IRME INSTITUO DE RECURSOS MINEROS Y ENERGETICO

DIPLOMADO DE CARBONES

UNIVERSIDAD PEGAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

SEDE SECCIONAL SOGAMOSO

SEPTIEBRE - 2006

BENEFICIO DE CARBONES

ING. MARCO ANTONIO ARDILA B.

MODULO 4.

INTRODUCCIONEl carbón es un material impuro que requiere de un tratamiento específico para mejorar sus propiedades y eficiencia en los procesos de combustión y coquización, que son sus mayores aplicaciones.

Durante la extracción en la mina, se obtiene como un material heterogéneo, compuesto por granos de diferente tamaño (desde diámetros mayores a 2 pies, hasta polvos muy finos), con altos contenidos de humedad y contaminado con materia mineral como rocas y/o arcillas.

En estas condiciones, el carbón no es recomendable para su uso como combustible o como materia prima para la producción de coque.

Ocasionalmente se encuentran mantos con espesores que permiten extraer el carbón de forma limpia y seca; en estos casos, solo se requiere de trituración y cribado para obtener mejores niveles de limpieza.

El nivel de tecnificación utilizado durante la explotación del carbón, puede afectar de forma significativa la producción en su calidad, particularmente cuando se utilizan máquinas de producción continua.

La tendencia actual busca implementar métodos de explotación selectiva, con sistemas de transporte dentro de la mina que eviten la contaminación del carbón. Igualmente, se ha incrementado el montaje de instalaciones de limpieza en boca de mina o áreas adyacentes.

OBJETIVOS DE LA LIMPIEZA DEL CARBON

• Tratar y preparar el carbón durante la explotación, para reducir y controlar el tamaño de manera que cumpla con los requisitos para transporte, manejo y utilización.

• Remover materia mineral, usualmente referida como control del contenido de cenizas

• Controlar el contenido de humedad para cumplir con las especificaciones de manejo y uso.

NOTA:

Aún cuando el carbón ha sido preparado bajo las especificaciones de tamaño, cenizas y humedad, para sus diferentes aplicaciones, AMBIENTALMENTE puede ser un material sucio. En este caso, el elemento universalmente más contaminante es el AZUFRE, pues durante los procesos, casi en su totalidad se libera al medio ambiente como gas.

• Reducir el contenido de azufre en el carbón.

En conclusión, el objetivo final del proceso de limpieza del carbón, es:

Maximizar la recuperación del valor energético del carbón durante la extracción y manejo, alcanzado las

especificaciones de cenizas, humedad y azufre

NOTA:

El carbón y su materia mineral asociada, contienen trazas de elementos tales como:

ArsénicoCadmioGermanio, yMercurio, entre otros

Los cuales se conocen como elementos menores, que pueden tener efectos tóxicos o cancerígenos al ser emitidos como subproductos de proceso.

Mediante procesos convencionales de lavado, estos elementos no pueden ser removidos.

RESEÑA HITORICA• La industria moderna de la preparación del carbón, tiene su origen en

Europa, durante los años de 1915 a 1940.

• Particularmente, entre los años de 1925 a 1935, la crisis financiera y las severas recesiones económicas, fueron el principal antecedente de este desarrollo.

• A excepción de los hidrociclones, inventados y desarrollados por Alemania en 1945, la mayoría de las operaciones unitarias de la preparación del carbón experimentaron grandes avances tecnológicos, alcanzando altos niveles de funcionalidad y eficiencia.

• La limpieza del carbón por métodos hidráulicos como las JIGS, bateas y clasificadores, fueron completamente mecanizados e implementados en las plantas industriales.

• Se desarrollaron procesos como los de Chance, Barvoys, Tromp y Loess, entre otros, para conseguir una separación gravimétrica.

• Las celdas de flotación se desarrollaron para hacer una depresión selectiva, buscando principalmente precipitar piritas.

• Entre 1914 – 1918 se implementó la aglomeración con aceite para recuperar carbón ultrafino en suspensión.

• En 1935, se desarrollaron coloides químicos con el propósito específico de servir como floculantes y clarificar aguas.

• En términos generales, para la mayoría de los casos, la optimización de equipos y procesos se llevó a cabo después de la segunda guerra mundial, aplicando altas tecnologías y logrando altos niveles de producción y eficiencia a nivel comercial y ambiental.

Los procesos por tratamiento químico para producir combustibles limpios, son contemporáneos.

• La remoción de impurezas minerales por lixiviación ácida, se ha demostrado y aplicado en laboratorio, para propósitos especiales. En 1937 se revisó la posibilidad de implementar estos procesos a nivel industrial, pero económicamente no es factible.

• Particularmente, en EE.UU, se han diseñado algunos tratamientos químicos, para remover azufre pirítico y parte del orgánico; sin embargo, el reto sigue siendo demostrar su eficiente operación a escala comercial.

• La mayoría de los procesos químicos demandan un alto nivel de sofisticación en su tecnología, la cual va más allá de los requerimientos de las plantas de preparación de carbón; por ejemplo:

El proceso Chlorinolysis JPL para desulfurizar, requiere tratar el carbón suspendido en una solución de líquidos orgánicos con el 45% en peso de cloro. Una Planta de limpieza maneja en promedio 20000 Ton/día, este volumen requiere una recirculación de cloro, de 9000 Ton/día a partir de la solución, y los sistemas de recuperación, solo procesan en promedio 1200 Ton/día.

ESTUDIO ANALITICO

CONCENTRACION GRAVIMETRICA

PROCESOS

CONCENTRACION

SEPARACION

FUERZAS

GRANOS•DENSIDAD

•TAMAÑO

•FORMAUn objeto que se mueve dentro de un fluido experimenta una fuerza que se opone al movimiento y por lo tanto, fenómenos que cambian el movimiento del fluido

PRINCIPIOS DE LA SEPARACION GRAVIMETRICA

• Las partículas se separan por la acción de fuerzas de resistencia del fluido.

• El movimiento ocasionado por una partícula en el fluido, produce a su vez el movimiento de otra partícula cercana. Este movimiento es recíproco; por lo tanto, hay intercambio de fuerzas entre todas las partículas del material

FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LAS PARTICULAS EN LA CONCENTRACION GRAVIMETRICA

• FUERZA DE GRAVEDAD: Actúa de forma proporcional a la masa de la partícula.

maF • FUERZAS ASCENCIONALES: Se derivan de la acción de la fuerza de gravedad sobre el fluido.

Principio de Arquímedes

extfldsFmf

• FUERZAS DE RESISTENCIA: Se derivan del movimiento relativo de cada partícula con el fluido y con las demás partículas

fld

n

ipart FF

1

MOVIMIENTO DE UNA PARTICULA EN UN FLUIDO VISCOSO

• TEORIA DE NEWTON: la fuerza que ejerce un fluido sobre una partícula en movimiento dentro de este, es proporcional al cuadrado de su velocidad. Aplica a esferas grandes con movimientos rápidos.

• TEORIA DE STOKES: La fuerza que ejerce un fluido sobre una partícula en movimiento dentro de este, es proporcional a la primera potencia de la velocidad. Aplica a casos de flujos laminares o a aquellos cuya resistencia se debe a la viscosidad. En partículas, a esferas pequeñas con movimientos lentos.

– LEY DE STOKES: Establece que la resistencia de un fluido al movimiento de una esfera, está dada por:

rvF 6

velocidadv

esferaladeRadior

idadvisdeeCoeficient

Donde

cos

:

MOVIMIENTO DE UNA ESFERA EN UN FLUIDO BAJO LA INFLUENCIA DE LA GRAVEDAD

• Si la partícula empieza a moverse desde el reposo, continúa cayendo a velocidad acelerada hasta que la fuerza de la resistencia se igual a la resistencia de la gravedad que actúa sobre la partícula, menos la fuerza ascensional del fluido.

La fuerza que actúa sobre la partícula para un momento dado, estará dada por:

Fgrmgdt

dvm 3

3

4

naceleraciopormasadt

dvm

movimientoaldebidaaresistencideFuerzaF

fluidodelDensidad

particulaladeRadior

idadvisv

masam

Donde

cos

: :,

,,3

4

:

3

tendraseStokesdeleyladeFconjunto

anteriorecuacionlaenmdoreemplazany

rm

densidadsuporvolumendelproductoelcomo

esferalademasalaDespejando

rvgrgrdt

dvr 6

3

4

3

4

3

4 333

22

9

r

vg

dt

dv

VELOCIDAD LIMITE DE UNA PARTICULA DENTRO DE UN FLUIDO

• El desplazamiento de una partícula dentro de un fluido, alcanza una velocidad constante; por lo tanto, su aceleración es cero.

0dt

dv

02

92

r

vg l

grvl2)(

2

9

Luego:

Reemplazando:

Velocidad límite:Ecuación aplicable a partículas que caen de acuerdo a la ley de Newton.

VELOCIDAD LIMITE DE UNA PARTICULA DENTRO DE FLUIDO SEGÚN NEWTON-RITTINGER

• Resistencia al movimiento de una esfera dentro de un fluido, según Newton.

22

2vrF

• Resistencia al movimiento de una esfera dentro de un fluido, según Newton-Rittinger

• Se aplican los mismos procedimientos de la ley de Stokes, para hallar la velocidad límite

erimentaleCoeficientQ

Donde

vrQF

exp

:2

22

22333

23

4

3

4

3

4vrQgrgr

dt

dvr

• Despejando aceleración para velocidad constante, se obtiene la velocidad límite.

r

vQg

dt

dv l2

8

3

rgQ

vl )(

3

8

COEFICIENTE EXPERIMENTAL Q EN FUNCION DEL NUMERO DE REYNOLDS

• FUENTE: Comité de Sedimentación Nacional Research Council de los Estados Unidos de América

• Para RO1, se cumple la ley de Stokes. La fuerza de resistencia es proporcional a la velocidad; por lo tanto, Q es inversamente proporcional a la velocidad y est’a repressentado por una línea recta de pendiente -1.

• La Ley de Newton solo se ve representada en una trayectoria corta sin cambio significativo.

• La Ley de Newton con la modificación de Rittinger, se cumple, para Q=0.4, entre valores de R=1000 y 200000

• En la teoría de la concentración gravimétrica, se debe considerar el efecto del fluido sobre la partícula y el efecto

del movimiento de la partícula sobre el fluido.

PARTICULAS EQUIVALENTES

• Dos partículas son equivalentes cuando siendo del mismo material y de diferente diámetro, alcanzan la misma velocidad límite.

diametro (cm.) r=1.4 g/cc. r=1.8 g/cc. r=2.2 g/cc.0,25 11,4 16,2 19,81,00 22,9 32,3 39,64,00 45,7 64,7 79,2

10,00 72,3 102,3 125,3

VELOCIDADES LIMITE PARA PARTICULAS EQUIVALENTES

1

10

100

0,1 1 10

Diámetro (cm)

Ve

l. L

ímite

(cm

/s)

r=1.4 g/cc.

19,8 39,6

19,8 39,6

Velocidades Limite para partículas de carbón y estériles en agua (Datos experimentales de Chapman)

40

0.95 1.6 3.1

Partículas con diámetros de:

0.95, 1.6 y 3.1 cm. Tienen la misma velocidad límite

ELEMENTOS DEL PROCESO DE LIMPIEZADentro de las propiedades del carbón que tienen relación directa sobre la forma y el procedimiento de limpieza se pueden relacionar:

El Rango del carbón es la propiedad describe su naturaleza, pero no las de sus impurezas; juega un papel muy importante en la determinación de la factibilidad y el alcance del proceso de limpieza.

•COMPOSICION DEL CARBON

El carbón mineral puro está compuesto principalmente de C, con pequeñas cantidades de H, O, N y S. Las proporciones de estos elementos determinan las propiedades del carbón como combustible (poder calorífico).

Los componentes están contenidos en una matriz orgánica compuesta por macerales; se diferencian porque usualmente se presentan como impurezas embebidas en matrices cristalinas denominadas minerales.

La presencia de pequeñas cantidades de Si, Ca y Mg, está asociada con material vegetal.

Durante la combustión, todos los macerales del carbón reaccionan y salen como productos gaseosos de combustión. La materia mineral reacciona a altas temperaturas en presencia de aire, y se descompone en residuos sólidos como silicatos aluminatos y algunos otros compuestos metálicos que conforman las cenizas; igualmente, se generan gases como el CO2, a partir de los carbonatos y SOx., de las piritas.

•RANGO DEL CARBON

El RANGO del carbón está asociado con la reducción de la Materia Volátil y el incremento del Poder Calorífico.

Durante la carbonificación o metamorfosis del material vegetal a carbón, este evoluciona (en forma ascendente), en Turbas, lignitos, subituminosos, bituminosos y antracitas. Se incrementa significativamente el contenido de C, y se reduce proporcionalmente los contenidos de H, O, N y S. Se liberan grandes volúmenes de metano y dióxido de carbono.

Las propiedades del carbón según su rango, se muestran en la siguiente tabla:

FUENTE: COAL HANDBOOK. USA, 1981

Todas las propiedades relacionadas con el rango del carbón tienen una relación importante con la preparación, el transporte y las aplicaciones.

Los costos de transporte generalmente se cargan sobre una base de mil toneladas, incluidos los valores de humedad, Materia Volátil y Cenizas de norma. Bajo estas consideraciones, resulta más costoso el transporte de carbones de bajo rango.

El secado del carbón es un aspecto esencial en algunos sistemas modernos de preparación, pues se requiere alrededor de 1800 a 2500 Btu por libra de agua evaporada, los cuales pueden ser representativos, con respecto al poder calorífico del carbón, particularmente, en carbones de bajo rango.

La limpieza del carbón es un proceso para separar los macerales del carbón de la materia mineral.

Los procesos de limpieza, en consecuencia, son procesos que aprovechan las diferencias entre macerales y materia mineral del carbón, para separarlos.

FUENTE: COAL HANDBOOK. USA, 1981

En general, los procesos para limpieza de carbón se clasifican en dos grupos:

Procesos aplicados a propiedades químicas

Procesos aplicados a propiedades físicas como: Dureza, Densidad, Atenuación de radiación )luz, Rayos X y microondas), susceptibilidad magnética, humectabilidad y Potencial Z. (Ver tabla).

El éxito de un método de limpieza de carbón, depende de qué tan masiva o discreta sea la presencia de los componentes, estructuras asociadas libremente o extendidas de forma intergranular.

Algunas betas de carbón, son virtualmente puras; por lo tanto, la limpieza se limita a la remoción de la materia contaminante (intercalaciones y/o piso o techo de la veta) que se mezcla durante los procedimientos mineros (impurezas extrínsecas).

En otros casos, las vetas pueden contener materia mineral intergranular diseminado entre los componentes (impurezas intrínsecas). Esta condición hace económicamente inviable el proceso.

En la mayoría de los casos, las vetas explotadas se encuentran entre estos dos limites; por lo tanto, la lavabilidad del carbón, depende de la proporción en que se encuentren los contaminantes intrínsecos y extrínsecos.

•TECNICAS DE SEPARACION POR DENSIDAD

Las gravedades específicas de las partículas son verdaderas si no son porosas, y aparentes, cuando son porosas y no penetradas por el fluido de separación.

Los macerales del carbón son altamente porosos, pero los poros son tamaños microscópicos, de manera que pueden ser penetrados por gases como el helio, pero no por el agua.

La gravedad específica de los medios de separación, puede ser, VERDADERA, MEDIA O APARENTE.

Gravedad Específica Verdadera: La presentan los líquidos o soluciones estables, se usa específicamente en laboratorio en laboratorio para pruebas de lavabilidad, debido a los altos niveles de corrosividad que presentan estas soluciones concentradas. [Lessing Process: soluciones concentradas de cloruro de calcio].

Recientemente ha surgido interés por el uso de líquidos orgánicos pesados o soluciones de reactivos, que combinados incrementan la densidad de la solución, con el fin de llevar a cabo una desulfurización química. [Otisca Process], [Gravichem Process]

Gravedad Específica Media: Medio de separación que consiste en una suspensión compuesta por sólidos o líquidos inmiscibles en un líquido base. La gravedad específica tendrá un valor medio que depende de la estratificación de las partículas insolubles.

Las suspensiones de magnetita, presentan tendencia a la estratificación, la cual es aprovechada para extraer partículas de densidad intermedia de las regiones medias del baño. Estos sistemas requieren de agitación externa y recirculación, para lograr un control eficiente en la separación.

[A nivel de laboratorio se han probado suspensiones de mercurio en tetrabromoetano, con gravedades específicas del orden de 7.0, para flotación de minerales].

Gravedad Específica Aparente: En este medio de separación se aplica la combinación de las fuerzas dinámicas ascensionales de la partícula, con los efectos que impiden el asentamiento de las partículas.

En las JIGS la gravedad específica aparente de partición se puede ajustar alrededor de 1.55, mientras que la gravedad específica del agua no cambia. La gravedad específica aparente se debe estrictamente al sistema mecánico.

Separación Ciclónica: Sistema alternativo para separar partículas que se basa en la diferencia de densidades específicas que depende de fuerzas gravitacionales naturales y fuerzas generadas dentro del equipo. Las fuerzas centrífugas superan de 20 a 30 veces en magnitud a la fuerza gravitacional.

El primer ciclón (desarrollado en Holanda en 1947) se utilizó como dispositivo para separa sólidos de fluidos, siendo modificado posteriormente, para que la diferencia de gravedades específicas de los sólidos llegó a ser el factor de operación.

Se obtienen mayores eficiencias cuando la gravedad específica del fluido alcanza la densidad de partición; por lo tanto los ciclones de medio denso son más eficientes que los ciclones que trabajan con agua, para lavado de carbón.

•INFLUENCIA DEL TAMAÑO Y LA FORMA DE LA PARTICULA

– La fuerza principal para separar partículas de diferente densidad resulta de las fuerzas gravitacionales o centrífugas que actúan sobre la fuerza ascensional relativa de la partícula en el fluido; sin embargo, algunos efectos dinámicos también introducen factores entre los cuales el tamaño y forma de la partícula llegan a ser importantes.

– Las partículas de carbón y pizarra en un carbón crudo, muestran diferencias sustanciales en cuanto a tamaño y forma, los cuales pueden ser obstáculo para lograr una eficiente separación, especialmente cuando el sistema es altamente cargado.

– De otro lado, en algunas ocasiones resulta conveniente impedir el asentamiento de las partículas, para promover la separación

– El tamaño y la forma de la partícula son difíciles de medir o cuantificar. Se puede establecer solamente algunas relaciones prismáticas, lo cual no es suficiente para determinar el comportamiento de la partícula; por lo tanto, para solucionar este problema se usan frecuentemente observaciones empíricas y experiencias prácticas de los diseñadores de equipos.

– En tamaños ultrafinos adquiere mayor importancia la ley de STOCKES, la cual pude llegar a determinar estos factores; por ejemplo, el desempeño del hidrociclón depende del punto preciso de corte a ciertos tamaños mínimos de partícula

•TECNICAS DE SEPARACION INTERFACIAL

– La separación de los macerales del carbón y los minerales es posible aprovechando las diferencias entre las propiedades de las superficies de estos componentes. La flotación de espumas y las técnicas de aglomeración con aceite, son ejemplos de cómo se realiza esta operación.

– Las diferencias entre las propiedades se acentúan porque la superficie del carbón se comporta como una matriz orgánica hidrofóbica no polar, mientras que las superficies de los minerales y particularmente las arcillas son hidrofílicas y presentan polaridad.

– El azufre pirítico contenido en el carbón un comportamiento hidrofóbico, lo cual dificulta su separación del carbón.

– La hidrofobicidad del carbón, cambia con el rango, tendiendo a acentuarse en los carbones de características coquizables alcanzando los máximos niveles en los carbones bituminosos de bajo y medio volátil. Estas diferencias, generalmente se relacionan como humectabilidad, la cual puede ser cuantificada midiendo el ángulo de contacto del sólido con el agua.

– Los métodos para calcular el índice de flotabilidad de materiales hidrocarburos sólidos se basan en la composición elemental, y básicamente en los contenidos de C, H, O, N, y S, sin embargo, en el diseño de sistemas de proceso, estos métodos son de poca ayuda.

– Pequñas cantidades de aceites hidrocarburos en las pulpas de carbón cuando producen humectación preferencial de los macerales por el aceite, tendiendo a aumentar las fuerzas de tensión superficial que operan en la interfase agua-carbón. Si se introduce aire al sistema, las burbujas atacan preferencialmente las superficies de carbón aceitadas, reduciendo las fuerzas que actúan sobre la interfase CARBON/AGUA/AIRE. Las burbujas incrementan las fuerzas ascensionales de las partículas de carbón, produciendo una rápida separación del medio más pesado, conformado por las partículas minerales no humectadas en aceite; El carbón flotado se recoge como espuma

LAVABILIDAD

GENERALIDADES

• Lavabilidad es un concepto que mide y aprovecha las diferencias que existen entre las densidades de los macerales del carbón y sus minerales asociados más pesados como base para predecir la producción y calidad de los productos obtenidos por una densidad de partición dada.

• La densidad es una propiedad física absoluta, medida en términos de masa por unidad de volumen; para efectos prácticos, usualmente se emplea la gravedad específica de la sustancia, la cual es la densidad relativa del agua a 4ªC (sp gr. = 1.000), que puede ser fácilmente medida en los líquidos. Los datos de lavabilidad, por lo tanto, se reportan en términos de gravedad específica media de las partículas y de los líquidos usados en el proceso.

• Debido a la dificultad para tratar en laboratorio el carbón como todouno, se separan los ultrafinos, (malla -28 (-0,5 mm.)) y se tratan como fracción independiente.

• La teoría de lavado de carbón, parte de un lecho ideal de lavado, en el cual, la disposición de las franjas elementales con densidades que crecen a medida que se desciende en el lecho. De esta forma se encontrará carbón puro en la parte superior del lecho el cual se ensucia a medida a medida que se desciende, hasta encontrar pizarra pura en la base.

• En conclusión, el contenido de cenizas aumenta en cada fracción de forma proporcional a la densidad.

• A partir de un lecho ideal de lavado se puede hacer el trazado de una serie de curvas, las cuales determinan las condiciones teóricas en que se puede efectuar al lavado del carbón.

CURVAS DE LAVABILIDAD

= Peso de carbón bruto situado en MOTV

d = Densidad uniforme del carbon de la franja elemental

N = Porcentaje constante en cenizas de la franja elemental

TC = n

ABCD = Curva de las cenizas elementales

OA = Porcentaje de cenizas del carbon mas puro

ND = Porcentaje de cenizas de las pizarras mas puras

C = Porcentaje medio en cenizas del carbon bruto situado entre los planos MO y VT.

OPERACION DE LAVADO

Peso Muestra inicial 100 Kg.

Densidad del Medio d

Fraccion muestra inicial flotado

Fraccion muestra inicial hundida 100 -

RESULTADO: Kg. De carbon lavado

al c% de cenizas

V

B

XAM

D

y

Np

Curva 1CTd

Para realizar el lavado, se requiere conocer la densidad del medio (d) en funcion del % de cenizas y el valor teorico de de la fraccion de muestra inicial flotado ().

Para determinar si la fraccion de muestra inicial hundida (100- ), aun contiene una cantidad de carbon economicamente importante, resulta conveniente realizar en el laboratorio el estudio de lavabilidad. Las principales curvas de este estudio, son:

•Curva de las cenizas elementales

•Curva de cenizas acumuladas (Curva de lavado)

•Curva de los estériles

•Curva de las densidades

O

CURVA I DE LAS CENIZAS ELEMENTALES

Determina las cenizas de cada franja elemental, dando como resultado una necesidad específica de lavado

Sobre escalas equivalentes se registran los pesos de muestra flotados en cada una de las densidades y se relacionan con su contenido de cenizas.

Cada relación genera un punto sobre el plano. La unión de todos los puntos genera la curva de cenizas elementales.

En laboratorio, este procedimiento se realiza mediante un procedimiento denominado FRACCIONAMIENTO DENSIMETRICO, utilizando líquidos de densidades variables

LIQUIDOS Y RANGOS DE DENSIDAD PARA LAVADO DE CARBONES EN LABORATORIO

Densidades menores a 1.9 g/cc. Cloruro de Zinc

Densidades menores a 1.6 g/cc Mezcla Tetracloruro de carbono con Benceno

Densidades menores a 2.8 g/cc Mezcla de Bromoformo con Tetracloruro de carbono

• Para el cálculo de lecho ideal de lavado, o las curvas de lavabilidad, se prepara una serie de soluciones de diferente densidad, a partir de agua con un producto fino, soluble o insoluble, de tal forma que se obtenga una seudo solución de densidad regulable.

• Las soluciones densimétricas se ordenan de forma ascendente.

• En la densidad menor se carga la muestra inicial, a la fracción flotante se le determina peso en seco y contenido de cenizas. La fracción hundida se pasa a la siguiente densidad, repitiendo el procedimiento.

• A cada fracción lavada en las diferentes densidades y al hundido en la última densidad, se le determina el peso en seco, y finalmente, cada fracción se cuartea y prepara (malla 60) para determinar cenizas.

FRACCIONAMIENTO DENSIMETRICO

1 < 2 < n-1 < nn

1

2

n-1

nn

MUESTRAINICIAL

FRACCIONFLOTADA

FRACCIONFLOTADA

FRACCIONFLOTADA

FRACCIONFLOTADA

ENJUAGUE SECADOWCzM.V

ENJUAGUE SECADOWCzM.V

ENJUAGUE SECADOWCzM.V.

ENJUAGUE SECADOWCzM.V.

FRACCIONHUNDIDA

ENJUAGUE

SE

CA

DO

WCzM.V

FRACCIONHUNDIDA

ENJUAGUE

SE

CA

DO

WCzM.V

FRACCIONHUNDIDA

ENJUAGUE

SE

CA

DO

WCzM.V

TABLA DE RESULTADOS DEL FRACCIONAMIENTO DENSIMETRICO

Llevando a porcentaje los pesos de cada fracción, se genera la siguiente tabla:

DENSIDAD PESOS (%)

CENIZAS (%)

VOLATILES (%)

< 1 q1 n1 V1

1 - 2 q2 n2 V2

2 - n-1 qn-1 nn-1 Vn-1

n-1 - nn qn nn Vn

nn > qnn nnn Vnn

DENSIDAD PESO % PESO % Cz % M.V1.0 #¡DIV/0! 31.1 #¡DIV/0! 41.2 #¡DIV/0! 51.3 #¡DIV/0! 61.4 #¡DIV/0! 121.5 #¡DIV/0! 17,21.6 #¡DIV/0! 17,41.7 #¡DIV/0! 17,61.8 #¡DIV/0! 17,8

0 #¡DIV/0! 100

Ejemplo de trazado de una curva de cenizas elementales

Los 3 datos que se obtienen de cada fracción (densidad, peso y cenizas), se ordenan en una tabla para obtener las coordenadas de cada una de las curvas de lavado

Las curvas de lavabilidad dan idea teórica de las condiciones en las cuales se podrá realizar la depuración del carbón

CURVA II DE CENIZAS ACUMULADAS

• A partir de los datos experimentales, se obtienen exactos de la curva II, así:

– Cuando el punto T está en T1, se tiene:

c1 = T1 F1

– Cuando está en T2, las cenizas totales de la parte del lecho que se considera carbón limpio, o sea OT2, son:

(q1n1+q2n2)/100

– Como el peso total del carbón a que corresponden estas cenizas, es:

q1+q2

– El valor de c2, será:

c2 = T2F2 = ((q1+n2)+ (q1+n2))/(q1+q2).

– Generalizando:

cK = TKFK

K

K

K

KKK

q

nqc

1

1*

Esta curva no da en las ordenadas, el rendimiento teórico del carbón limpio, para un contenido en cenizas determinado

Cuadro para el cálculo de las coordenadas de los puntos de la curva de las cenizas acumuladas (carbón lavado)

d q n qn Ordenadas Abscisas

- - - -

q1 n1 q1n1d1 q1n1 q1 T1F1

q2 n2 q2n2

q1n1+q2n2 q1+q2 T2F2d2

q3 n3 q3n3

d3 q1n1+q2n2+q3n3 q1+q2+q3 T3F3- - -

- ------------------------ ------------- ------- - -

- ------------------------ ------------- ------- - -

- ------------------------ ------------- ------- - -

dn-2 q1n1+q2n2 +....+ qn-2nn-2 q1+q2+…qn-2 Tn-2Fn-2

qn-1 nn-1 qn-1nn-1

dn-1 q1n1+q2n2 +....+ qn-1nn-1 q1+q2+…qn-1 Tn-1Fn-1

qn nn qnnn

- q1n1+q2n2 +....+ qnnn q1+q2+…qn TnFn- - -

q q

qnqn

CURVA III DE LOS ESTERILES• Al tomar en la parte TN del lecho de lavado que se

considera como estériles, una franja elemental U´Z´W´Ñ´, su peso será dNT y su contenido de cenizas X´Y´.

• La curva empieza en un punto En situado sobre la misma vertical que En´puesto que para todos los puntos se considera el conjunto del lecho de lavado una vez como carbón limpio y otra como estériles. En ambos casos no da la ley en cenizas del carbón bruto.

• Los datos para graficación de la curva, se registran de acuerdo al siguiente cuadro:

d s 100-q(Ordenadas)

S/(100-q) (Abscisas)

- S1 = q1n1 + q2n2 + ….. + qnnn 100 O En

d1 S2 = S1n1 - q1n1 100-q1 T1 En-1

d2 S3 = S2n2 - q2n2 100-q1-q2 T2 En-2

d3 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

dn-2 Sn-1 = Sn-2 - qn-2nn-2 100-q1-q2 ….. qn-2 Tn-2 E2

dn-1 S3 = S2n2 - q2n2 100-q1-q2 ….. qn-1 Tn-1 En-1

Las ordenadas se registran sobre la escala RJ.

Esta curva da información en las abscisas, sobre las cenizas de los estériles, y en las ordenadas, el porcentaje de estériles para el lavado considerado.

CURVA IV DE LAS DENSIDADES

• Da para cada densidad los pesos de bruto que flotan en un líquido de dicha densidad.

• Las coordenadas, referidas a la escala de densidades, se toman de las columnas 1 y 6 del cuadro de datos de la curva II.

PUNTOS d Ordenadas

D1d1 q1

q1+q2D2 d2

D3 d3 q1+q2+q3

- - -------------

- - -------------

- - -------------

Dn-2dn-2 q1+q2+…qn-2

INTERPRETACION DE LAS CURVAS PARA DETERMINAR CONDICIONES TEORICAS DE LAVADO

• Realizado el procedimiento experimental en laboratorio, para obtener las curvas de lavabilidad, con el objetivo de obtener un carbón lavado de c% en cenizas, se procede de la siguiente forma:

– Sobre NR y a partir de N, se lleva una longitud NS, c y por S se traza la paralela al eje de las ordenadas S´I, hasta encontrar I con la curva II.

– Por el punto I se traza una paralela al eje de las abscisas, la cual corta en H, K, L, y M al eje NO de las ordenadas, y a las curvas I, II, III y IV.

Los Resultados son:

•Rendimiento teórico en el carbón lavado OH%•Cenizas del estéril HL%•Densidad de lavado d•Cenizas de los trozos más sucios HK%

ESTUDIO PRACTICO

ENSAYO DE LAVABILIAD

• Para un ensayo de lavabilidad de una muestra de carbón, cuya granulometría muestra tres facciones granulométricas representativas dentro del tamaño total de la muestra y clasificables dentro de los tamaños óptimos de lavado [Gruesos > 3/8“ (9.25 mm.); Finos > malla 30 (0.59 mm.) y < 3/8“; Ultrafinos < malla 30].

• Las fracciones de gruesos y finos se lavan en medio denso, usando cloruro de zinc como densificador.

• Los ultrafinos no se lavan; sin embargo, se pueden incluir o no, en el carbón lavado.

• Como base de la serie de soluciones de lavado, se asumen las siguientes densidades: 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 y 1.8 (g/cc); sin embargo, se deben abrir densidades donde sea notorio el porcentaje de flotados entre dos densidades.

• Los datos a tomar de cada una de las fracciones que flotan hasta la última densidad, y al hundido de esta última densidad, son:

– Densidad sobre la cual flotó la fracción– Peso después de enjuague y secado de la fracción flotada o hundido de la última densidad– Porcentaje de cenizas de cada una de las fracciones

TABULACION Y OPERACIÓN DE DATOS PARA GRAFICACION DE LAS CURVAS I, II, III Y IV

TABLA DE DATOS Y CALCULOS PARA CURVAS DE LAVABILIDAD I, II, III Y IV

1.23 3734,2 17,63 3,59 63,31 63,31 17,63 3,59 1319,36 100,00 13,19 8,821.25 7424,1 35,06 3,84 134,63 197,94 52,69 3,76 1256,05 82,37 15,25 35,161.28 4481,8 21,17 6,99 147,94 345,88 73,86 4,68 1121,42 47,31 23,71 63,281.3 893,29 4,22 9,96 42,02 387,90 78,08 4,97 973,48 26,14 37,24 75,971.4 1997,8 9,43 15,6 147,55 535,45 87,51 6,12 931,46 21,92 42,49 82,801.5 475,48 2,25 28,6 64,13 599,58 89,76 6,68 783,91 12,49 62,78 88,641.6 115,64 0,55 38 20,76 620,35 90,30 6,87 719,78 10,24 70,28 90,031.7 133,95 0,63 44,7 28,28 648,63 90,94 7,13 699,02 9,70 72,09 90,621.8 62,19 0,29 53,3 15,65 664,28 91,23 7,28 670,73 9,06 74,01 91,08> 1.8 1857 8,77 74,7 655,08 1319,36 100,00 13,19 655,08 8,77 74,70 95,62

Pmi= 21175,3 100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Peso (g.)

% Peso (P)

% Cz (C)

(Ph*Ch) Ph[(Ph*Ch)]/

Ph(P/2)P * C (P*C) P

[(P*C)]/P

Peso muestra inicial: Pmi = 21175.3 g.

Peso después de lavado: Pdl = 21175.31 g.

Porcentaje en pérdidas: 0.61

FORMULAS : : Densidad en la serie de lavadoPeso (g.) : Peso fracción flotada en cada densidad% Peso (P) : Porcentaje en peso de la fracción flotada% Cz (C) : Porcentaje de cenizas de cada fracciónP * C : Porcentaje en peso por contenido de cnizas(P*C) : Acumulado PxCP : Peso acumulado[(P*C)]/P : Cenizas acumuladas(Ph*Ch) : Peso de hundidos por Cenizas de los hundidosPh : Peso de hundidos acumulados[(Ph*Ch)]/Ph : Cenizas de los hundidos acumulados(P/2) : Peso medio acumulado

Datos para Curva I

Datos para Curva II

Datos para Curva III

Datos para Curva IV

convenciones

TABLA DE DATOS PARA GRAFICACION DE CURVAS EN AUTOCAD

TABLA DE DATOS Y CALCULOS PARA CURVAS DE LAVABILIDAD I, II, III Y IV

1.23 3734,2 17,63 3,59 63,31 63,31 17,63 82,37 3,59 100,00 13,19 91,181.25 7424,1 35,06 3,84 134,63 197,94 52,69 47,31 3,76 82,37 15,25 64,841.28 4481,8 21,17 6,99 147,94 345,88 73,86 26,14 4,68 47,31 23,71 36,721.3 893,29 4,22 9,96 42,02 387,90 78,08 21,92 4,97 26,14 37,24 24,031.4 1997,8 9,43 15,6 147,55 535,45 87,51 12,49 6,12 21,92 42,49 17,201.5 475,48 2,25 28,6 64,13 599,58 89,76 10,24 6,68 12,49 62,78 11,361.6 115,64 0,55 38 20,76 620,35 90,30 9,70 6,87 10,24 70,28 9,971.7 133,95 0,63 44,7 28,28 648,63 90,94 9,06 7,13 9,70 72,09 9,381.8 62,19 0,29 53,3 15,65 664,28 91,23 8,77 7,28 9,06 74,01 8,92> 1.8 1857 8,77 74,7 655,08 1319,36 100,00 0,00 13,19 8,77 74,70 4,38

Pmi= 21175,3 100

1 2 3 4 5 6 7 7 8 10 11 12

Ph[(Ph*Ch)]/

Ph(P/2)P * C (P*C) P

[(P*C)]/P

Peso (g.)

% Peso (P)

% Cz (C)

DIFICULTAD DE LAVADO

• A nivel industrial, en la depuración no solo influye la densidad; también el tamaño y forma de las partículas. Esto ocasiona incertidumbre en los datos de las curvas, por lo cual se convierten en datos aproximados que difieren de los resultados reales. El ajuste de este tipo de imprecisión se trata definiendo la dificultad de lavado.

• Dificultad de lavado determina la mayor o menor aptitud de un carbón crudo para dejarse separar en dos fracciones: LAVADOS y ESTERILES.

• Radica en la cantidad de carbón crudo que posee una densidad cercana al valor de la densidad teórica de lavado.

• Se expresa por un valor adimensional que se designa por la letra K y conoce como índice K.

• Se obtiene a partir de la curva de distribución de pesos específicos para un rango de densidad d ± 0.10

• La curva de distribución de pesos específicos se identifica como CURVA V en la gráfica de curvas de lavabilidad y se obtiene a partir de la curva de densidades (Curva IV)

Curva de distribución de pesos específicos para d ± 0.10

• Es el porcentaje de producto que se encuentra comprendido para una densidad base, entre -0.10 y +0.10.

• Ejemplo:

– Para una densidad base = 1.4

– La densidad d - 0.10 = 1.3

– La densidad d+ 0.10 = 1.5

• Los valores determinados de esta manera para las distintas densidades dan una curva en función de la densidad en abscisas.

• Los datos se obtienen y arreglan de acuerdo con el siguiente cuadro:

Cuadro de datos para Curva de distribución de pesos específicos para d ± 0.10

ABSCISAS

DENSIDADESPESOS

ORDENADAS

DIFERENCIA DE PESOS

1.3 P1 -

1.4 P1 + p2 A2 b2 = p2 + p3

1.5 P1 + p2 + p3 A3 b3 = p3 + p4

1.6 P1 + p2 + p3 + p4 A4 b4 = p4 + p5

1.7 P1 + p2 +……….+ p5 A5 b5 = p5 + p6

1.8 P1 + p2 +……….+ p6 A6 b6 = p6 + p7

1.9 P1 + p2 +……….+ p7 A7 b7 = p7 + p8

2.0 P1 + p2 +……….+ p8 -

A partir de la curva IV se toman las ordenadas correspondientes a las densidades 1.3, 1.4, …….., 2.0, registradas en la columna 2 y de las cuales por diferencias sucesivas entre los pesos correspondientes a las densidades alternadas, se obtienen los valores de A2b2, A3b3,….., A7b7 registradas en la columna 3, la cual corresponde a los valores del eje Y. Los valores del eje X, se toman de la columna 1.

Con base en el Indice K, se cualifica la dificultad de lavado y se selecciona el equipo a usar.

Para trazar la curva se emplean las mismas escalas de las curvas anteriores

Trazado de la curva

Insertar curva V

TABLA DE SELECCIÓN DE EQUIPOS CON BASE EN EL INDICE K

INDICE K LAVABILIDAD POSIBLES EQUIPOS PARA LAVADO

0 – 7 FACILToda clase de Equipos: GRANDES TONELAJES

7 – 10MEDIANAMENTE

DIFICIL

Equipos específicos: GRANDES TONELAJES

10 – 15 DIFICILEquipos específicos: TONELAJES MEDIOS

15 – 20 MUY DIFICILEquipos específicos: PEQUEÑOS TONELAJES

20 – 25EXTREMADAMENTE

DIFICIL

Equipos de precisión: PEQUEÑOS TONELAJES

> 25EXCEPCIONALMENTE

DIFICIL

Aplicaciones específicas con equipos de excepcional precisión

RELAVADO• A partir de las curvas de lavabilidad se puede definir si es posible extraer un producto técnica y

económicamente útil a partir de los estériles.

• Este producto se conoce como MIXTOS y debe contener un porcentaje de cenizas que permita su aplicación.

PARAMETROS PARA EL PROCESO DE RELAVADO

• Partiendo de las curvas de lavabilidad en las cuales se definen las condiciones de lavado para un carbón se define la calidad del mixto a obtener; ejemplo:

– Basados en la gráfica de curvas de la diapositiva siguiente, se tiene

• Cenizas permitidas en el carbón lavado: 9%• Rendimiento teórico del lavado: 73%• Estériles 27%• Cenizas de los estériles: 80%• Cenizas en los trozos más limpios de los estériles: 26%

Con base en estos resultados se puede aspirar a obtener mixtos con cenizas del orden del 30%

INSERTAR FIGURA 66

Los estériles se consideran como producto para una nueva operación de lavado.

• Las curvas I y III tienen el mismo comportamiento para este producto, por debajo del rendimiento teórico del proceso inicial.

• La curva II para los mixtos, corresponde a la curva de relavado y debe determinarse.

PROCEDIMIENTO PARA EL TRAZADO DELA CURVA DE RELAVADO

• En la escala de rendimiento teórico, se divide la sección de ineficiencia en tantas partes como puntos se deseen obtener para trazar la curva de relavado.

• Las cenizas de las franjas resultantes de la división quedan determinadas por la curva I• A partir de los pesos y cenizas, se calculan las coordenadas correspondientes para obtener los

puntos intermedios de la curva de relavado.• El origen de la curva es el punto de corte de la primera línea de división con la curva I• El fin de la curva es el intercepto del eje X con la proyección perpendicular del corte de la primera

línea de división con la curva III.

• Para el ejemplo, se obtiene:– Rendimiento de los Mixtos: 3%– Cenizas de los Mixtos: 33%– Cenizas en los trozos más contaminados en los Mixtos: 55%– Cenizas en los trozos más limpios en los Mixtos: 26%– Cenizas de los estériles finales: 83%

RESULTADO FINAL DE LOS PROCESOS DE LAVADO Y RELAVADO

PRODUCTO % PESO % CENIZAS

Carbón lavado 73 9

Mixtos 3 33

Estériles 24 83

CUADRO DE DATOS PARA LAS CENIZAS ACUMULADAS DE LOS MIXTOS

Estudio de casos 1En la siguiente tabla se registran las características de lavabilidad de un

carbón bituminoso de alto azufre, con tamaño máximo de una pulgada y media.

• La columna 1 registra los rangos de tamaño.• L columna 2, registra los porcentajes en peso por tamaño.• Las columnas 3 y 4 registran la gravedad específica del fluido y el

porcentaje en peso de muestra que floto a sp. Gr. = 1.3, pero que se hundió a sp. Gr. = 1.25, en una granulometría de 1 ½ a 3/4 de pulgada equivalente al 31.06% de la granulometría, y al 29.2% de la muestra de carbón crudo compuesto.

• La columna 5 registra el porcentaje en peso de la granulometría, que equivale a los valores de la columna anterior expresados como porcentaje de la muestra de carbón crudo.

• Los datos de las columnas 6 y 7 corresponden a los contenidos de Cenizas y Azufre, que se obtienen experimentalmente.

• Las columnas restantes de la tabla contienen datos calculados para valores de productividad, flotados acumulados y hundidos acumulados.