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Carbón

Carbón
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Concepto:Roca color castaño a negro, combustible y cuyo origen proviene de la acumulación y alteración fisicoquímica de materia vegetal.
Carbón. Roca color castaño a negro, combustible y cuyo origen proviene de la acumulación y alteración fisicoquímica de materia vegetal. Las acumulaciones originales de la vegetación (primordialmente plantas leñosas), por lo general en pantanos o en un ambiente húmedo reductor, dieron por resultado la formación de turba, sustancia precursora del carbón. La turba se convierte en carbón después de quedar sepultada y sujeta a procesos geológicos subsecuentes que comprenden un incremento de la presión y la temperatura, los cuales en forma progresiva comprimieron y endurecieron y fueron alterando a la materia a través de una serie de variedades carbonosas hasta llegar al extremo de convertirla en grafito o un material de tipo grafitico. En la terminología usada en Estados Unidos las variedades que forman la serie de la carbonización son la lignítica (que incluye al carbón castaño, brown coal); la bituminosa (que comprende a los de alta, media y baja volatilidad) y el carbón antracítico (que incluye semiantracita, antracita y metaantracita o carbón grafitico).

Formación

El carbón se formó, principalmente, cuando los extensos bosques de Helechos y Equisetos gigantes que poblaban la Tierra hace unos 300 millones de años, en el período Carbonífero de la era geológica que morían y quedaban sepultados en los pantanos en los que vivían. Al ser el terreno una mezcla de agua y barro muy pobre en Oxígeno, no se producía la putrefacción habitual y poco a poco, se fueron acumulando grandes cantidades de plantas muertas. Con el tiempo nuevos sedimentos cubrían la capa de plantas muertas, y por la acción combinada de la presión y la temperatura, la materia orgánica se fue convirtiendo en carbón.

Carbonización

El término carbonización se refiere al proceso de metamorfismo del carbón, causado por el aumento del peso de los sedimentos sobreyacentes, movimientos tectónicos, el incremento de la temperatura como función del aumento de profundidad del sepultamiento, o bien por la cercanía de, o contacto con, intrusiones o extrusiones ígneas. El aumento de la presión afecta principalmente las propiedades físicas del carbón, es decir, su dureza, resistencia, anisotropía óptica y porosidad. El incremento de la temperatura modifica la composición química, aumentando el contenido de carbono y reduciendo el del oxígeno e hidrógeno y dándole un mayor poder calorífico hasta alcanzar el máximo que poseen los carbones que tienen un 15 a 30% de materia volátil (secos y libres de materia mineral).

Tipos

  • Carbón activado: Carbono amorfo granular y en polvo, caracterizado por su elevada superficie específica por su gran porosidad. Se utiliza principalmente como absorbente.
  • Carbón bituminoso: Variedad de carbón cuya constitución y propiedades son intermedias entre la antracita y el lignito.
  • Carbón del petróleo: Se produce por la destilación del Petróleo, normalmente no se utiliza.
  • Carbón vegetal: Se obtiene quemando madera. Apilada en montones recubiertos de barro, para evitar el contacto con el aire y conseguir que la combustión sea parcial.
  • Carbón mineral: Carbón natural, sólido o combustible, de consistencia pétrea o terrosa, constituido por carbono amorfo acompañado de hidrocarburos compuestos orgánicos complejos y materiales inorgánicos. Según el porcinito de carbono se clasifican en cuatro clases.

Clasificación y descripción

La clasificación y descripción de los carbones depende en gran parte de la información obtenida a través de análisis químicos que consisten en una estandarización sistemática de los procedimientos y el resultado de varias pruebas empíricas. Los análisis químicos son de dos tipos principales: el análisis de elementos o integral y el análisis aproximado o comercial.

El análisis integral se limita a determinar el porcentaje de hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno y azufre sin tomar en cuenta la materia mineral o ceniza. El análisis aproximado que es de naturaleza empírica es de mayor uso en Estados Unidos. En este último se obtienen los porcentajes de materia volátil, carbono fijo, humedad y ceniza. También se determinan el poder calorífico y la proporción de azufre, éste generalmente en términos de la forma en que se presenta ya sea pirítico, orgánico o como sulfato. Es práctica común utilizar términos calificativos para indicar la base en que se realizó el análisis al presentarse el resultado de dicha prueba. Estos términos son: "como fue recibido", "libre de humedad", "libre de humedad y ceniza" y "seco y libre de materia mineral", este último llamado "carbón puro".

La materia mineral o inorgánica que contiene el carbón es el origen de la ceniza que queda al quemarse el carbón. Se presenta en forma predominante como fases minerales definidas, pero también como elementos químicos combinados con la materia orgánica o como elementos disueltos en el agua intersticial. La mayor parte de los carbones minados contienen entre 5 y 15% de materia mineral, aunque algunos tienen cantidades mayores o menores.

El término grado se refiere al estado de carbonización a que ha llegado el proceso de metamorfismo. El grado de carbón es fundamental para determinar sus características y por lo general se basa en la composición química y en los valores aproximados obtenidos del análisis de un carbón libre de materia mineral en muestras representativas. Los carbones de alto grado se clasifican en razón al carbono fijo en muestras en estado seco y los carbones de bajo grado según su poder calorífico en estado húmedo. La propiedad de coquización del carbón como base para su clasificación es usada más comúnmente en Europa que en Estados Unidos.

El poder calorífico de los carbones se expresa en unidades térmicas británicas (Btu) (British thermal units) por libra en los países de habla inglesa y por lo general en otros países en calorías por gramo. Los valores caloríficos de los carbones determinados mediante un calorímetro varían entre unos 14.65 megajoules/kg (6300 Btu/lb) para los lignitos californianos y unos 37.91 megajoules/kg (16 300 Btu/lb) para algunos carbones mate (cannel coals) libres de humedad y ceniza.

Según las presiones y temperaturas que los hayan formado distinguimos distintos tipos de carbón: Turba, Lignito, Hulla (carbón bituminoso) y Antracita. Cuanto más altas son las presiones y temperaturas, se origina un carbón más compacto y rico en carbono y con mayor poder calorífico.

Turba

Turba.

La turba es un material orgánico compacto, de color pardo amarillento a negro. Se produce así una carbonificación lenta, en la que la turba es la primera etapa de la transformación del tejido vegetal en carbón. El contenido en carbono aumenta del 40% en el material vegetal original, al 60% en la turba. Tiene un poder calorífico inferior a 8.4 MJ/Kg.es, poco rica en carbono y muy mal combustible.

Lignito

Lignito.

El lignito viene a continuación en la escala de riqueza, pero sigue siendo mal combustible, aunque se usa en algunas centrales térmicas. Variedad del carbón de calidad intermedia entre el carbón de turba y el bituminoso. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leñosa. Tiene capacidad calorífica inferior (17200 KJ/Kg) a la del carbón común debido al contenido en agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%). El alto contenido de materia volátil (18,8%) provoca la desintegración del lignito expuesto al Aire. El término grado se refiere al estado de carbonización a que a llegado el proceso de metamorfismo. En otro tipo de clasificación del carbón se tendría en cuenta el aumento de grado acompañado de:

  • Disminución de la humedad natural del carbón.
  • Disminución de la cantidad de materias volátiles que se desprenden por calentamiento.
  • Aumento de carbono fijo, es decir, la cantidad de residuos de carbón o coque que quedan después de calentar el carbón.
  • Aumento de potencia calorífica.

Hulla

Hulla.

La hulla es mucho más rica en carbono y tiene un alto poder calorífico por lo que es muy usada, por ejemplo en las plantas de producción de energía. Está impregnada de sustancias bituminosas de cuya destilación se obtienen interesantes Hidrocarburos aromáticos y un tipo de carbón muy usado en Siderurgia llamado coque, pero también contiene elevadas cantidades de Azufre que son fuente muy importante de contaminación del aire. Combustible fósil con una riqueza entre 75 y 90 % y un contenido en volátiles que oscila entre 20 y 35% y un contenido en volátiles entre 20 y 35%. Es negra, mate y arde con dificultad con una llama amarillenta. Se diferencia del lignito, por su mayor poder calorífico (entre 30 y 36 MJ/Kg). En la revolución industrial se le llamo carbón de piedra, se empleaba como combustible y en la siderurgia. Se usaba para obtener gas ciudad y una gran cantidad de productos químicos, dando lugar a la carboquímica. Ha sido sustituida por el petróleo y el gas natural. Todavía persisten dos aplicaciones:

  • Combustible en centrales térmicas
  • Obtención de coque mediante calcinación en hornos cerrados: En España, la mayor parte de la hulla no es coquizable.

Antracita

Antracita.

La antracita es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto poder calorífico. Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor en materia volátil de los cuatro tipos. Contiene aproximadamente un 87,1% de carbono, un 9,3% de cenizas y un 3,6% de material volátil. Tiene un color negro brillante de estructura cristalina.

Se utiliza sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial. Aunque se inflama con más diferencia que otros carbones, libera una gran cantidad de energía al quemarse y desprende poco humo y hollín.

Características y textura

Las características litológicas del carbón que se relacionan con los aspectos estructurales del manto de carbón y su textura, se determinan según la constitución física del carbón mismo en forma megascópica o microscópica. Estructuralmente, la capa, manto o veta de carbón es un estrato geológico caracterizado por las mismas irregularidades de espesor, uniformidad y continuidad que cualquier otro estrato de origen sedimentario. Los mantos de carbón pueden ser estratos esencialmente uniformes y continuos o, al igual que otros depósitos sedimentarios, pueden estar formados por diversas bandas y bancos de espesor variable. También como cualquier otro estrato sedimentario, los mantos de carbón pueden estar afectados estructuralmente por plegamientos y afallamientos, de manera que su posición original, aproximadamente horizontal, se pierde a tal grado que las capas pueden estar en posición vertical e inclusive invertidas.

La textura del carbón mismo la determinan el carácter, grano y distribución de sus componentes megascópicos y microscópicos. En general, los carbones bandeados compuestos por lentes relativamente gruesos de carbón puro muy lustroso se consideran como de textura gruesa. A medida que el espesor de las bandas de carbón puro disminuyen, la textura se vuelve primero de bandeado fino y luego microbandeado con finas láminas brillantes compuestas de carbón puro. Los carbones que muestran una textura homogénea se califican como no bandeados o carbones mate. Por lo general se observan unidades texturales semejantes en los carbones bituminosos y antracíticos.

La textura microscópica queda determinada por la composición física de los litotipos, o sea, las relaciones entre el antraxylon (carbón vitreo y lustroso) y el attritus (carbón mate) a nivel microscópico. La microscopía y petrología de los carbones se fundamentan en gran parte en la presencia de estos dos componentes.

Usos

Los usos del carbón han variado ampliamente de acuerdo con su grado, pero son tres los campos en que se ha distinguido. Su uso de mayor importancia ha sido como combustible para generar electricidad y calor (plantas termoeléctricas, uso industrial, doméstico y ferrocarrilero). Un porcentaje considerable del uso mundial del carbón que tenga las propiedades adecuadas ha sido la manufactura de coque de grado metalúrgico. En el pasado se usó el carbón en forma extensa para la producción de gas, y las nuevas investigaciones parecen indicar la tendencia hacia un desarrollo importante en la conversión de carbón a combustibles líquidos y gaseosos para reemplazar el petróleo y gas natural. El carbón fue una de las fuentes principales de numerosos y variados productos químicos antes de ser suplantado en gran parte por el petróleo y gas; pero los nuevos desarrollos pueden renovar en el futuro su importancia en la misma forma como sucede con su conversión a combustibles líquidos y gaseosos.

Productos químicos

Durante casi un siglo, los productos químicos obtenidos como derivados en el proceso primario del carbón para la producción de coque metalúrgico, han sido la fuente principal de los compuestos aromáticos que se utilizan como intermediarios en la síntesis de tintes, drogas, antisépticos y disolventes. Aunque algunos hidrocarburos aromáticos, como el tolueno y el xileno, se obtienen en buena medida de las refinerías de petróleo, productos como el benceno, naftaleno, antraceno y fenantreno se obtienen todavía como productos secundarios en los hornos de coque. También de éste se obtienen los compuestos heterocíclicos nitrogenados, como las piridinas y quinolinas.

A pesar de que gran parte del fenol se produce por hidrólisis del monoclorobenceno y por descomposición del hidroperóxido de eumeno, todavía se obtienen fenol, cresoles y xilenoles de este alquitrán.

Los productos secundarios del coquizado son: gas, aceite ligero y alquitrán. El gas es una mezcla de metano, monóxido de carbono, hidrógeno, cantidades pequeñas de hidrocarburos superiores, amoniaco y sulfuro de hidrógeno. La mayor parte de este gas se emplea como combustible. Pese a que varios cientos de compuestos químicos se obtienen del alquitrán del carbón, un número relativamente pequeño se halla presente en cantidades importantes.

El objetivo de buena parte de la investigación y el desarrollo ha sido la utilización directa del carbón como fuente de productos químicos orgánicos. La oxidación de la pasta acuosa alcalina del carbón con oxígeno bajo presión, produce una mezcla de ácidos carboxílicos aromáticos. Esta mezcla es difícil de refinar por la presencia de compuestos del nitrógeno y de hidroxiácidos. La hidrogenación del carbón a elevadas temperaturas y presiones, produce ácidos del alquitrán y de hidrocarburos aromáticos de importancia en cantidades mucho mayores que las que se obtienen con la carbonización. Sin embargo, esta operación es más costosa que la de otras fuentes de estos productos químicos.

Gasificación

Proceso de conversión del carbón, el coque y el carbón vegetal en productos gaseosos por reacción con aire, hidrógeno, oxígeno, vapor, dióxido de carbono o una mezcla de éstos. Los productos constan de dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno, metano y otros compuestos químicos, en una relación que depende de los reactantes que se empleen en particular, y de las temperaturas y presiones en los reactores, así como del tipo de tratamiento a que se sujeten los gases provenientes del gasificador. Literalmente, a la reacción del carbón, coque o carbón vegetal con aire u oxígeno que produce calor más dióxido de carbono, se le llama gasificación. Sin embargo, este proceso se conoce más como combustión.

En la mayor parte de los procesos de gasificación que se encuentran en uso o en etapa de desarrollo, las reacciones son endotérmicas. Por lo común se proporciona aire u oxígeno al gasificador para proporcionarle el calor necesario. Por lo que al industrial se refiere, el principal objetivo es producir un gas bajo o intermedio en calorías.

La industria eléctrica ha hecho investigaciones en la obtención de un gas limpio proveniente del carbón, bajo en calorías, con objeto de quemarlo en un sistema de generación de fuerza de ciclo combinado.

La industria del gas natural ve con gran interés la producción de un gas intermedio en calorías, ya que este producto de gasificación puede convertirse en gas natural sintético a través de pasos relativamente convencionales y comprobados en el procesamiento del gas.

La industria pesada ha estudiado la factibilidad de utilizar tanto el gas de bajas calorías como el gas intermedio en poder calorífico para muchas aplicaciones, y liberar así volúmenes importantes de gas natural y también reducir el consumo de petróleo importado.

Parte de la industria química ha examinado el gas intermedio en calorías como fuente de hidrógeno y monóxido de Carbono para compensar las escasas reservas potenciales de estos productos químicos sintéticos. Por lo demás, se estudian también algunos proyectos que incluyen la coproducción del gas natural sintético y gas intermedio en calorías para usos industriales o químicos, energía eléctrica, líquidos derivados del carbón y algunos otros productos.

Licuefacción

Planta de licuefacción del carbón.

Es el proceso de transformación de la mayor parte de los carbones, excepto la antracita, para producir, por medio de técnicas directas o indirectas, principalmente combustibles sintéticos sólidos o líquidos bajos en azufre y cenizas, con los cuales se reemplaza parte del carbón combustible que se utiliza para generar energía eléctrica. La licuefacción del carbón se puede utilizar para elaborar crudo sintético, o sea un material adecuado para usarse como carga en una refinería y en la industria petroquímica.

Aunque el término licuefacción implica productos líquidos, en algunos procesos se obtienen productos sólidos y gaseosos. La ventaja de la licuefacción del carbón es que se puede producir una gran cantidad de productos líquidos, especialmente combustibles pesados para la generación de energía eléctrica, aceites combustibles, destilados y gasolinas, con sólo cambiar las condiciones de operación de los diferentes procesos. La razón atómica hidrógeno: carbono (H:C) de los productos es igual o mayor que la razón en el carbón alimentado, según la cantidad de hidrogenación que se use. La licuefacción del carbón requiere menos transformación química que la gasificación y tiene, en conversión de energía, una eficiencia de cerca de 78%, frente a 60-70% que tiene el proceso de gasificación.

Minería

Extracción de carbón en una mina.

Trabajo técnico y mecánico que se realiza para extraer el carbón de la corteza terrestre y procesarlo para el mercado. El carbón, la más abundante y tradicionalmente la fuente de energía más económica del mundo, se encuentra distribuido en cantidades variables en diversos lugares del globo. Aparece en mantos de diferentes espesores y extensiones debajo de la corteza terrestre, depositado a manera de "emparedados" enormes a poca o mucha profundidad en planos horizontales o inclinados.

De gran importancia en el diseño de los proyectos carboníferos es la acumulación de información referente a los mantos, obtenida de los barrenos. El análisis químico de los testigos proporciona información relacionada con la humedad, materia volátil, carbono fijo, cenizas, azufre, poder calorífico y temperatura de fusión de las cenizas. Una vez obtenidos los análisis preliminares y su correlación se planean los detalles de ingeniería. La geología del depósito, la cantidad de reservas y las necesidades de producción son los factores que determinan el método de minado y el tipo de capacidad del equipo que habrá de utilizarse.

El carbón se extrae de la tierra por tres métodos básicos:

  1. subterráneo,
  2. a tajo o cielo abierto
  3. mediante taladros gigantescos horizontales (tipo helicoidal).

Aproximadamente las dos terceras partes del carbón que se produce en un país como Estados Unidos proviene del minado subterráneo; el tercio restante se mina desde la superficie a cielo abierto y por las perforaciones horizontales de tipo helicoidal antes mencionadas.

Minado subterráneo

Los sistemas de minado subterráneo más comunes son salones y pilares, frentes largas y, en unos cuantos lugares de Europa, el minado hidráulico. En el sistema de salones y pilares se excavan túneles dentro del manto dejando pilares de carbón como soporte. En el minado por frentes largas se amplía el espaciamiento entre los túneles, dejando grandes bloques de carbón entre ellos; después, estos bloques se extraen en su totalidad, permitiendo así que el material del techo se desplome detrás de la frente de carbón, a medida que éste se extrae. En el minado hidráulico se dirige un chorro de agua contra la cara del carbón, con presión suficiente para disgregarlo. El agua actúa también como medio de transporte.

Minado a tajo o cielo abierto

Cuando los mantos de carbón están cerca de la superficie, el minado a tajo o cielo abierto es un medio eficiente para extraerlo, por lo económico que resulta el retirar la tierra y las rocas que cubren el manto de carbón. Para este trabajo se usan palas, dragas o ruedas con cangilones, llamadas también ruedas excavadoras. La pala mecánica excava una zanja y apila el material superficial paralelamente al corte. Las dragas se sitúan en la parte superior del banco, arriba del manto de carbón y quitan el material que está sobre éste. Las ruedas con cangilones excavan alternativamente el material que se encuentra sobre el manto y el carbón. Después, el material retirado o el carbón avanzan en un flujo continuo por un sistema de bandas que lo lleva hasta el sitio final. En ocasiones el manto de carbón expuesto también se maneja mediante camiones y pequeñas palas mecánicas para transportarlo a las tolvas generales o a las plantas de preparación.

Método de barrenación helicoidal horizontal

Perforadora helicoidal de carbón.

Se desarrolló el método de barrenación helicoidal horizontal, para los mantos de carbón que continúan bajo colinas y para un encape que es de un gran espesor para un minado económico a tajo o cielo abierto, o cuando la minería subterránea no puede seguir por la cercanía de la superficie y por las condiciones peligrosas de un techo inestable. Este minado consiste en hacer perforaciones horizontales de gran diámetro dentro del manto de carbón, como una broca de carpintero gigantesca, cargando el carbón en los camiones por medio de una banda. La perforación de "gusano" proporciona un tonelaje adicional a un costo mínimo en equipo y en mano de obra, permitiendo recuperar un carbón que no podría ser extraído por otros métodos.

Después que el carbón ha sido minado, se puede cargar directamente en el sistema de transporte si no contiene demasiados materiales; sin embargo, el carbón de la mayor parte de los mantos requiere un tratamiento previo para alcanzar la calidad deseada y uniforme. Para limpiar el carbón se usan diferentes aparatos de lavado, y todos ellos operan según el principio básico de la diferencia de densidad relativa entre el carbón y los otros materiales. Una vez que el carbón está listo para el mercado, se le envía al usuario por ferrocarril, por transporte fluvial y, en algunos casos, por el sistema de bandas transportadoras.

Ubicación del carbón

La producción mundial de carbón de 2001 a 2009 ha sido:

Carbón bituminoso y antracita Carbón sub-bituminoso y lignito
2009 5 990 Mt 913 Mt
2008 5 794 Mt 965 Mt
2007 5 542 Mt 956 Mt
2006 5 205 Mt 937 Mt
2005 4 934 Mt 906 Mt
2004 4 631 Mt 893 Mt
2003 4 231 Mt 893 Mt
2002 3 910 Mt 882 Mt
2001 3 801 Mt 897 Mt

El carbón es el combustible fósil más abundante en el mundo. Se encuentra sobre todo en el Hemisferio Norte, porque durante el período Carbonífero los continentes que ahora están en el Hemisferio Sur, es decir África, América del Sur y Australia, estaban juntos formando un gran supercontinente llamado Gondwana, que estaba situado muy cerca del Polo Sur, con un clima poco propicio para la formación de grandes bosques. En cambio lo que ahora son Asia, Europa y América del Norte estaban situados junto al ecuador en una zona cálida, muy adecuada para el desarrollo de las grandes masas vegetales que formaron las capas de carbón. Los mayores depósitos de carbón están en América del Norte, Rusia y China, aunque también se encuentra en cantidades considerables en algunas islas del Ártico, Europa occidental, India, África del Sur, Australia y la zona este de América del Sur.

Reservas

Reserva de Carbón en el mundo.
Las reservas mundiales de carbón son enormes. La cantidad de carbón recuperado desde un punto de vista técnico y económico, proporcionaría cinco veces más energía que las reservas del petróleo crudo.

Según el Consejo Mundial de la Energía, las reservas recuperables de antracita y carbón bituminoso ascendían a finales de 1980 a más de 1.2 billones de toneladas. De ese carbón recuperable, China tenía aproximadamente un 43%, EE.UU. un 17%, la Unión soviética un 12%, Sudáfrica un 5% y Australia un 4%.

Con el actual ritmo de consumo se calculan reservas de carbón para algo más de 200 años, aunque si se tienen en cuenta las que no son fáciles de explotar en el momento actual, las reservas podrían llegar para otros mil años.

Problemas ambientales

La minería del carbón y su combustión causan importantes problemas ambientales y tienen también consecuencias negativas para la salud humana.

Las explotaciones mineras a cielo abierto tienen un gran impacto visual y los líquidos que de ellas se desprenden suelen ser muy contaminantes. En la actualidad , en los países desarrollados, las compañías mineras están obligadas a dejar el paisaje restituido cuando han terminado su trabajo.

Lo normal suele ser que conforme van dejando una zona vacía al extraer el mineral, la rellenen y reforesten para que no queden a la vista los grandes agujeros, las tierras removidas y las acumulaciones de derrubios de ganga que, hasta ahora, eran la herencia típica de toda industria minera.

También es muy importante controlar y depurar el agua de Lixivación, es decir el agua que, después de empapar o recorrer las acumulaciones de mineral y derrubios, sale de la zona de la mina y fluye hacia los ríos o los alrededores. Este agua va cargada de materiales muy tóxicos, como metales pesados y productos químicos usados en la minería, y es muy contaminante, por lo que debe ser controlada cuidadosamente.

En el proceso de uso del carbón también se producen importantes daños ambientales porque al quemarlo se liberan grandes cantidades de gases responsables de efectos tan nocivos como la lluvia ácida, el efecto invernadero, la formación de smog , etc.

El daño que la combustión del carbón causa es mucho mayor cuando se usa combustible de mala calidad, porque las impurezas que contiene se convierten en óxidos de azufre y en otros gases tóxicos.

Fuentes