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
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
Flotabilidad de carbones en celdas
Tecnologías Avanzadas de Flotación
Aplicaciones de flotación en Colombia
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
Flotabilidad de carbones en celdas
Tecnologías Avanzadas de Flotación
Aplicaciones de flotación en Colombia
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
Características del carbón que afectan la Flotación
Flotabilidad de carbones en celdas
Tecnologías Avanzadas de Flotación
Aplicaciones de flotación en Colombia
Conclusiones
Aplicaciones de flotación en Colombia
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
Características del carbón que afectan la Flotación
Flotabilidad de carbones en celdas
Tecnologías Avanzadas de Flotación
Aplicaciones de flotación en Colombia
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 !!!