Coque (combustible) - Coke (fuel)

Coque crudo

El coque es un combustible gris, duro y poroso con un alto contenido de carbono y pocas impurezas , elaborado al calentar carbón o aceite en ausencia de aire, un proceso de destilación destructivo . Es un producto industrial importante, que se utiliza principalmente en el mineral de hierro de fundición , sino también como combustible en estufas y forjas , cuando la contaminación del aire es una preocupación.

El término no calificado "coque" generalmente se refiere al producto derivado de carbón bituminoso con bajo contenido de cenizas y azufre mediante un proceso llamado coquización . Un producto similar llamado coque de petróleo , o coque de petróleo , se obtiene del petróleo crudo en las refinerías de petróleo . El coque también puede formarse naturalmente mediante procesos geológicos .

Historia

porcelana

Fuentes históricas que datan del siglo IV describen la producción de coque en la antigua China . Los chinos utilizaron por primera vez coque para calentar y cocinar a más tardar en el siglo IX. En las primeras décadas del siglo XI, los trabajadores del hierro chinos en el valle del río Amarillo comenzaron a alimentar sus hornos con coque, resolviendo su problema de combustible en esa región escasa de árboles.

China es el mayor productor y exportador de coque en la actualidad. China produce el 60% del coque del mundo. Las preocupaciones sobre la contaminación del aire han motivado cambios tecnológicos en la industria del coque mediante la eliminación de tecnologías de coquización obsoletas que no son energéticamente eficientes.

Bretaña

En 1589, se concedió una patente a Thomas Proctor y William Peterson para fabricar hierro y acero y fundir plomo con "tierra-carbón, mar-carbón, césped y turba". La patente contiene una clara alusión a la preparación de carbón por "cocción". En 1590, se concedió una patente al Decano de York para "purificar el carbón de hoyo y liberarlo de su olor ofensivo". En 1620, se otorgó una patente a una empresa compuesta por William St. John y otros caballeros, mencionando el uso de coque en la fundición de minerales y la fabricación de metales. En 1627, se otorgó una patente a Sir John Hacket y Octavius ​​de Strada por un método de hacer que el carbón marino y el carbón de hoyo fueran tan útiles como el carbón vegetal para quemar en las casas, sin ofenderse por el olor o el humo.

En 1603, Hugh Plat sugirió que el carbón podría carbonizarse de una manera análoga a la forma en que se produce el carbón vegetal a partir de la madera. Este proceso no se empleó hasta 1642, cuando se utilizó coque para tostar malta en Derbyshire ; Anteriormente, los cerveceros habían usado madera, ya que el carbón sin cocer no se puede usar en la elaboración de cerveza porque sus vapores sulfurosos impartirían un sabor desagradable a la cerveza . Se consideró una mejora en la calidad y provocó una "alteración que toda Inglaterra admiraba": el proceso de coque permitió un tueste más ligero de la malta, lo que llevó a la creación de lo que a fines del siglo XVII se llamó pale ale .

Los altos hornos originales en Blists Hill, Madeley

En 1709, Abraham Darby I estableció un alto horno de coque para producir hierro fundido . La superior resistencia a la trituración de Coke permitió que los altos hornos se volvieran más altos y más grandes. La consiguiente disponibilidad de hierro barato fue uno de los factores que llevaron a la Revolución Industrial . Antes de este tiempo, la fabricación de hierro utilizaba grandes cantidades de carbón vegetal, producido por la quema de madera. A medida que el rebrote de los bosques se volvió incapaz de satisfacer la demanda, la sustitución de carbón vegetal por coque se hizo común en Gran Bretaña, y el coque se fabricaba quemando carbón en montones en el suelo de modo que solo se quemaba la capa exterior, dejando el interior de la pila. en un estado carbonizado. A fines del siglo XVIII, se desarrollaron hornos de ladrillos colmena , lo que permitió un mayor control sobre el proceso de quema.

En 1768, John Wilkinson construyó un horno más práctico para convertir carbón en coque. Wilkinson mejoró el proceso construyendo los montones de carbón alrededor de una chimenea central baja construida con ladrillos sueltos y con aberturas para que entren los gases de combustión, lo que resultó en un mayor rendimiento de mejor coque. Con una mayor habilidad en la cocción, recubrimiento y enfriamiento de los montones, los rendimientos aumentaron de aproximadamente un 33% a un 65% a mediados del siglo XIX. La industria del hierro escocesa se expandió rápidamente en el segundo cuarto del siglo XIX, mediante la adopción del proceso de explosión en caliente en sus yacimientos de carbón.

En 1802, se instaló una batería de hornos de colmena cerca de Sheffield , para coquizar la veta de carbón Silkstone para su uso en la fusión de acero al crisol. En 1870, había 14.000 hornos de colmena en funcionamiento en las yacimientos de carbón de West Durham , produciendo 4.000.000 de toneladas largas de coque por año. Como medida de la expansión de la producción de coque, las necesidades de la industria del hierro en Gran Bretaña eran de alrededor de 1.000.000 de toneladas por año a principios de la década de 1850, aumentando a unas 7.000.000 de toneladas en 1880. De estas, unas 5.000.000 de toneladas se produjeron en el condado de Durham, 1.000.000 de toneladas. de toneladas en la cuenca carbonífera de Gales del Sur y 1.000.000 de toneladas en Yorkshire y Derbyshire.

41 018 de la Deutsche Reichsbahn escalando el famoso Schiefe Ebene , 2016

En los primeros años de las locomotoras de vapor , el coque era el combustible normal. Esto fue el resultado de una primera pieza de legislación ambiental; cualquier locomotora propuesta tenía que "consumir su propio humo". Esto no fue técnicamente posible de lograr hasta que el arco de la cámara de combustión entró en uso, pero se consideró que la quema de coque, con sus bajas emisiones de humo, cumplía con el requisito. Esta regla se abandonó silenciosamente y el carbón más barato se convirtió en el combustible normal, ya que los ferrocarriles ganaron aceptación entre el público. La columna de humo producida por una locomotora ambulante parece ahora ser una marca de un ferrocarril de vapor, y así se conserva para la posteridad.

Las llamadas "fábricas de gas" producían coque calentando carbón en cámaras cerradas. El gas inflamable que se desprendía se almacenaba en recipientes de gas, para ser utilizado a nivel nacional e industrial para cocinar, calentar e iluminar. El gas se conocía comúnmente como " gas de la ciudad ", ya que las redes subterráneas de tuberías atravesaban la mayoría de las ciudades. Fue reemplazado por " gas natural " (inicialmente de los campos de petróleo y gas del Mar del Norte ) en la década posterior a 1967. Otros subproductos de la producción de coque incluían alquitrán y amoníaco, mientras que el coque se usaba en lugar de carbón en cocinas y para proporcionar calor. en locales domésticos antes de la llegada de la calefacción central .

Estados Unidos

Ilustración de la minería del carbón y la quema de coque desde 1879
Los hornos de coquización de carbón en Cokedale, Colorado , abastecían a las acerías de Pueblo, Colorado .

En los EE. UU., El primer uso de coque en un horno de hierro ocurrió alrededor de 1817 en el horno de formación de charcos y laminador Plumsock de Isaac Meason en el condado de Fayette , Pensilvania . A finales del siglo XIX, las minas de carbón del oeste de Pensilvania proporcionaron una rica fuente de materia prima para la coquización. En 1885, Rochester and Pittsburgh Coal and Iron Company construyó la cadena de hornos de coque más larga del mundo en Walston, Pensilvania , con 475 hornos en una longitud de 2 km (1,25 millas). Su producción alcanzó las 22.000 toneladas mensuales. Los hornos de coque de Minersville en el condado de Huntingdon, Pensilvania , se incluyeron en el Registro Nacional de Lugares Históricos en 1991.

Entre 1870 y 1905, el número de hornos de colmena en los EE. UU. Se disparó de aproximadamente 200 a casi 31,000, lo que produjo casi 18,000,000 de toneladas de coque solo en el área de Pittsburgh. Un observador se jactó de que si se cargaba en un tren, "¡la producción del año haría un tren tan largo que la locomotora frente a él iría a San Francisco y regresaría a Connellsville antes de que el furgón de cola hubiera arrancado de los patios de Connellsville! " El número de hornos de colmena en Pittsburgh alcanzó su punto máximo en 1910 con casi 48.000.

Aunque era un combustible de alta calidad, la coquización envenenaba el paisaje circundante. Después de 1900, el grave daño ambiental de la coquización de colmenas atrajo la atención nacional, aunque el daño había plagado al distrito durante décadas. "El humo y el gas de algunos hornos destruyen toda la vegetación alrededor de las pequeñas comunidades mineras", señaló WJ Lauck, de la Comisión de Inmigración de EE. UU. En 1911. Al pasar por la región en tren, el presidente de la Universidad de Wisconsin , Charles Van Hise, vio "largas filas de hornos colmena de donde brotan llamas y densas nubes de humo que oscurecen el cielo. Por la noche, la escena se vuelve indescriptiblemente vívida por estos numerosos pozos ardientes. Los hornos de colmena hacen de toda la región de fabricación de coque un cielo opaco: triste e insalubre. "

Producción

Hornos de coque industriales

Horno de coque en la planta de combustible sin humo , Abercwmboi , Gales del Sur , 1976

La producción industrial de coque a partir del carbón se denomina coquización . El carbón se cuece en un horno sin aire , un "horno de coque" u "horno de coquización", a temperaturas tan altas como 2,000 ° C (3,600 ° F) pero generalmente alrededor de 1,000-1,100 ° C (1,800-2,000 ° F). Este proceso se vaporiza o se descompone sustancias orgánicas en el carbón, conducción fuera de productos volátiles, incluyendo agua , en forma de carbón-gas y alquitrán de hulla . El coque es el residuo no volátil de la descomposición, el carbono cementado y el residuo mineral de las partículas de carbón originales en forma de un sólido duro y algo vítreo.

Algunas instalaciones tienen hornos de coquización de "subproductos" en los que los productos de descomposición volátiles se recogen, purifican y separan para su uso en otras industrias, como combustible o materias primas químicas . De lo contrario, los subproductos volátiles se queman para calentar los hornos de coquización. Este es un método más antiguo, pero todavía se utiliza para nuevas construcciones.

El carbón bituminoso debe cumplir una serie de criterios para su uso como carbón coquizable , determinados por técnicas particulares de análisis de carbón . Estos incluyen contenido de humedad, contenido de cenizas, contenido de azufre , contenido de volátiles, alquitrán y plasticidad . Esta mezcla tiene como objetivo producir un coque de la fuerza apropiada (generalmente medida por la fuerza del coque después de la reacción ), mientras se pierde una cantidad apropiada de masa. Otras consideraciones de mezcla incluyen asegurarse de que el coque no se hinche demasiado durante la producción y destruya el horno de coque debido a presiones excesivas en las paredes.

Cuanto mayor sea la materia volátil en el carbón, más subproducto se puede producir. En general, se considera que los niveles de 26 a 29% de materia volátil en la mezcla de carbón son buenos para la coquización. Por tanto, se mezclan proporcionalmente diferentes tipos de carbón para alcanzar niveles aceptables de volatilidad antes de que comience el proceso de coquización. Si la gama de tipos de carbón es demasiado grande, el coque resultante tiene una resistencia y un contenido de cenizas muy variables y, por lo general, no se puede vender, aunque en algunos casos puede venderse como un combustible de calefacción ordinario. Como el coque ha perdido su materia volátil, no se puede volver a coquizar.

El carbón coquizable es diferente del carbón térmico, pero surge del mismo proceso básico de formación de carbón. El carbón coquizable tiene diferentes macerales del carbón térmico, es decir, diferentes formas de la materia vegetal comprimida y fosilizada que componen el carbón. Los diferentes macerales surgen de diferentes mezclas de especies vegetales y variaciones de las condiciones en las que se ha formado el carbón. El carbón coquizable se clasifica según su porcentaje de cenizas en peso después de la combustión:

  • Acero grado I (contenido de cenizas no superior al 15%)
  • Acero grado II (superior al 15% pero no superior al 18%)
  • Grado de lavado I (superior al 18% pero no superior al 21%)
  • Grado de lavado II (superior al 21% pero no superior al 24%)
  • Grado de lavado III (superior al 24% pero no superior al 28%)
  • Grado de lavado IV (superior al 28% pero no superior al 35%)

El proceso de "hogar"

El proceso de "hogar" de fabricación de coque, utilizando carbón en trozos, era similar al de la quema de carbón vegetal; en lugar de un montón de leña preparada, cubierta de ramitas, hojas y tierra, había un montón de carbones cubiertos de polvo de coque. El proceso de hogar continuó utilizándose en muchas áreas durante la primera mitad del siglo XIX, pero dos eventos disminuyeron enormemente su importancia. Estos fueron la invención de la explosión en caliente en la fundición de hierro y la introducción del horno de coque de colmena. El uso de una ráfaga de aire caliente, en lugar de aire frío, en el horno de fundición fue introducido por primera vez por Neilson en Escocia en 1828. El proceso de solera para hacer coque a partir de carbón es un proceso muy largo.

Horno de coque de colmena

Postal representando hornos de coque y vertido de carbón en Pennsylvania

Se utiliza una cámara de ladrillos refractarios con forma de cúpula, comúnmente conocida como horno de colmena. Por lo general, mide 4 metros (13,1 pies) de ancho y 2,5 metros (8,2 pies) de alto. El techo tiene un orificio para cargar el carbón u otro tipo de leña desde la parte superior. El orificio de descarga está previsto en la circunferencia de la parte inferior de la pared. En una batería de horno de coque, se construyen varios hornos en una fila con paredes comunes entre los hornos vecinos. Una batería constaba de una gran cantidad de hornos, a veces cientos, seguidos.

El carbón se introduce desde la parte superior para producir una capa uniforme de aproximadamente 60 a 90 centímetros (24 a 35 pulgadas) de profundidad. Inicialmente se suministra aire para encender el carbón. La carbonización comienza y produce materia volátil, que se quema dentro de la puerta lateral parcialmente cerrada. La carbonización procede de arriba a abajo y se completa en dos o tres días. El calor es suministrado por la materia volátil en combustión, por lo que no se recuperan subproductos. Se permite que los gases de escape escapen a la atmósfera. El coque caliente se apaga con agua y se descarga manualmente a través de la puerta lateral. Las paredes y el techo retienen suficiente calor para iniciar la carbonización de la siguiente carga.

Cuando se quemaba carbón en un horno de coque, las impurezas del carbón no se habían eliminado ya como gases y se habían acumulado para formar escoria, que era efectivamente un conglomerado de las impurezas eliminadas. Dado que no era el producto de coque deseado, la escoria inicialmente no era más que un subproducto no deseado y se descartaba. Más tarde, sin embargo, se descubrió que tenía muchos usos beneficiosos y desde entonces se ha utilizado como ingrediente en la fabricación de ladrillos, cemento mixto, tejas cubiertas de gránulos e incluso como fertilizante.

Seguridad Ocupacional

Las personas pueden estar expuestas a las emisiones de los hornos de coque en el lugar de trabajo por inhalación, contacto con la piel o con los ojos. La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal para la exposición a las emisiones de los hornos de coque en el lugar de trabajo en 0.150 mg / m 3 de fracción soluble en benceno durante una jornada laboral de ocho horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 0,2 mg / m 3 de fracción soluble en benceno durante una jornada laboral de ocho horas.

Usos

El coque se utiliza como combustible y como agente reductor en la fundición de mineral de hierro en un alto horno . El monóxido de carbono producido por la combustión del coque reduce el óxido de hierro ( hematita ) para producir hierro :

.

El coque se usa comúnmente como combustible para la herrería .

La coca se usó en Australia en la década de 1960 y principios de la de 1970 para la calefacción de viviendas, y se incentivó para el uso doméstico en el Reino Unido (para desplazar el carbón) después de la Ley de Aire Limpio de 1956, que se aprobó en respuesta a la Gran Niebla de Londres en 1952.

Dado que los componentes que producen humo se eliminan durante la coquización del carbón, el coque forma un combustible deseable para estufas y hornos en las que las condiciones no son adecuadas para la combustión completa del propio carbón bituminoso . El coque puede quemarse produciendo poco o ningún humo, mientras que el carbón bituminoso produciría mucho humo. El coque se utilizó ampliamente como combustible sin humo como sustituto del carbón en la calefacción doméstica tras la creación de " zonas sin humo " en el Reino Unido.

La destilería Highland Park en Orkney tuesta cebada malteada para usarla en su whisky escocés en hornos que queman una mezcla de coque y turba .

El coque se puede utilizar para producir gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno .

  • Syngas ; gas de agua : una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, que se obtiene al pasar vapor sobre coque al rojo vivo (o cualquier carbón carbonizado). El hidrocarbonato (gas) es idéntico, aunque surgió a finales del siglo XVIII como un terapéutico de inhalación desarrollado por Thomas Beddoes y James Watt categorizado bajo aires facticios
  • Gas productor (gas de succión); gas de madera ; gas generador; gas sintético : una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y nitrógeno , hecha al pasar aire sobre coque al rojo vivo (o cualquier carbón carbonizado)
  • El gas de horno de coque generado a partir de hornos de coque es similar al gas de síntesis con 60% de hidrógeno en volumen. El hidrógeno se puede extraer del gas del horno de coque de forma económica para diversos usos (incluida la producción de acero).

Subproductos fenólicos

Las aguas residuales de la coquización son altamente tóxicas y cancerígenas. Contiene compuestos orgánicos fenólicos, aromáticos, heterocíclicos y policíclicos, e inorgánicos que incluyen cianuros, sulfuros, amonio y amoníaco. En los últimos años se han estudiado varios métodos para su tratamiento. El hongo de pudrición blanca Phanerochaete chrysosporium puede eliminar hasta el 80% de los fenoles de las aguas residuales de coquización .

Propiedades

Hornos Hanna de Great Lakes Steel Corporation, Detroit . Torre de carbón sobre hornos de coque. Noviembre de 1942

El peso específico a granel del coque es típicamente de alrededor de 0,77. Es muy poroso . Tanto la composición química como las propiedades físicas son importantes para la utilidad del coque en los hornos de granallado. En términos de composición, es deseable un bajo contenido de cenizas y azufre. Otras características importantes son los índices de aplastamiento de prueba M10, M25 y M40, que transmiten la resistencia del coque durante el transporte a los altos hornos; Dependiendo del tamaño de los altos hornos, no se debe permitir la entrada de trozos de coque finamente triturados en los altos hornos porque impedirían el flujo de gas a través de la carga de hierro y coque. Una característica relacionada es el índice Coke Strength After Reaction (CSR); representa la capacidad del coque para resistir las condiciones violentas dentro del alto horno antes de convertirse en partículas finas. Los trozos de coque se denominan con la siguiente jerga: "coque de campana" (30 - 80 mm), "coque de nuez" (10 - 30 mm, "brisa de coque" (<10 mm).

El contenido de agua en el coque es prácticamente nulo al final del proceso de coquización, pero a menudo se enfría con agua para poder transportarlo a los altos hornos. La estructura porosa del coque absorbe algo de agua, generalmente del 3 al 6% de su masa. En las plantas de coque más modernas, un método avanzado de enfriamiento de coque utiliza enfriamiento por aire.

El carbón bituminoso debe cumplir una serie de criterios para su uso como carbón coquizable, determinados por técnicas particulares de análisis de carbón .

Otros procesos

El residuo sólido que queda del refinamiento del petróleo mediante el proceso de " craqueo " también es una forma de coque. El coque de petróleo tiene muchos usos además de combustible, como la fabricación de pilas secas y de electrodos electrolíticos y de soldadura .

Las plantas de gas que fabrican gas de síntesis también producen coque como producto final, llamado coque de gas de casa.

La coquización fluida es un proceso que convierte el crudo residual pesado en productos más livianos como nafta , queroseno , aceite de calefacción y gases de hidrocarburos . El término "fluido" se refiere al hecho de que las partículas sólidas de coque se comportan como un sólido fluido en el proceso de coquización de fluido continuo frente al proceso de coquización retardada por lotes más antiguo donde una masa sólida de coque se acumula en el tambor de coque con el tiempo.

Debido a la falta de aceite o carbones de alta calidad en Alemania Oriental, los científicos desarrollaron un proceso para convertir el lignito de baja calidad en coque llamado de: Braunkohlenhochtemperaturkoks ( coque de lignito a alta temperatura)

Ver también

Referencias