Ntc 4196 Carbón Por Rango

NORMA TCNICA NTC COLOMBIANA 4196

2009-12-16

CLASIFICACIN DEL CARBN POR RANGO E: STANDARD CLASSIFICATION OF COALS BY RANK.

CORRESPONDENCIA: esta norma es una adopcin idntica

(IDT) por traduccin, respecto a la norma ASTM D388:2005, Copyright ASTM International. 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19429-2959. United States.

DESCRIPTORES: carbn; clasificacin; carbn de

vitrinita. I.C.S.: 73.040 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Tcnicas y Certificacin (ICONTEC) Apartado 14237 Bogot, D.C. - Tel. (571) 6078888 - Fax (571) 2221435

Prohibida su reproduccin Segunda actualizacin

Editada 2009-12-24

PRLOGO El Instituto Colombiano de Normas Tcnicas y Certificacin, ICONTEC, es el organismo nacional de normalizacin, segn el Decreto 2269 de 1993. ICONTEC es una entidad de carcter privado, sin nimo de lucro, cuya Misin es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y proteccin al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del pas, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representacin de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalizacin Tcnica est garantizada por los Comits Tcnicos y el perodo de Consulta Pblica, este ltimo caracterizado por la participacin del pblico en general. La NTC 4196 (Segunda actualizacin) fue ratificada por el Consejo Directivo de 2009-12-16. Esta norma est sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuacin se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a travs de su participacin en el Comit Tcnico 42 Carbn y coque. BTU LTDA. INGEOMINAS MINISTERIO DE MINAS Y ENERGA NANOCOLOMBIA PROFESIONAL INDEPENDIENTE JOSE DOLCEY IRREO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA - TUNJA

Adems de las anteriores, en Consulta Pblica el Proyecto se puso a consideracin de las siguientes empresas: ACERIAS PAZ DEL RO BSI -INSPECTORATE C.I. PROINTERCOAL S.A. COLCARBON INDMINA LTDA. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

PROCARBN SENA UNIVERSIDAD NACIONAL MEDELLN UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA - SOGAMOSO

ICONTEC cuenta con un Centro de Informacin que pone a disposicin de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados.

DIRECCIN DE NORMALIZACIN

NORMA TCNICA COLOMBIANA NTC 4196 (Segunda actualizacin)

CONTENIDO

Pgina

1. OBJETO .......................................................................................................................1 2. REFERENCIAS NORMATIVAS ...................................................................................1 3. TERMINOLOGA ..........................................................................................................3 3.1 DEFINICIONES ............................................................................................................3 3.2 ABREVIATURAS .........................................................................................................3 4. IMPORTANCIA Y USO ................................................................................................4 5. CRITERIOS DE CLASIFICACIN ...............................................................................4 6. CLASIFICACIN POR RANGO...................................................................................4 6.1 CARBONO FIJO Y PODER CALORFICO BRUTO ....................................................4 6.2 CRCTER AGLOMERANTE .......................................................................................5 6.3 INFORMACIN COMPLEMENTARIA.........................................................................5 7. MUESTREO..................................................................................................................5 7.1 MUESTRAS..................................................................................................................5 7.2 OTROS TIPOS DE MUESTRAS ..................................................................................7 8. MTODOS DE ENSAYO..............................................................................................8 9. CLCULO EN BASE LIBRE DE MATERIA MINERAL...............................................9 10. PALABRAS CLAVE.....................................................................................................9


Pgina DOCUMENTO DE REFERENCIA..........................................................................................15 ANEXO A (Informativo) ..........................................................................................................10 Tabla 1. Clasificacin de los carbones por rango ...............................................................6


1 de 15

CLASIFICACIN DEL CARBN POR RANGO 1. OBJETO 1.2 La presente norma contempla la clasificacin de los carbones por rango, de acuerdo con su grado de metamorfismo o alteracin progresiva en la serie natural desde el lignito hasta la antracita. 1.2 Esta clasificacin es aplicable a carbones compuestos principalmente de vitrinita. NOTA 1 Los carbones ricos en inertinita o liptinita (exinita), o ambos, no se pueden clasificar apropiadamente porque en estos macerales las propiedades que determinan el rango (poder calorfico, materia voltil y carcter aglomerante) se diferencian considerablemente de las de la vitrinita en el mismo carbn. Con frecuencia estos carbones se pueden reconocer por examen macroscpico. En Norteamrica son principalmente variedades de carbones no bandeados que contienen solamente una pequea porcin de vitreno y constituidos principalmente de materiales atriciales. El grado de metamorfismo de los carbones no bandeados y otros bajos en vitrinita se puede estimar determinando las propiedades de clasificacin de fracciones de vitrinita aisladas o concentradas, o por determinacin de la reflectancia de la vitrinita (vase la NTC 5614 y el Anexo A.1. de esta clasificacin). Sin embargo, en el uso de estos carbones bajos en vitrinita, algunas propiedades normalmente asociadas con el rango, como la reologa, la combustibilidad, la dureza y la molturabilidad (al igual que las propiedades de determinacin del rango) pueden ser sustancialmente diferentes de las de los carbones ricos en vitrinita del mismo grado de metamorfismo. La precisin de la clasificacin del carbn impuro se puede alterar por el efecto de grandes cantidades de materia mineral sobre las determinaciones de materia voltil y poder calorfico y sobre su clculo en base libre de materia mineral. 1.3 Los valores establecidos en unidades trmicas britnicas por libra se deben considerar como los normativos. Los equivalentes SI de las unidades trmicas britnicas por libra son aproximados. Todos los dems valores en unidades SI deben considerarse como normativos. 2. REFERENCIAS NORMATIVAS Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables para la aplicacin de este documento normativo. Para referencias fechadas, se aplica nicamente la edicin citada. Para referencias no fechadas, se aplica la ltima edicin del documento normativo referenciado (incluida cualquier correccin). NTC 1824, Determinacin de la humedad de equilibrio de carbn a 96 % - 97 % de humedad relativa y 30 C (ASTM D1412),


2

NTC 1859, Determinacin de la ceniza en muestras de anlisis de carbn y coque. (ASTM D3174). NTC 1872, Mtodo de ensayo para la determinacin de la humedad total en carbn. (ASTM D3302). NTC 1969, Carbn y coque. Terminologa (ASTM D121). NTC 2018, Anlisis de materia voltil en muestras de carbn y coque. (ASTM D3175). NTC 2075, Mtodo de ensayo para determinar el ndice de hinchamiento libre del carbn - IHL- (ASTM D720). NTC 2128, Carbn y coque. Determinacin del poder calorfico bruto de carbn y coque (ASTM D5865). NTC 2347 Recoleccin de una muestra bruta de carbn (ASTM D2234). NTC 2391 Anlisis de azufre total en muestras de carbn y coque (ASTM D3177). NTC 2480, Clculo de anlisis de carbn y coque de base como se determina a diferentes bases (ASTM D3180). NTC 2713, Minera. Carbn. Toma de muestras de carbn en canal en las minas. (ASTM D4596). NTC 3268, Mtodo de ensayo para la determinacin del azufre total en muestras de carbn y coque por mtodos de combustin a alta temperatura. (ASTM D4239). NTC 3484, Determinacin de la humedad en la muestra de anlisis de carbn y coque. (ASTM D3173). NTC 4898 Preparacin de muestras de carbn para anlisis (ASTM D2013). NTC 5614, Determinacin microscpica de la de la reflectancia de la vitrinita del carbn (ASTM D2798) ASTM D121, Terminology of Coal and Coque. ASTM D720, Test Method for Free-Swelling Index of Coal ASTM D1412, Test Method for Equilibrium Moisture of Coal at 96 to 97 Percent Relative Humidity and 30 C2. ASTM D1757, Test Methods for Sulfur in Ash from Coal and Coke. ASTM D2013, Method of Preparing Coal Samples for Analysis. ASTM D2234, Practice for Collection of a Gross Sample of Coal. ASTM D2798, Test Method for Microscopical Determination of the Reflectance of Vitrinite in a Polished Specimen of Coal. ASTM D3172, Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke.


3

ASTM D3173, Test Method for Moisture in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM D3174, Test Method for Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke from Coal. ASTM D3175, Test Method for Volatile Matter in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM D3177, Test Methods for Total Sulfur in the Analysis Sample of Coal and Coke. ASTM D3180, Practice for Calculating Coal and Coke Analyses from As-determined to Different Bases. ASTM D3302, Test method for Total Moisture in Coal. ASTM D4239, Standard Test Methods for Sulfur in the Analysis Sample of Coal and Coke Using High-Temperature Tube Furnace Combustion Methods. ASTM D4596, Practice for Collection of Channel Samples of Coal in the Mine. ASTM D5192, Practice for the Collection of Coal Samples from Core. ASTM D5865, Test Method for Gross Calorific Value of Coal and Coke. ASTM D5016, Standard Test Method for Total Sulfur in Coal and Coke Combustion Residues Using a High-Temperature Tube Furnace Combustion Method with Infrared Absorption. 3. TERMINOLOGA 3.1 DEFINICIONES Para las definiciones de los trminos adicionales usados en esta clasificacin, se debe consultar la NTC 1969 (ASTM D121). 3.1.1 Aglomeracin. Aplicado al carbn, es la propiedad de ablandamiento y aglutinacin cuando se calienta por encima de 400 C en una atmsfera no oxidante, y forma una masa coherente despus del enfriamiento a temperatura ambiente. 3.1.2 Rango aparente. Del carbn, designacin de rango obtenido sobre muestras diferentes a muestras de canal o muestras de ncleo con recuperacin del 100 %, pero que en lo dems cumplen con los procedimientos de esta norma. 3.1.3 Manto de carbn. Estrato, capa o lecho de carbn que yace entre dos capas de roca cuyas composiciones son significativamente diferentes de la del carbn. 3.2 ABREVIATURAS En donde se desee abreviar la designacin de los rangos de carbn, se deben usar las siguientes abreviaturas: ma - meta-antracita an - antracita sa - semiantracita


4

bbv- bituminoso bajo voltil bmv- bituminoso medio voltil bavA- bituminoso alto voltil A bavB- bituminoso alto voltil B bavC- bituminoso alto voltil C subA - subbituminoso A subB - Subbituminoso B subC - Subbituminoso C ligA - lignito A ligB - lignito B 4. IMPORTANCIA Y USO 4.1 Esta clasificacin establece categoras del carbn basadas en las propiedades que dependen principalmente del grado de metamorfismo al cual ha sido sometido. Estas categoras indican intervalos de caractersticas fsicas y qumicas, tiles generalmente para estimar el comportamiento del carbn en minera, preparacin y uso. 5. CRITERIOS DE CLASIFICACIN 5.1 La clasificacin se hace de acuerdo con el carbono fijo y el poder calorfico bruto (expresado en unidades trmicas britnicas por libra) calculados en base libre de materia mineral. Los carbones de rango ms alto se clasifican de acuerdo con el carbono fijo en base seca; los carbones de bajo rango se clasifican de acuerdo con el poder calorfico bruto en base hmeda. El carcter aglomerante se usa para diferenciar entre algunos grupos adyacentes. 6. CLASIFICACIN POR RANGO 6.1 CARBONO FIJO Y PODER CALORFICO BRUTO Los carbones pueden ser clasificados por rango de acuerdo con la Tabla 1. Los carbones que contengan poder calorfico bruto igual o superior a 14 000 Btu/lb, en base hmeda libre de materia mineral, y los carbones que tengan 69 % de carbono fijo ms, en base seca libre de materia mineral, se clasifican de acuerdo con el carbono fijo, en base seca libre de materia mineral. Los carbones con poder calorfico bruto menor a 14 000 Btu/lb en base hmeda libre de materia mineral, se clasifican de acuerdo con el poder calorfico bruto en base hmeda libre de materia mineral, siempre y cuando el carbono fijo en la base seca libre de materia mineral sea menor al 69 %.


5

6.2 CARCTER AGLOMERANTE Los carbones que tengan 86 % o ms de carbono fijo, en base seca libre de materia mineral, si aglomeran, se deben clasificar en el grupo bituminoso bajo voltil.. Los carbones que tengan poder calorfico bruto entre 10 500 Btu/lb y 11 500 Btu/lb, en base hmeda libre de materia mineral, se clasifican de acuerdo con su carcter aglomerante (vase la Tabla 1). 6.3 INFORMACIN COMPLEMENTARIA En el Anexo A.1 se presenta una correlacin entre el rango, dado por la materia voltil (100 - carbono fijo) y la reflectancia media-mxima de la vitrinita, en carbones analizados en un laboratorio, durante varios aos. 7. MUESTREO 7.1 MUESTRAS La clasificacin de los mantos de carbn o parte de ellos en cualquier sitio se basa en el promedio de los anlisis prximo y el poder calorfico bruto ( y el carcter aglomerante cuando sea requerido) de mnimo tres y preferiblemente cinco o ms muestras de frente de canal o muestras de ncleo tomadas en diferentes sitios, distribuidos uniformemente, ya sea dentro de la misma mina o en minas adyacentes que representan un rea continua y compacta de aproximadamente cuatro millas cuadradas en regiones geolgicamente uniformes. En regiones donde las condiciones indican que las propiedades del carbn varan bruscamente en cortas distancias, el espaciamiento de los puntos de muestreo y el agrupamiento de los anlisis para obtener valores promedio, no deben permitir la inclusin de carbones con rango evidentemente diferente.


6

Tabla 1. Clasificacin de los carbones por rangoA

Lmites de poder calorfico bruto (Base hmeda libre de materia mineral)B

Lmites de carbono fijo (Base seca libre de materia mineral) %

Lmites de materia voltil (Base seca libre de materia mineral) % Btu/lb Mj/kgC Clase/Grupo

Igual o mayor que Menor que

Mayor que

Igual o menor que

Igual o mayor que

Menor que

Igual o menor que

Menor que

Carcter aglomerante

Antractica: - Meta-antracita - Antracita - SemiantracitaD

98 92 86

... 98 92

... 2 8

2 8

14

... ... ...

... ... ...

... ... ...

... ... ...

No aglomerante

Bituminosa: - Carbn bituminoso bajo en voltiles - Carbn bituminoso medio en voltiles - Carbn bituminoso alto en voltiles A - Carbn bituminoso alto en voltiles B - Carbn bituminoso alto en voltiles C

78

69

...

...

...

86

78

69

...

...

14

22

31

...

...

22

31

...

...

...

...

...

14 000E

13 000E

11 500

...

...

... 14 000

13 000

...

...

32,557

30,232

26,743

...

...

...

32,557

30,232

Comnmente aglomeranteF

10 500 11 500 24,418 26,743 Aglomerantes Subbituminosa: - Carbn subituminoso A - Carbn subituminoso B - Carbn subituminoso C

... ... ...

... ... ...

... ... ...

... ... ...

10 500 9 500 8 300

11 500 10 500 9 500

24,418 22,09 19,30

26,743 24,418 22,09

Lignitica: - Lignito A - Lignito B

... ...

... ...

... ...

... ...

6 300G

...

8 300 6 300

14,65

...

19,30 14,65

No aglomerante

A Esta clasificacin no aplica a ciertos carbones, como se discuti en el numeral 1. B Base humeda se refiere al contenido de humedad natural inherente del carbn que no incluye agua visible sobre la superficie del carbn. C Megajulios por kilogramo. Para convertir las unidades trmicas britnicas por libra a megajulios por kilogramo, se multiplica por 0,0023255. D Si es aglomerante, se clasifica en el grupo bituminoso bajo voltil . E Los carbones con 69 % o ms de carbono fijo en base seca libre de materia mineral se deben clasificar de acuerdo con el carbono fijo, independientemente del

poder calorfico bruto. F Se reconoce que puede haber variedades no aglomerantes dentro de la clase bituminosa y hay excepciones notables en el grupo bituminoso alto volatil. C, G Corregido editorialmente


7

7.1.1 Tomar muestras de canal excluyendo las intercalaciones de minerales de ms de 1 cm (3/8 de pulgada) y lentes o concreciones (como esferas de sulfuro) de ms de 1,25 cm (1/2 pulgada) de espesor y 5 cm (2 pulgadas) de ancho, como se especifica en la NTC 2713 (ASTM D4596). 7.1.2 Pueden usarse muestras de perforacin o ncleos, siempre y cuando stas hayan sido recolectadas como se especifica en la norma ASTM D5192 y cumplan con las siguientes condiciones: recuperacin del ncleo del 100 % del manto; se excluyen las lminas y concreciones minerales principales, como se especific en el numeral 7.1.1 y el lodo de perforacin sea removido del ncleo (vase tambin el numeral 7.1.6). 7.1.3 Colocar todas las muestras en recipientes plsticos o de metal con tapas hermticas al aire, o bolsas impermeables a vapor denso, selladas apropiadamente para preservar la humedad inherente. 7.1.4 Para la clasificacin por rango no se deben usar los anlisis de muestras de afloramientos ni carbn oxidado o alterado por la intemperie. 7.1.5 Para clasificar el carbn en base humedad, es decir, incluyendo su contenido natural de humedad inherente, las muestras se deben tomar de manera que preserven la humedad inherente, para los anlisis. Debido a que parte de la humedad en una mezcla recin recolectada se condensa en el interior del recipiente de la muestra, se deben pesar ambos, el recipiente y el carbn antes y despus de secado al aire y se reporta la prdida total del peso como prdida por secado al aire. 7.1.6 Si la muestra es un ncleo o es imposible muestrear el carbn sin la humedad superficial, o si por otras razones la exactitud del contenido de humedad inherente determinable de la muestra es cuestionable, y dada la posibilidad de que el carbn sea clasificado en base hmeda, el operador de muestreo debe incluir la siguiente declaracin en la descripcin: Humedad cuestionable. Las muestras as marcadas no se deben usar para clasificacin en base hmeda a menos que se lleven a la condicin estndar de humedad de equilibrio a 30 C en un desecador de vaco que contenga una solucin saturada de sulfato de potasio (97 % de humedad), como se especifica en la norma ASTM D1412. Los anlisis de las muestras, que han sido tratadas de esta manera, se deben designar como muestras tratadas a 30 C y humedad relativa del 97 % (humedad de equilibrio). 7.2 OTROS TIPOS DE MUESTRAS No se puede hacer una determinacin estndar de rango a menos que las muestras hayan sido obtenidas de acuerdo con el numeral 7.1. Sin embargo, la relacin para las determinaciones estndar puede ser til para otros tipos de muestras tomadas en condiciones no especificadas, siempre y cuando se sigan los mismos estndares de anlisis y clculos. Estas indicaciones comparativas se designan como rango aparente, el cual indica la clasificacin relativa correcta para la muestra analizada, pero no implica estndares de muestreo. Cada vez que se establezca un rango aparente se debe presentar informacin adicional en cuanto a la naturaleza de la muestra. 7.2.1 El rango aparente del carbn producido en una mina se debe determinar con base en muestras representativas tomadas de acuerdo con el numeral 7 Planning of Sampling Operations Section de la norma ASTM D2234 (NTC 2347). 7.2.2 En caso de que el carbn se deba clasificar en base hmeda, se toman las muestras en el frente de mina o planta de preparacin y se sella la muestra para evitar prdida de humedad.


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8. MTODOS DE ENSAYO 8.1 Muestreo y anlisis de laboratorio El carbn se prepara de acuerdo con la norma ASTM D 2013 y se analiza de acuerdo con las normas NTC 3484 (ASTM D3173), NTC 1859 (ASTM D3174), NTC 2018 (ASTM D3175), NTC 2391 (ASTM D3177), NTC 1872 (ASTM D3302) y ASTM D3172. El poder calorfico bruto se determina de acuerdo con la NTC 2128 (ASTM D5865). El trixido de azufre (SO3) retenido en la ceniza se determina de acuerdo con la norma ASTM D1757 o ASTM D5016 y el resultado se expresa en base seca. Si la muestra fue recolectada de acuerdo con el numeral 7.1.1, la humedad inherente se reporta como humedad como se recibe, se reporta como humedad de equilibrio si la muestra fue recolectada de acuerdo con el numeral 7.1.6. (vase la NTC 1824 (ASTM D1412)). 8.2 Se ajusta el valor de la ceniza determinado de acuerdo con la NTC 1824 (ASTM D3174) de manera que quede libre de sulfatos, como sigue:

3 )100Hu-(1)

100-(1z(bs)C=zC

SO (1)

en donde

Cz = valor ajustado de la ceniza a la base de humedad inherente. Cz(bs) = ceniza obtenida, en base seca, determinada de acuerdo con la norma NTC 1824 (ASTM

D3174).

3SO = 3SO en la ceniza, determinado de acuerdo con la norma ASTM D1757 o D 5016, y Hu = humedad inherente.

Se adiciona al valor del carbono fijo, determinado de acuerdo con la norma ASTM D3172, el valor de SO3 determinado en la ceniza, para obtener el valor de carbono fijo que se va a usar en la ecuacin 2 8.3 Carcter aglomerante Para determinar el carcter aglomerante se examina el residuo obtenido en el crisol de platino de la determinacin de materia voltil1). Los carbones que, en la determinacin de materia voltil, producen un botn aglomerado que soporta un peso de 500 g sin pulverizarse, o un botn que presenta hinchamiento o una estructura celular, se deben considerar aglomerantes desde el punto de vista de la clasificacin. Adems, un resultado de 1,0 ms en el ensayo de ndice de Hinchamiento Libre (vase la NTC 2075 (ASTM D720)) tambin se usa para indicar si el carbn es aglomerante; un resultado de 0,5 0 indica que el carbn no es aglomerante.

1) Gilmore, R.E., Connell, G.P., and Nicholls, J.H.H., "Agglomerating and Agglutinating Test for Classifying

Weakly Caking Coals, "Transactions, American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, Coal Divisin. Vol 108, 1934, P.255.


9

9. CLCULO EN BASE LIBRE DE MATERIA MINERAL 9.1 Clculo de carbono fijo y poder calorfico Para la clasificacin del carbn de acuerdo con el rango, se calculan el carbono fijo y el poder calorfico bruto en base libre de materia mineral (1 mm) de acuerdo con las frmulas de Parr,2) ecuaciones 2, 3 y 4. En el Anexo A.2 se presenta informacin bsica concerniente al desarrollo de las frmulas de Parr, lo mismo que otras consideraciones de clasificacin y ejemplos de los clculos (vase la Tabla 1). 9.2 Se calcula la base libre de materia mineral (lmm) de la siguiente manera 9.2.1 Frmulas de Parr

CF , Seco, lmm = 100 (CF - 0,15S)/(100 - (Hu + 1,08 Cz + 0,55S)) (2) MV, Seca, lmm = 100 - CF seco, lmm (3) BTU, Hmedo, lmm = 100 (Btu - 50 S) / (100 - (1,08 Cz + 0,55 S)) (4)

en donde

BTU = poder calorfico bruto, Btu/lb CF = carbono fijo, % MV = materia voltil, % Hu = humedad, % Cz = ceniza, % y S = azufre, %

Las cantidades de las ecuaciones 2 y 4 estn en base de humedad inherente. El carbono fijo (CF) y la ceniza (Cz) se ajustan a la base libre de SO3 de acuerdo con el numeral 8.2. 10. PALABRAS CLAVE 10.1 Antracita, bituminoso, carbn, lignito, rango.

2) Parr, S.W., "The Classification of Coal", Bulletin No. 180, Engineering Experiment Station, University of

Illinois, 1928.


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ANEXO A (Informativo)

A.1 CORRELACIN DE LA MATERIA VOLTIL CON LA REFLECTANCIA MXIMA

PROMEDIO DE LA VITRINITA A.1.1 La reflectancia de la vitrinita en una muestra de carbn, determinada por la NTC 5614 (ASTM D2798), brinda una gua til para la clasificacin del carbn. En la Figura A.1.1 se presenta la correlacin de la reflectancia mxima promedio de todas las variedades de vitrinita con la materia voltil, expresada en base seca libre de materia mineral. Se graficaron datos de 807 muestras de carbn que contenan menos del 8 % de ceniza pertenecientes a diferentes yacimientos de carbn en Norteamrica. Todas las determinaciones se realizaron en un solo laboratorio, con la participacin de varios analistas, durante un perodo de varios aos. La grfica muestra un intervalo de reflectancias para tres grupos de rangos importantes.

Intervalo de reflectancia mxima promedio en aceite, %

distribucin de punto medio de

Rango

< 1,15 1,02 - 1,55

1,35 - 2,0 (?)

< 1,1 1,10 - 1,45

1,45 - 2,0(?)

bav bmv bbv

NOTA A.1.1 Los carbones con la misma reflectancia de vitrinita y similares composiciones de maceral pueden tener diferentes propiedades reolgicas y de fluorescencia e incluso formas de combustin y carbonizacin diferentes. Estas diferencias pueden deberse a diversos factores, tales como su edad geolgica, el ambiente y/o el modo de acumulacin (tiempo, temperatura y presin), e incluso a diferencias en las plantas que contribuyeron a su formacin. Por tanto, el empleo de la reflectancia de la vitrinita con el fin de seleccionar el uso de los carbones, puede requerir de otras cualidades para predecir su potencial utilizacin. Esto es particularmente importante en la seleccin de carbones para la produccin de coque, puesto que se conoce que vitrinitas con la misma reflectancia pero con diferentes propiedades de fluorescencia, producen diferentes formas de carbonizados con diferentes propiedades fsicas (resistencia) y qumicas (reactividad). A.1.2 Los puntos medios de la distribucin presentados son los puntos medios entre el lmite inferior y superior en la escala de reflectancia para el rango indicado. De los 807 carbones los que contienen mas del 25 % en volumen de inertinita tienden a ubicarse en la parte mas baja del intervalo de distribucin que los que contienen ms vitrinitas y liptinitas.

Reflectancia en aceite, media mxima, %

15 Bajo voltil

100,60,4 0,8 1 1,2

20

25

30

35

40

45

50

Mat

eria

vol

til

(SLM

M) P

orce

ntaj

e en

mas

a

Medio voltil

Alto voltil

1,61,4 1,8 2

Semiantracita

Figura A.1.1. Relacin entre el rango y la reflectancia de la vitrinita para carbones de Estados Unidos de Amrica


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A.2 INFORMACIN BSICA SOBRE LAS ECUACIONES DE PARR Y OTRAS CONSIDERACIONES DE CLASIFICACIN

A.2.1 Introduccin La clasificacin del rango de los carbones de acuerdo con los requisitos de esta norma se hace sobre bases seca o hmeda libres de materia mineral, dependiendo del parmetro que se aplique. Los laboratorios reportan comnmente los parmetros de clasificacin, ya sea materia voltil (o carbono fijo) o poder calorfico bruto, en las bases como se recibe, seca y libre de ceniza. Estos valores reportados deben convertirse a la base libre de materia mineral para propsitos de clasificacin. Las propiedades de los macerales (carbonceos), as convertidas, se emplean como criterios de clasificacin, eliminndose as, los efectos del contenido de materia mineral variable, que no tiene relacin con el rango. En esencia, slo se clasifica la fraccin de "carbn puro" de una muestra determinada. La frmula de Parr se utiliza para calcular la materia mineral original en el carbn empleando la ceniza producida y el contenido de azufre total determinados en dicho carbn, de la siguiente manera:

SCzmm 55,008,1 += en donde

mm = materia mineral Cz = ceniza producida NTC 1859 (ASTM D3174) y S = contenido de azufre total (NTC 2391 (ASTM D3177) o NTC 3268 (ASTM D4239))

En esta frmula se asume que los minerales de arcilla, contienen un promedio de agua de hidratacin de 8 % y la pirita que contiene esencialmente todo el azufre, son los nicos grupos minerales presentes. Adems, se supone que ocurren las siguientes reacciones durante la produccin de cenizas: (1) los grupos hidroxilos de los minerales de arcilla se pierden en la atmsfera; (2) el azufre se convierte en dixido de azufre, el cual tambin se pierde; y (3) la pirita se descompone en xido de hierro que se retiene en la ceniza. La frmula de Parr pretende corregir los valores de la ceniza y azufre medidos con respecto a estas reacciones y ajustando su masa a la de los minerales originales en el carbn. El empleo de esta frmula, permite excluir las cantidades variables de materia mineral para la clasificacin de carbones. Por ejemplo, las muestras A y B de la Tabla A.2.1 se clasifican ambas como Lignito A puesto que tienen valores de poder calorfico bruto similares cuando se calculan para una base hmeda, libre de materia mineral (Poder calorfico bruto Hu, lmm), en contraste con sus valores de poder calorfico bruto en la base como se recibe que son bastante diferentes. En este ejemplo, entonces, se excluyen los diferentes contenidos de materia mineral para propsitos de clasificacin. En la numeral A.2.3 se presentan ecuaciones tiles que posibilitan calcular los parmetros de clasificacin a partir de los resultados del laboratorio en base seca, para materia voltil, ceniza y azufre.


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Tabla A.2.1. Ejemplo de clculos de rango de carbn de acuerdo con la clasificacin NTC 4196A

Muestra A

Muestra B

Muestra C

Muestra D

Muestra E

Muestra F

Base como se recibe (bcr)B Humedad % (humedad inherente) 34,79 32,45 14,94 9,85 9,20 1,88 Ceniza % 5,65 11,93 7,57 6,00 7,54 11,86 Materia voltil % 30,32 28,07 33,89 32,81 31,69 25,27 Carbono fijo % 29,24 27,55 43,60 51,34 51,57 60,99 Azufre % 0,71 1,15 0,66 3,07 1,14 0,33 Poder calorfico bruto, Btu/lb 7 676 7 093 10 178 10 178 12 077 13 045 Base seca Ceniza, % 8,66 17,66 8,90 6,66 8,30 12,09 Materia voltil, % 46,50 41,55 39,84 36,39 34,90 25,75 Carbono fijo % 44,84 40,78 51,26 56,95 56,80 62,16 Azufre % 1,09 1,70 0,78 3,41 1,26 0,34 Poder calorfico bruto, Btu/lb 11 771 10 500 11 966 11 290 13 301 13 295 Otros resultados ndice de hinchamiento libre (IHL) 0 0 0 2 4 2,5 SO3 % en ceniza 11,00 10,57 9,75 2,17 2,18 2,27 SO3 en ceniza, % en carbn (base como se recibe)

0,62 1,26 0,74 0,13 0,16 0,27

Ceniza libre de SO3 (Czls) % (base como se recibe)C

5,03 10,67 6,83 5,87 7,38 11,59

Materia mineral, Parr % (Czls, base como se recibe)

5,82 12,16 7,74 8,03 8,59 12,70

CF(bcr, base como se recibe)B 29,86 28,81 44,34 51,47 51,73 61,26 Valores determinantes de rangoD Poder calorfico bruto, Btu/lb (base hmeda, lmm)

8 113 8 009 10 996 10 899 13 150 14 924

Materia voltil % (seco, lmm) 49,90 48,30 42,78 37,89 37,28 28,34 Carbono fijo % (seco, lmm) 50,10 51,70 57,22 62,11 62,72 71,66 Carcter aglomerante no no no agl agl agl Rango NTC 4196 (ASTM D 388) Lig A Lig A sub A bav C bav B bmv A Pie de pgina 4) B La base como se recibe es equivalente a la base con contenido de humedad inherente slo para

muestras tomadas y preservadas como se describe en el numeral 7. Para muestras que no cumplan con estos criterios, se deben ajustar los datos de la base como se recibe a la base con contenido de humedad inherente.

C Valores corregidos para base de ceniza libre de sulfato, de acuerdo con la NTC 4196 (ASTM D388), numeral 8.2. Estos parmetros ajustados se emplean para calcular valores de determinacin de rango.

D Los parmetros empleados para clasificar cada muestra empleando la Tabla 1 de NTC 4196 (ASTM D388) se muestran en negrilla. Los otros valores se muestran slo con propsitos de informacin y comparacin.

A.2.2 Explicacin de las bases analticas para propiedades de clasificacin A.2.2.1 Base seca, libre de materia mineral Base sobre la cual se calculan las propiedades qumicas de las muestras de carbn para los rangos bituminoso medio voltil y superiores. La mejor aproximacin de materia mineral (mm, no carbn) para carbones Norteamricanos se calcula mediante la frmula de Parr

mm= Cz (bs)+ (5/8)S(bs) +0,08(Cz(bs)- (10/8)S(bs)) (X.2.1)

en donde

Cz (bs) = contenido de ceniza en base seca (posiblemente con contenido de sulfato) y S(bs) = contenido de azufre en base seca


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Citando a Parr2 (excepto para el subndice bs y el parntesis alrededor de las fracciones, adicionado con propsitos de claridad): "(5/8)Sbs equivalen a la relacin del FeS2 en el carbn respecto al Fe2O3 en la ceniza o tambin, 3 oxigenos 48 (uma) en la ceniza corresponden a 4 azufres 128 (uma) originalmente en el carbn;" (10/8)Sbs representan el equivalente de Fe2O3, en la ceniza, es decir la molcula de Fe2O3, 160 (uma), es 10/8 del azufre presente en el carbn; (Cz(bs)- (10/8)Sbs) es la ceniza menos el Fe2O3; 0,08 es una constante aplicada a la ceniza libre de hierro para compensar el agua de hidratacin del material terroso menos la pirta, que representan la cantidad real de los constituyentes terrosos presentes en el carbn original".

Lo anterior se reduce a: mm = 1,08 Cz(bs) + 0,525 Sbs y se simplifica a: mm = 1,08 Cz(bs) + 0,55 Sbs

donde el coeficiente de azufre fue ajustado arbitrariamente en un valor de 0,025 (a fin de que arrojen resultados que no difieran estadsticamente de otras frmulas propuestas3). A.2.2.2 Base hmeda, libre de materia mineral Base a la cual se calcula el poder calorfico para determinar el rango del carbn para muestras de carbn de rangos bituminoso alto voltil A y menores. Esta es una base libre de materia mineral, con contenido de humedad inherente, la cual es equivalente a la base como se recibe para muestras tomadas y preservadas como se describe en el numeral 7. En la Ecuacin 4, se corrigi el poder calorfico con respecto al calor de combustin estimado para la pirita (-50S) y luego se calcul en la base hmeda, libre de materia mineral por el factor (100 mm), equivalente a (100-(1,08 Cz+ 0,55S)). Todos los datos estn sobre la base de contenido de humedad inherente. A.2.3 Ecuaciones tiles La ecuacin de clasificacin (Ecuacin 3 del numeral 9.2.1) puede simplificarse para casos donde los datos se encuentran disponibles sobre la base seca: ceniza seca (Cz(bs)), materia voltil (MVbs), azufre (Sbs), y el contenido de sulfato (SO3bs) en la ceniza4). En tales casos, la Ecuacin 3 del numeral 9.2.1 puede expresarse de modo que arroje el parmetro de clasificacin directamente, la materia voltil en la base seca, libre de materia mineral, (MVbslmm):

( )

( ) ( ) bsbsbsz

bsbs

bszbs

mmbs

SSO

C

SSO

CMV

VM

0055,0100

10108,01

4,0100

108,0

3

3)(

/

=

Para un carbn de rango bituminoso alto voltil A o inferior, para el cual se ha determinado la humedad inherente (Hui, o humedad como se recibe, equivalente) y se conocen los valores secos para el poder calorfico bruto en Btu/lb (Btubs), y contenidos de ceniza y azufre, la ecuacin de clasificacin (Ecuacin 4, numeral 9.2.1) el poder calorfico bruto sobre la base hmeda, libre de materia mineral, (Btu Hu. lmm) es equivalente a:

3) Fieldner, A.C., Selvig, W.A., and Gibson, F.H., "Application of Ash Corrections to Analyses of Various Coals,

"Transactions, American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, Coal Division, Vol 101, 1932, pp. 223-246.

4) Hoeft, A.P., Harvey, R.D., and Luppens, J.A., "Notes on the Determination of ASTM Coal Rank, "Journal of Coal Quality, Vol 12, No. 1, 1993, pp. 8-13


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( ) ( )( )( ) ( ) ( ) ( )bsbsbszi

bsbsmmh

SSO

CHu

SBtuBTU

55,0100

108,1100

100100

50100

3/

=

La Tabla A.2.1 ofrece ejemplos de clculos para muestras con rangos ampliamente diferentes a fin de demostrar algunas de las consideraciones importantes para la clasificacin de los carbones. Estos ejemplos tambin demuestran los efectos del factor de correccin para el azufre retenido en la ceniza durante los procesos de produccin de cenizas, de acuerdo con el numeral 8.2 y su importancia para la determinacin del rango. Las muestras A y B se clasifican ambas como Lignito A puesto que tienen poderes calorficos brutos similares cuando se calculan en base hmeda, libre de materia mineral (poder calorfico bruto Hu. lmm), en contraste con sus poderes calorficos brutos los cuales son completamente diferentes sobre la base como se recibe. En este ejemplo, se excluyen los contenidos de materia mineral diferentes para propsitos de clasificacin. Las muestras C y D tienen esencialmente el mismo poder calorfico bruto Hu. lmm, pero no se clasifican igual debido a sus propiedades de aglomeracin diferentes. Una consideracin importante, aunque algunas veces confusa, respecto a los carbones de rango superior es su carcter aglomerante. Desde 1934, el carcter aglomerante de la muestra se ha empleado para diferenciar los carbones subbituminosos A de los bituminosos alto voltil C. Se reconoci que el poder calorfico de los dos rangos se superpona. En versiones anteriores de la norma, el "examen del residuo de la determinacin de la materia voltil" en los crisoles de platino, era el procedimiento requerido para determinar el carcter aglomerante. En estas versiones se lee luego: "Los carbones que, en la determinacin de materia voltil, producen un botn aglomerado que soporta un peso de 500 g sin pulverizarse, o un botn que presenta una estructura celular, se debe considerar aglomerante". No obstante, durante ms de 25 aos, el ensayo de la norma para ndice de Hinchamiento Libre (NTC 2075 (ASTM D720)) ha considerado probar la naturaleza pulverizante del botn bajo un peso de 500 g. Ha sido una prctica por muchos aos emplear los resultados del ensayo de Hinchamiento Libre para determinar el carcter aglomerante de un carbn como se esboza en el numeral 8.3 de esta norma. La muestra F demuestra la necesidad de usar los contenidos de carbono fijo y de materia voltil (en base seca libre de materia mineral) ya que el carbono fijo excede el 69 % sin tener en cuenta el poder calorfico bruto Hu. lmm. En las muestras E y F, los poderes calorficos brutos sobre base seca son muy similares, pero debido a que la Muestra F contiene ms del 69 % de carbono fijo en base seca, lmm, estas dos muestras no presentan el mismo rango. La muestra E es un carbn bituminoso alto voltil B y la muestra F se clasifica como un carbn bituminoso medio voltil.


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DOCUMENTO DE REFERENCIA ASTM INTERNATIONAL. Standard Classification of Coals by Rank. Philadelphia, 2005. 4 p. (ASTM D388-05).

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Ntc 4196 Carbón Por Rango