Mejorando la recuperación de carbón mediante el diseño del circuito de flotación

La recuperación de carbón en un circuito de flotación de partículas finas está determinada por el desempeño de las celdas de flotación individuales. Dos circuitos que procesan la misma alimentación, bajo el mismo esquema de reactivos y con el mismo tiempo de residencia nominal, pueden producir recuperaciones de material combustible marcadamente diferentes, debido a que la cinética dentro de cada celda es distinta. La dispersión de aire, el tamaño de las burbujas y el comportamiento de la espuma influyen en la adhesión de las partículas, su transporte a través de la pulpa y, en última instancia, en la recuperación en la espuma.

Lograr un diseño correcto del circuito de flotación para carbón comienza por comprender dónde se genera y dónde se pierde la recuperación dentro de la celda, y posteriormente controlar de manera intencional la dispersión de aire y el comportamiento de la espuma. Esta publicación analiza las tres zonas dentro de una celda de flotación, lo que indican los estudios publicados sobre la relación aire-pulpa y el comportamiento de la espuma, y cómo un diseño optimizado aborda estos factores.

En una planta de manejo y preparación de carbón, la separación por gravedad se utiliza para las fracciones de tamaño más grueso. A medida que disminuye el tamaño de las partículas de carbón, la eficiencia de los métodos convencionales de separación basados en la gravedad también disminuye. Los espirales y otros equipos de gravedad siguen siendo eficaces dentro de parte del rango de carbón fino, pero la flotación por espuma se convierte en el método de beneficio preferido para las fracciones más finas, donde la separación está determinada por las propiedades superficiales más que por la densidad por sí sola.

Esta función de flotación no es secundaria. El carbón fino suele representar la diferencia entre un producto comercializable y un recurso desperdiciado, y el circuito que lo procesa constituye la herramienta más importante de que disponen los operadores para maximizar la recuperación de finos.

El diseño del circuito también implica mucho más que la cantidad de celdas. Determina cuánto aire se dispersa donde realmente importa, cómo se ponen en contacto las burbujas y las partículas, cómo se transporta el carbón hacia el canal de concentrado y cuánto de la fracción fina queda expuesta a la captura por burbujas. Si estos aspectos no se gestionan correctamente, ningún esquema de reactivos podrá recuperar la diferencia.

Una Celda Jameson consta de tres zonas principales: el bajante (downcomer), la zona de pulpa del tanque y la zona de espuma del tanque. Cada una se comporta de manera diferente y responde a distintos parámetros de control.

El bajante (downcomer)

El bajante es donde se produce el contacto intenso entre las burbujas de aire y las partículas. La pulpa se bombea como alimentación a la celda y pasa a través de un distribuidor de alimentación, que la reparte entre los bajantes. Dentro de cada bajante, la pulpa atraviesa a presión un orificio de lente de pulpa, creando un chorro de alta presión. Este chorro cizalla y arrastra aire de la atmósfera. La extracción de aire dentro del bajante genera un vacío que eleva una columna de líquido en su interior y permite que la celda sea autoaspirante. No se requieren sopladores, compresores ni difusores de aire.

Posteriormente, el chorro se introduce en esa columna de líquido. La energía cinética del impacto fragmenta el aire arrastrado en burbujas muy finas, normalmente de entre 0,3 mm y 0,5 mm de diámetro, que colisionan con las partículas de carbón. La gran cantidad de burbujas finas proporciona una superficie muy amplia para la adhesión de partículas y, combinada con una mezcla intensa, da lugar a una rápida adhesión de partículas y a una elevada capacidad de procesamiento de la celda.

La zona de pulpa del tanque

La zona de pulpa actúa principalmente como una zona de separación. Después de salir del bajante, las burbujas cargadas de carbón se separan de la pulpa y ascienden hacia la espuma con la ayuda de un espumante, mientras que los patrones de flujo de recirculación mantienen las partículas en suspensión sin necesidad de agitación mecánica.

Dado que la etapa de captura se realiza por separado en el bajante, el tanque no se dimensiona en función del tiempo de residencia. La Celda Jameson depende del contacto más que del tiempo de residencia, por lo que sus volúmenes de tanque son considerablemente menores que los de una celda mecánica o una columna de flotación equivalente.

La zona de espuma del tanque

La zona de espuma transporta las partículas de carbón recuperadas hacia el canal de concentrado, al tiempo que permite que el exceso de agua y parte de la materia mineral arrastrada drenen de regreso a la pulpa. La ley del concentrado se controla en esta etapa mediante el drenaje de la espuma y, cuando está disponible, mediante el lavado de espuma. La distancia de recorrido de la espuma y las cargas sobre el borde de descarga del concentrado son elementos fundamentales del diseño del tanque.

Por qué es importante separar las tres zonas

Históricamente, la recuperación de carbón en una celda de flotación se reportaba como un único valor para toda la celda. Un estudio publicado por Harbort, Cowburn y Manlapig en 2004 separó las tres zonas y midió la recuperación en cada una de ellas. Sus resultados mostraron que el bajante es la zona principal para la recuperación de material combustible, que la zona de espuma es la mayor fuente de pérdida de partículas y que la zona de pulpa recupera parte de las partículas perdidas en la espuma o no capturadas en el bajante.

Esto tiene implicaciones importantes para el diseño de circuitos, ya que el bajante, la zona de pulpa y la zona de espuma no funcionan de forma independiente. Los cambios que mejoran la recuperación en una zona pueden influir en el desempeño de las demás, por lo que la celda debe optimizarse como un sistema integrado y no zona por zona. Una descripción más completa del mecanismo puede encontrarse en los principios operativos de la Celda Jameson.

El aire es la principal variable de control en el bajante (downcomer), y su efecto depende en gran medida del tamaño de las partículas.

En los ensayos realizados por Harbort, el aumento de la relación aire-pulpa tuvo un efecto significativo sobre la recuperación de carbón fino inferior a 125 µm. Un mayor volumen de aire genera una mayor superficie de burbujas y más oportunidades para que una partícula hidrofóbica fina se adhiera a ellas. Por encima de 125 µm, este efecto disminuye progresivamente y, para la fracción superior a 500 µm, se observó que relaciones aire-pulpa más elevadas reducían ligeramente la recuperación de material combustible.

Existe un límite para el incremento de la tasa de aire. A medida que aumenta la relación aire-pulpa, se forma en el bajante una zona de mezcla claramente definida con alta turbulencia, seguida por un régimen de flujo en tubería. Si se continúa aumentando el aire, deja de incorporarse aire adicional, por lo que el único resultado es una disminución del vacío en el bajante. Si el vacío se reduce hasta el punto de que la zona de mezcla deja de estar contenida dentro del bajante, el contacto entre burbujas y partículas se vuelve insuficiente para la captura, y la recuperación de la fracción más fina disminuye.

El aspecto práctico es que una única tasa de aire fija no permite maximizar la recuperación. Un circuito diseñado para mantener el punto operativo adecuado según la distribución granulométrica de su alimentación superará sistemáticamente a uno que no lo esté. Esta es también la razón por la que el sistema de recirculación de relaves es importante: proporciona un caudal volumétrico constante de pulpa a cada bajante incluso cuando los flujos de la planta fluctúan, y permite que las partículas atraviesen varias veces la zona de contacto.

Las pérdidas de recuperación en la zona de espuma aumentan a medida que se prolonga el tiempo de residencia de la espuma. Las partículas de carbón, especialmente las más finas, tienen una mayor probabilidad de desprenderse de las burbujas o de drenar de regreso a la pulpa antes de llegar al concentrado. Mantener una profundidad de espuma adecuada y garantizar un transporte eficiente de la espuma hacia el canal de concentrado ayuda a minimizar estas pérdidas.

La tasa de estas pérdidas no es uniforme en toda la distribución granulométrica. Los ensayos de Harbort mostraron que las partículas menores de 63 µm prácticamente no se veían afectadas por el tiempo de residencia de la espuma, mientras que por encima de 63 µm la tasa de pérdida aumentaba de forma pronunciada antes de estabilizarse en el rango de 125 µm a 1000 µm. Por lo tanto, el efecto de una determinada profundidad de espuma sobre la recuperación global depende de la distribución real de tamaños presente en la alimentación.

De ello se derivan dos implicaciones. En primer lugar, una espuma profunda y de movimiento lento reduce la recuperación independientemente de la calidad de la captura realizada en el bajante (downcomer). En segundo lugar, modelar el comportamiento de la espuma frente a las variaciones esperadas de la alimentación merece la inversión de esfuerzo, ya que los operadores que comprenden esta relación en su propio sistema pueden equilibrar deliberadamente la ley del concentrado y la recuperación de material combustible, ajustando el contenido de cenizas del concentrado sin sacrificar recuperación innecesariamente.

La zona de pulpa compensa parte de estas pérdidas. En el mismo programa de ensayos, realizado con una relación aire-pulpa fija y una fracción de vacío de aire constante en el tanque, aproximadamente el 70% del carbón perdido en la zona de espuma se recuperó en la zona de pulpa para partículas superiores a 125 µm, porcentaje que aumentó hasta alrededor del 90% para partículas inferiores a 125 µm. Estas cifras proceden de un único conjunto de condiciones de prueba y no de un estudio estadístico completo, por lo que deben considerarse una indicación del efecto y no una regla de diseño. En cualquier caso, la zona de pulpa recupera parte de las pérdidas; no elimina la necesidad de controlar el comportamiento de la espuma.

Tres principios de diseño se desprenden del análisis de las tres zonas. La adhesión de partículas debe ser lo suficientemente intensa como para que la mayor parte de la captura ocurra antes de que la pulpa llegue al tanque. La dispersión de aire debe poder controlarse para ajustarse a la distribución granulométrica de la alimentación. Y el transporte de espuma debe ser lo suficientemente eficiente como para preservar lo que el bajante (downcomer) ya ha recuperado.

La Celda Jameson está diseñada teniendo en cuenta estos tres principios.

La adhesión de partículas ocurre en el bajante. El chorro de alta presión que se introduce en la columna de líquido y el aire autoaspirado generan burbujas muy finas con una elevada área superficial, de modo que la mayor parte de la captura se logra antes de que la pulpa llegue al tanque.

La dispersión de aire se controla mediante el bajante, sin necesidad de sopladores ni difusores externos. La generación de burbujas se mantiene constante y la relación aire-pulpa puede ajustarse a las características de la alimentación en lugar de verse comprometida por ellas.

El transporte de espuma se gestiona a través del diseño del tanque. La distancia de recorrido de la espuma y la carga sobre el borde de descarga del concentrado se dimensionan para transportar eficientemente el concentrado hacia el canal de recolección, mientras que el lavado de espuma elimina las cenizas arrastradas sin depender de largos tiempos de residencia de la espuma, los cuales reducen la recuperación en las celdas convencionales.

La primera instalación de una Celda Jameson a escala industrial para carbón se realizó en Newlands en 1990, después de que la industria carbonífera australiana sirviera como plataforma de pruebas durante la década de 1980. Para 2010, ya había más de 100 celdas para carbón instaladas solo en Australia. La mayor instalación para carbón, en Curragh, procesa más de 5 Mtpa de finos de carbón utilizando únicamente doce celdas. Las Celdas Jameson también están instaladas en operaciones carboníferas de África, Norteamérica, Asia y Europa, y su integración en plantas modulares ha ampliado el uso de la tecnología a la recuperación de finos de carbón procedentes de depósitos de relaves.

Para un operador que evalúa el diseño de un circuito de flotación, la implicación práctica es que la adhesión de partículas, la dispersión de aire y el transporte de espuma no son tres problemas independientes. Son un único problema.

¿Qué es una celda de flotación y cómo funciona en el procesamiento de carbón?

Una celda de flotación es un recipiente donde las partículas hidrofóbicas de carbón se adhieren a burbujas de aire y ascienden hacia una capa de espuma para su recuperación, mientras que las partículas de ceniza hidrofílicas permanecen en la pulpa y se descargan hacia los relaves. En las plantas de preparación de carbón, la flotación se utiliza para las fracciones finas, donde la separación por gravedad se vuelve progresivamente menos eficaz y la separación depende de las propiedades superficiales más que de la densidad.

¿Por qué el bajante (downcomer) es la zona principal para la recuperación de carbón en una Celda Jameson?

El bajante es la zona donde se produce el contacto intenso entre burbujas y partículas. Un chorro de alta presión que se introduce en una columna de líquido arrastra aire y lo fragmenta en burbujas muy finas. La combinación de una mezcla intensa y una gran área superficial de burbujas favorece una rápida adhesión de las partículas. La mayor parte de la captura se consigue antes de que la pulpa llegue al tanque, que posteriormente se encarga de la separación y del transporte de la espuma.

¿Cómo afecta la relación aire-pulpa a la recuperación de carbón?

El efecto depende del tamaño de las partículas. Para el carbón fino menor de 125 µm, una relación aire-pulpa más elevada aumenta significativamente la recuperación, ya que existe una mayor superficie de burbujas disponible para la adhesión. Por encima de 125 µm, este efecto disminuye y, para la fracción superior a 500 µm, se ha observado que relaciones más altas pueden reducir ligeramente la recuperación de material combustible. Lo importante es ajustar la tasa de aire a la distribución granulométrica de la alimentación.

¿Qué causa las pérdidas de recuperación en la zona de espuma?

Las pérdidas de recuperación en la zona de espuma aumentan a medida que se prolonga el tiempo de residencia de la espuma. Las partículas de carbón, especialmente las más finas, tienen una mayor probabilidad de desprenderse de las burbujas o drenar de regreso a la pulpa antes de llegar al canal de concentrado. Mantener una profundidad de espuma adecuada y garantizar un transporte eficiente de la espuma hacia el canal de recolección es fundamental para limitar estas pérdidas.

El diseño del circuito de flotación determina cuánto carbón fino termina en el concentrado y cuánto termina en los relaves. Cada una de las tres zonas presentes en una celda responde a diferentes variables de control y, como interactúan entre sí, optimizar una de manera aislada puede provocar silenciosamente pérdidas de recuperación en otra. Lograr conjuntamente una correcta adhesión de partículas, dispersión de aire y transporte de espuma es lo que distingue a un circuito que alcanza sus objetivos de recuperación de otro que deja carbón comercializable en el depósito de relaves.

Los estudios publicados proporcionan una guía útil para comprender los mecanismos involucrados, pero no sustituyen el conocimiento del comportamiento específico de la alimentación de cada operación. La distribución granulométrica, el contenido de cenizas, las características superficiales y la respuesta a los reactivos varían entre plantas, y son estos factores los que determinan dónde existe potencial de recuperación dentro del circuito. Los ensayos realizados con la alimentación real son la forma más rápida de desarrollar un diseño sólido, ya sea para revisar un circuito de carbón existente o para especificar uno nuevo. Estos ensayos permiten identificar dónde se están produciendo las pérdidas de recuperación y estimar de manera realista los beneficios que podría aportar un cambio en la selección o configuración de las celdas.

Póngase en contacto con Glencore Technology para analizar la realización de pruebas con Celdas Jameson para su operación, o realice una primera estimación de dimensionamiento utilizando la calculadora de Celdas Jameson.

FIN

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