se han desarrollado otros tipos de centrales que tratan de aumentar el rendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entre ellas las centrales de lecho fluido a presión. Otra tecnología en auge es la de los ciclos combinados que utilizan como combustible gas de síntesis obtenido mediante la gasificación del carbón.
- Coque. El coque es el producto de la pirólisis del carbón en ausencia de aire. Es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, principalmente en los altos hornos (coque siderúrgico). Dos tercios del acero mundial se producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12% de la producción mundial de carbón (cifras de 2003).
- Siderurgia. Mezclando minerales de hierro con carbón se obtiene una aleación en la que el hierro se enriquece en carbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad. Dependiendo de la cantidad de carbono, se obtiene:
- Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono.
- Acero: entre 0,2% y 1,2% de carbono.
- Fundición: más del 1,2% de carbono.
- Industrias varias. Se utiliza en las fábricas que necesitan mucha energía en sus procesos, como las fábricas de cemento y de ladrillos.
- Uso doméstico. Históricamente el primer uso del carbón fue como combustible doméstico. Aún hoy sigue siendo usado para calefacción, principalmente en los países en vías de desarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sido desplazados por otras fuentes más limpias de calor (gas natural, propano, butano, energía eléctrica) para rebajar el índice de contaminación.
- Carboquímica. La carboquímica es practicada principalmente en Africa del sur y China. Mediante el proceso de gasificación se obtiene del carbón un gas llamado gas de síntesis, compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis es una materia prima básica que puede transformarse en numerosos productos químicos de interés como, por ejemplo:
- Petróleo sintético. Mediante el proceso de licuefacción directa, el carbón puede ser transformado en un crudo similar al petróleo. La licuefacción directa fue practicada ampliamente en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial pero en la actualidad no existe ninguna planta de escala industrial en el mundo.
Estas dos últimas aplicaciones antiguas son muy contaminantes y requieren mucha energía, desperdiciando así un tercio del balance energético global. Debido a la crisis del petróleo se han vuelto a utilizar.
En México
La historia del carbón en México, y particularmente en el Estado de Coahuila, (Cuenca Carbonífera de Coahuila (CCC)) data desde inicios de siglo XIX. En la actualidad, el carbón constituye un mineral de gran importancia para la industria de la energía eléctrica y metalúrgica en la región norte y noreste del país. El carbón de la cuenca está caracterizado como bituminoso y sub-bituminoso, y considerado dentro de los carbones de medio a alto rango. En la cuenca se extrae carbón térmico para generar energía eléctrica y carbón coquizable, utilizado en la industria siderúrgica como materia prima para obtener diferentes clases de materiales. El estado de Coahuila cuenta con las reservas más importantes de carbón de toda la región norte de México. Estudios realizados sobre las reservas probadas le atribuyen 538 234 684 tn (Rivera, et. Al., 2003) y reservas totales de 1200 millones de tn, aproximadamente. La mayoría de las minas se explotan a cielo abierto, permitiendo que el trabajo de las maquinarias y del personal se ejecute sobre la superficie del terreno, favoreciendo que la producción del mineral sea menos costosa. A medida que avanza la incorporación de nuevas tecnologías al mercado de la minería, se van sustituyendo los equipos de perforación y se cuenta con adelantados métodos de producción, a la vez que se incorporan al sistema equipos de seguridad en las minas y en el personal; programas de cuidado del medio ambiente y prevención de riesgos laborales, lo que denota el incremento de la industria y su importancia en el estado. A pesar de toda esta incorporación, para mejorar la producción y bienestar del sistema aún queda por avanzar en el área de la investigación y proyectos dentro de instituciones públicas -como las universidades- conjuntamente con el sector industrial y el mercado. Existen en la cuenca de Sabinas mantos de carbón -aproximadamente entre 300 - 500 m de profundidad- que aun quedan por explotar. A la vez, un estudio profundo de la liberación del metano procedente de las capas de carbón es materia pendiente de analizar, así como el seguimiento de la capacitación y prevención de los riesgos laborales para cambiar el paradigma de las minas, haciéndolo mas atractivo como fuente de trabajo.
La primera producción económica conocida de carbón en México se inició en 1884 cerca de Sabinas, Coahuila. Más tarde, la producción continuada a escala reducida junto con importaciones abastecía a los ferrocarriles y hacia los últimos años del siglo 19, coincidiendo con el régimen de Porfirio Díaz, las industrias nacientes metalúrgicas y del acero, mayormente localizadas en el norte de México, requerían cantidades crecientes de carbón. Aunque el interés por el carbón sufrió del desarrollo y producción rápidos del petróleo en los primeros años del siglo 20, afectando particularmente el uso de carbón para la generación de electricidad, seguía siendo un insumo indispensable para la industria siderúrgica y la minera-metalúrgica. Sin embargo, aun durante los años de crecimiento de 1902 a 1910, la producción total sólo llegó a un poco más de 10 millones de toneladas métricas, y aun en 1920 cuando el vecino al norte de México estaba extrayendo 600Mt/año, México no era capaz de exceder los 1.3Mt que había producido en 1910. Desde luego, la Revolución (1910-1917) causó una disminución abrupta y continuada de la actividad económica en México, tal como se evidencia también en el caso del carbón cuya producción fue sólo de cerca de 4 millones de toneladas métricas durante el período 1911-1921. Este estancamiento no se alivió mucho en las siguientes dos décadas durante las cuales la producción total fue aproximadamente de 12Mt, la mayor parte de la variedad coquizable.
Clasificación e importancia
De acuerdo con las características físico-químicas de los carbones de la cuenca de Sabinas se les clasifica dentro de los combustibles fósiles tipo bituminoso. Cada uno de los parámetros analizados juega un papel importante a la hora de clasificar al mineral, siendo uno de ellos el índice de hinchamiento del carbón que se mide para determinar si el carbón es coquizable o no, y de allí la categorización del carbón para la industria siderúrgica o para la industria térmica. Otro parámetro de gran importancia es el contenido de azufre en el carbón; su porcentaje indicará las posibilidades de corrosión en las calderas y la cantidad de contaminación al medio ambiente, factor importante para que las industrias requieran un mineral con bajo índice de azufre. Su contenido en el carbón generalmente se encuentra en tres formas, el pirítico (SFe2), el orgánico que es el azufre enlazado químicamente en los hidrocarburos del carbón, y otra pequeña cantidad que se encuentra en forma de sulfato, tal como sulfato de calcio o de hierro. La tabla 1 denota las principales características del carbón y la estimación de las reservas probadas en la cuenca, según Minera México (1999) y SGS (2008) en comunicación personal.
- Produce México 15 millones de toneladas de carbón al año
- Información de la Cámara Minera de México (Camimex) indica que el territorio nacional tiene yacimientos de clase mundial como los de Fresnillo, Cananea, Las Cuevas, Guerrero Negro, Isla San Marcos, Molango, Micare y Mimosa, con producción de metales como cobre, aluminio, molibdeno, plata, zinc, oro y carbón.
- Según la Camimex, la actividad minera contribuye con el 1.6% del Producto Interno Bruto (PIB), con un valor anual promedio de producción de tres mil 800 millones de dólares.
- La minería en el país genera 257 mil empleos directos y un millón y medio indirectos, lo que refleja el alto sentido económico y social, así como su contribución al desarrollo del país.
- Tan sólo en los últimos ocho años se han invertido en esa industria cinco mil 300 millones de dólares, ya que se trata de un actividad que conlleva riesgos y por lo tanto se debe invertir en tecnología y seguridad.
