Evaluación fisicoquímica, petrográfica y reológica de carbones de los mantos 2 y 3 de Mina Norte, municipio Guajira, estado Zulia, Venezuela
Marcos Escobar1, 2*, Jesús Rubio3
1Postgrado de Geología Petrolera, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia. Maracaibo 4002A, Venezuela. * escomar24@gmail.com
. 2CARBOZULIA, Av. 2, No. 55-185, Casa Mene Grande. Maracaibo 4002, Venezuela.
3Carbones de la Guajira S.A. Av. 9B entre calles 77 y 78, Edif. Banco Industrial, Piso 10. Maracaibo, Venezuela.
Abstract
The energetic standpoint characterization of seams 2A, 2B, 3A and 3B coals from the Marcelina Formation (Palaeocene) in Mina Norte mine, states that these meet the highest standards in quality ratings using Venezuelan coal companies. Have a high calorific value, low ash and sulphur tenors. His ashes are acid type, which do not cause problems of corrosion or excoriating, and its organic matter has been able to generate liquid hydrocarbons (bitumen). In terms of their potential use in the siderurgical industry, these coals are comparatively low in oxygen, phosphorous and chlorine. This, coupled with its excellent quality, establishing its use as PCI coal (pulverized coal injection in steel manufacturing). Petrography analysis can project its excellent quality as a constituent of steel coking blends; the results of the rheological characterization, attest to its excellent plastic character against the temperature increase in non-oxidizing medias, proposing, as it reinforced its qualities with the addition of coke or anthracite fines, or mixed with low-volatile bituminous coal, coke obtained with excellent mechanical strength, suitable for steel or metallurgical purposes.
Keywords: Mineral coal, Marcelina Formation, proximate analysis, van Krevelen diagram, organic petrography, plastometry, dilatometry.
Resumen
]]> La caracterización del punto de vista energético, de carbones de los mantos 2A, 2B, 3A y 3B de la Formación Marcelina (Paleoceno) en Mina Norte, establece que estos alcanzan los más altos estándares en las clasificaciones de calidad que utilizan las empresas carboneras venezolanas. Poseen alto poder calórico, con bajos tenores de cenizas y azufre. Sus cenizas son de tipo ácido, las cuales no generan problemas de corrosión o escoriado, y su materia orgánica ha sido capaz de generar hidrocarburos líquidos (bitumen). En función de su posible uso siderúrgico, son carbones comparativamente bajos en oxígeno, fósforo y cloro. Esto, aunado con su excelente nivel de calidad, establece su uso como carbones tipo PCI (inyección de carbón pulverizado en acerías). Los análisis petrográficos permiten proyectar su excelente calidad como constituyente de mezclas para coque siderúrgico; los resultados de su caracterización reológica, dan fe del excelente carácter plástico de dichos carbones frente al incremento de la temperatura en medios Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 34, No. 3, 2011 no oxidantes, proponiéndose, al ser reforzadas sus cualidades con la adición de finos de coque o de antracita, o mezclados con carbones bituminosos de bajo volátil, obtener coques con excelente resistencia mecánica, aptos para fines siderúrgicos o metalúrgicos.Palabras clave: Carbón mineral, Formación Marcelina, análisis próximos, diagrama de van Krevelen, petrografía orgánica, plastometría, dilatometría.
Introducción
La Cuenca Carbonífera del Guasare se ubica entre los Municipios Guajira, Mara y Jesús Enrique Losada, al noroeste de la ciudad de Maracaibo. Comprende las minas activas Paso Diablo y Mina Norte, ubicadas en las márgenes del río Guasare. La Formación Marcelina del Paleoceno [1] está constituida por intercalaciones de areniscas, lutitas arenosas y mantos de carbón de tipo bituminoso de alto volátil, en capas de 2 hasta 10 m de espesor (Figura 1).
Los principales mantos de carbón objeto de minería a cielo abierto en esta cuenca [2] han sido los mantos de los Grupos 4 y 5, y en menor grado el manto 6 [3, 4]. Los mantos de los Grupos 2 y 3 han sido objeto de muy poca atención, ya que debido a su profundidad, no se ha hecho rentable su extracción por este tipo de minería.
El presente informe tiene como objetivo la presentación y discusión de los resultados obtenidos de la caracterización fisicoquímica, petrográfica y reológica de muestras de carbón de los mantos 2A, 2B, 3A y 3B de la Formación Marcelina (Paleoceno) en el área correspondiente a Mina Norte, Municipio Guajira, Estado Zulia.
Parte experimental
El muestreo fue realizado sobre núcleos de perforación de carbón mineral, recolectados (norma ASTM D 5192-99) [5] de siete pozos (9C a 15C) perforados por la empresa Carbones de la Guajira S.A. en sus áreas de concesión. Se prepararon cuatro muestras compuestas (D 2013-04), representativas sucesivamente de los mantos 2A, 2B, 3A y 3B, destinadas a ser preparadas a las diferentes granulometrías requeridas en los ensayos de caracterización.
Discusión de resultados
Análisis próximos
Los carbones analizados (Tabla 1) han sido clasificados, según ASTM [5] como Bituminosos de alto volátil tipo A. Los resultados permiten verificar que estas muestras poseen valores de materia volátil (promedio 37,30% en masa), cenizas (1,80%) y poder calórico (14.960 BTU/lb, 8.310 kcal/kg), todos estos en base seca, que les confieren excelentes propiedades para su uso en la industria carboeléctrica, así como para fines térmicos en general [8, 9], ajustados a la máxima calificación de calidad que emplea la industria carbonífera nacional [10].
Análisis elementales
Las concentraciones de los elementos carbono (85,00-85,53%) y nitrógeno (1,44-1,59%, Tabla 2), están en el intervalo de los valores promedios reportados para carbones bituminosos de alto volátil [11, 12]. El hidrógeno (5,65-6,13%) está un 15% más alto (5,1%), y los valores de oxígeno (6,40-7,11%), difieren hasta un 60% por debajo de estos promedios (10,1%). En términos de su uso tecnológico, carbones con tenores bajos de oxígeno presentan mejores propiedades coquizantes, pero son comparativamente menos reactivos frente a procesos de gasificación o licuación [13].
El significado de los análisis últimos en cuanto a la naturaleza de la materia orgánica que constituye estos carbones, puede ser revisado a través del uso del Diagrama de van Krevelen [9], el cual consiste en una gráfica de las relaciones atómicas H/C versus O/C (Figura 2).
Esta figura muestra la curva evolutiva de los tres tipos principales de kerógeno en la natu raleza [14, 15]. Los carbones objeto de estudio se ubican en el campo de los kerógenos tipo II, capaces de generar petróleo y además están colocados en el área de catagénesis [15], lo que implica que efectivamente han generado hidrocarburos. Lo interesante de este resultado, sería determinar si estos carbones de los mantos 2 y 3 de Mina Norte bajo consideración, han sido capaces de expulsar petróleo. En las perforaciones que se realizan de modo rutinario como parte del proceso de evaluación de reservas en estas minas de carbón, siempre se reporta la presencia de testigos de areniscas con impregnaciones de crudo [16]. Una propiedad importante en cuanto al uso de los carbones nacionales para fines térmicos y de fabricación de coque es el tenor de azufre. Las concentraciones de azufre, entre 0,56 y 0,81% (base seca libre de cenizas) y los valores de libras de SO2 por millones de BTU inferiores a 1,20 (entre 0,72 y 1,05) permiten clasificar estos carbones como excelentes para fines térmicos o metalúrgicos [17]. Entre los tipos de azufre (Tabla 2), el orgánico es el más importante en los carbones bajo estudio (entre 81 y 92% del total de este elemento). Los muy bajos tenores de azufre sulfato, garantizan que los carbones no han sufrido meteorización. Porcentajes de cloro por debajo de 0,2% (Tabla 2), permiten su clasificación como de bajo potencial corrosivo [13]. Los valores de gravedad específica (1,27 g/cc), inferiores a los promedios reportados [13] para carbones bituminosos (1,35 g/cc), son un reflejo de su comparativamente bajo tenor de oxígeno, y alto de hidrógeno.
Caracterización de cenizas
El análisis químico de las cenizas del carbón es de suma importancia, en términos de su utilización en calderas [18]. La Tabla 3 permite reconocer que estas cenizas están dominadas por los óxidos de silicio (promedio 53,07%) y aluminio (21,60%), lo cual implica que los minerales más abundantes en estas muestras, son los minerales de arcilla (caolinita, ilita) y el cuarzo [19, 20]. El análisis normativo (Tabla 4), usando la metodología de Pollack [21], permite corroborar esta última conclusión.
El fósforo es generalmente considerado un elemento indeseable en la fabricación del acero, ya que lo hace frágil. La muestra compuesta de carbones del manto 2A, con la mayor concentración de cenizas (2,30% base como se recibe) y de P2O5 (0,70%) del grupo analizado, tendrá una concentración de fósforo en carbón total de 0,003%, suponiendo que todo el fósforo originalmente presente en el carbón se transformó a P2O5. Esto implicaría una concentración de fósforo en el coque obtenido a partir de este carbón, de 0,004%, y de 0,001% de este elemento en el acero obtenido, como aporte exclusivamente del coque empleado en su fabricación, según estimaciones derivadas de datos en Ryan y Grieve [22]. Este resultado está bastante por debajo del valor de 0,03% de P, como máxima concentración aceptable para los tipos comunes de aceros [11] y esto, aunado con su excelente calidad como carbón térmico, posibilita la recomendación de estas muestras como carbones PCI (para su comercialización en la industria siderúrgica como carbones de inyección directa en hornos de reducción de mineral de hierro).
El análisis químico de las cenizas del carbón es un ensayo importante del punto de vista de su posible utilización para fines térmicos. La predominancia de los óxidos de silicio y aluminio en estas muestras, indica que son cenizas ácidas, con bajos índices de fouling (corrosión) y slagging (formación de escorias), y concentraciones reducidas de álcalis (Na2O, K2O; Tabla 5
[11]). Un valor promedio de 0,24 para la relación base/ácido, confirma que estas cenizas son de carácter ácido; cocientes por debajo de 0,6 demuestran una muy baja propensión a formar escorias o producir corrosión. Una conclusión similar se alcanza para valores de alcalinidad inferiores a 0,17 [23]. Todos estos factores favorecen la utilización de los carbones de los mantos 2 y 3 de Mina Norte objeto de estudio, como fuente de energía.
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Una de las aplicaciones tecnológicas más comunes del carbón mineral es como combustible en la industria del cemento. Temperaturas de Ablandamiento relativamente altas (Tabla 6), permiten concluir que estos carbones, al ser procesados, tenderán a formar cenizas de grano fino, más fáciles de remover de las calderas, economizadores, etc., que cenizas que se transformen en masas fundidas, las cuales propenderán a formar escorias [13]. Esta baja tendencia a la escorificación es ratificada por los valores de T250 (temperatura a la cual la escoria fundida alcanza una viscosidad de 250 poises, [24]) superiores a 2.325°F, como los obtenidos para las muestras compuestas objeto de estudio.
Petrografía orgánica
Los análisis petrográficos permiten conocer el grado de evolución del carbón mediante la reflectancia de la vitrinita (Tabla 7). En términos de una posible generación de hidrocarburos por parte de estos carbones, valores superiores a 0,8, exceden el límite inferior propuesto en la literatura, para kerógenos tipo II o III [15], lo cual ratifica que ambos grupos de mantos han alcanzado la etapa de catagénesis, o ventana de generación de
En cuanto a la distribución de los principales grupos macerales (Tabla 7), los carbones de los mantos 2 y 3 de Mina Norte presentan concentraciones de vitrinitas (70% en volumen), liptinitas (5%) e inertinitas (25%), similares a las reportadas para carbones de mantos estratigráficamente superiores dentro de la Formación Marcelina (Paleoceno), en la Cuenca Carbonífera del Guasare [27-32]. La razón de que hasta los momentos haya muy poca información de los mantos 2 y 3, es porque hay muy pocos afloramientos en la Cuenca Carbonífera del Guasare que permitan su apropiada recolección, y porque los mismos no han sido objeto de explotación por parte de las compañías que operan en esta cuenca [3, 4].
Los bajos valores de oxígeno, y relativamente altos de hidrógeno reportados, no se compaginan con las bajas concentraciones de liptinitas medidas, razón por la cual se propone la presencia en estos carbones, de vitrinitas ricas en hidrógeno (prehidratadas) [33, 34], lo cual ha sido reconocido recientemente en carbones del manto 4 de la Formación Marcelina en la mina Paso Diablo [35]. Un caso similar, en carbones bituminosos de alto volátil tipo A del Mar del Norte (Dinamarca), con bajas concentraciones de liptinitas, ha sido reportado por Petersen y Rosemberg [36]. La presencia de hidrocarburos adsorbidos en forma de bitumen en la matriz orgánica de estos carbones, junto con la alta posibilidad que tengan vitrinitas perhidratadas, justifica los comparativamente altos valores del poder calórico de estos carbones, respecto a otros en Venezuela [28, 29].
Habilidad coquizante
La Tabla 7 incluye los resultados del análisis petrográfico realizado sobre las muestras bajo estudio, con los datos organizados con la finalidad de utilizarlos para aplicar los modelos de Schapiro y Gray [25] y Moses [26], los cuales permiten predecir la resistencia mecánica del coque producto del procesamiento de estos carbones.
En tal sentido, se deben reportar las proporciones de cada vitrinita alfa (denominada vitrinoide o V-Tipo) según su nivel de reflectancia, en intervalos de 0,1%. La base de estos modelos estriba en la analogía entre la producción de coque y la fabricación de concreto. Se requiere una proporción óptima de cemento (macerales Reactivos) en relación con la grava y arena (macerales Inertes) para obtener un concreto de alta resistencia.
El valor óptimo de CBI (Índice de Balance de Composición [25, 37], para carbones coquizables es de 1,00, implicando un balance perfecto entre macerales reactivos e inertes [37]. Los valores de CBI calculados para las muestras de los mantos 2 y 3 de Mina Norte bajo estudio (Tabla 7), permiten concluir la presencia en los mismos de un déficit de materiales inertes para lograr un coque con características mecánicas óptimas, a partir del procesamiento de estos carbones. Este resultado implica que, de plantearse la posibilidad de coquizar dichas muestras directamente, es decir, sin formar parte de mezclas de carbones, seguramente habrá que considerar el pretratamiento de la carga de carbones, en términos del precalentamiento de la misma, briquetización parcial con o sin adición de alquitrán o brea, y adición de reactivos inertes antifisurantes, como por ejemplo finos de antracita o finos de coque de carbón o petróleo, para mejorar la resistencia del coque a obtener [38].
]]> Para carbones coquizables, el valor de la reflectancia de la vitrinita puede ser útil para estimar el valor del parámetro CSR (resistencia del coque bajo reacción con CO2) [39]. Valores de CSR entre 35 y 52, determinados a partir del uso de la gráfica de CSR vs. %Rm [40], no son apropiados para un coque que va a ser empleado para fines siderúrgicos. Los valores de CSR empleados comúnmente para tales fines, son: a.- >60, siderúrgicas europeas [41]; b.- 74, siderúrgicas australianas [42]; c.- 61, siderúrgicas norteamericanas [43]; d.- 50-65, siderúrgicas japonesas [44]. De todos modos, no se puede descartar a priori la posible utilización de estos carbones para fines siderúrgicos, como será discutido al evaluar sus propiedades reológicas.La carbonización es el proceso bajo atmósfera inerte a través del cual, la temperatura hace que un carbón pase por un estado plástico y se transforme en coque. El comportamiento presentado por el carbón durante la citada carbonización, es referido generalmente en términos de las propiedades reológicas del carbón, también llamadas propiedades plásticas, coquizantes, o coquizabilidad. Estas propiedades, incluidas en las Tablas 8 y 9, son evaluadas sobre la base del resultado de los ensayos de FSI, Plastometría y Dilatometría. Valores de F.S.I. de 8,0-8,5, obtenidos para los carbones objeto de estudio, se corresponden con carbones altamente coquizantes [13]. No obstante, según Ward [45], el valor ideal de FSI para carbones coquizantes debería ser entre 4 y 6. Este intervalo se corresponde con carbones que se expanden lo suficiente frente al proceso de coquización, para generar un coque poroso, pero cuya expansión no es tan elevada como para rendir coques con un exceso de porosidad, lo cual se traducirá en una resistencia mecánica baja. Tal conclusión ratifica la necesidad de mezclar estos carbones con materiales carbonosos inertes, como finos de coque o de antracita, para lograr un coque de resistencia mecánica apta para fines siderúrgicos.
La gráfica de Índice de Resistencia vs. CBI, específica para carbones bituminosos [46], incluyendo sobre ella los valores obtenidos para los
ddpm = divisiones del dial por minuto. carbones bajo consideración (Tabla 8), permite determinar un factor de estabilidad cercano a 40, para el coque a obtener. Este factor de estabilidad, también denominado estabilidad ASTM [37], mide la resistencia a la ruptura, tanto durante su manejo, como en el horno de reducción. Debería alcanzar valores mínimos de 57 para coques de buena calidad para fines siderúrgicos [47]; la norma para América del Norte, exige valores por encima de 60 [43]. Esto ratifica la necesidad de un procesamiento previo de estos carbones, si van a ser coquizados sin formar parte de mezclas de carbones.
La Plastometría Gieseler proporciona una medida de la variación de la fluidez del carbón cuando se somete a calentamiento (3°C/min), hasta temperaturas que alcanzan los 550°C. Valores del Intervalo plástico entre 70 y 74, obtenidos para los carbones de los mantos2y3de Mina Norte bajo consideración, están por encima del límite inferior que define los carbones con buen poder coquizante [48]. Las Temperaturas de reblandecimiento, o puntos de ablandamiento, alcanzan valores en el orden de 408°C que comúnmente son alcanzadas por carbones con un 20% de materia volátil [13]. Considerando los valores de materia volátil de 36% para los carbones (Tabla 1), estos resultados se corresponden con propiedades plásticas excelentes para carbones coquizables, lo cual se ratifica con los resultados de la Máxima Fluidez (Tabla 8) generalmente por encima de 1.000 ddpm [48]. De la inspección de los resultados, se reconoce que los carbones del manto 2, y especialmente la muestra compuesta del manto 2B, es el que presenta las mejores propiedades plásticas como para obtener coques de buena calidad de su procesamiento.
La Tabla 9 incluye los resultados de las determinaciones de Dilatometría Audibert-Arnú, realizadas acorde con la normativa ISO 349 [7]. Miyazu [49] presenta una gráfica de Dilatación total (% Intervalo Plástico) respecto al porcentaje de materia volátil (base seca libre de cenizas), para carbones coquizables de Estados Unidos, Australia, Japón y la antigua Unión Soviética. De acuerdo con los resultados obtenidos por este autor, la mezcla ideal para obtener coques metalúrgicos adecuados, corresponde a valores de dilatación entre 70 y 140%, y tenor de materia volátil entre 30 y 33%. Los carbones objeto de estudio, poseen valores de estas variables que se aproximan bastante a los intervalos óptimos definidos por Miyazu [49]. Similar a lo obtenido de los ensayos de plastometría, los valores del Intervalo Plástico entre 78 y 91, obtenidos para los carbones de los mantos 2 y 3 de Mina Norte bajo consideración, definen la presencia de carbones con buen poder coquizante, los cuales presentan un buen balance entre materiales reactivos e inertes [48].
Los resultados del ensayo de dilatometría, ratifican a los carbones del manto 2B de Mina
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Norte, objeto de estudio, como la muestra analizada que arroja las mejores propiedades plásticas para su posible uso como materia prima de coque metalúrgico o siderúrgico. Finalmente, los datos de HGI (promedio 54), parámetro que mide la dureza o friabilidad, se ajustan a carbones fáciles de fracturar y pulverizar [8, 9], lo cual es muy favorable del punto de vista de su uso tecnológico.
Conclusiones
Los carbones de los grupos de mantos 2 y 3 objeto de consideración en el presente trabajo, son excelentes materiales, tanto del punto de vista de su aplicación como carbones térmicos, en plantas de generación de electricidad o fabricación de cemento, como del punto de vista de su uso en la industria del acero, bien sea como carbones PCI o como materia prima para coque siderúrgico o metalúrgico. Estos resultados deberían impulsar el análisis más sistemático de los carbones de estos grupos de mantos, con miras a plantear una futura minería subterránea en las minas activas de carbón de Paso Diablo y Mina Norte, con miras al aprovechamiento a nivel nacional de este notable recurso natural.
Agradecimientos
Se agradece a la empresa Carbones de la Guajira, por permitir la publicación de los resultados de los análisis de estos carbones de Mina Norte.
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Recibido el 2 de Noviembre de 2010 En forma revisada el 21 de Marzo de 2011
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