Reducción de la intensidad energética en plantas modernas de fundición de cobre

Brisbane, Australia

Para distribución Inmediata

La economía de la fundición de cobre siempre ha estado ligada a la energía. A medida que disminuyen las leyes de los concentrados, aumenta la presión regulatoria sobre las emisiones y los costos energéticos se mantienen volátiles, la conversación ha pasado de gestionar la energía como una partida de costos a rediseñar completamente el sistema de horno. Las fundiciones que hoy ganan en costos no solo operan de forma más eficiente. Están diseñadas de manera diferente desde el inicio, con ese resultado en mente.

Por qué el diseño del horno es el punto de partida para las plantas de cobre

La intensidad energética en una planta de fundición de cobre no depende principalmente de qué tan bien se opere un horno. Depende del horno que se eligió. La decisión de diseño fundamental, la geometría del recipiente, el mecanismo de inyección de gas y alimentación, y el grado de enriquecimiento con oxígeno establecen el límite de lo que puede lograrse mediante optimización operativa.

Las operaciones convencionales de fundición en hornos reverberos y altos hornos dependen de la combustión de combustibles fósiles para generar el calor necesario para la fundición. Este método de procesamiento es inherentemente ineficiente. Una gran proporción del calor generado se pierde con los gases de salida, y las concentraciones relativamente bajas de SO₂ en esos gases dificultan cualquier intento de integración con una planta de ácido. Las tasas de captura de azufre son más bajas, el cumplimiento de emisiones es más difícil de mantener y el costo energético por tonelada de cobre producido sigue siendo estructuralmente alto.

La fundición en horno reverbero tuvo un papel clave en el desarrollo histórico de la industria del cobre, especialmente en el procesamiento de minerales sulfurados de cobre y en la formación de mata de cobre. Sin embargo, su ineficiencia energética y la dificultad para capturar dióxido de azufre llevaron a su reemplazo gradual por métodos más eficientes. La introducción del horno reverbero en Chile alrededor de 1830 revolucionó el procesamiento de concentrados de cobre en la región y aumentó significativamente la capacidad de producción.

El horno de fundición de baño con lanza superior sumergida (TSL) ISASMELT™ funciona de manera diferente. La lanza inyecta una corriente controlada de aire enriquecido con oxígeno directamente en el baño de escoria fundida, donde ocurren las reacciones químicas. La alta turbulencia del baño acelera la transferencia de calor y masa, concentra la energía de reacción en el punto de entrada del gas y reduce drásticamente el volumen de gases de salida generado por tonelada de material procesado. Menos gases de salida significan menos energía perdida en la corriente de escape y una mayor concentración de SO₂, adecuada para tratamiento en planta de ácido y captura de azufre.

Esto no es una optimización incremental. Es un principio operativo completamente distinto. La fundición es esencial porque conecta el producto minero primario con el cobre de calidad catódica final y utilizable, vital para la transición hacia energías renovables, al proporcionar materiales para paneles solares, vehículos eléctricos y sistemas de defensa nacional.

Enriquecimiento con oxígeno y tasas específicas de fundición de concentrado de cobre

La principal palanca energética en un horno de fundición de cobre ISASMELT™ es el enriquecimiento con oxígeno del aire de la lanza. Aumentar la proporción de oxígeno en la corriente de la lanza permite a los operadores sostener las reacciones de fundición con menor volumen total de gas, reducir la energía necesaria para calentar el nitrógeno inerte del aire y aumentar la tasa específica de fundición: las toneladas de concentrado tratadas por unidad de volumen de baño fundido por unidad de tiempo.

En la fundición primaria de cobre, el horno ISASMELT™ normalmente opera con concentraciones de oxígeno en el aire de la lanza de entre 60 y 90% de O₂. Este valor de enriquecimiento suele seleccionarse durante el diseño para que el proceso pueda acercarse a una operación autógena, en la que el azufre y el hierro del concentrado proporcionan suficiente energía para la fundición con un aporte mínimo de combustible externo.

En el horno ISASMELT™ de cobre de Kazzinc en Ust-Kamenogorsk, la operación fue a menudo autógena en la práctica. La caldera de recuperación de calor residual recibió alrededor de 30% menos gas que su volumen de diseño porque se necesitó muy poco combustible suplementario. Ese es un ahorro energético directo incorporado en la química del proceso, no logrado mediante esfuerzo operativo.

Esta ventaja en la tasa específica de fundición se traduce directamente en ahorros de capital y operación. Un solo horno ISASMELT™ ha demostrado capacidades de producción superiores a 330.000 toneladas por año de cobre, con tasas instantáneas de alimentación de concentrado superiores a 200 toneladas por hora. La planta de Southern Peru Copper Corporation (SPCC) en Ilo procesó 1.200.000 toneladas de concentrado de cobre por año a través de un solo horno. SPCC seleccionó la tecnología ISASMELT™ por su capacidad comprobada a esa escala y por sus menores costos de capital y operación en comparación con todas las tecnologías competidoras. Para junio de 2009, la planta operaba hasta 183 t/h con un enriquecimiento promedio de oxígeno de 66,7% en el aire de la lanza.

Un horno compacto que procesa altos volúmenes con alto enriquecimiento de oxígeno requiere una menor superficie construida, menos sistemas auxiliares y menor inversión de capital por tonelada de capacidad anual. Estas son ventajas estructurales de costos, no afirmaciones comerciales generales.

Parámetros operativos de ISASMELT™ en aplicaciones de fundición

La siguiente tabla se basa en datos operativos de numerosas instalaciones ISASMELT™ y muestra cómo escalan el enriquecimiento de oxígeno del aire de proceso, el flujo de lanza y el tamaño del horno en distintas aplicaciones de fundición. El contraste entre la fundición secundaria de plomo y la fundición primaria de cobre ilustra cómo el diseño se adapta a demandas térmicas y químicas específicas.

Fuente: ISASMELT™ 2020 Compendium of Technical Papers, Glencore Technology.

Lo destacable es que incluso los hornos primarios de cobre más grandes, que tratan hasta 1.400.000 tpa de alimentación, lo hacen dentro de un recipiente de 4,5 metros de diámetro interno. La relación entre capacidad y huella es excepcional y tiene implicancias directas tanto para la eficiencia de capital como para la viabilidad de modernizar infraestructura existente en fundiciones.

El diseño de los hornos de fundición debe considerar la composición mineralógica y el contenido de cobre de los concentrados procesados, ya que estos factores influyen en la eficiencia de extracción, la formación de escoria y la recuperación general de cobre. La fundición ayuda a reducir enormes volúmenes de roca extraída de los yacimientos en un producto concentrado, denso y de alto valor, lo que es un factor clave en la economía de la producción de cobre.

Recuperación de calor residual

Todo horno de fundición genera gases calientes de salida. La diferencia entre una operación altamente eficiente y una ineficiente muchas veces depende de cómo se captura y utiliza ese calor.

Los hornos ISASMELT™ se integran con calderas de recuperación de calor residual (WHB)

que enfrían la corriente de gases de salida y, al mismo tiempo, generan vapor para uso en planta o generación de energía. Ese vapor compensa la energía comprada para calefacción, requerimientos de proceso y servicios de planta. En Kazzinc, la WHB fue dimensionada y diseñada con cuidadosa atención al perfil de flujo de gas y demostró ser robusta en la práctica, sin que las incrustaciones de polvo del concentrado con contenido de plomo afectaran negativamente la transferencia de calor, como se había temido inicialmente durante la planificación del proyecto.

Los resultados de desempeño en la planta Kayser Recycling System (KRS) de Aurubis en Lünen, Alemania, ponen cifras a lo que puede lograr esta sustitución tecnológica. Un solo horno ISASMELT™ reemplazó tres altos hornos y un convertidor Peirce-Smith. Los resultados reportados fueron:

• Reducción del consumo energético en más de 50%.
• Reducción de emisiones de CO₂ en más de 64%.
• Reducción de emisiones generales en toda la operación en 90%.
• Capacidad de producción superior al diseño original en 40%.

Estos resultados provinieron de una sustitución tecnológica, no de un programa incremental de mejora operativa.

Los gases de salida de un horno ISASMELT™ con alto enriquecimiento de oxígeno tienen una concentración de SO₂ mayor que la producida por tecnologías heredadas. El gas rico en SO₂ es la alimentación necesaria para la producción en plantas de ácido sulfúrico, lo que convierte la captura de azufre tanto en un resultado de cumplimiento ambiental como en una fuente de ingresos. Las fundiciones que anteriormente liberaban SO₂ de baja concentración a la atmósfera, o que no podían enviar el gas a plantas de ácido de contacto porque las concentraciones eran demasiado bajas, pueden cerrar ese ciclo con la tecnología ISASMELT™.

Flexibilidad del horno y manejo de alimentación

Una de las ventajas energéticas menos valoradas del diseño ISASMELT™ es su tolerancia a la variabilidad en la calidad de alimentación. En la fundición convencional, la preparación de alimentación - particularmente la molienda y el secado - requiere alta inversión de capital y energía. Cualquier desviación respecto de las propiedades de alimentación de diseño puede causar paradas significativas o reducción de capacidad.

El proceso de fundición de baño ISASMELT™ es inherentemente tolerante a las variaciones de alimentación y puede procesar una amplia gama de tasas de alimentación, composiciones, niveles de impurezas, niveles de humedad y tamaños o formas. Por ello, los requerimientos de preparación de alimentación son mínimos: un tambor de aglomeración, tolvas, correas transportadoras y alimentadores son suficientes para la mayoría de los tipos de concentrado. La alimentación cae en el baño agitado por la lanza, donde los parámetros de control automatizado mantienen los productos del horno dentro de un rango estrecho, independientemente de los cambios en las propiedades de alimentación.

En Kazzinc, el horno ISASMELT™ de cobre manejó concentrados significativamente diferentes de la especificación original de diseño, incluyendo aumentos proporcionales de plomo y antimonio superiores a 50% y una disminución proporcional del contenido de sílice de más de 50%. La respuesta operativa se limitó a ajustar las tasas de adición de fundente de sílice y a realizar ajustes menores en la operación del horno. El horno continuó operando dentro de parámetros aceptables durante todo el periodo.

La flexibilidad de alimentación reduce la carga energética y de costos asociada con la preparación de la alimentación y minimiza las interrupciones operativas que conducen a condiciones de fundición subóptimas y a un mayor uso de energía por tonelada.

El diseño ISASMELT™ también permite arranques y paradas rápidas. A diferencia de los hornos reverberos, que requieren periodos prolongados de calentamiento y enfriamiento, el recipiente compacto revestido con refractario alcanza la temperatura operativa con mayor rapidez y puede reiniciarse sin extensas campañas de recalentamiento del baño. Esta ventaja reduce la energía consumida durante el tiempo no productivo del horno, un costo real y medible para operaciones que experimentan interrupciones planificadas o no planificadas.

Eliminación de impurezas y simplificación del flowsheet

Los elementos de impureza en los concentrados de cobre, incluyendo arsénico, plomo, bismuto, antimonio y zinc, deben eliminarse para producir cobre de calidad aceptable y proteger los equipos de refinería aguas abajo. En flowsheets de fundición convencional, la gestión de impurezas suele requerir pasos adicionales de proceso, tratamiento dedicado de escoria o reciclaje de corrientes cargadas de impurezas de regreso al horno principal, con un costo energético adicional.

El proceso ISASMELT™ aprovecha la fuerte agitación del baño y las altas temperaturas de operación para volatilizar elementos de impureza hacia la fase gaseosa a tasas que la fundición convencional no puede igualar. Elementos como arsénico, plomo y zinc reportan preferentemente a la corriente de gases de salida, donde son capturados en el circuito de limpieza de gases. Estas altas tasas de volatilización reducen la necesidad de pasos adicionales de eliminación de impurezas aguas abajo y simplifican el flowsheet general del proceso.

En la planta ISASMELT™ de Yunnan Copper Corporation (YCC) en China, los datos a escala comercial confirmaron la capacidad del horno para eliminar eficientemente elementos de impureza volátiles, en línea con la experiencia operativa de Mount Isa Mines. En Kazzinc, la capacidad del horno ISASMELT™ para tolerar y eliminar elementos de impureza volátiles, incluyendo plomo, arsénico, zinc, bismuto y antimonio, fue identificada como un beneficio específico de proceso y un criterio de selección para tratar concentrados polimetálicos.

Un flowsheet más simple es un flowsheet más eficiente energéticamente. Menos etapas de proceso significan menos horas de horno, menor consumo de reactivos y menos equipos auxiliares que alimentar.

El caso de retrofit: modernización de fundiciones existentes para refinación electrolítica y reducción energética

No todos los proyectos de refinación electrolítica y reducción energética comienzan con una planta nueva. Para muchas operaciones, la oportunidad está en reemplazar o complementar hornos existentes dentro de una fundición en operación.

El horno vertical ISASMELT™ tiene una huella pequeña en relación con su capacidad. El recipiente cilíndrico, revestido con refractario, compacto, estacionario y en gran medida cerrado, puede instalarse en sitios de fundición existentes para complementar o reemplazar tecnología existente. Estos factores reducen el capital civil e infraestructura necesario para modernizar la fundición y permiten incorporar nueva capacidad sin detener completamente la planta.

La modernización de la fundición de cobre Mopani en Mufulira, en el Copperbelt de Zambia, la fundición de Vedanta en India y las plantas de Yunnan Copper Corporation en Chuxiong y Chambishi son ejemplos de instalaciones ISASMELT™ que representan actualizaciones tecnológicas en lugar de proyectos greenfield. Cada una aportó mejor desempeño energético, mayor control de emisiones y mayor capacidad por unidad de capital instalado.

La planta de Umicore en Hoboken, Bélgica, procesa hasta 300.000 toneladas por año de materiales secundarios complejos, incluyendo residuos con cobre y plomo que contienen metales preciosos, en un solo horno ISASMELT™ puesto en marcha en 1997. Operando en condiciones exigentes de fundición secundaria, con el horno alternando entre modos de fundición y conversión a diferentes presiones parciales de oxígeno, el refractario alcanzó campañas de 15 meses entre reemplazos completos de ladrillos. Ese es un desempeño comercial sostenido durante décadas, no un resultado piloto.

Control de emisiones como parte del sistema energético

Los estándares modernos de emisiones para SO₂, material particulado y gases fugitivos no están separados del diseño energético de una planta de fundición. Son parte de él.

Una planta de fundición de cobre que genera gases de salida de alto volumen y baja concentración de SO₂ enfrenta tanto mayores costos energéticos para tratar ese gas como un desafío de cumplimiento más difícil. Lavar o tratar corrientes diluidas de SO₂ requiere importantes insumos de reactivos y energía, y con frecuencia aun así no alcanza las tasas de captura de azufre que hoy exigen los reguladores.

El horno ISASMELT™ es estacionario y completamente cerrado. La geometría del recipiente ISASMELT™ elimina las emisiones fugitivas que caracterizan a los diseños de hornos abiertos, rotatorios o basculantes. El SO₂ concentrado en la corriente de gases de salida es adecuado para procesamiento en plantas de ácido de contacto, logrando altas tasas de captura de azufre sin las penalidades de tratamiento asociadas con gases diluidos. Cumplir con los estándares modernos de emisiones está incorporado en la arquitectura del proceso, en lugar de abordarse con sistemas adicionales de lavado que conllevan su propio costo de capital y demanda energética continua.

En la operación de Kazzinc en Ust-Kamenogorsk, la introducción del horno ISASMELT™ de cobre contribuyó a una reducción importante de la contaminación atmosférica del complejo metalúrgico. La nueva planta cumplió con las regulaciones ambientales de Kazajistán, con emisiones menores de la nueva instalación que contrastaban marcadamente con el desempeño del equipo que reemplazó.

Tomar la decisión de modernización

El procesamiento de cobre es un proceso de múltiples etapas que involucra métodos físicos, químicos y electroquímicos para extraer cobre de sus minerales, con métodos que varían por país según la fuente del mineral y las regulaciones locales. Para ingenieros y gerentes de planta que evalúan opciones de modernización o reemplazo de hornos, la pregunta sobre intensidad energética no puede responderse mirando el consumo de combustible de forma aislada. La visión completa incluye:

El volumen de gases de salida y la concentración de SO₂, y lo que eso implica para la integración con plantas de ácido y la captura de azufre.
El potencial de recuperación de calor residual y el valor de la generación de vapor.
Los requerimientos de preparación de alimentación y la energía incorporada en esos pasos.
El costo energético de la gestión de impurezas en procesos aguas abajo.
La eficiencia de capital: qué capacidad puede lograrse por unidad de volumen de horno instalado.
La infraestructura de cumplimiento de emisiones: qué sistemas de tratamiento son necesarios y cuánto cuesta operarlos.

El paquete tecnológico ISASMELT™, desarrollado por Glencore Technology y actualmente instalado en fundiciones de cobre en seis continentes con una capacidad combinada anual de tratamiento superior a seis millones de toneladas de alimentación, aborda cada una de esas dimensiones como un sistema integrado. La tecnología ISASMELT™ ha sido probada a escalas desde 70.000 tpa hasta más de 1.200.000 tpa mediante un solo horno, en tipos de alimentación primaria y secundaria, y en entornos operativos que van desde zonas remotas de Australia hasta Kazajistán, Zambia, Perú, China y Bélgica.

Reducir la intensidad energética en una planta de fundición de cobre comienza con la tecnología del horno. Todo lo demás se optimiza aguas abajo.

Hable con Glencore Technology

Si está evaluando la modernización de un horno, planificando una nueva planta de fundición de cobre o buscando reducir la intensidad energética y de emisiones de una operación existente, el equipo de ISASMELT™ cuenta con los datos de proceso, la capacidad de ingeniería y la trayectoria operativa para apoyar su proyecto desde la factibilidad hasta la puesta en marcha y más allá.

Póngase en contacto en glencoretechnology@glencore.com.au o visite nuestra página de contacto para conocer más sobre el paquete tecnológico ISASMELT™ y lo que ha entregado a fundiciones de cobre a nivel global.