Combustibles sólidos

Los sólidos son los carbones minerales y los llamados carbones vegetales, mucho menos importantes, que se obtienen en la carbonización de la leña de los bosques. También se clasifican según la edad de cada cuenca carbonífera así como de las condiciones de profundidad, presión, temperatura, etc. A las que estuvo sometida la materia vegetal, el grado de carbonización será más o menos avanzado y según esto tendremos diferentes tipos de carbones, tales como: antracita, hulla, lignito y turba.

El origen de los carbones minerales está en cataclismos geológicos que enterraron bosques enteros quedando fuera del contacto del aire. En esas condiciones, la acción de la temperatura, la presión y bacterias anaeróbicas, produjeron, a lo largo del tiempo, un proceso de carbonización consistente en pérdida de humedad y enriquecimiento en carbono. Se cree que la mayor parte del carbón que existe actualmente se formó en el Período Carbonífero, hace 300-350 millones de años.

En la actualidad el mayor productor y consumidor de carbón es China, que produce casi la mitad de la producción mundial estimada en 7 800 millones de toneladas anuales. El consumo mundial de carbón, en una parte muy importante se debe a las centrales térmicas y en 2018 aumentó un 1,6 %. Sin embargo, en los países de la OCDE disminuyó, siendo España uno de los países en los que, proporcionalmente, más se redujo.  En 2018, nuestro país disminuyó su consumo en 5,4 millones de toneladas. Los acuerdos internacionales, el control de emisiones y el encarecimiento de los dispositivos para su control (incluida la disminución del rendimiento que conlleva) están originando el cierre de centrales térmicas convencionales.

Tipos de carbones

• La antracita.- Es el carbón más antiguo, su contenido en carbono es el más alto, y por ello es el carbón de mayor poder calorífico, siendo el más usado en las combustiones industriales. Su aspecto es negro brillante y arde con poca llama porque es pobre en materias volátiles.
• La hulla.- Es un carbón bituminoso, más joven que la antracita y su característica más importante es su elevado contenido en materias volátiles que las desprende en proceso llamado de pirolisis, consistente en calentar la hulla a elevada temperatura, 1 000-1200 ºC, fuera del contacto del aire en recintos refractarios llamados cámaras de destilación. Cuando se han desprendido todas las materias volátiles que da un residuo que se llama carbón de cok o también llamado coque.
• El lignito.- Es un carbón muy joven y su explotación como combustible solamente se justifica si su extracción no presenta mayores dificultades y su utilización va a ser próxima al yacimiento.
• La turba.- Es el más joven de los carbones. El grado de carbonización es tan bajo que se reconoce fácilmente su estructura vegetal. Su bajo poder calorífico y su contenido de humedad hacen que las turberas solamente sean rentables en explotaciones a cielo abierto.

Aplicaciones del carbón en la industria

Es el combustible más empleado por detrás del petróleo. Directamente como elemento calefactor lo utilizan multitud de industrias, como, por ejemplo, las cementeras y, sobre todo las centrales térmicas. Aproximadamente el 40 % de energía eléctrica consumida en el mundo se produce en centrales térmicas de carbón. Y mientras en países occidentales se están desmantelando estas centrales, en otros países se están creando. Especialmente llamativos son los casos de China e India:

La siderurgia es también una gran consumidora de carbón, en este caso de hulla. La pirolisis de la hulla produce materias volátiles y carbón de cok. Las materias volátiles, convenientemente tratadas, constituyen un gas combustible que puede aprovecharse en las propias instalaciones siderúrgicas o en usos diversos como gas de coquerías. El carbón de cok es un elemento fundamental para reducir los óxidos de hierro en el alto horno en la producción de fundición. La extraordinaria importancia de este proceso nos lo indica que el 12 % de la producción de carbón en el mundo se emplea para producir cok a partir del cual se obtiene el 70 % del acero mundial.

En la industria carboquímica el carbón constituye una materia prima valiosa en la obtención de diversos compuestos orgánicos. Si bien el carbón ha sido sustituido en gran parte por el petróleo (petroquímica) como materia prima de estas industrias orgánicas, en los países ricos en carbón como China y Sudáfrica sigue teniendo presencia la carboquímica. Se puede destacar dos procesos principales como objeto de la carboquímica:

• Destilación del alquitrán.- Cuando se produce la pirolisis de la hulla se desprenden materias volátiles como hemos visto. Pues bien, estas materias volátiles contienen, además de un gas combustible, una fracción condensable que es el alquitrán de hulla. Este alquitrán, cuando se destila, proporciona una gran variedad de hidrocarburos aromáticos: benceno, fenoles, naftalenos, antracenos, etc.
• Gas de síntesis.- Haciendo reaccionar el carbón con vapor de agua en condiciones adecuadas se obtiene una mezcla de óxido de carbono e hidrógeno que se denomina gas de síntesis porque, a partir de ella, pueden sintetizarse productos tan valiosos como amoníaco, metanol y gasolinas.

El carbón presenta algunas ventajas en relación al petróleo. Una de ellas es su distribución geográfica pues, en tanto las mayores reservas de petróleo se encuentran en Rusia y Oriente Medio, los yacimientos de carbón se encuentran en 70 países. En cuanto a las reservas se estiman en 130 años, en tanto que para el petróleo y para el gas natural son de 42 y 60 años respectivamente.

Combustibles líquidos

La mayor parte de los combustibles líquidos que se utilizan en el mundo proceden del petróleo. Aunque, a muy pequeña escala, se empiezan a utilizar también otros nuevos combustibles líquidos; alcoholes y biocombustibles.

El petróleo es una sustancia densa de color oscuro compuesto fundamentalmente por hidrocarburos que pueden tener impurezas como agua, nitrógeno, azufre, oxigeno, y algunos metales. Cuando está en estado líquido se llama aceite crudo y su parte gaseosa está compuesta por gas natural que, en gran parte, es metano. Se han expuesto varias teorías para explicar su origen, pero parece que la más verosímil está en que el plancton y otros restos orgánicos de los mares fueron depositándose en el fondo a lo largo de los siglos. Estos restos fueron cubiertos por materia inorgánica en forma de rocas y sedimentos impermeables, lo que dejó atrapada la materia orgánica. En condiciones de ausencia de aire, altas presiones y temperaturas y acción de determinadas bacterias, esta materia orgánica experimentó un complejo proceso físico-químico que la transformó en petróleo.

Los yacimientos de petróleo no se encuentran formando lagos sino empapando las llamadas rocas madre cuya porosidad oscila entre el 5 y el 30 % siendo más frecuente que estén entre el 10 y el 20 %. La profundidad a que se encuentran estos yacimientos es muy variable habiendo llegado a 6 400 metros de profundidad en yacimientos off-shore (marítimos). El petróleo sube hasta la superficie a veces por la propia presión existente en el yacimiento, pero también hay que bombearlo. De esta forma se puede conseguir extraer hasta un 25 %; para obtener un mayor rendimiento, llegar a obtener un 40-45 %, es preciso inyectar en el pozo agua o gas.

La composición de los petróleos es muy variada. Por su origen geográfico se comercializan como Brent o West-Texas. Por su densidad se clasifican en:

• Extrapesado: 10 grados API.
• Pesado: 10-22,3 grados API.
• Mediano: 22,3-31,1 grados API.
• Ligero: 31,1-39 grados API.
• Superligero: >39 grados API.

La medida de Grados API es una medida de cuanto pesa un producto de petróleo en relación al agua. Si el producto de petróleo es más liviano que el agua y flota sobre el agua, su grado API es mayor de 10. Los productos de petróleo que tienen un grado API menor que 10 son más pesados que el agua y se asientan en el fondo.

Esta variada calidad de los petróleos se debe a que se trata de una mezcla de muy diversos hidrocarburos, saturados, insaturados, cíclicos, aromáticos, etc. La obtención de los hidrocarburos individualmente, aparte de que representaría una gran dificultad, carece de interés pues lo que realmente se utiliza son mezclas de estos hidrocarburos con características específicas que los hacen útiles para su uso. Estas mezclas se obtienen en las refinerías. En ellas el crudo se somete a un proceso primario llamado destilación fraccionada atmosférica. En las columnas de destilación se introduce a una determinada altura el crudo previamente calentado en horno y mediante un proceso físico se separan en el interior de la columna fracciones por sus temperaturas de ebullición. Así, en la parte más alta, se obtienen por encima de 50 ºC los GLP (gases licuados de petróleo) y el éter de petróleo. En salidas inferiores de temperaturas sucesivamente más altas, se obtienen las gasolinas ligeras medias y pesadas, queroseno, los gasóleos y el fuelóleo. Queda un residuo que pasa a otra torre de destilación similar a la primera pero que esta al vacío con lo cual disminuye la temperatura de ebullición de las fracciones pesadas, obteniéndose las bases para los aceites lubricantes, las parafinas y los betunes o alquitranes.

En las refinerías se producen otros procesos con el fin de mejorar el rendimiento en gasolinas y el índice de octano de estas. El reforming tiene por objeto mejorar el índice de octano de las gasolinas, en tanto que el cracking y la isomerización son procesos por los que se obtienen gasolinas a partir de fracciones más pesadas o más ligeras, respectivamente.

El “Reglamento de utilización de `Productos petrolíferos para calefacción y otros usos no industriales” así como el “Reglamento de seguridad en refinerías de petróleo y parques de almacenamiento de productos petrolíferos” clasifica los combustibles por sus puntos de inflamación:

• Clase A: productos que a 15 ºC y presión atmosférica normal son gases. Son los GLP, propano y butanos.
• Clase B: son gasolinas, naftas, querosenos, etc, cuyo punto de inflamación es inferior a 55 ºC
• Clase C: son el gasóleo C y los fuelóleos 1 y 2. Los puntos de inflamación están comprendidos entre los 55 ºC y los 120 ºC
• Clase D: asfaltos, parafinas, etc, productos con un punto de inflamación superior a los 120 ºC

Todos los combustibles líquidos anteriores pueden utilizarse para generar calor, para calefacción, agua caliente sanitaria, producción de vapor o instalaciones de aire acondicionado. Sin embargo, existen algunas limitaciones, sobre todo para los fuelóleos, por decretos oficiales, que tipifican las características, calidades y condiciones de empleo de los combustibles y la protección del ambiente atmosférico.

Combustibles gaseosos

Se denominan así a los gases que son capaces de reaccionar con el oxigeno del aire de forma rápida y con desprendimiento de energía térmica. Elevado numero de gases distintos por su origen, por su composición, ha obligado a clasificarlos en diferentes familias. Una familia esta constituida por aquellos gases que son intercambiables, o sea, que distribuidos bajo la misma presión, la misma red, alimentando los mismos quemadores, y sin cambio de regulación, producen, los mismos resultados de combustión, poder calorífico, y comportamiento de la llama.

El criterio para clasificar un gas en una determinada familia viene dado por el llamado Índice de Wobbe que es el cociente entre el poder calorífico superior del gas y la raíz cuadrada de su densidad:

De acuerdo con este criterio se establece 3 familias de gases:

• Primera Familia.- índice de Wobbe comprendido entre 5 700 y 7 500 N kcal/m³  →  23,86-31,4 N MJ/ m³. Pertenecen a esta familia el gas de coqueria, el gas manufacturado y el aire metanado o propanado de bajo índice de Wobbe
• Segunda Familia.- índice de Wobbe comprendido entre 9 680 y 13 850 N kcal/m³  →  41,28-57,99 N MJ / m³. Pertenece a esta familia el más importante gas combustible, el gas natural. También pertenece a esta familia el aire propanado.
• Tercera familia.- Índice de Wobbe comprendido entre 18 500 y 22 070 N kcal/m³  →  77,46- 92,40 N MJ/m³. Dentro de esta familia están los GLP o sea el propano y el butano comerciales.

Recuerda que N delante de las unidades significa que este valor es en condiciones normales (N) de presión y temperatura (0 ºC y 1 atm).

Gas natural.

Se denomina gas natural a una mezcla de gases cuyo componente principal es el metano, al cual le acompañan pequeñas cantidades de otros hidrocarburos saturados y, en proporción aun menos, otros gases como anhídrido carbónico, nitrógeno, oxigeno, hidrógeno y ácido sulfhídrico.

El origen del gas natural es similar al descrito para el petróleo por lo cual aparece junto a este como gas asociado en los yacimientos petrolíferos. Pero los yacimientos de gas más importantes son independientes. Suelen estar a mayor profundidad, por lo cual la presión y la temperatura a que ha estado sometida la masa orgánica originaria han sido mayores que en el caso del petróleo. Consecuencia de ello es que las cadenas carbonadas de los hidrocarburos se han fraccionado al límite dando lugar al hidrocarburo más simple: metano.

En estos últimos años y debido a las nuevas tecnologías, con avances en prospección geológica, cada vez mas potentes equipos de perforación, etc., se ha conseguido tener acceso a reservorios convencionales, en los cuales el gas natural está atrapado en arcillas-esquitos o reservorios de baja permeabilidad. Este gas es el llamado gas natural no convencional. En EEUU el 40% de su producción total de gas procede de estos yacimientos, proporción que va en aumento. Es tan importante el potencial de estos yacimientos no convencionales que su exportación se considera una revolución, estimándose que, al ritmo de la demanda actual, las reservas de gas natural satisfagan la demanda de los próximos 90 años.

La composición del gas natural oscila según la procedencia del mismo:

Composición gas natural

Compuesto	Mar del norte	Argelia	Libia
Metano	92 %	91,2 %	86, 5%
Etano	3,5 %	7,4 %	12,4 %
Propano	0,7 %	0,8 %	0,3 %
Butano	0,3 %	0,1 %	----
Otros	3,5 %	0,5 %	0,8 %