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Avances en Flotación de Carbones:

Aplicación en Colombia

Juan Manuel Barraza Burgos

Escuela de Ingeniería Química

Universidad del Valle

Cali, Colombia

III Congreso Brasilero de Carbones

Gramado, Brasil

21-24 Agosto, 2011

Contenido

Introducción

Flotabilidad de carbones en celdas

Tecnologías Avanzadas de Flotación

Aplicaciones de flotación en Colombia

Conclusiones

Procesos comunes de preparación de carbones

Preparación de carbones a nivel mundial

Honaker, 2008, University of Kentucky

Aproximadamente 2 billones

de toneladas/año se

procesan en plantas de

preparación a nivel mundial

Aproximadamente 14% de la

capacidad instalada se

asocia con flotación

espumante

Alrededor de 160 millones de

toneladas/año de carbón

limpio se produce por

flotación burbujeante

Definición de flotación

Flotación burbujeante es un

proceso de separación físico-

químico basado en las

diferencias de hidrofobicidades

de las superficies de materia

mineral y materia orgánica

El tamaño de partícula, la

velocidad del aire y la

concentración el tipo de

reactivos químicos (espumantes

y colectores) tienen un

importante efecto

Fue patentada y aplicada en

grafito por los hermanos Bessel

(1877)

El carbón como el grafito tienen

hidrofobicidad natural

Tomado de Honaker, 2008,

University of Kentucky

Características del carbón que afectan la flotación

hidrofobicidad y flotación

generalmente incrementan con el

rango

Efecto de Oxígeno

Efecto de Porosidad

La hidrofobicidad y

flotabilidad de carbones

depende del tipo de

maceral, sigue el orden

El ángulo de contacto

para la exinite (resinite)

es mayor a 90°.

Características del carbón que afectan la flotación

Contenido

Introducción




Conclusiones

Análisis Release de carbones

Suministra datos ideales de

una perfecta limpieza del

carbón.

Evalúa la potencialidad de

limpieza del carbón y ayuda a

diagnosticar alguna dificultad

en el sistema de flotación. La primera etapa del análisis

release involucra la separación

de material no-flotable del

material flotable.

La segunda etapa envuelve

la separación de material

flotable acorde a sus diferentes

grados de flotabilidad

Curvas Release y Comparación Release

0

20

40

60

80

100

0 3 6 9 12 15Cenizas (%)

Re

cu

pe

ra

ció

n (%

)

La Jagua Nechi Cerrejón

Cinética de flotación de carbones en celdas

Importante para

operación, diseño y

economía del proceso

Efecto de la

concentración de

espumante sobre la

recuperación orgánica

a 2 lb/ton de colector

(kerosene).

Cinética de flotación de carbones en celdas

Modelo cinético de

primer orden

Permite determinar la

constante cinética de

flotación

Cinéticas de flotación

rápida y lenta

y = -0,309x - 0,0573 R² = 0,9818

y = -0,0375x - 0,4166 R² = 0,9453

-0,8000

-0,7000

-0,6000

-0,5000

-0,4000

-0,3000

-0,2000

-0,1000

0,0000

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

ln(1

-R)

Tiempo

Contenido

Introducción

Características del carbón que afectan la Flotación




Conclusiones

Flotación convencional en celdas

Desarrollada en 1912

Bajo costo de capital

Se usan varias celdas en

serie

Arrastre hidráulico

(entrainment).

Selectividad vs.

recuperación

Capacidad hasta de

10tph/celda

Flotación convencional en Tank cell o

Smart Cell

La celda tipo tanque usa

generadores de burbuja

convencionales

Beneficios: estructura

simplificada, bajo capital y

costos de operación

Volumen de las celdas

hasta 100 m3 operan en

Australia Tomado de Honaker, 2008

Flotación de carbones en Columna

convencional

Primer desarrollo

comercial hasta los 1980

Interés en columna por el

uso de agua de lavado

para remover arrastre de

partículas minerales

(entrainment)

Se usa altas relaciones

de L/D para partículas

finas

Actualmente industria del

carbón usa columnas

hasta de 4.5 m de

diámetro

Varios tipos: CoalPro,

MicroCel, Jameson

Sistema avanzado de burbujeo

(sparger) en Columnas Convencionales

Tomado de Acosta, University of McGill, 2010

Columna de Flotación Coal-Pro (CPT)

Desarrollada por Cominco

Research y patentada por

Eriez Manufacturing

Usa distribución de burbujas

grandes con burbujeadores

externos tipo “slamjet”

Buena dispersión de agua de

lavado

Usa altas tasas de aereación

con bajo consumo de energía

Tomado de Honaker, University of Kentucky

2008

Columna de Flotación Coal-Pro (CPT)

Tomado de Honaker, 2008

Columna de Flotación Microcell

Desarrollada por Virginia

Tech en los 1980´s y

licenciada por Eriez

manufacturing

Burbujeadores totalmente

externos

Tamaño de burbuja menor

Distribución de burbuja

uniforme

Gran capacidad

Requiere bomba adicional

Alto consumo energético

Tomado de Honaker, 2008

Sistema de Generación de Burbujas

Instalación de una columna de

Flotación MicroCell

Columna tipo Jameson Cell

Desarrollada por Graeme Jameson (Australia) y licenciada por MIM Ltd. Usa un sistema autoaspirante con agua de lavado

Tomado de

Honaker,

Universiy¿ty of

Kentucky,

2008

Contenido

Introducción





Conclusiones


Concentración del

maceral vitrinita

Flotación de lodos

de carbón

procedentes de

planta de lavado

Concentración del maceral vitrinita

Vitrinita

Liptinita

Inertinita

Importancia de concentrar macerales

Hidrofobicidad de macerales

• Liptinita, vitrinita e inertinita (ángulo de contacto entre

90º y 130º, 60º y 70º, 25º y 40º respectivamente).

• La composición química de las plantas originales

generan diferencias en la hidrofobicidad.

• Variaciones de los grupos funcionales.

Liberación de macerales

Macerales

lmm –400

+325

–400

+270

–325

+200

–270

+120

–200

+80

–120

+60

–80

Vitrinita 86.2 84.8 77.6 72.2 79.9 71.3 70.1

Liptinita 5.1 3.3 8.8 11.1 6.1 12.5 14.4

Inertinita 8.7 12.0 13.6 16.7 14.0 16.3 15.5

Recuperación másica, cenizas y azufre

Carbón

Recuperación

masica

Cenizas

Azufre

Wt %, db Wt %, db Wt %, db

Guachinte

Alimento 9.8 1.6 8/0.0075 80.8 6.6 1.2

8/0.0125 69.9 6.8 1.3 11/0.0075 70.3 5.8 1.2

11/0.0125 72.3 6.9 1.3 9.5/0.0100 85.6 6.7 1.3

9.5/0.0100 83.6 6.6 1.2

7.1/0.0075 54.1 5.1 1.1 7.1/0.0125 70.1 6.5 1.2

Yolanda Alimento 15.6 2.5

8/0.0075 53.1 11.2 1.8 8/0.0125 46.5 12.9 1.9

11/0.0075 34.4 12.2 1.7 11/0.0125 34.4 12.0 1.7

9.5/0.0100 56.7 9.9 1.7

9.5/0.0100 54.3 11.0 1.7 7.5/0.0075 43.3 8.5 1.4

7.5/0.0125 46.6 11.1 1.4

Concentración del maceral vitrinita

Carbón Vitrinita Liptinita Inertinita

Vol %, mmf Vol %, mmf Vol %, mmf

Guachinte

Alimento 76.9 18.8 4.3

8/0.0075 88.9 7.9 3.2

8/0.0125 95.2 3.1 1.6

11/0.0075 89.9 7.1 3.0

11/0.0125 90.3 6.7 3.0

9.5/0.0100 90.1 7.3 2.6

9.5/0.0100 90.6 7.2 2.2

7.1/0.0075 90.3 8.2 1.4

7.1/0.0125 89.1 8.9 2.1

Yolanda

Alimento 96.8 0.0 3.2

8/0.0075 96.9 1.9 1.2

8/0.0125 98.7 1.1 0.2

11/0.0075 98.6 0.2 1.2

11/0.0125 99.1 0.9 0.0

9.5/0.0100 99.4 0.4 0.2

9.5/0.0100 98.0 1.4 0.6

7.5/0.0075 99.2 0.8 0.0

7.5/0.0125 99.8 0.2 0.0

Recuperación orgánica y de vitrinita

20

25

30

35

40

45

50

55

60

3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH

Ma

teri

al

Co

mb

ust

ible

(%

)

20

30

40

50

60

70

3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH R

ecu

per

aci

ón

Vit

rin

ita

(%

p/p

)

■ Jg 0.7 cm/s CE 4 ml/kg ◊ Jg 1.0 cm/s CE 3 ml/kg ∆ Jg 1.0 cm/s CE 5 ml/kg

X Jg 1.4 cm/s CE 4 ml/kg □ Jg 1.4 cm/s CE 2 ml/kg O Jg 1.4 cm/s CE 6 ml/kg

+ Jg 1.8 cm/s CE 3 ml/kg Jg 1.8 cm/s CE 5 ml/kg ▲ Jg 2.1 cm/s CE 4 ml/kg

Valorización de lodos (tailings ) por flotación

Producción de 100 ton/h

de tailings

Contenido de ceniza de

59%

Tamaño de partícula d80

equivalente a - 50

micrones

Laguna de lodos

Analisis release de los lodos finos de rechazo (tailings) usando flotación en celdas

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00

REC

UP

ERA

CIÓ

N O

RG

ÁN

ICA

(%

)

CENIZAS ACUMULATIVAS(%)

Diesel Oil-MIBC

Kerosene-MIBC

Creosota-MIBC

Estudio cinético para de flotación de lodos

0

20

40

60

80

100

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00

Re

cup

era

ció

n, %

Tiempo (min)

20ppm

30ppm

40ppm

0

20

40

60

80

100

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 R

ecp

era

ció

n, %

Tiempo (min)

10ppm

15ppm

20ppm

AF-65 - 2lb/ton LS de kerosene MIBC - 2lb/ton LS de kerosene

Constantes cinéticas de flotación de lodos

“Carrying capacity” de una columna de flotación

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

Pro

du

cto

g/m

/cm

2

Alimento g/m/cm2

Columna de flotación

Condiciones de operación en columna

Parámetro

Flujo de agua de lavado

Flujo de alimento

Flujo de fondo

Flujo de aire

Presión de aire a la entrada del

burbujeador

Concentración de colector (Kerosene)

Concentración de espumante (AF-65)

Concentración de la pulpa

3.61 ml/s

32.9 ml/s

37.3 ml/s

22.4, 31, 40 ml/s (1.2, 1.6, 2.0

cm/s)

25 psi

2 lb/ton

200, 220, 240 gr/ton

5 % (500 gr de lodo/20 litros de

agua)

Resultados en columna de flotación

Corrida

Ceniza,

% bs

Poder

calorífico,

Btu/lb

Azufre

Total,

%

Rendimiento

másico,

%

Recuperación

Orgánica,

%

Eficiencia de

separación,

%

Alimento 58.63 3073 1.13 100.00 100.00 100.00

LF1J1 10.05 11368 1.01 72.47 85.95 57.81

LF1J2 9.03 11632 1.01 75.85 92.98 67.69

LF2J1 10.77 11381 1.09 80.53 95.22 61.40

LF2J2 15.71 10666 1.08 70.32 87.67 55.24

LF0J0(1) 12.66 11105 1.05 69.08 90.31 65.17

LF0J0(R1) 16.84 10794 1.04 72.28 91.89 58.20

LF0J0(R2) 14.42 9907 1.10 67.01 88.50 61.95

LF0J0(R3) 13.45 10958 0.99 67.15 91.12 66.93

LF1*J1* 12.89 10998 1.09 70.68 92.64 66.71

LF1*J2* 11.27 10959 1.06 58.54 88.39 73.19

LF2*J1* 13.14 11315 1.07 44.55 73.38 61.54

LF2*J2* 30.62 8311 1.00 61.81 85.64 48.84

Cooperación con Brasil en Flotación de

carbones

Proyecto “Beneficio de carbones Brasileros y

Colombianos usando flotación en Columna”

Financiamiento de CNPq (Brasil) – COLCIENCIAS

(Colombia)

Participantes Universidad Federal Rio Grande do Sul

(UFRGS) – Universidad del Valle (UV)

Carlos Sampaio, Irineu Brum, Juan S. Guerrero y Juan

Barraza

Objetivo: Evaluar el efecto del numero de Bias

(diferencia entre el flujo de alimentación y flujo de cola)

sobre el rendimiento y selectividad de flotados usando

carbones brasileros y colombianos.

Efecto de velocidad de aire sobre rendimiento

Bias: -0.25

Efecto de velocidad de aire sobre cenizas

Bias: -0,25, Cenizas alimento: 25.8 %

Contenido

Introducción





Conclusiones

Conclusiones

Desde que se iniciaron las aplicaciones a nivel comercial,

la flotación de carbones ha jugado un papel importante

Se estima que 160 millones de toneladas de carbón limpio

se producen anualmente a nivel mundial

Las celdas de flotación fueron el inicio del desarrollo de

aplicaciones avanzadas en flotación

Actualmente existe la tendencia de incrementar el tamaño

de los equipos de flotación para reducir los costos de

capital y de operación

La columna de flotación (con sus avances en el sistema de

burbujeo) es la escogencia común en nuevos circuitos de

flotación

El tipo de sistema de flotación depende del mercado del

carbón

Investigación y tecnologías en desarrollo

Modelamiento de sistemas de flotación usando fases

sólida, liquida y gaseosa en las zonas de colección y de

limpieza de columnas

Medidas in-situ de tamaños y áreas superficiales de

burbujas en sistemas industriales

Métodos para mejorar las velocidades de recuperación de

materia orgánica en carbones relativamente gruesos y

poco flotables.

Métodos para decrecer los costos de operación por

compresión de aire (usando eductores de aire) y por

reactivos químicos

Sistemas de control on-line para monitoreo y control del

tamaño de burbuja y de las características de

concentrados y colas

Efecto del Bias sobre rendimiento y selectividad de

carbones

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !!!

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