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Construccin de un modelo de mezcla
de carbones colombianos para la
produccin de coque. Aplicacin de
anlisis petrogrficos, reolgicos y
termogravimtricos
Camilo Guerrero Tamayo
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias, Departamento de Qumica
Bogot, Colombia
Ao 2012
Construccin de un modelo de mezcla
de carbones colombianos para la
produccin de coque. Aplicacin de
anlisis petrogrficos, reolgicos y
termogravimtricos
Camilo Guerrero Tamayo
Tesis presentada como requisito parcial para optar al ttulo de:
Magister en Ciencias Qumica
Director:
Dr. Ing. Jos de Jess Daz Velsquez
Lnea de Investigacin:
Materiales y Energa
Grupo de Investigacin:
Laboratorio de Investigacin en Combustibles y Energa (LICE)
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias, Departamento Qumica
Bogot, Colombia
Ao 2012
Agradecimientos
Un gran agradecimiento al Laboratorio de Investigacin en
Combustibles y Energa de la Universidad Nacional de Colombia
(LICE), en especial a su director Jos de Jess Daz por el apoyo
a esta investigacin. A la compaa Coquecol S.A.C.I. quien mostr
gran inters y brind soporte para el desarrollo de este trabajo y
a Ricardo Gallo y Francisco Montoya quienes promovieron la
formulacin del proyecto desde la etapa inicial.
Resumen y Abstract VII
Resumen
Con el fin de desarrollar modelos que permitan predecir la calidad
del coque obtenido en los procesos de coquizacin, especialmente
los ndices de calidad Drum Index (DI), Resistencia Mecnica del
Coque despus de Reaccin (CSR) e ndice de Reactividad del Coque
(CRI), se seleccionaron 6 carbones de las regiones de Cundinamarca
y Boyac, con los cuales se realizaron 14 mezclas binarias y 5
ternarias. Los carbones individuales se caracterizaron mediante
anlisis prximo, ltimo, reolgico, petrogrfico y qumico de
cenizas, ms el anlisis termogravimtrico. Se determinaron los
ndices de calidad de coques obtenidos a partir de los carbones y
las mezclas. Los resultados muestran que los parmetros de mxima
velocidad de desprendimiento de voltiles (VDV max) y la
temperatura de mxima velocidad de desprendimiento de voltiles
(T max) extrados del anlisis termogravimtrico son adecuados
para caracterizar los carbones y las mezclas y que junto con el
ndice de basicidad de cenizas modificado (MBI) y la composicin
maceral, permiten la elaboracin de modelos de mezcla y prediccin
de los ndices de calidad del coque DI, CSR y CRI.
Palabras clave: Carbn; Coque; Mezclas de Carbn; Prediccin de
Calidad del Coque; Anlisis Termogravimtrico.
Abstract
Six Cundinamarcas and Boyacs coals were selected to developed a
coke quality prediction model, specially the cokes quality index
Drum Index (DI), Coke Strength After Reaction (CSR) and Coke
Reactivity Index (CRI). Those coals were used to make 14 binary
and 5 ternary blends. The coals were characterized by proximate,
ultimate, rheological and petrographic analysis, ash chemical
composition and the thermogravimetric analysis. Each cokes
quality index was measured for single coals and blends. The
parameters derived from the thermogravimetric analysis, maximum
velocity of de-volatilization (VDV max) and the temperature of
VIII
maximum velocity of de-volatilization (T max) showed good
capability to make coal blend models and Coke Quality Prediction
to calculate DI, CSR and CRI. Inclusion of MBI (modified basicity
index) and maceral composition parameters were necessary to
improve the Coke Quality Prediction
Keywords: Coal; Coke; Coal Blends; Coke Quality Prediction;
Thermogravimetric Analysis.
Contenido IX
Contenido Pg.
Resumen .............................................................................................................................................................. VII
Abstract ................................................................................................................................................................ VII
Lista de figuras ..................................................................................................................................................... XI
Lista de tablas.................................................................................................................................................... XIII
Lista de smbolos y abreviaturas ................................................................................................................. XIV
Introduccin ........................................................................................................................................................... 1 Antecedentes .................................................. 1 Generalidades y Estado del Arte ............................... 2
Carbn y Coque ............................................ 2 Modelos de Prediccin de Calidad del Coque ................ 4 Modelos de Prediccin de Calidad del Coque Desarrollados
Colombia .................................................. 4 Planteamiento del Problema .................................... 5
1. Caracterizacin del Carbn ....................................................................................................................... 7 1.1 Marco Terico ............................................ 7 1.2 Seccin Experimental ..................................... 9 1.3 Resultados y Discusin .................................. 10
1.3.1 Caracterizacin Bsica ............................. 10 1.3.2 Clasificacin de los Carbones ...................... 14 1.3.3 Anlisis Petrogrficos ............................. 15 1.3.4 Anlisis de Fluidez y Dilatacin ................... 17 1.3.5 Composicin Qumica de Cenizas ..................... 18 1.3.6 Caracterizacin con Anlisis Termogravimtrico ..... 20
1.4 Conclusiones ............................................ 26
2. Carbonizacin de Carbones Individuales ........................................................................................... 27 2.1 Marco Terico ........................................... 27
2.1.1 Generalidades del Proceso de Coquizacin ........... 28 2.2 Seccin Experimental .................................... 29
2.2.1 Condiciones de Coquizacin ......................... 30 2.2.2 Caracterizacin del Coque .......................... 31
2.3 Resultados y Discusin .................................. 32 2.3.1 Contenido de Cenizas y Materia Voltil en Coques Individuales ............................................. 32 2.3.2 CRI - CSR y Drum Index en Coques Individuales ...... 33
X Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
2.3.3 Tamao Medio en Coques Individuales ............... 33 2.3.4 ndices de Calidad de Coque en Funcin de Reflectancia de la Vitrinita ............................. 35 2.3.5 ndices de Calidad de Coque en Funcin de T max ... 37 2.3.6 ndices de Calidad de Coque en Funcin de VDV max . 39 2.3.7 Correlaciones para los ndices de Calidad de los Coques .................................................. 41
2.4 Conclusiones ........................................... 44
3. Modelo de Mezclas .................................................................................................................................... 45 3.1 Marco Terico .......................................... 45 3.2 Diseo de Mezclas ...................................... 46
3.2.1 Diseo Experimental de Mezclas .................... 48 3.2.2 Modelos de Regresin Mltiple Lineal .............. 51
3.3 Seccin Experimental ................................... 52 3.4 Resultados y Discusin ............................... 53
3.4.1 Caracterizacin de Mezclas ........................ 53 3.4.2 Caracterizacin de los Coques ..................... 57 3.4.3 Anlisis de Grficos de Contorno de CSR y DI para Mezclas .................................................. 59 3.4.4 Modelo de Mezcla Basado en Proporciones para los 5 Carbones ................................................. 64 3.4.5 Relaciones para los ndices de Calidad de los Coques: Mezclas y Carbones Individuales .......................... 67 3.4.6 Modelo de Mezcla Multiparamtrico ................. 72
3.5 Conclusiones ........................................... 75
4. Conclusiones ............................................................................................................................................... 77 4.1 Recomendaciones ........................................ 78
A. Anexo: Detalle del Anlisis Estadstico ................................................................................................ 79
Bibliografa ........................................................................................................................................................... 87
Contenido XI
Lista de figuras Pg.
Figura 1-1: Representacin Grfica del Sistema de Clasificacin del Carbn Segn Norma ISO
11760 (05). ................................................................................................................................................................... 8
Figura 1-2: Relacin entre contenido de Materia Voltil (BSLC) y Reflectancia de la Vitrinita.
.......................................................................................................................................................................................... 13
Figura 1-3: Relacin entre contenido H/C atmico y Reflectancia de la Vitrinita. ........................ 13
Figura 1-4: Relacin entre Contenido de Oxgeno (BSLC) y Reflectancia de la Vitrinita. ........... 14
Figura 1-5: Diagrama Triangular para Grupos Macerales expresados en Porcentaje (BSLMM)
.......................................................................................................................................................................................... 16
Figura 1-6: Relacin Entre Mxima Fluidez y Reflectancia de la Vitrinita. ....................................... 17
Figura 1-7: Diagrama triangular de asociaciones de los principales xidos presentes en los
carbones, expresados en porcentajes. ............................................................................................................. 19
Figura 1-8: Parmetros Termogravimtricos a partir de la Curva TGA-DTG del Carbn. .......... 21
Figura 1-9: Curva DTG de los Seis Carbones.................................................................................................. 22
Figura 1-10: Relacin entre Mxima Fluidez y VDV max. ........................................................................ 23
Figura 1-11: Relacin Entre T max y Reflectancia de la Vitrinita. ........................................................ 24
Figura 1-12: Relacin Entre T max y Reflectancia de la Vitrinita, Excluyendo el Carbn 6. ...... 24
Figura 1-13: Relacin entre VDV max y T max. ............................................................................................ 25
Figura 2-1: Fotografa Horno Piloto de Coquizacin .................................................................................. 30
Figura 2-2: Esquema Horno Piloto de Coquizacin .................................................................................... 30
Figura 2-3: Relacin entre Tamao Medio en Coques y Reflectancia de la Vitrinita de
Carbones Individuales. ........................................................................................................................................... 34
Figura 2-4: Relacin entre Tamao Medio en Coques y VDV max de Carbones Individuales. . 35
Figura 2-5: Relacin entre CSR en Coques y Reflectancia de la Vitrinita de Carbones
Individuales. ............................................................................................................................................................... 36
Figura 2-6: Relacin entre CRI en Coques y Reflectancia de la Vitrinita de Carbones
Individuales. ............................................................................................................................................................... 36
Figura 2-7: Relacin entre DI en Coques y Reflectancia de la Vitrinita de Carbones
Individuales. ............................................................................................................................................................... 37
Figura 2-8: Relacin entre CSR en Coques y T max de Carbones Individuales. .............................. 38
Figura 2-9: Relacin Entre CRI en Coques y T max de Carbones Individuales................................ 38
Figura 2-10: Relacin entre DI en Coques y T max de Carbones Individuales. ............................... 39
Figura 2-11: Relacin entre CSR en Coques y VDV max de Carbones Individuales. ..................... 40
Figura 2-12: Relacin entre CRI en Coques y VDV max de Carbones Individuales. ...................... 40
Figura 2-13: Relacin entre DI en Coques y VDV max de Carbones Individuales. ......................... 41
XII Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Figura 2-14: Relacin entre DI en Coques, T max y VDV max de Carbones Individuales. .......... 42
Figura 2-15: Relacin entre DI en Coques, Reflectancia y Mxima Fluidez de Carbones
Individuales. ............................................................................................................................................................... 42
Figura 2-16: Relacin entre CSR, DI en Coques y MBI de Carbones Individuales. ......................... 43
Figura 3-1: Grfica Diseo de Mezclas [50] .................................................................................................... 47
Figura 3-2: Grfica Diseo de Mezclas, Triangulo A ................................................................................... 50
Figura 3-3: Grfica Diseo de Mezclas, Triangulo B ................................................................................... 50
Figura 3-4: Grfica Diseo de Mezclas, Triangulo C ................................................................................... 50
Figura 3-5: Grfica Diseo de Mezclas, Triangulo D ................................................................................... 50
Figura 3-6: Grfica Diseo de Mezclas, Triangulo E ................................................................................... 50
Figura 3-7: Correlacin entre Reflectancia y Mxima Fluidez para carbones y mezclas ............ 54
Figura 3-8: Correlacin entre T max y VDV max para carbones y mezclas ...................................... 55
Figura 3-9: Tringulo A. Grfica de Contorno para CSR ............................................................................ 61
Figura 3-10: Tringulo A. Grfica de Contorno para DI ............................................................................ 61
Figura 3-11: Tringulo B. Grfica de Contorno para CSR ......................................................................... 61
Figura 3-12: Tringulo B. Grfica de Contorno para DI ............................................................................ 62
Figura 3-13: Tringulo C. Grfica de Contorno para CSR ......................................................................... 62
Figura 3-14: Tringulo C. Grfica de Contorno para DI ............................................................................. 62
Figura 3-15: Tringulo D. Grfica de Contorno para CSR ......................................................................... 63
Figura 3-16: Tringulo D. Grfica de Contorno para DI ............................................................................ 63
Figura 3-17: Tringulo E. Grfica de Contorno para CSR ......................................................................... 63
Figura 3-18: Tringulo A. Grfica de Contorno para DI ............................................................................ 64
Figura 3-19: Grfica de Correlacin entre DI del Coque y Ro de Mezclas y Carbones ................. 67
Figura 3-20: Grfica de Correlacin entre DI del Coque y T max de Mezclas y Carbones .......... 68
Figura 3-21: Grfica de Correlacin entre DI del Coque y Contenido de Vitrinita en Mezclas y
Carbones ....................................................................................................................................................................... 68
Figura 3-22: Grfica de Correlacin entre CSR del Coque y Ro en Mezclas y Carbones .............. 69
Figura 3-23: Grfica de Correlacin entre CSR del Coque y T max en Mezclas y Carbones ....... 70
Figura 3-24: Grfica de Correlacin entre CSR del Coque y contenido de Vitrinita en Mezclas y
Carbones ....................................................................................................................................................................... 70
Figura 3-25: Grfica de Contorno entre DI del Coque y VDV max y T max de Mezclas y
Carbones ....................................................................................................................................................................... 71
Figura 3-26: Grfica de Contorno entre DI del Coque y log ddpm y Ro de Mezclas y Carbones
.......................................................................................................................................................................................... 71
Contenido XIII
Lista de tablas Pg.
Tabla 1: Caractersticas Tpicas del Coque Empleado para la Operacin de Altos Hornos ... 3
Tabla 1-1: Anlisis Prximo, ltimo y Poder Calorfico .................................................................... 11
Tabla 1-2: Anlisis Petrogrficos ................................................................................................................ 11
Tabla 1-3: Anlisis de Plastometra, Dilatometra e ndice de Hinchamiento ......................... 12
Tabla 1-4: Composicin Qumica de Cenizas ......................................................................................... 12
Tabla 1-5: Clasificacin de los Carbones Segn Normas ISO y ASTM .......................................... 15
Tabla 1-6: ndice de basicidad [4] e ndice de basicidad modificados (MBI)........................... 20
Tabla 2-1: Relacin entre el Proceso de Coquizacin, Fenmenos y Tipo de Anlisis ......... 28
Tabla 2-2: Fenmenos Asociados al Proceso de Coquizacin ......................................................... 29
Tabla 2-3: Parmetros de Calidad de Coque Producido a Partir de los Carbones
Individuales ............................................................................................................................................................. 32
Tabla 3-1: Nomenclatura para Mezclas y Carbones Individuales ................................................. 49
Tabla 3-2: Carbones Constituyentes de cada Tringulo .................................................................... 49
Tabla 3-3: Resumen Anlisis de Carbones y Mezclas ......................................................................... 56
Tabla 3-4: Resultados Completos Carbonizaciones y Caracterizacin del Coque .................. 58
Tabla 3-5: Parmetros Estadsticos en el Anlisis de Mezclas, Tringulos A, B, C, D, E. ...... 65
Tabla 3-6: Parmetros Estadsticos de Evaluacin de Modelo de Mezcla en Proporciones ...
............................................................................................................................................................. 66
Tabla 3-7: Parmetros Estadsticos de Evaluacin de Modelos de Regresin Mltiple
Lineal ............................................................................................................................................................. 73
Contenido XIV
Lista de smbolos y abreviaturas
Abreviaturas Abreviatura Trmino
BS Base Seca
BSLC Base Seca Libre de Cenizas
BSLMM Base Seca Libre de Materia Mineral
Ro Reflectancia Media Aleatoria de la Vitrinita
TGA Anlisis Termogravimtricos
DTG Derivada del Anlisis Termogravimtrico
T max Temperatura de mxima velocidad de desprendimiento de
voltiles en el anlisis TGA
VDV max Mxima velocidad de desprendimiento de voltiles en el
anlisis TGA
ddpm Divisiones de dial por minuto, resultado del anlisis
de plastometra Gieseler
Log ddpm Resultado del logaritmo en base diez para ddpm
T ia Temperatura inicial de ablandamiento de plastometra
Gieseler
T mf Temperatura de mxima fluidez de plastometra Gieseler
T sd Temperatura de resolidificacin de plastometra
Gieseler
IHL ndice de Hinchamiento Libre
T1 Temperatura de Ablandamiento en el anlisis
dilatomtrico
T2 Temperatura de Contraccin Mxima en el anlisis
dilatomtrico
T3 Temperatura de Dilatacin Mxima en el anlisis
dilatomtrico
%C Porcentaje de Contraccin
%D Porcentaje de Dilatacin
CRI ndice de Reactividad del Coque
CSR Resistencia Mecnica del Coque Despus de la reaccin
DI ndice de Tambor (Drum Index), equivalente a DI150
15
BI ndice de Basicidad
MBI ndice de Basicidad Modificado
MAE Residual Absoluto Promedio
S Error estndar de la regresin
Introduccin
Antecedentes
El coque es el principal combustible y agente reductor utilizado
en los Altos Hornos de produccin de arrabio [1]. Con la creciente
demanda mundial de este material impulsada principalmente por
China y las economas emergentes, las industrias dedicadas a su
fabricacin, buscan promover investigaciones encaminadas a
aumentar la productividad de sus procesos (Produccin de Coque,
Sinterizacin, Alto horno, Siderurgia, etc.), as como a la
reduccin de costos de fabricacin por adquisicin de materias
primas y uso eficiente de las mismas. El mineral de hierro y el
carbn (empleado en la produccin de coque) son los responsables
de la mayor parte del costo de produccin del acero [2].
El coque se produce a partir de mezclas de carbones con diferentes
caractersticas o propiedades, disponibles a diferentes precios,
lo cual convierte en un desafo industrial la fabricacin de este
material empleando mezclas de carbones de menor costo, manteniendo
los principales parmetros de calidad del producto, la resistencia
mecnica en fro y en caliente, la reactividad y el tamao medio.
Para lograr este objetivo se han desarrollado mltiples modelos de
mezcla del carbn encaminados a hacer uso eficiente de los
carbones disponibles con cierta tecnologa de produccin y con
algunos aditivos [1].
Con el gran potencial de Colombia, dadas sus reservas de carbones
coquizables, se estn desarrollando modelos de mezcla de carbn en
el mbito nacional [3] y trabajos importantes en la
caracterizacin de los diversos carbones bituminosos que se
explotan habitualmente en los departamentos de Cundinamarca y
Boyac en el interior del pas [4-6]. Estos modelos de mezcla de
carbn no han sido adoptados totalmente por las compaas
colombianas productoras de coque, debido al estado primario del
desarrollo de los modelos, a la necesidad de una caracterizacin
intensiva y dispendiosa de los carbones que se emplearn en el
proceso y a la baja interaccin entre la industria y los centros
de investigacin. Trabajos recientes muestran que el uso de
2 Introduccin
parmetros de caracterizacin del carbn, derivados del anlisis
termogravimtrico pueden convertirse en herramienta para la
construccin de modelos de mezcla de carbn, con un buen nivel de
prediccin.
Generalidades y Estado del Arte
Carbn y Coque
El carbn es una roca sedimentaria de origen orgnico, formado a
partir de restos vegetales, resultado de un proceso de
transformacin progresiva conocido como carbonificacin [7].
Industrialmente los carbones tienen diferentes aplicaciones segn
sus caractersticas, y habitualmente los carbones bituminosos se
emplean en la produccin de coque. El coque es un material slido
poroso con una gran resistencia mecnica, enriquecido en carbono
fijo, utilizado como materia prima en diversos procesos
siderrgicos y metalrgicos [1, 3, 8]. Este material se obtiene
mediante el proceso de carbonizacin (coquizacin) en donde
ocurren mltiples transformaciones qumicas, fsicas y
fisicoqumicas.
El proceso de coquizacin puede definirse como el conjunto de
fenmenos fsicos, qumicos y fisicoqumicos responsables de la
transformacin de un carbn o una mezcla de carbones en el coque.
La transformacin del carbn al coque se lleva a cabo mediante el
calentamiento del carbn, hecho que favorece el desprendimiento de
ciertas molculas de la estructura carbonosa, las cuales se
convierten en sustancias plastificantes capaces de llevar el
conjunto de la masa de carbn a un estado plstico, donde los
distintos granos de carbn tienen la capacidad de aglomerarse. En
este estado plstico -que ocurre generalmente entre los 350 y 500
C- suceden simultneamente reacciones de craqueo y aromatizacin.
Una vez la temperatura del sistema supera la temperatura del
intervalo plstico se presenta un aumento rpido en la masa
molecular de los componentes del carbn, formando una red continua
de enlaces qumicos, en su mayora aromticos, dando lugar a la
resolidificacin. La masa de carbn, una vez resolidificada,
produce lo que se denomina semi-coque, que con el incremento de la
temperatura encima de 850 C y la liberacin de materia voltil se
consolida estructuralmente para formar finalmente el coque [8].
La coquizacin a nivel industrial se efecta en diferentes tipos
de hornos, utilizando diversas tecnologas en donde las variables
que pueden modificarse son la cantidad de carbn coquizada por
horno, la temperatura y el tiempo de coquizacin, entre otras.
Introduccin 3
Los hornos de coquizacin usados en la actualidad pueden tener
sistemas de recirculacin de energa y de recuperacin de
subproductos. La competencia de los fenmenos de transporte de
masa y energa, as como los parmetros velocidad de calentamiento
del carbn, temperatura final de la coquizacin y tiempo de
residencia en el horno son aspectos controlados usualmente y estn
muy relacionados con las caractersticas finales de calidad del
coque producido [2, 9-12].
Los principales parmetros de calidad del coque (utilizado en la
industria metalrgica) estn asociados con las caractersticas que
este material debe poseer para ser utilizado en los Altos Hornos
de produccin de acero; caractersticas de combustible, agente
reductor qumico y soporte permeable. As, la resistencia mecnica
en fro, la reactividad y la resistencia mecnica en caliente son
tres de los principales factores a controlar en la produccin del
coque, sin dejar de lado la composicin qumica, el tamao medio y
la porosidad [1-2, 8]. En la tabla 1 se muestran los valores
deseados de calidad de coque metalrgico en diferentes regiones
del mundo [1].
Tabla 1: Caractersticas Tpicas del Coque Empleado para la
Operacin de Altos Hornos
Parmetro Europa Australia Amrica Japn
Tamao Medio (mm) 47 - 70 50 50 45 - 60
M40 78 - 88 85 n.a. n.a.
M10 5 - 8 6,5 n.a. n.a.
I40 53 - 55 n.a. n.a. n.a.
I20 > 77,5 n.a. n.a. n.a.
DI 150
15 n.a. 84,4 n.a. 83 - 85
Factor de
Estabilidad ASTM n.a. 63,6 60 n.a.
CSR >60 74,1 61 50 - 65
CRI 20 - 30 17,7 23 n.a.
n.a.: No aplica.
Tabla adaptada de Dez et al [1].
Para determinar la resistencia mecnica del coque existen diversos
ensayos desarrollados en diferentes pases, no obstante el ensayo
Japons denominado ndice de Tambor (Drum Index) se usa en la
actualidad con mayor frecuencia para evaluar el desempeo
operacional del coque en los Altos Hornos de alta productividad.
Adicionalmente, el mtodo desarrollado por la Nippon Steel, para
medir la reactividad del coque (ndice de reactividad del coque
CRI) y su resistencia mecnica despus de la reaccin (CSR), se
emplea internacionalmente y se adopt como procedimiento ASTM.
4 Introduccin
Modelos de Prediccin de Calidad del Coque
Los modelos de prediccin de calidad del coque han sido
desarrollados para llevar las mezclas de carbn a parmetros
ptimos que garanticen la produccin de coque con buena
resistencia mecnica y/o reactividad [11-17]. Estos intervalos
ptimos de reactividad de las mezclas de carbones se encuentran
mediante el direccionamiento de las propiedades petrogrficas,
reolgicas, trmicas y la composicin qumica de cenizas hacia
zonas de respuesta para la obtencin del mejor coque [17-21],
buscando maximizar el uso de los carbones ms abundantes y de
menor precio.
Los modelos de prediccin de calidad del coque se pueden
clasificar en dos generaciones. La primera en la cual se buscaba
principalmente tener control sobre la resistencia mecnica de
coque producido. La segunda (y actual) en donde adems del
control de resistencia mecnica, toma gran importancia la
reactividad del coque cuando se carga al alto horno y su
resistencia mecnica en caliente. Para los dos casos la
competencia entre parmetros petrogrficos y reolgicos sigue
siendo el eje fundamental de la construccin de los modelos [1].
Modelos de Prediccin de Calidad del Coque Desarrollados Colombia
Dentro de los primeros trabajos representativos a nivel nacional
sobre modelos de prediccin de calidad del coque se encuentran los
trabajos de Influencia de propiedades y modelamiento matemtico
en coquizacin" realizado por Ingeominas [5-6], y el informe final
del proyecto Desarrollo e implementacin de mezclas para la
obtencin de coque metalrgico y control de calidad para su
exportacin", realizado en la Universidad Pedaggica y Tecnolgica
de Colombia (UPTC) en el 2001 [22]. En el trabajo desarrollado
por Ingeominas - previo a la caracterizacin de los carbones
provenientes de la regin de Cundinamarca y Boyac - se avaluaron
22 modelos de prediccin de calidad de Coque, encontrando que los
modelos de Harrison (basado en el concepto de macerales reactivos-
inertes) y Munnix (basado en las propiedades plsticas del carbn)
eran los ms apropiados para explicar los resultados obtenidos
[6].
Otro trabajo destacado fue realizado en la Universidad Nacional de
Colombia Aprovechamiento de carbones coquizables de Cundinamarca
Introduccin 5
y Boyac. Coque, Plan de accin 2001" [23] en este trabajo se tom
como base de partida los requerimientos de calidad del coque
exigidos por los mercados internacionales, para la adecuacin de
las bases de datos disponibles en Minercol.
Trabajos ms recientes se han desarrollado en la Universidad
Nacional Sede Bogot, en donde se destaca el estudio efectuado por
Cadena en el ao 2007 [3], donde a partir de parmetros parciales
de reflectancia de los macerales del carbn, fueron establecidos
modelos de regresin para predecir el CRI y CSR de los coques
obtenidos mediante una carbonizacin a escala laboratorio. Tambin
se debe mencionar el trabajo de Ajiaco en 2011 [24] en donde se
encontraron buenas correlaciones entre los ndices de calidad del
coque CRI y CSR y los anlisis termogravimtricos, la
espectroscopia infrarroja de reflectancia difusa y los anlisis
petrogrficos de los carbones precursores.
Planteamiento del Problema
En la actualidad no se ha desarrollado en Colombia ningn modelo
de mezclas de carbn con el cual se pueda predecir la calidad del
coque obtenido mediante coquizacin en un horno piloto con un
comportamiento trmico conocido, e integrando como principales
parmetros de calidad de este producto la resistencia mecnica en
fro del Coque determinada como ndice de Tambor DI, el ndice de
Reactividad del Coque CRI y la Resistencia Mecnica del Coque
despus de Reaccin CSR.
Adicionalmente, resultados del anlisis termogravimtrico de los
carbones coquizables colombianos no han sido empleados en ningn
modelo de mezcla de carbones para la fabricacin de coque, aun
cuando en trabajos recientes han empezado a estudiarse, mostrando
relaciones interesantes con resultados de anlisis petrogrficos y
reolgicos [25]. El uso de anlisis termogravimtrico con
carbones de otros pases ya ha sido documentado, planteando
importantes posibilidades de aplicacin en la coquizacin [26-35].
Con esta informacin de partida se establece que la presente tesis
se enfocar en:
Establecer un modelo de mezclas de carbn que prediga las caractersticas DI, CRI y CSR en el coque producido; modelo
que se espera se convierta en una buena herramienta tanto
para el entendimiento de la incidencia de las
caractersticas de una mezcla de carbn sobre las
propiedades de un coque resultante, como para aplicaciones
6 Introduccin
en la fabricacin de coque en la industria nacional dedicada
a la produccin y comercializacin de este material.
Usar los resultados del anlisis termogravimtrico de los carbones para lograr un mayor alcance en la aplicacin del
modelo de mezcla, permitiendo su aplicacin en una forma ms
general para Carbones con muy alta o muy baja fluidez, casos
en los cuales el anlisis de plasticidad tiene limitaciones
en cuanto a precisin y exactitud del mtodo analtico.
Para el desarrollo del modelo de mezcla de carbn en este proyecto
de tesis se siguen las etapas:
Caracterizacin completa de los carbones que incluye anlisis prximo, petrogrfico, reolgico y
termogravimtrico buscando correlaciones de los resultados.
Carbonizacin de los carbones individuales y caracterizacin de los coques obtenidos, buscando correlacionar los ndices
de calidad del coque con las caractersticas de los carbones
precursores.
Diseo de mezclas, caracterizacin y coquizacin.
Esta secuencia metodolgica permite evaluar la correspondencia
entre los resultados de las distintas tcnicas de caracterizacin
del carbn, tema de gran inters en la comprensin del papel que
puede tener un tipo de carbn al hacer parte de una mezcla, y as
encontrar las correlaciones entre sus principales caractersticas
y su incidencia sobre los ndices de calidad del coque objeto de
estudio.
7 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
1. Caracterizacin del Carbn
1.1 Marco Terico
Carbones de diferentes regiones del mundo muestran variaciones
significativas en sus propiedades fsicas, qumicas y
fisicoqumicas, a causa de mltiples razones, entre ellas las ms
destacadas son las variaciones en la naturaleza del precursor
orgnico, la diversidad en los tipos de materia mineral asociada
con el material y el grado de evolucin geolgica que haya sufrido
el carbn [36].
Existen diversos mtodos para la caracterizacin de los carbones,
todos ellos enfocados en la determinacin de las principales
caractersticas del material y en la determinacin de sus
propiedades y comportamiento frente a un proceso industrial. Como
resultado de la caracterizacin es posible ubicar un carbn dentro
de los sistemas de clasificacin existentes [8]. El sistema
ampliamente empleado para la clasificacin de los carbones es el
establecido por la ASTM (American Society for Testing and
Materials), D388-12 [37] en donde los carbones se clasifican
principalmente por el contenido de materia voltil, el poder
calorfico y el carcter aglomerante, una clasificacin que no es
completa para emplearse en procesos de coquizacin, pues deja de
lado varias de las caractersticas principales de los carbones
utilizados en este proceso. Por otro lado, la clasificacin
sugerida por la ISO (International Organization for
Standarization) en 2005 [36] resulta ms aplicable a los carbones
utilizados en procesos de coquizacin, dado que contempla el rango
del carbn, la composicin maceral y el contenido de cenizas. En
la Figura 1-1 se muestra la representacin grfica de la
clasificacin del carbn segn la norma ISO 11760 de 2005.
En este trabajo se efectu una caracterizacin rigurosa de los
carbones incluyendo, adems de los anlisis habituales como
anlisis prximo, ltimo, calorfico y de composicin qumica de
cenizas, anlisis especiales como anlisis petrogrficos,
reolgicos y termogravimtricos, estos ltimos muy enfocados en
las caractersticas y comportamiento del carbn frente a procesos
de coquizacin. En la seccin experimental se especificarn las
8 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
tcnicas y los procedimientos seguidos para realizar los anlisis
de caracterizacin.
Figura 1-1: Representacin Grfica del Sistema de Clasificacin
del Carbn Segn Norma ISO 11760 (05).
El uso de anlisis termogravimtricos para la caracterizacin de
carbones se ha empleado con xito en reportes recientes [25, 29,
33, 35, 38]. El calentamiento del carbn en una atmsfera inerte a
una velocidad de calentamiento dada, muestra perfiles
caractersticos para carbones de diferente rango empleados en
procesos de coquizacin. Varios de los reportes sugieren que las
reacciones de descomposicin del carbn en la atmsfera inerte son
caractersticas de cada carbn y estn muy relacionadas con sus
propiedades frente a procesos de coquizacin. Se obtienen fuertes
correlaciones entre los resultados de los anlisis DTG, la fluidez
mxima y la reflectancia de la vitrinita [33, 38].
Captulo 1 9
Adicionalmente parmetros extrados de los anlisis DTG para
carbones coquizables se han utilizado en la construccin de
modelos de prediccin de los ndices de calidad del Coque CRI y
CSR [24, 29, 32, 34].
1.2 Seccin Experimental
Se seleccionaron cinco carbones bituminosos y un carbn
antractico (segn clasificacin ASTM) de las regiones de
Cundinamarca y Boyac, con caractersticas representativas de los
distintos carbones de la zona, habitualmente empleados en procesos
de coquizacin.
Para la eleccin de las minas de carbn productoras de los
carbones seleccionados se tom como referencia la base de datos de
la compaa Coquecol S.A.C.I.
Una vez seleccionadas las minas, se realiz un muestreo
representativo del carbn de explotacin de cada una de ellas,
buscando que las caractersticas de las muestras tomadas fueran
representativas del proceso de produccin habitual de las minas,
teniendo como restriccin que la muestra corresponda al carbn
extrado de un nico (y especfico) manto de carbn. Se tomaron
200 kg de muestra para realizar los anlisis y las coquizaciones
correspondientes. La cantidad remanente de carbn se almacen en
canecas plsticas selladas, para favorecer la conservacin de las
caractersticas de las muestras [39].
Los anlisis de caracterizacin del carbn se realizaron de
acuerdo con las siguientes normas tcnicas de uso internacional.
Anlisis Prximo: Efectuado segn los procedimientos estndar de determinacin de Materia Voltil, Cenizas y Humedad,
siguiendo las normas ASTM D3175-07, D3174-04 y D3173-03
respectivamente.
Anlisis ltimo: Se realiz siguiendo la norma ASTM D3176-89R02.
Composicin Qumica de Cenizas: Se determin siguiendo las normas ASTM D2795-95 Y ASTM D3682-01R06.
Anlisis Reolgicos: Los anlisis reolgicos realizados fueron el ndice de Hinchamiento Libre (Norma ASTM D 720-91R04) y el
anlisis de Plastometra Gieseler ASTM D2639-08, en un equipo
10 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Preiser Model 4000 Plastometer-Dilatometer, Modelo 6300. Adems
se realiz el anlisis de Dilatometra siguiendo la Norma ASTM
D5515-97R04.
Anlisis Petrogrficos: En los anlisis Petrogrficos se realiz la determinacin de Composicin Maceral del Carbn
siguiendo la norma ASTM D 2799-05 y la determinacin de la
Reflectancia Media Aleatoria de la Vitrinita de acuerdo con la
norma ASTM D 2798-05. Estos anlisis se efectuaron usando un
Microscopio Digitalizado Leica DM 6000 M con un fotmetro
acoplado J&M versin 1.0E.
Anlisis Termogravimtrico: El anlisis termogravimtrico se efectu en un equipo Mettler Toledo TGA DSC 1, siguiendo el
procedimiento adaptado del estudio de Das-Faes et al [34-35],
donde una muestra con tamao inferior a 0,250 mm se calienta
desde una temperatura ambiente hasta alcanzar 950C, con una
velocidad de calentamiento de 10 C/minuto, bajo una corriente
de nitrgeno de 100 mL/minuto. De las curvas de TG/DTG se
extraen los valores de velocidad de desprendimiento de
voltiles (VDV) y temperatura de mxima velocidad de
desprendimiento de voltiles (T max).
1.3 Resultados y Discusin
1.3.1 Caracterizacin Bsica
Los resultados de los anlisis de caracterizacin de los carbones
estudiados aparecen en las Tablas 1-1 a 1-4. Se aprecia que los
resultados de anlisis prximo, anlisis ltimo, anlisis
reolgicos, anlisis petrogrficos y qumicos de cenizas, estn
dentro de los valores habituales reportados para este tipo de
carbones usados tradicionalmente en Colombia para procesos de
produccin de coque [3-4, 25, 38].
No obstante, las diferencias entre los resultados de los anlisis
de los distintos carbones dan cuenta de las variaciones en el
rango (o madurez) del carbn, las propiedades termoplsticas y el
comportamiento hacia el proceso de coquizacin.
11 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Tabla 1-1: Anlisis Prximo, ltimo y Poder Calorfico
Carbn
Nmero Anlisis Prximo
(Base Seca)
Anlisis Prximo
(BSLC)
Poder Calorfico
(BS)
Anlisis ltimo (BSLC)
Cenizas,
BS (%)
Materia
Voltil,
BS (%)
Carbono
Fijo, BS
(%)
Materia
Voltil,
BSLC (%)
Carbono
Fijo,
BSLC (%)
(Btu/Lb)
(Kcal/Kg)
Carbono,
BSLC (%)
Hidrgeno,
BSLC (%)
Nitrgeno,
BSLC (%)
Azufre,
BSLC
(%)
Oxgeno,
BSLC (%)
1 7,13 16,07 76,80 17,30 82,70 14.331 7.962 90,41 3,69 2,61 0,87 2,44
2 8,41 19,31 72,28 21,08 78,92 13.932 7.740 91,20 4,31 2,48 0,63 1,37
3 8,32 26,34 65,34 28,73 71,27 14.170 7.872 89,67 4,43 2,00 0,62 3,30
4 9,54 28,59 61,87 31,61 68,39 13.962 7.757 88,17 4,75 2,01 1,00 4,08
5 9,98 31,12 58,90 34,57 65,43 13.989 7.772 88,07 4,96 2,06 0,69 4,22
6 12,14 13,37 74,49 15,22 84,78 13.537 7.521 87,47 5,26 1,98 0,61 4,67
Tabla 1-2: Anlisis Petrogrficos
Carbn
Nmero
Vitrinita
(BS)
Fusinita
(BS)
Semifusini
ta (BS)
Macrinita
(BS)
Micrinita
(BS)
Funginita
(BS)
Inertodetr
inita (BS)
Resinita
(BS)
Esporinita
(BS)
Cutinita
(BS)
Liptodetri
nita (BS)
Material
Mineral
(BS)
Vitrinitas
(BSLCMM)
Inertinita
s (BSLCMM)
Liptinitas
(BSLCMM)
Ro
1 81,70 2,80 7,50 2,30 0,00 0,00 0,80 0,00 0,00 0,00 0,00 5,00 86,0 14,1 0,0 1,81
2 75,30 5,70 8,70 2,30 0,30 1,70 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 6,00 80,1 19,9 0,0 1,55
3 72,40 6,99 12,85 1,70 0,58 0,58 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00 4,72 76,0 24,0 0,0 1,23
4 77,50 2,50 11,00 1,50 0,00 0,00 1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 6,00 82,4 17,6 0,0 1,12
5 72,80 3,30 9,50 2,30 0,30 0,00 1,00 3,80 0,00 2,50 0,00 4,50 76,2 17,2 6,6 1,05
6 84,20 4,00 1,90 2,90 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 7,00 90,5 9,5 0,0 1,83
12 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Tabla 1-3: Anlisis de Plastometra, Dilatometra e ndice de
Hinchamiento
Carbn
Nmero
Plastometra Dilatometra
IHL T ia
(C)
T mf
(C)
T sd
(C) ddpm
Log
ddpm
T1
(C)
T2
(C)
T3
(C) %C %D
1 470 470 470 6 0,78 331 465 465 16 -16 5,5
2 406 471 495 126 2,10 331 436 477 18 55 8,0
3 404 458 492 3.168 3,50 352 411 469 28 163 8,5
4 392 452 489 9.090 3,96 356 393 478 37 244 7,5
5 375 471 516 29.947 4,48 330 395 495 11 278 8,0
6 N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. 1,0
N.R.: No reporta resultado la tcnica
Tabla 1-4: Composicin Qumica de Cenizas
Carbn
Nmero Composicin Qumica de Cenizas (%)
R.N.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 MnO2 SrO SO3 BaO
1 63,70 25,90 2,66 1,80 0,56 0,69 1,23 1,41 1,51 0,02 0,12 0,31 0,10
2 64,15 25,77 3,17 1,50 0,45 0,75 1,23 1,35 1,17 0,02 0,10 0,25 0,07
3 57,99 30,98 4,39 1,62 0,35 0,71 0,81 1,19 1,40 0,01 0,10 0,31 0,15
4 66,03 26,30 1,68 0,97 0,46 0,61 1,30 1,41 0,78 0,01 0,06 0,30 0,08
5 62,95 26,73 3,11 1,55 0,49 0,72 1,14 1,60 1,19 0,02 0,11 0,32 0,07
6 63,27 26,09 3,28 1,53 0,48 0,92 1,13 1,47 1,31 0,01 0,12 0,32 0,06
R.N.: Resultados Normalizados a 100%
En la Figura 1-2 se observa el comportamiento caracterstico de
incremento en el rango del carbn (expresado como reflectancia de
la vitrinita), a medida que el contenido de materia voltil
disminuye; lo cual se atribuye al aumento de la aromaticidad en la
estructura molecular del carbn como una consecuencia del
incremento en el rango [7, 40], hecho que tambin se relaciona con
la variacin observada de la relacin atmica H/C, Figura 1-3, que
disminuye con el aumento del rango del carbn.
Captulo 1 13
Figura 1-2: Relacin entre contenido de Materia Voltil (BSLC) y
Reflectancia de la Vitrinita.
Figura 1-3: Relacin entre contenido H/C atmico y Reflectancia de
la Vitrinita.
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Mat
eri
a V
ol
til B
SLC
(%
)
Reflectancia Vitrinita (%)
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Re
laci
n
At
mic
a H
/C
Reflectancia Vitrinita (%)
14 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
El contenido de oxgeno en los carbones analizados tiende a
incrementar conforme disminuye el rango del carbn, tal como
aparece en la Figura 1-4, esta tendencia es interesante y en otros
reportes ha sido atribuida a variaciones de concentracin -dentro
de la estructura del carbn- de grupos funcionales oxigenados
durante la maduracin del carbn [7, 40]. Los contenidos de
oxgeno encontrados son ptimos para el desarrollo de la fase
plstica durante el calentamiento que se realiza en la produccin
industrial de coque [24].
Figura 1-4: Relacin entre Contenido de Oxgeno (BSLC) y
Reflectancia de la Vitrinita.
Por otro lado, el contenido de cenizas y de azufre total de los
carbones empleados est dentro de los valores tpicos para los
carbones explotados en la zona minera, lo cual permite que sean
empleados en la produccin de coque.
1.3.2 Clasificacin de los Carbones
En la Tabla 1-5 aparece la clasificacin ASTM e ISO, para los
carbones empleados. Segn la norma ASTM se tiene el carbn 6 como
Semiantracita, los carbones 1, 2 como bituminosos bajo voltil,
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Ox
gen
o, B
SLC
(%
)
Reflectancia Vitrinita (%)
Captulo 1 15
los carbones 3, 4 como bituminosos medio voltil y el carbn 5
como alto voltil.
La clasificacin ISO de mayor riqueza descriptiva ubica todos los
carbones como carbones de Rango Medio y con contenido de
vitrinitas entre moderadamente alto y alto, caractersticas
destacables para los carbones en estudio, como se mostrar a lo
largo del captulo.
Tabla 1-5: Clasificacin de los Carbones Segn Normas ISO y ASTM
Carbn
Nmero Clasificacin ASTM D388 Clasificacin ISO 11760
1 Bituminoso Bajo Voltil Rango Medio A, Vitrinita Alta, Ceniza Baja
2 Bituminoso Bajo Voltil Rango Medio A, Vitrinita Alta, Ceniza Baja
3 Bituminoso Medio Voltil Rango Medio B, Vitrinita Moderada Alta,
Ceniza Baja
4 Bituminoso Medio Voltil Rango Medio B, Vitrinita Alta, Ceniza Baja
5 Bituminosos Alto Voltil A Rango Medio B, Vitrinita Moderada Alta,
Ceniza Baja
6 Semiantracita Rango Medio A, Vitrinita Alta, Ceniza Media
1.3.3 Anlisis Petrogrficos
Los anlisis petrogrficos realizados fueron la determinacin de
los componentes macerales del carbn y la medicin de la
reflectancia media aleatoria de la vitrinita (Ro), que en adelante
se referir tan solo como reflectancia de la vitrinita. Los
resultados de los anlisis petrogrficos aparecen en la Tabla 1-2.
Como se conoce, la composicin maceral del carbn es una
determinacin cualitativa de sus diferentes componentes
microscpicos, que se distinguen por color, reflectividad, forma y
relieve en las superficies pulidas. Los grupos macerales renen
diferentes macerales dentro de familias con cierta similitud
qumica y fisicoqumica, por tanto las diferencias en las
proporciones de los grupos macerales estn muy relacionadas con la
reactividad de los carbones hacia procesos de combustin,
licuefaccin o generacin de coque [30, 41].
La Figura 1-5 muestra mediante un diagrama ternario la composicin
de grupos macerales en los carbones empleados: Vitrinita,
Liptinita e Inertinita.
16 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Figura 1-5: Diagrama Triangular para Grupos Macerales expresados
en Porcentaje (BSLMM)
Los carbones 1 al 5 (bituminosos) mostraron tener un contenido de
Vitrinita entre 76 y 86 %, un valor alto, tpico de los carbones
de la regin. Para los carbones 1 al 4 no fueron detectados
componente del grupo de la Liptinita, posiblemente a causa de la
mayor evolucin (y rango) de estos carbones; asociada con la
disminucin de grupos funcionales oxigenados dentro de la
estructura del carbn y remocin de grupos alifticos,
constituyentes habituales de los macerales del grupo de la
Liptinita [30]. El carbn 5 (el de menor rango y mayor contenido
de materia voltil) fue el nico que present liptinitas. El
contenido de inertinitas de los carbones mencionados estuvo dentro
de 14 y 24 %, un valor intermedio.
El carbn 6 (semiantractico en la clasificacin ASTM) mostr un
alto contenido de vitrinitas, superior a los dems carbones. El
alto rango de este carbn es consecuente con la ausencia de
macerales del grupo de la liptinita.
La reflectancia de la vitrinita es un parmetro petrogrfico
universalmente utilizado y aceptado para la clasificacin de los
carbones y la estimacin de su grado de madurez o rango. Los
carbones de Cundinamarca-Boyac empleados en este estudio muestran
Captulo 1 17
altos valores de reflectancia de la vitrinita, con resultados
entre 1,05 y 1,83. Estos carbones son provenientes de la formacin
guaduas, con un edad estimada entre 50 a 70 millones de aos [4].
La gran evolucin geolgica ocurrida en la regin geogrfica del
Sinclinal Checua-Lenguazaque, es responsable de la aparicin de
carbones jvenes con valores de reflectancia de la vitrinita tan
altos. En contraste, carbones de rango similar en otras regiones
de mundo tienen una mayor edad geolgica entre 150 y 250 millones
de aos [7, 41]. Este hecho ratifica la particularidad geolgica
responsable de la maduracin de los carbones empleados y podra
estar relacionado con el bajo o escaso contenido de macerales del
grupo de la liptinita.
1.3.4 Anlisis de Fluidez y Dilatacin
En cuanto al anlisis de plastometra (Tabla 1-4) se aprecian
diferencias marcadas para los distintos carbones con respecto a
los valores de intervalo plstico y mxima fluidez, como
consecuencia de las diferencias existentes en el rango para cada
carbn. La variacin de la mxima fluidez en funcin del rango
del carbn se observa en la Figura 1-6, figura conocida como
diagrama MOF [1].
Figura 1-6: Relacin Entre Mxima Fluidez y Reflectancia de la
Vitrinita.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Mx
ima
Flu
idez
(lo
g d
dp
m)
Reflectancia Vitrinita (%)
18 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Los valores de ndice de hinchamiento libre (Tabla 1-3 ) indican
que todos los carbones tienen un poder de aglomeracin fuerte [7],
a excepcin del carbn 6, correspondiente a un carbn
semiantractico.
Dentro de los carbones analizados, los carbones de alto rango
tienen una baja fluidez en la medicin de Plastometra Gieseler,
el carbn nmero 6, no presenta valores de fluidez, lo cual se
convierte en una limitacin de la tcnica de anlisis y no permite
determinar a travs de esta tcnica- las caractersticas de los
carbones de alto rango, ni elucidar su comportamiento hacia los
procesos industriales de coquizacin donde se empleen.
Los anlisis de Dilatometra aparecen en la Tabla 1-3, con valores
de dilatacin mxima entre 55 y 278 para los carbones 2 al 5. Si
bien, varios de modelos de prediccin de calidad del coque como
Simonis-Beck, Mackowsky-Simonis y Gibson, han adoptado resultados
de los anlisis de dilatometra dentro de sus ecuaciones de
prediccin [5], es apreciable que para carbones colombianos como
el carbn 1, dichos modelos no pueden extrapolarse. El carbn 1,
que no presenta dilatacin, se emplea frecuentemente en procesos
industriales de produccin de coque con muy buenos resultados en
los ndices de calidad del coque producido [24]. La tcnica
analtica de medicin de Dilatometra tampoco es aplicable para la
evaluacin de las propiedades de carbones semiantracticos como el
carbn 6. Por estas razones el anlisis Dilatomtrico resulta
limitado en la evaluacin de caractersticas tecnolgicas de los
carbones estudiados frente a procesos de coquizacin.
1.3.5 Composicin Qumica de Cenizas
Los carbones Colombianos, de la zona de Cundinamarca-Boyac han
mostrado en diversos estudios tener un gran potencial para la
produccin de coque metalrgico de alta resistencia mecnica
despus de la reaccin CSR y una reactividad moderada expresada
por el ndice CRI [3, 5, 24, 42], en virtud de su bajo contenido
hierro y calcio, elementos que catalizan las reacciones de
gasificacin e incrementan la reactividad del coque. En general se
conoce que los elementos Na>K>Ca>Fe>Mg (en ese orden) tienen un
efecto cataltico positivo incrementando la reactividad del coque
y por tanto el ndice de CRI, mientras que los elementos Ti>Si>Al
(en ese orden) tienen efecto negativo disminuyendo la reactividad
del coque.
Captulo 1 19
La Figura 1-7 muestra las proporciones de los xidos presentes en
las cenizas del carbn, en funcin de su naturaleza qumica,
observndose que todos los carbones se encuentran en la misma zona
alto contenido de y bajo contenido de los dems xidos.
Figura 1-7: Diagrama triangular de asociaciones de los principales
xidos presentes en los carbones, expresados en porcentajes.
A partir de la composicin qumica de las cenizas del carbn se
han encontrado ndices que permiten relacionar esta composicin
con parmetros de calidad del coque [43]. Las ecuaciones para
ndice de basicidad [4] e ndice de basicidad modificados (MBI)
aparecen a continuacin:
(1.1)
(1.2)
20 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
No es habitual incluir el porcentaje de TiO2 en las Ecuaciones 1.1
y 1.2, no obstante el contenido significativo de este xido en las
cenizas de los carbones estudiados, se consider necesario
adicionarlo junto con los xidos SiO2 y el Al2O3, en virtud de su
similitud qumica frente a las reacciones de gasificacin del
coque.
Adicionalmente los carbones analizados tienen un ndice de
Basicidad entre 0,08 y 0,12 (ver Tabla 1-6 y Ecuacin 1.1) que
favorece la produccin de coque con valores de CSR superiores a 60
segn correlaciones encontradas en varios reportes [24, 43].
Tabla 1-6: ndice de basicidad [4] e ndice de basicidad
modificados (MBI)
Carbn
Nmero BI MBI
1 0,0926 0,787
2 0,0907 0,945
3 0,1028 1,161
4 0,0619 0,827
5 0,0898 1,301
6 0,0952 1,334
1.3.6 Caracterizacin con Anlisis Termogravimtrico
La Figura 1-8 muestra un termograma tpico de un carbn bituminoso
y los parmetros mxima velocidad de desvolatilizacin o
desprendimiento de voltiles (VDV max) y temperatura de mxima
velocidad de desvolatilizacin (T max) obtenidos del anlisis
termogravimtrico DTG.
Captulo 1 21
Figura 1-8: Parmetros Termogravimtricos a partir de la Curva
TGA-DTG del Carbn.
En general, el perfil observado en el anlisis termogravimtrico
DTG (Figuras 1-8 y 1-9), muestra cuatro etapas, la primera en
temperaturas inferiores a 200 C donde se libera humedad contenida
en la muestra. La segunda etapa entre 250 y 400 C se registra el
inicio de la primera prdida significativa de masa,
correspondiente al inicio del desprendimiento de componentes
voltiles del carbn, que en la tercera etapa (intervalo plstico)
entre 400 y 550 C acelerar la liberacin de materia voltil, esta
etapa es correspondiente al intervalo de plasticidad de los
carbones. En la cuarta y ltima etapa (temperaturas superiores a
550 C, intervalo post-plstico) el desprendimiento de masa
disminuye, la fase plstica de los carbones finaliza e inician las
reacciones de estabilizacin del carbonizado [25, 34, 38].
Lo descrito anteriormente es consistente con un reporte reciente
de Strezov et al [44] que aborda el estudio de la
desvolatilizacin de los carbones bituminosos en condiciones de
pirolisis a travs de tcnicas analticas como TG-FTIR acoplado a
espectrometra de masas, buscando un mayor entendimiento qumico y
molecular del fenmeno. En dicho estudio se encontraron 5 regiones
de Desvolatilizacin:
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0
0,5
1
1,5
2
2,5
100 200 300 400 500 600 700 800
P
rdid
a d
e m
asa
(%)
Ve
loci
dad
de
P
rdid
a d
e M
asa
(%/m
in)
Temperatura (C)
VDV
T max
22 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
1. Regin de Deshidratacin y liberacin de molculas de agua
ligadas de forma fuerte a la estructura del carbn
(alrededor de 200 C).
2. Regin pre-plstica con reacciones pre-pirolticas endotrmicas (antes de 400 C).
3. Regin plstica exotrmica con evolucin de alquitranes y posteriores reacciones de resolidificacin (entre 400 y
550 C).
4. Regin de desvolatilizacin secundaria endotrmica con liberacin de hidrocarburos, algunas molculas de agua, CS2 y
H2S (antes de 700 C).
5. Regin de Contraccin de Planos de Carbono con evolucin final de Hidrgeno (despus de 700 C).
Figura 1-9: Curva DTG de los Seis Carbones.
La Figura 1-9 muestra que el perfil del DTG es caracterstico de
cada carbn, donde es evidente que el rango del carbn est
directamente relacionado con la velocidad de desvolatilizacin y
con las temperaturas a las cuales ocurren las reacciones qumicas
asociadas con estos fenmenos.
Captulo 1 23
Durante el calentamiento del carbn en las condiciones del
anlisis termogravimtrico ocurren reacciones qumicas de
pirlisis y desvolatilizacin. Es apreciable que el perfil de las
curvas de DTG y su posicin respecto a la temperatura estn
influenciados por el rango del carbn. La mxima velocidad de
desprendimiento de voltiles VDV y cantidad de masa desprendida en
el intervalo plstico y post-plstico disminuye conforme el rango
del carbn aumenta. Esto puede explicarse ya que el comportamiento
trmico del carbn est asociado con su reactividad y estructura
macromolecular. En carbones de mayor rango el grado de
aromaticidad de la red de la estructura macromolecular del carbn
se incrementa, haciendo que las reacciones de pirolisis
(promotoras del desprendimiento de voltiles) se lleven a cabo a
mayores temperaturas y en menor proporcin [34].
En la Figura 1-10 se aprecia la buena correlacin entre los
resultados de mxima fluidez y VDV max. Al observar los valores de
VDV max hay que destacar que estos resultados son concordantes con
reportes de diferentes publicaciones[25, 28, 32, 34, 38],
mostrando que este parmetro termogravimtrico puede emplearse
para realizar comparaciones y clasificaciones entre diferentes
carbones y as relacionar estas propiedades con el comportamiento
de los carbones hacia el proceso de coquizacin. Para dar un
ejemplo, carbones de fluidez mxima entre 1.000 y 2.000 ddpm,
presentan en general VDV max entre 1,5 y 2,0. En las Figuras 1-11
y 1-12, se aprecia la estrecha correlacin existente entre T max y
la reflectancia de la vitrinita.
Figura 1-10: Relacin entre Mxima Fluidez y VDV max.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00
Mx
ima
Flu
idez
(lo
g d
dp
m)
VDV max (%/min)
24 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Figura 1-11: Relacin Entre T max y Reflectancia de la Vitrinita.
Figura 1-12: Relacin Entre T max y Reflectancia de la Vitrinita,
Excluyendo el Carbn 6.
460
470
480
490
500
510
520
530
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
T m
ax (
C)
Reflectancia Vitrinita (%)
460
470
480
490
500
510
520
530
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
T m
ax (
C)
Reflectancia Vitrinita (%)
Captulo 1 25
La variacin de T max respecto al aumento de reflectancia de
vitrinita es concordante con otros reportes [25, 28, 32, 34, 38].
La estrecha correlacin observada se atribuye al incremento en los
valores de reflectancia acompaado por el aumento en la
aromaticidad, tamao de las lminas aromticas y empaquetamiento
en la estructura molecular del carbn, que a su vez desplaza hacia
mayores temperaturas las reacciones de desvolatilizacin del
carbn [24].
En la Figura 1-13, se aprecia la buena correlacin para los 6
carbones, con respecto a la correspondencia entre VDV max y T max.
Esto muestra que los parmetros extrados del anlisis
termogravimtrico tienen gran utilidad en la caracterizacin de
carbones de alto rango (Carbones 1 y 6) y pueden tener una buena
aplicacin en el desarrollo de modelos de prediccin de calidad
del coque.
Figura 1-13: Relacin entre VDV max y T max.
No obstante hay que aclarar que en todas las consideraciones
hechas para los anlisis termogravimtricos los valores de T max y
VDV max son exclusivos de la velocidad de calentamiento empleada
10 C/min y no son independientes de ella, por lo que los
resultados encontrados deben referirse a las condiciones
experimentales especficas del anlisis termogravimtrico. En
algunos reportes se muestra que la velocidad de calentamiento en
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
460 470 480 490 500 510 520 530
VD
V m
ax (
%/m
in)
T max (C)
26 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
el anlisis termogravimtrico modifica los valores de los
parmetros VDV max y T max ms no las tendencias, de tal manera
que a mayores velocidades de calentamiento los valores de VDV max
y las temperaturas T max se incrementan [34-35].
1.4 Conclusiones
La petrografa de los carbones indica que se tienen carbones de
rango medio, con un moderado a alto contenido de vitrinitas,
caractersticas tpicas de la zona de origen, segn clasificacin
ISO. No obstante con una caracterizacin completa de los carbones,
muchas de las propiedades determinantes frente a los procesos de
coquizacin no se aprecian en estos sistemas de clasificacin y
ms an tienen una descripcin limitada de propiedades importantes
en los procesos industriales de coquizacin, como son la fluidez,
la composicin qumica de cenizas y el comportamiento en el
anlisis termogravimtrico.
Con los anlisis de caracterizacin realizados en este estudio se
aprecian buenas correlaciones entre los valores de reflectancia de
la vitrinita y mxima fluidez contra los resultados extrados del
anlisis termogravimtrico, mxima velocidad de desvolatilizacin
VDV max y temperatura de mxima velocidad de desvolatilizacin T
max. Esto convierte el anlisis termogravimtrico en atmsfera
inerte en una herramienta til para caracterizar de manera rpida
carbones tradicionalmente usados en procesos de fabricacin de
coque metalrgico. La sencillez experimental del anlisis
termogravimtrico se convierte en una ventaja adicional de la
tcnica en la caracterizacin de los carbones y la estimacin de
su comportamiento frente al proceso de coquizacin.
2. Carbonizacin de Carbones Individuales
2.1 Marco Terico
Las condiciones de carbonizacin (coquizacin) son determinantes
sobre los ndices de calidad del coque resistencia mecnica en
fro, reactividad y resistencia mecnica despus de la reaccin
(CRI-CSR), porosidad, tamao medio, entre otros. Usualmente las
condiciones de coquizacin ms controladas industrialmente son la
densidad de carga, humedad del carbn, temperatura de las paredes
del horno, velocidad de calentamiento y tiempo neto de la
coquizacin [2, 9-10, 12].
Varios reportes [9, 12, 45] muestran que los fenmenos de
trasferencia de masa y energa durante la coquizacin pueden
influenciar significativamente la calidad del coque. Esto ha
motivado la bsqueda de modelos que expliquen la evolucin de la
trasferencia de masa y energa durante la coquizacin y su
incidencia sobre los fenmenos fsicos y qumicos que acompaan la
fabricacin del coque. La velocidad de coquizacin - por ejemplo
tiene una influencia marcada sobre la Resistencia Mecnica en
Frio del Coque. En general, bajas velocidades de coquizacin
producen coques de mayor resistencia mecnica si se tiene la
temperatura final de coquizacin en valores tpicos [9]. A su vez,
nuevas tecnologas de coquizacin como Stamp Charging que
incrementan la densidad de carga durante el proceso de
coquizacin, tienen la capacidad de incrementar la calidad del
coque en cuanto a los ndices Drum Index y CSR, permitiendo el uso
en mezclas para coquera de carbones con propiedades de
coquizacin dbiles (soft coking coals) [2].
Es comn el uso de un horno piloto para llevar a cabo la
coquizacin de un carbn especfico o de mezclas de carbn, y
posteriormente proceder con la evaluacin de las propiedades de
coque producido. El horno piloto permite tener control y
reproducibilidad de los fenmenos de trasferencia de masa y
energa durante la coquizacin, con lo cual se puede evaluar de
una manera confiable la incidencia de las caractersticas de un
carbn o de una mezcla de carbones sobre los ndices de calidad
del coque.
28 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
2.1.1 Generalidades del Proceso de Coquizacin
El proceso de coquizacin se entiende como la suma de pasos
mediante los cuales el carbn se somete a un tratamiento trmico
destructivo en ausencia de aire para producir lquidos, gases y un
residuo slido rico en carbono [7]. Se pueden esquematizar los
fenmenos que ocurren durante la coquizacin en la siguiente
tabla, adaptada de Ryan et al [46]:
Tabla 2-1: Relacin entre el Proceso de Coquizacin, Fenmenos y
Tipo de Anlisis
Temperatura Proceso Causa Anlisis Fenmeno
350 C y <
550 C
Descomposicin de cadenas de
bajo Peso Molecular,
formacin de Bitumen.
Desprendimiento materia
voltil
Hinchamiento y
Aumento de
Presin
Hinchamiento
Libre
Dilatometra
Dispersin de Compuestos
aromticos en el Bitumen.
Desprendimiento materia
voltil
Plasticidad Mxima Fluidez
>550 C
Descomposicin de Bitumen y
Polimerizacin Contraccin Dilatometra
Contraccin
Desprendimiento de
compuestos de bajo Peso
Molecular
Desgasificacin
950 C Formacin del
Coque
De las fases de la coquizacin mostradas en la tabla 2-1 y 2-2, el
paso fundamental para la formacin del coque es la etapa plstica.
Cuando el carbn coquizable se calienta y pasa el intervalo de
temperatura entre los 350 y 550 oC aproximadamente, se vuelve
plstico o incluso fluido, se desprende gas y se forma alquitrn,
lo cual genera burbujas en la masa plstica. A continuacin,
cuando la temperatura se aumenta el residuo solidifica de nuevo y
toma consistencia como macroestructura porosa. Al continuar el
calentamiento se expulsan ms materias voltiles que conlleva a la
consolidacin de la estructura, formando el coque. Cuando se
superan los 900 oC comienza la prdida de Hidrgeno de grandes
molculas con la correspondiente mejora de la estructura, lo cual
aumenta la dureza de la masa de coque, a esta etapa superior a los
900 oC se le conoce como etapa de consolidacin del coque [7, 46].
Captulo 2 29
En la misma zona de plasticidad se presenta la dilatacin del
carbn, con aumentos de volumen de hasta 3 veces el volumen
inicial de la capa de carbn en el proceso de coquizacin. La
dilatacin influye marcadamente en la resistencia mecnica del
coque obtenido.
Es precisamente en el paso entre slido a metaplasto y luego
metaplasto a slido donde se generan las mayores tensiones
estructurales del coque, lo que luego se refleja en la resistencia
mecnica del coque resultante [8]. Igualmente, las temperaturas
exageradamente altas y largos tiempos de residencia para una
temperatura dada, pueden disminuir la reactividad del coque
producido.
Tabla 2-2: Fenmenos Asociados al Proceso de Coquizacin
Temperatura Material: Carbn o
Coque Fenmeno Influencia
350C y
550C Resolidificacin
Toma consistencia como
macro estructura porosa,
expulsa ms materias
voltiles, su estructura
se afina
En transicin
generacin de
tensiones
estructurales
(Resistencia)
>900C
Etapa de
consolidacin
estructural del
coque
Perdida de hidrgeno,
mejora estructural
Aumento la dureza
del coque
2.2 Seccin Experimental
Una vez realizada la caracterizacin de los carbones mostrada en
el captulo 1, se efectuaron las coquizaciones de los carbones 1
al 5. El carbn 6 no fue coquizado individualmente por sus
propiedades dbilmente aglomerantes y se emple solo como un
aditivo para la evaluacin de propiedades de mezcla, resultados
que se muestran en el captulo 3.
30 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
2.2.1 Condiciones de Coquizacin
La coquizacin se realiz en un horno rectangular con
calentamiento elctrico acoplado a un controlador Watlow que
permite la seleccin de velocidades de calentamiento, tiempos y
temperaturas de coquizacin. Para efectuar la coquizacin, el
carbn se deposit dentro de un reactor cilndrico, articulado a
un sistema de condensacin de voltiles y posterior quemador para
la combustin de materiales no condensables, tal como se muestra
en las Figuras 2-1, 2-2.
Figura 2-1: Fotografa Horno Piloto de Coquizacin
Figura 2-2: Esquema Horno Piloto de Coquizacin
Captulo 2 31
Las condiciones de coquizacin se presentan a continuacin y se
establecieron buscando condiciones similares a la coquizacin en
hornos tipo Colmena:
Cantidad de Carga: 20,0 kg
Velocidad de Calentamiento: 3,0 C/min
Temperatura Final: 950 C
Tiempo Total Coquizacin: 8 horas
Densidad de Carga(Base hmeda): 740-750 kg/m3
Granulometra del Carbn Menor a 3 mm: 99%
Humedad Total del Carbn: 1,5 2,0 %
2.2.2 Caracterizacin del Coque
Los coques obtenidos se caracterizaron siguiendo las normas
tcnicas existentes reconocidas internacionalmente:
Anlisis Prximo: Efectuado segn los procedimientos estndar de determinacin de Materia Voltil, Cenizas y Humedad,
siguiendo las normas ASTM D3175-07, D3174-04 y D3173-03
respectivamente.
Anlisis Drum Index: Se realiz siguiendo la norma JIS K2151:2004, donde 10,0 kg de coque son puestos en un tambor
cilndrico estandarizado de 150 cm con 6 aspas en su interior,
para ser sometidos a 150 vueltas en 10 minutos[47]. El valor de
Drum Index reportado corresponde al DI150
15. Complementario al
anlisis se realiz el clculo de tamao medio, un parmetro
importante como ndice de calidad del coque.
Anlisis CRI-CSR: Se realiz siguiendo la norma ASTM D5341-99R04 determinando el CRI Coke Reactivity Index y el CSR Coke
Strength after Reaction.
32 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
2.3 Resultados y Discusin
Los resultados de la coquizacin y los ndices de calidad de los
coques obtenidos a partir de los carbones individuales empleados
aparecen en la Tabla 2-3. Se observan altos rendimientos en la
produccin de los coques (valores superiores a 69,5%), en especial
para los coques producidos a partir de carbones 1 y 2 que son
carbones bituminosos bajo voltil.
Tabla 2-3: Parmetros de Calidad de Coque Producido a Partir de
los Carbones Individuales
Coque
N
Cenizas,
BS (%)
Materia
Voltil,
BS (%)
Carbono
Fijo,
BS (%)
CRI CSR DI
Tamao
Medio
(mm)
Rendimiento
(B.H.)
1 11,09 0,62 88,29 14,81 67,84 30,3 51,2 82,0
2 11,85 0,54 87,61 14,21 76,41 78,8 72,8 80,4
3 11,87 0,47 87,66 8,28 73,93 77,3 85,7 73,0
4 12,03 0,61 87,36 9,17 74,94 75,3 86,3 72,0
5 12,98 0,35 86,67 9,79 71,16 71,5 105,7 69,5
2.3.1 Contenido de Cenizas y Materia Voltil en Coques Individuales
Como aparece en la tabla 2-3 los valores de contenido de cenizas
para los coques obtenidos a partir de los carbones individuales
(sin beneficio) estn dentro de rangos permitidos para la
fabricacin de Coques Metalrgicos (11 a 12%)[2-3, 24], aunque el
coque 5 sube ligeramente su valor por proceder del carbn con
mayor contenido de cenizas. El porcentaje de cenizas en el coque
es resultado la concentracin de este componente por el
desprendimiento de materia voltil del carbn precursor durante la
coquizacin. Existen ecuaciones empricas que relacionan el
contenido de cenizas del coque con el contenido de cenizas del
carbn, la materia voltil y el azufre. No obstante, este trabajo
no explorar estas relaciones.
El bajo contenido de materia voltil menor a 1% en base seca,
muestra una correcta coquizacin en las condiciones establecidas
para el ensayo. Comercialmente se ha establecido un contenido de
materia voltil menor a 1,5% como valor ptimo para el Coque
Metalrgico.
El carbono fijo para los coques obtenidos es alto, mayor a 86
%(Base seca); esto como consecuencia del desprendimiento de
Captulo 2 33
materia voltil de los carbones precursores durante el proceso de
coquizacin.
2.3.2 CRI - CSR y Drum Index en Coques Individuales
Los valores de CRI-CSR en cada uno de los coques son valores
ptimos para un Coque Metalrgico de buena calidad (ver tabla 1).
Si bien estos resultados no son los mismos que se obtendran en
las pruebas de coquizacin industrial, pueden relacionarse
mediante expresiones matemticas sencillas como las ecuaciones 2.1
y 2.2. Los valores de Drum Index tambin pueden relacionarse con
resultados de hornos industriales mediante expresiones como la
mostrada en la Ecuacin 2.3.
CRI Industrial = a*CRI Horno Piloto + x (2.1)
CSR Industrial = b*CSR Horno Piloto - y (2.2)
DI Industrial = c*DI Horno Piloto + z (2.3)
Los parmetros de correlacin a, b, c, x, y, z se determinan para
cada Coquera a travs de seguimientos histricos de los
resultados de los coques obtenidos a partir de las misma mezcla,
coquizada en el horno piloto y en los hornos industriales,
empleando herramientas estadsticas de control de procesos,
modelos de regresin, entre otros [2].
Los valores de DI que aparecen en la tabla 2-3 muestran que el
carbn 1 produce un coque de muy baja resistencia mecnica cuando
se coquiza individualmente. Internacionalmente este tipo de carbn
se conoce y comercializa como Soft Coking Coal. Sin embargo, por
tener un alto CSR tiene caractersticas importantes para proceso
de fabricacin de coque y como se muestra en el captulo 3, puede
emplearse en mezclas para la obtencin de coque metalrgico de
buena calidad. Los carbones 2 al 5 tienen un DI intermedio, que
decae conforme disminuye el rango del carbn.
2.3.3 Tamao Medio en Coques Individuales
El tamao medio del coque se calcula a partir de la composicin
granulomtrica y debe referirse al momento en el cual se
34 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
determina, es decir, para este caso ser el tamao medio del coque
al momento de finalizar la coquizacin y realizar el deshorne. El
tamao medio se expresa en milmetros.
La Figura 2-3 muestra cmo el tamao medio del coque obtenido
tiene una tendencia marcada de disminucin conforme aumenta el
rango del carbn precursor, esta relacin puede atribuirse al
mayor o menor crecimiento de la estructura polimrica durante la
formacin del coque [46]. Para el carbn de menor rango se tiene
una mayor fluidez durante la formacin del coque y en consecuencia
se favorece el entrecruzamiento de las redes intermoleculares
dando como consecuencia mayores tamaos en la estructura
macroscpica del coque. Se puede observar que carbones de mayor
contenido de materia voltil producen coques de mayor tamao
medio, aunque tengan menor resistencia mecnica. La Figura 2-4
ratifica que a una mayor velocidad de desprendimiento de materia
voltil se tiene un mayor tamao medio en el coque.
Figura 2-3: Relacin entre Tamao Medio en Coques y Reflectancia
de la Vitrinita de Carbones Individuales.
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Tam
ao
Me
dio
(m
m)
Reflectancia Vitrinita (%)
Captulo 2 35
Figura 2-4: Relacin entre Tamao Medio en Coques y VDV max de
Carbones Individuales.
2.3.4 ndices de Calidad de Coque en Funcin de Reflectancia de la Vitrinita
Las Figuras 2-5 a 2-7 presentan la variacin de los ndices de
calidad del coque en funcin de la reflectancia del carbn
precursor. En las Figuras 2-5 y 2-6 se aprecian los menores
valores de CSR y DI para el carbn 1 y el carbn 5, que son los de
mayor y menor rango respectivamente. En contraste en la Figura 2-4
no se aprecia ninguna correlacin significativa entre CRI y
Reflectancia. La Figura 2-7 muestra en forma clara que el Carbn 1
es un Soft Coking Coal, debido a la baja resistencia mecnica del
coque que produce al ser coquizado de forma individual.
Adicionalmente se aprecia que para los Coques 2 al 4 el valor de
DI decae con la disminucin en la Reflectancia del carbn
precursor. En varios reportes en los que se desarrollan modelos de
mezcla se ha explorado la variacin de los ndices de calidad del
coque en funcin de la reflectancia de la vitrinita encontrando
relaciones similares a las de este trabajo [2-3, 24, 34-35, 48-
49].
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00
Tam
ao
Me
dio
(m
m)
VDV max (%/min)
36 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Figura 2-5: Relacin entre CSR en Coques y Reflectancia de la
Vitrinita de Carbones Individuales.
Figura 2-6: Relacin entre CRI en Coques y Reflectancia de la
Vitrinita de Carbones Individuales.
60,0
62,0
64,0
66,0
68,0
70,0
72,0
74,0
76,0
78,0
80,0
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
CSR
(%
)
Reflectancia Vitrinita (%)
5,0
7,0
9,0
11,0
13,0
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
CR
I (%
)
Reflectancia Vitrinita (%)
Captulo 2 37
Figura 2-7: Relacin entre DI en Coques y Reflectancia de la
Vitrinita de Carbones Individuales.
2.3.5 ndices de Calidad de Coque en Funcin de T max
En las Figuras 2-8 a 2-10 se muestran los grficos de correlacin
de los ndices de calidad del coque en funcin del parmetro
termogravimtrico T max. Las Figuras guardan gran similitud con
las encontradas para los ndices de calidad del coque en funcin
de la Reflectancia de la Vitrinita. Tal como se mostr en el
captulo 1 existe una estrecha correlacin entre la reflectancia
de la Vitrinita y T max, por tanto las tendencias de los ndices
de calidad del coque con T max son similares.
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00
Dru
m In
dex
DI (
%)
Reflectancia Vitrinita (%)
38 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Figura 2-8: Relacin entre CSR en Coques y T max de Carbones
Individuales.
Figura 2-9: Relacin Entre CRI en Coques y T max de Carbones
Individuales.
60,0
62,0
64,0
66,0
68,0
70,0
72,0
74,0
76,0
78,0
80,0
460,0 465,0 470,0 475,0 480,0 485,0 490,0 495,0 500,0 505,0
CSR
(%)
T max (C)
5,0
7,0
9,0
11,0
13,0
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
460,0 465,0 470,0 475,0 480,0 485,0 490,0 495,0 500,0 505,0
CR
I (%
)
T max (C)
Captulo 2 39
Figura 2-10: Relacin entre DI en Coques y T max de Carbones
Individuales.
2.3.6 ndices de Calidad de Coque en Funcin de VDV max
Tal como se aprecia en las Figuras 2-11 a 2-13, tambin se
construyeron los grficos de los ndices de calidad del Coque en
funcin del parmetro VDV max. Si bien el parmetro VDV max est
muy correlacionado con la medicin de mxima fluidez, no se
encuentran relaciones especiales entre VDV max y los valores de
CRI, CSR y DI.
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
460,0 465,0 470,0 475,0 480,0 485,0 490,0 495,0 500,0 505,0
Dru
m In
dex
DI (
%)
T max (C)
40 Construccin de un modelo de mezcla de carbones colombianos para
la produccin de coque
Figura 2-11: Relacin entre CSR en Coques y VDV max de Carbones
Individuales.
Figura 2-12: Relacin entre