Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 6 Cenizas

Tabla 616 Depositos de escoria causados por partfculas de cenizas que actuan

como alcalinos pegantes Resultados

Compuestos de alcalis Fe+2bull Ca+2

bull y Mg+2 en las cenizas actuan como fundentes tendiendo a formar complejos de silicato de bajo punta de fusion Las partfculas fundidas pueden propiciar depositos de eseoria cerca a los quemado res Para 1212 diferentes cenizas de carbon un parametro (el porcentaje molar de FeO multi plica do por el porcentaje molar de Si~) muestra una correlacion inversamente lineal con la temperatura de fusi6n de las cenizas bajo condiciones reductoras FeS~ en una atm6sfera reductora muestra una fusion parcial de FeS alrededor de los 282 C o 540 of (Figura 51) Bajo condiciones reductoras FeS2 es un agente fundente a baja temperatura Se sugiere que FeS2 se comporta como una especie independiente en et encostramiento 10 anterior se bas a en observaciones en algunas escorias ricas en hierro La presencia de Fe+2 en forma basica (FeO) en las cenizas reduce la temperatura de fusi6n de las mismas mucho mas que en la forma acida del F8203 Encostramiento (y pegajosidad) es agravado tanto por el choque de la llama sobre las paredes del horno como por las diferencias en los suministros de la relaci6n combustibleaire por parte de los diferentes quemadores Las cenizas del carb6n con iguales cantidades de constituyentes oxidos bflsicos y acidos presentan bajos valores de temperaturas de ablandamiento FeS (obtenido a partir de la reducci6n de FeS2) puede reaccionar para formar metasilicatos ferrosos FeSi03 a temperaturas de fusi6n relativamente bajas las cuales aceleran el encostramiento FeS forma esferas fundidas las cuales son impulsadas hacia las paredes del horno debido a un momenta mayor que a otras partfculas Incrementos en la cantidad de FeO basico en las cenizas disminuyen dramaticamente la temperatura de pegajosidad de las cenizas Resultados obtenidos a partir de las unidades operacionales indican que la segregaci6n del hierro no es el factor mas importante en el encostramiento el hierro actua como un fundente para formar vidrios de bajo punto de fusi6n este puede ser un factor mas importante La reaeei6n de FeO con Si02 puede formar ortosilicatos ferrosos F81Si04 quienes con su bajo punto de fusi6n pueden favorecer la formad6n de esferas fundidas de partlculas de cenizas Las esferas fundidas seran pegajosas y adherirse a las superficies metalicas La viscosidad de las cenizas fundidas decrece por incremento en las cantidades cationes metalicas de los 6xidos (K+ Na+ Ca+2 Fe+2bull y Mg+2) con bajo potencial i6nico Los dep6sitos de escoria usualmente son asociadas a particulas pegajosas transportadas gracias al flujo de gases y a la condensacion de especies vaporizadas que causan enriquecimiento de ciertos elementos en los dep6sitos de escoria EI fen6meno de adhesi6n ocurre como resultado de (1) Por las particulas de ceniza fundidas (2) Las partfculas calientes de ceniza causan fusi6n de una pelicula alcalis sobre el acero y (3) Presencia de sulfatos alcalinas fundidos sobre la superficie de acero La presencia de NaCI y FeS2 en forma de gotas fundidas en las cenizas incrementan el fen6meno de pegajosidad y adherencia sobre la superficie de acero Hinchamiento - plasticidad de las particulas de un carb6n bituminoso increment6 el tama~o de casi el 65 ocurre en la region de calentamiento de combusti6n Esto puede acelerar el proceso de pegado Las partfculas de cenizas cerca a la temperatura de ablandamiento pueden pegarse formando depositos porosos de escoria mientras que par encima de 1a temperatura de ablandamiento las partfeulas de ceniza pueden causar un fen6meno de sinterizacion en los dep6sitos de escoria Tanto el FeO y Fe son fuertes agentes fundentes mas que el F8203 a temperaturas

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Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 6 Cenizas

muy bajas de fusi6n de las cenizas Un equilibrio en la relaci6n molar NaK 1 1 en los sulfatos complejos son Ifquidos (1030 - 1275 of) Estos pueden formar una composici6n pegajosa con las particulas de ceniza Procesos lIevados a cabo en atm6sfera reductora causan disminuci6n en la temperatura de fusi6n de las cenizas y una intensificaci6n del encostramiento

Tabla 617 Depositos de escoria causados par 105 alcalinos - pegantes sabre las

superficies en acero Resultados La pegajosidad es una funci6n de oxidaci6n de la superticie del acero 0 de los alcalinos depositados sobre la superticie del acero La pellcula protectora de oxido en el acero puede formar un enlace con gotas de cenizas fundidas La pegajosidad de las particulas de escoria fund ida sobre el acero se incrementa si el acero esta recubierto por NaCI el cual probablemente actua como fundente A las superficies de acero oxidadas se adhieren las gotas derretidas de cenizas En las superficies del acero no oxidadas no se presenta la pegajosidad Capas delgadas de NaOH 0 NaCI sobre el acero incrementan drasticamente la pegajosidad de gotas fundidas de cenizas La capa de NaOH origina pegajosidad par debajo de 100 DC Las gotas de pirita fundidas y convertidas a FeS causan una pegajosidad uniforme sobre el acero oxidado a bajas temperaturas EI FeO basico cercano al acero causa una fuerte pegajosidad mayor a la del F9203 acido Tanto el Na2C03 como el Na2S04 sobre el acero aumentan la pegajosidad de las gotas de cenizas fundidas el Na2C03 es mas efectivo y causa adhesion par debajo de los 100DC Para obtener un fuerte enlace entre las cenizas y el acero se hace necesario que se forme una regi6n interfacial tanto de la escoria como del 6xido de hierro

Tabla 618 Interrelaciones entre 105 depositos de escoria y 105 depositos de

ensuciamiento a alta temperatura Resultados EI incremento del encostramiento puede aumentar las temperaturas de los gases de combustion al ingresar est os al banco convectiv~ causando incrementos en la dureza de los dep6sitos de ensuciamiento Los tipos de dep6sitos de escoria que estan fuertemente adheridos a los tubos se denominan dep6sitos de corrosi6n tales dep6sitos son un subgrupo de dep6sitos de ensuciamiento a alta temperatura EI excesivo encostramiento pueden causar una reacci6n en cadena de sucesos de deterioro del equipo ya que se crean temperaturas muy altas en los gases causando que las cenizas volantes lIeguen a ser pegajosas con las cuales se aumentara la cantidad de dep6sitos de ensuciamiento a atta temperatura en las secciones convectivas

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Tabla 619 Depositos de ensueiamiento a alta temperatura eausados por

alcalinos - pegantes en las partieulas de eenizas volantes

Resultados Un mecanisme de pegajosidad para las partlculas de cenizas volantes se fundamenta en la formacion de depositos de ensuciamiento a alta temperatura Dicho mecanisme involucra la condensacion de especies alcalinas gaseosas las cuales forman una matriz pegajosa a partir de la cual se empiezan a construir los dep6sitos de ensuciamiento Aumenta las cantidades de este pegante causa dep6sitos de ensuciamiento mas severos La condensaci6n selectiva a partir de cenizas volantes de dep6sitos ricos en alcalis ocurre aproximadamente a una temperatura de 7300e (1 346 OF) Los procesos de condensaci6n contribuyen a la depositaci6n del Na2S04 a partir de las partfculas de cenizas volantes Resultados termodinamicos y experimentales han demostrado que cerca del 75 del Na volatil en el carb6n reacciona entre 1300 - 1850K (1027 - 157rC 1881 - 2871 oF) formando una delgada superficie vltrea de disilicato de sodio pegante (Na~Siz05) sobre las cenizas vol antes (con una cristalizaci6n especial la cual muestra pequetias cantidades de cristales de metasilicato de sOdio Na2SiOJ y ortosilicato de sodio Na4Si04) La formaci6n de Na2SizOS puede ser representada por la siguiente ecuaci6n

2NaOH + 2Si~ ~ Na2Si~5 + H~ La formaci6n de silicatos pegantes de baja viscosidad podra ser promovida por reacciones del CaO de las cenizas volantes con Los aluminosil icatos

615 ENCOSTRAMIENTO INFlUENCIADO POR El CONTENIDO DE HIERRO EN LAS CENIZAS

EI papel del hierro es uno de los facto res mas importantes en la valoracion del potencial de encostramiento Frecuentemente los investigadores utilizan el contenido total de hierro en las cenizas del carbon para valorar el encostramiento potencial sin embargo la cantidad de hierro dentro de la matriz carbonosa puede ser poco confiable Ademas hay que tener encuenta la importancia de la distribucion de la materia mineral dentro de la matriz del carbon y el tipo de minerales tambien juega un papel importante en los procesos de depositacion de las cenizas Por ejemplo el hierro se presenta frecuentemente como pirita (Feamp) y carbonatos (FeC03) yo como impurezas en la calcita y dolomita y con frecuencia como proclorita (Fe2Mg2AI2Si2011) horblenda (CaFe3Si4012) hematita (Fe203) y otros

Las etapas iniciales de la reaccion de la materia mineral en la llama pueden influir en la depositacion de las cenizas Las diferencias fisicas como son la densidad y el tamano y las mas importantes la temperatura de fusi6n y las formas de las particulas estan determinadas por los productos de las reacciones de transicion en la llama dependiendo del tipo de mineral Las reacciones para los compuestos de hierro se muestran a continuacion

oxidacion

FeS2(c)+02 ~ FeS(I)+S02(g) [63] Imcral

Re accion

FeC0 3(c) ~ FeO(cl) + CO 2(g) [6 4] bricial

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---

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Donde c Cristalino g Gaseoso I Uquido

La primera reacci6n muestra la oxidaci6n del hierro de la pirita inicialmente a pirotita y S02 Y es una de las reacciones mas significativas de la materia mineral en la zona de combusti6n EI producto FeS forma esferas fundidas las cuales gracias al menor coeficiente de arrastre y a la alta densidad son mas factibles a tener contacto con las paredes del homo Los dep6sitos de las cenizas sobre las paredes del homo depend en de la composici6n de las mismas subsecuentemente las reacciones que involucran FeS pueden formar un material que se derrite a temperaturas relativamente bajas Las reacciones [65] [66] Y [67] ilustran dos posibles productos con diferencias significativas en las temperaturas de fusi6n La reacci6n [65] muestra la formaci6n de magnetita (Fe304) la cual tolerara temperaturas de fusi6n relativamente altas antes de la descomposici6n en FeO y O2 la presencia de Fe304 en los dep6sitos contribuira a un dep6sito seco La reacci6n [66] muestra la formaci6n de FeO como un producto intermedio el cual puede reaccionar con silice para formar un silicato de hierro que funde a baja temperatura (mostrado en la reacci6n [67])

2FeS (l ) + 302(g) - 2FeO(c l ) + 2S02(g) [66]

FeO(l) + Si02 (c I) - FeSi03 (c I) temperatura ablandamiento de 2095 of [6 7]

En la Figura 611 se muestra que los compuestos de hierro en el carb6n B estan mas uniformemente distribuidos en la matriz del carb6n que en el carb6n C Asi el carb6n C tiene un alto potencial para el encostramiento Lo anterior se concluye de observaciones hechas en el homo donde se quem6 el carb6n C observandose mas problemas de encostramiento que en el homo donde se quem6 el carb6n B

~ ~ 1 3x1 5 15x1 7 1 7)(1 9 1 9x2 1 21 x2 5 25x29 29Sumidero FracdOn de 18 graveliad

Figura 611 Contenido de hierro de varias fracciones de gravedad para dos tipos de carbones B y C

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Carlos Arturo Londono Giraldo Bibliografia

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Tabla 617 Depositos de escoria causados par 105 alcalinos - pegantes sabre las

superficies en acero Resultados La pegajosidad es una funci6n de oxidaci6n de la superticie del acero 0 de los alcalinos depositados sobre la superticie del acero La pellcula protectora de oxido en el acero puede formar un enlace con gotas de cenizas fundidas La pegajosidad de las particulas de escoria fund ida sobre el acero se incrementa si el acero esta recubierto por NaCI el cual probablemente actua como fundente A las superficies de acero oxidadas se adhieren las gotas derretidas de cenizas En las superficies del acero no oxidadas no se presenta la pegajosidad Capas delgadas de NaOH 0 NaCI sobre el acero incrementan drasticamente la pegajosidad de gotas fundidas de cenizas La capa de NaOH origina pegajosidad par debajo de 100 DC Las gotas de pirita fundidas y convertidas a FeS causan una pegajosidad uniforme sobre el acero oxidado a bajas temperaturas EI FeO basico cercano al acero causa una fuerte pegajosidad mayor a la del F9203 acido Tanto el Na2C03 como el Na2S04 sobre el acero aumentan la pegajosidad de las gotas de cenizas fundidas el Na2C03 es mas efectivo y causa adhesion par debajo de los 100DC Para obtener un fuerte enlace entre las cenizas y el acero se hace necesario que se forme una regi6n interfacial tanto de la escoria como del 6xido de hierro

Tabla 618 Interrelaciones entre 105 depositos de escoria y 105 depositos de

ensuciamiento a alta temperatura Resultados EI incremento del encostramiento puede aumentar las temperaturas de los gases de combustion al ingresar est os al banco convectiv~ causando incrementos en la dureza de los dep6sitos de ensuciamiento Los tipos de dep6sitos de escoria que estan fuertemente adheridos a los tubos se denominan dep6sitos de corrosi6n tales dep6sitos son un subgrupo de dep6sitos de ensuciamiento a alta temperatura EI excesivo encostramiento pueden causar una reacci6n en cadena de sucesos de deterioro del equipo ya que se crean temperaturas muy altas en los gases causando que las cenizas volantes lIeguen a ser pegajosas con las cuales se aumentara la cantidad de dep6sitos de ensuciamiento a atta temperatura en las secciones convectivas

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Tabla 619 Depositos de ensueiamiento a alta temperatura eausados por

alcalinos - pegantes en las partieulas de eenizas volantes

Resultados Un mecanisme de pegajosidad para las partlculas de cenizas volantes se fundamenta en la formacion de depositos de ensuciamiento a alta temperatura Dicho mecanisme involucra la condensacion de especies alcalinas gaseosas las cuales forman una matriz pegajosa a partir de la cual se empiezan a construir los dep6sitos de ensuciamiento Aumenta las cantidades de este pegante causa dep6sitos de ensuciamiento mas severos La condensaci6n selectiva a partir de cenizas volantes de dep6sitos ricos en alcalis ocurre aproximadamente a una temperatura de 7300e (1 346 OF) Los procesos de condensaci6n contribuyen a la depositaci6n del Na2S04 a partir de las partfculas de cenizas volantes Resultados termodinamicos y experimentales han demostrado que cerca del 75 del Na volatil en el carb6n reacciona entre 1300 - 1850K (1027 - 157rC 1881 - 2871 oF) formando una delgada superficie vltrea de disilicato de sodio pegante (Na~Siz05) sobre las cenizas vol antes (con una cristalizaci6n especial la cual muestra pequetias cantidades de cristales de metasilicato de sOdio Na2SiOJ y ortosilicato de sodio Na4Si04) La formaci6n de Na2SizOS puede ser representada por la siguiente ecuaci6n

2NaOH + 2Si~ ~ Na2Si~5 + H~ La formaci6n de silicatos pegantes de baja viscosidad podra ser promovida por reacciones del CaO de las cenizas volantes con Los aluminosil icatos

615 ENCOSTRAMIENTO INFlUENCIADO POR El CONTENIDO DE HIERRO EN LAS CENIZAS

EI papel del hierro es uno de los facto res mas importantes en la valoracion del potencial de encostramiento Frecuentemente los investigadores utilizan el contenido total de hierro en las cenizas del carbon para valorar el encostramiento potencial sin embargo la cantidad de hierro dentro de la matriz carbonosa puede ser poco confiable Ademas hay que tener encuenta la importancia de la distribucion de la materia mineral dentro de la matriz del carbon y el tipo de minerales tambien juega un papel importante en los procesos de depositacion de las cenizas Por ejemplo el hierro se presenta frecuentemente como pirita (Feamp) y carbonatos (FeC03) yo como impurezas en la calcita y dolomita y con frecuencia como proclorita (Fe2Mg2AI2Si2011) horblenda (CaFe3Si4012) hematita (Fe203) y otros

Las etapas iniciales de la reaccion de la materia mineral en la llama pueden influir en la depositacion de las cenizas Las diferencias fisicas como son la densidad y el tamano y las mas importantes la temperatura de fusi6n y las formas de las particulas estan determinadas por los productos de las reacciones de transicion en la llama dependiendo del tipo de mineral Las reacciones para los compuestos de hierro se muestran a continuacion

oxidacion

FeS2(c)+02 ~ FeS(I)+S02(g) [63] Imcral

Re accion

FeC0 3(c) ~ FeO(cl) + CO 2(g) [6 4] bricial

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Donde c Cristalino g Gaseoso I Uquido

La primera reacci6n muestra la oxidaci6n del hierro de la pirita inicialmente a pirotita y S02 Y es una de las reacciones mas significativas de la materia mineral en la zona de combusti6n EI producto FeS forma esferas fundidas las cuales gracias al menor coeficiente de arrastre y a la alta densidad son mas factibles a tener contacto con las paredes del homo Los dep6sitos de las cenizas sobre las paredes del homo depend en de la composici6n de las mismas subsecuentemente las reacciones que involucran FeS pueden formar un material que se derrite a temperaturas relativamente bajas Las reacciones [65] [66] Y [67] ilustran dos posibles productos con diferencias significativas en las temperaturas de fusi6n La reacci6n [65] muestra la formaci6n de magnetita (Fe304) la cual tolerara temperaturas de fusi6n relativamente altas antes de la descomposici6n en FeO y O2 la presencia de Fe304 en los dep6sitos contribuira a un dep6sito seco La reacci6n [66] muestra la formaci6n de FeO como un producto intermedio el cual puede reaccionar con silice para formar un silicato de hierro que funde a baja temperatura (mostrado en la reacci6n [67])

2FeS (l ) + 302(g) - 2FeO(c l ) + 2S02(g) [66]

FeO(l) + Si02 (c I) - FeSi03 (c I) temperatura ablandamiento de 2095 of [6 7]

En la Figura 611 se muestra que los compuestos de hierro en el carb6n B estan mas uniformemente distribuidos en la matriz del carb6n que en el carb6n C Asi el carb6n C tiene un alto potencial para el encostramiento Lo anterior se concluye de observaciones hechas en el homo donde se quem6 el carb6n C observandose mas problemas de encostramiento que en el homo donde se quem6 el carb6n B

~ ~ 1 3x1 5 15x1 7 1 7)(1 9 1 9x2 1 21 x2 5 25x29 29Sumidero FracdOn de 18 graveliad

Figura 611 Contenido de hierro de varias fracciones de gravedad para dos tipos de carbones B y C

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Tabla 619 Depositos de ensueiamiento a alta temperatura eausados por

alcalinos - pegantes en las partieulas de eenizas volantes

Resultados Un mecanisme de pegajosidad para las partlculas de cenizas volantes se fundamenta en la formacion de depositos de ensuciamiento a alta temperatura Dicho mecanisme involucra la condensacion de especies alcalinas gaseosas las cuales forman una matriz pegajosa a partir de la cual se empiezan a construir los dep6sitos de ensuciamiento Aumenta las cantidades de este pegante causa dep6sitos de ensuciamiento mas severos La condensaci6n selectiva a partir de cenizas volantes de dep6sitos ricos en alcalis ocurre aproximadamente a una temperatura de 7300e (1 346 OF) Los procesos de condensaci6n contribuyen a la depositaci6n del Na2S04 a partir de las partfculas de cenizas volantes Resultados termodinamicos y experimentales han demostrado que cerca del 75 del Na volatil en el carb6n reacciona entre 1300 - 1850K (1027 - 157rC 1881 - 2871 oF) formando una delgada superficie vltrea de disilicato de sodio pegante (Na~Siz05) sobre las cenizas vol antes (con una cristalizaci6n especial la cual muestra pequetias cantidades de cristales de metasilicato de sOdio Na2SiOJ y ortosilicato de sodio Na4Si04) La formaci6n de Na2SizOS puede ser representada por la siguiente ecuaci6n

2NaOH + 2Si~ ~ Na2Si~5 + H~ La formaci6n de silicatos pegantes de baja viscosidad podra ser promovida por reacciones del CaO de las cenizas volantes con Los aluminosil icatos

615 ENCOSTRAMIENTO INFlUENCIADO POR El CONTENIDO DE HIERRO EN LAS CENIZAS

EI papel del hierro es uno de los facto res mas importantes en la valoracion del potencial de encostramiento Frecuentemente los investigadores utilizan el contenido total de hierro en las cenizas del carbon para valorar el encostramiento potencial sin embargo la cantidad de hierro dentro de la matriz carbonosa puede ser poco confiable Ademas hay que tener encuenta la importancia de la distribucion de la materia mineral dentro de la matriz del carbon y el tipo de minerales tambien juega un papel importante en los procesos de depositacion de las cenizas Por ejemplo el hierro se presenta frecuentemente como pirita (Feamp) y carbonatos (FeC03) yo como impurezas en la calcita y dolomita y con frecuencia como proclorita (Fe2Mg2AI2Si2011) horblenda (CaFe3Si4012) hematita (Fe203) y otros

Las etapas iniciales de la reaccion de la materia mineral en la llama pueden influir en la depositacion de las cenizas Las diferencias fisicas como son la densidad y el tamano y las mas importantes la temperatura de fusi6n y las formas de las particulas estan determinadas por los productos de las reacciones de transicion en la llama dependiendo del tipo de mineral Las reacciones para los compuestos de hierro se muestran a continuacion

oxidacion

FeS2(c)+02 ~ FeS(I)+S02(g) [63] Imcral

Re accion

FeC0 3(c) ~ FeO(cl) + CO 2(g) [6 4] bricial

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Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 6 Cenizas

Donde c Cristalino g Gaseoso I Uquido

La primera reacci6n muestra la oxidaci6n del hierro de la pirita inicialmente a pirotita y S02 Y es una de las reacciones mas significativas de la materia mineral en la zona de combusti6n EI producto FeS forma esferas fundidas las cuales gracias al menor coeficiente de arrastre y a la alta densidad son mas factibles a tener contacto con las paredes del homo Los dep6sitos de las cenizas sobre las paredes del homo depend en de la composici6n de las mismas subsecuentemente las reacciones que involucran FeS pueden formar un material que se derrite a temperaturas relativamente bajas Las reacciones [65] [66] Y [67] ilustran dos posibles productos con diferencias significativas en las temperaturas de fusi6n La reacci6n [65] muestra la formaci6n de magnetita (Fe304) la cual tolerara temperaturas de fusi6n relativamente altas antes de la descomposici6n en FeO y O2 la presencia de Fe304 en los dep6sitos contribuira a un dep6sito seco La reacci6n [66] muestra la formaci6n de FeO como un producto intermedio el cual puede reaccionar con silice para formar un silicato de hierro que funde a baja temperatura (mostrado en la reacci6n [67])

2FeS (l ) + 302(g) - 2FeO(c l ) + 2S02(g) [66]

FeO(l) + Si02 (c I) - FeSi03 (c I) temperatura ablandamiento de 2095 of [6 7]

En la Figura 611 se muestra que los compuestos de hierro en el carb6n B estan mas uniformemente distribuidos en la matriz del carb6n que en el carb6n C Asi el carb6n C tiene un alto potencial para el encostramiento Lo anterior se concluye de observaciones hechas en el homo donde se quem6 el carb6n C observandose mas problemas de encostramiento que en el homo donde se quem6 el carb6n B

~ ~ 1 3x1 5 15x1 7 1 7)(1 9 1 9x2 1 21 x2 5 25x29 29Sumidero FracdOn de 18 graveliad

Figura 611 Contenido de hierro de varias fracciones de gravedad para dos tipos de carbones B y C

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2FeS (l ) + 302(g) - 2FeO(c l ) + 2S02(g) [66]

FeO(l) + Si02 (c I) - FeSi03 (c I) temperatura ablandamiento de 2095 of [6 7]

En la Figura 611 se muestra que los compuestos de hierro en el carb6n B estan mas uniformemente distribuidos en la matriz del carb6n que en el carb6n C Asi el carb6n C tiene un alto potencial para el encostramiento Lo anterior se concluye de observaciones hechas en el homo donde se quem6 el carb6n C observandose mas problemas de encostramiento que en el homo donde se quem6 el carb6n B

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