Optimización del Consumo de Agua en Operaciones Minero Metalúrgicas (Procesos Metalúrgicos)
Daryle Cotrado, Southern Peru, Peru, Jefe de Proyecto HPGR, HPGR, Tel: 466111 anexo anexo 6291
[email protected] Javier Roman, Southern Roman, Southern Peru, Ingeniero de Procesos, Tel. 466111 anexo 2499,
[email protected]
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Resumen
cada caso es importante destacar las ventajas y también sus desventajas, los cuales están relacionados al tipo de mineral procesar, al proceso productivo y la disposición final del relave densificado.
El agua se ha convertido en un recurso muy escaso y valioso especialmente en regiones áridas como la costa Peruana, por tal razón es de suma importancia su aprovechamiento racional y la optimización de su consumo, con miras a garantizar proyectos de desarrollo sustentable. En la última década Southern Perú Copper Corporation (SPCC) ha venido estudiando e incorporando a su proceso productivo tecnologías que le han permitido optimizar el consumo de agua en sus operaciones y ampliaciones de planta, ya que con las tecnologías tradicionales de procesamiento no sería posible garantizar la sostenibilidad de las operaciones mineras en general.
Tecnologías para el Manejo Eficiente del Recurso Hídrico
2.1
Espesadores
En las operaciones metalúrgicas de concentración de minerales, estos equipos representan la primera línea para la recuperación de agua de los relaves producidos en la etapa de flotación, el relave final tiene una densidad de sólidos mayor como consecuencia del espesamiento, el relave espesado es transportado a través de un sistema de canales o de tubería hasta su disposición final en las represas acondicionadas para tal fin.
El objetivo del presente trabajo es presentar tecnologías que posibilitan optimizar el consumo de agua, entre éstas destacan con mayores ventajas los espesadores de alta densidad, espesadores de pasta, filtros faja, filtros prensa, hidrociclones, etc. La limitante de estas tecnologías es el alto costo operativo y de inversión, su adecuación al proceso productivo, el tipo de mineral a tratar, entre otros; estos temas son analizados a través de diagramas de flujo típicos y arreglos generales.
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2.
Fundamento de su funcionamiento Los espesadores en general se fundamentan en la capacidad de sedimentación de las partículas por efecto de su peso específico, la gravedad y asistidos por compuestos floculantes que promueven la formación de flóculos y por tanto sedimentación de las partículas más finas.
Introducción
Figura 1. Diagrama esquemático del funcionamiento de los espesadores
El agua es un recurso escaso y valioso, cuya disponibilidad y obtención de licencias determina la viabilidad o no de un proyecto minero, por tal razón es indispensable incorporar en las operaciones actuales, en las expansiones de planta y nuevos proyectos, tecnologías que permitan optimizar el uso del recurso hídrico, favoreciendo de esta manera la sostenibilidad del Negocio Minero con respecto a su entorno. SPCC deposita los relaves de las concentradoras de Toquepala y Cuajone en el embalse de relaves denominado "Quebrada Honda", la cual originalmente no fue diseñada para la recuperación de agua; sino sólo para el almacenamiento de relaves. Las expansiones de ambas concentradoras han hecho que la vida operativa de dicha represa se reduzca significativamente; mientras que paralelamente las reservas de Mina se incrementaron; por tal razón se ha venido estudiando alternativas orientadas a optimizar el manejo del recurso hídrico y la disposición de relaves.
Ref: Outotec Perú, 2008
Tal como se aprecia en la figura anterior, debido a la sedimentación continua de los flóculos se forman gradientes de densidad a lo largo de la altura del espesador, de esta manera el sistema alcanza un equilibrio hidrodinámico con diferentes densidades de pulpa al interior del espesador, razón por la cual el agua con menor contenido de sólidos (agua recuperada) asciende hasta la superficie como consecuencia de la presión ejercida por la pulpa de mayor densidad.
En el presente trabajo se proponen alternativas tecnológicas que posibilitan el aprovechamiento y uso eficiente del recurso hídrico, mejorándose los conceptos de espesamiento y disposición de relaves. Entre las tecnologías que destacan tenemos: Los espesadores de Alta Densidad y de Pasta; los sistemas de Filtrado y separación. En
El rendimiento de este tipo de equipos está determinado por la eficiencia del mezclado entre la pulpa, el agua de dilución y el floculante, dicho fenómeno toma lugar en el sistema de auto dilución. El diseño de los sistemas de auto dilución
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obedece a desarrollos propios de las compañías especializadas en el diseño y fabricación de estos equipos.
2.1.1
Espesadores Convencionales
Los espesadores convencionales se caracterizan por su gran área superficial y muy baja eficiencia, se alcanzan niveles de espesamiento del orden de 50% de sólidos en su descarga; la capacidad de tratamiento de este tipo de equipos esta en el rango de 1 - 1.5 t/m2.
El tipo de mineral a procesar es determinante para el diseño y dimensionamiento de espesadores, siendo la reología de la pulpa, el parámetro determinante que proporciona información sobre la resistencia al flujo de la pulpa espesada, esta información permite dimensionar el sistema de accionamiento del mecanismo y rastras del espesador.
No existen limitaciones en cuanto al transporte del producto espesado a través de canales o tubería; sin embargo es necesario incorporar en el diseño del sistema de transporte consideraciones de granulometría, pendiente y reología, a fin de evitar la segregación de partículas en el trayecto del sistema de conducción. La mayor desventaja de esta tecnología es la baja eficiencia para la recuperación eficiente del recurso hídrico.
Densidad de pulpa La densidad de pulpa es el parámetro que cuantifica el contenido de sólidos de una pulpa (mezcla de agua y mineral), en general se entiende que los relaves finales del proceso de flotación debieran tener el mayor contenido de sólidos posible y por tanto menor contenido de agua. En función al nivel de espesamiento deseado es posible clasificar las densidades de pulpa en densidades: Media, Alta, Pasta y Keke.
2.1.2
Espesadores de Alto Rendimiento
El avance tecnológico llevó al desarrollo de equipos de mayor eficiencia, como el espesador de alto rendimiento (Hi Rate), con el cual se redujo significativamente el área superficial necesaria para incrementar la recuperación de agua.
La pulpa de densidad "media" es aquella cuyo contenido de sólidos está en el rango de 45 a 55% de sólidos (%masa/masa), es posible obtener esta densidad de sólidos mediante espesadores convencionales o de alto rendimiento (Hi Rate); el nivel de espesamiento "alto" sólo es posible alcanzar con espesadores de alta densidad (Hi Compresion), los cuales arrojan pulpas con densidades en el rango de 55 - 65% de sólidos; los espesadores tipo pasta permiten obtener pulpa densificada por encima de 67% de sólidos, mientras que el Keke sólo es posible obtener a través de operaciones de filtrado, alcanzando densidades del orden de 85% de sólidos.
El producto de los espesadores de este tipo está en el rango de 50 a 55% de sólidos y su capacidad de tratamiento es de 20 - 25 tpd/m2, con lo cual se reduce significativamente el área superficial requerida para el espesamiento. A diferencia del caso anterior, la recuperación de agua es mayor; de este modo ésta tecnología ha posibilitado las expansiones desarrolladas en los últimos diez años. La desventaja para el caso de SPCC es que la recuperación del agua restante solo es posible desde represa de almacenamiento de relaves, el cual no ha sido conceptuado considerando la recuperación de agua. En la represa de relaves la separación sólido líquido ocurre de manera natural; sin embargo debido a la diferencia de cotas entre la represa y las plantas concentradoras (2000m) el costo del agua recuperada es elevado.
Gráfico 1: Niveles de espesamiento
2.1.3
Espesadores de Alta Densidad
Si bien todos los espesadores comparten como fundamento básico la capacidad de las partículas de sedimentar por efecto de la gravedad, éste tipo de espesadores tiene particularidades que le permiten optimizar su operación y por tanto obtener una pulpa altamente densificada en el rango de 60 - 65% de sólidos y con una capacidad de tratamiento de entre 7 - 15 tpd/m2, entre dichas particularidades destacan:
Ref: Outotec Perú, 2008
El gráfico anterior muestra de manera referencial, los tipos de espesadores requeridos para alcanzar diferentes niveles de espesamiento, siendo los espesadores de pasta, aquellos que producen mayores densidades de pulpa.
Mayor altura de cama (Pulpa densificada) → Intensifica el efecto de compresión. Mayor tiempo de residencia → Favorece la compactación y % de sólidos en la descarga de los espesadores.
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similares, sus costos operativos son muy altos y menos eficientes en la recuperación de agua, por lo cual solo se considera en este documento estas dos tecnologías. Estos equipos se instalan después de los espesadores para incrementar la eficiencia global de la recuperación de agua. Los filtros de presión maximizan la recuperación de agua ya que el contenido de humedad de los relaves es muy bajo, consecuentemente el producto final es un material prácticamente seco.
Altos niveles de auto dilución (10-12%) (10- 12%) → Favorecen sedimentación de flóculos Mayor diámetro y profundidad de Feedwell → Favorece la auto dilución Diseño de rastras → Favorece la permeabilidad y reduce torque del sistema. La ventaja de esta tecnología es la recuperación más eficiente, la disposición de relaves sigue el método convencional. 2.1.4
Durante muchos años las empresas mineras consideraron para su proceso productivo únicamente espesadores con diferentes niveles de rendimiento; sin embargo con el filtrado se visualiza beneficios ambientales y también económicos asociados a la disponibilidad de agua ya que permitirían expansiones con la misma cantidad del recurso hídrico. La tecnología de filtrado se debe combinar con sistemas de apilamiento y conformación de pila con staker.
Espesadores de Pasta
Estos equipos están diseñados para el manejo de pulpa altamente densificada hasta niveles de Pasta, registrándose descargas con porcentajes de sólidos superiores a 67%, las tasas de tratamiento para este tipo de equipos son menores a 5 tpd/m2, siendo la misma cada vez menor conforme se incrementa el % de sólidos en la descarga del espesador.
Entre las mayores ventajas citamos: Los relaves secos procedentes del filtrado, eliminan la necesidad de construir represas de relave, los cuales normalmente se crean para contener el relave y recuperar el agua por decantación, con la desventaja que favorecer las pérdidas de agua por evaporación y filtraciones.
Gráfico 2: Definición de Pasta en función a la respuesta reológica
No es necesario buscar áreas para construir represas de relaves, las cuales que son muy exigentes en cuanto a requerimientos de geología, hidrogeología, sismicidad y topografía. El filtrado permite el apilamiento del material (con mínimo contenido de humedad), se pueden apilar y compactar los relaves e iniciar el restablecimiento del suelo con vegetación. El resultado de la disposición es una impresión el sitio mucho más limpio y con mucho menor impacto a largo plazo en términos del cuidado del medio ambiente.
Ref: Outotec Perú, 2008
El nivel de recuperación de agua es mayor que en los equipos precedentes en razón del menor contenido de agua en la descarga de relaves; sin embargo la baja tasa de tratamiento de mineral (<5 tpd/m2) hace que el área superficial requerida sea alta y como consecuencia se requiera un mayor número de espesadores.
El concepto de relaves filtrados permite a una planta obtener mayor eficiencia en el consumo de agua en comparación con plantas concentradoras similares.
La recuperación de agua es mucho más eficiente y permiten una disposición de relaves diferente a los sistemas expuestos anteriormente, los riesgos por el tipo de suelos, geología, riesgo sísmico son menos críticos. 2.2
La principal desventaja son sus costos operativos que son más altos que las tecnologías mostradas anteriormente.
Filtrado
Otra de las tecnologías para la recuperación de agua es el filtrado de los relaves. Dentro de los equipos de filtrado más eficientes tenemos: en el filtro de banda horizontal que alcanza aprox. 75% sólidos; y los filtros prensa con el cual se alcanza aprox. 85% sólidos. Aunque hay otras tecnologías
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Figura 2. Filtro de Banda Horizontal
retienen poco agua, por lo cual puede ser recuperado un adicional de 15% del agua. Para el caso que las lamas sean depositadas en una presa de relaves se requiere un menor volumen del vaso, en comparación al método convencional. Para casos como la concentradora Cuajone donde la flotación es separada para la fracción arenas (45% de sólidos aprox.) y la fracción lamas (23% de sólidos aprox.), es método tiene alto potencial de aplicación.
Figura 3. Filtro Prensa Horizontal
3.
Disposición final de relaves
3.1
Disposición Convencional
La disposición final de la pulpa con densidad media y alta es posible en las represas convencionales, donde la fracción gruesa es utilizada para la construcción del dique y la fracción fina es depositada en la laguna, dentro de la cual los sólidos sedimentan de manera natural; lográndose la separación del agua contenida en los relaves, posibilitándose así su recuperación mediante el bombeo de las aguas superficiales.
2.3
El nivel de recuperación de agua con esta tecnología es limitado; debido a las pérdidas del recurso por acumulación de humedad en la pulpa (arenas y lamas), la misma que alcanza valores superiores al 20%; otras pérdidas de agua están relacionadas a la evaporación y filtraciones propias de la operación de la represa.
Otros Métodos de separación Sólido Líquido
Una alternativa nueva para la recuperación de agua, es la clasificación de relaves y disposición separada de lamas y arenas con el fin de obtener mejores recuperaciones de agua. La tecnología disponible ya es existente y básicamente consiste en el uso de Ciclones y espesadores para las lamas.
Figura 4: Disposición de Relaves Convencional
Una de las prácticas usuales es la clasificación en planta mediante ciclones de doble pasada como el aplicado en Quebrada Honda (SPCC, donde las arenas alcanzan un promedio de 72% de sólidos); Según este método las arenas son depositadas en pilas y las lamas son depositadas en presa de relaves previo espesamiento.
Ref. VST Ingenieros, Jul.2007
El esquema presenta las siguientes ventajas:
3.2
Las arenas son autoportantes, no se requiere de consideraciones especiales para presas de relaves.
Disposición en Pasta
Básicamente la estrategia consiste en disponer los relaves de tal forma que la energía potencial y cinética del flujo sea disipada, para permitir que se forme la playa en capas delgadas controladas, las cuales se secarán antes de que la siguiente capa sea depositada. Esto se logrará por descarga de los relaves en una forma rotativa desde las diferentes zonas de entrega, de tal forma que la energía de flujo sea minimizada.
Las arenas pueden ser depositados en un lugar cercano a la planta por tanto los costos de disposición son bajos. Una de las características de la arena es que tienen alta permeabilidad y por tanto
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En cuanto a la estabilidad (pendiente del orden de 6%), no existe mayor riesgo del depósito bajo condiciones de estática, pues los relaves presentan un ángulo de fricción efectiva de 34°. Según estudios de ensayos de licuación, estos indican que los relaves saturados son susceptibles a licuación por un sino con periodo de retorno de 500 años. Con el método indicado la disposición recomendada asegurará que los relaves se mantengan no saturados, por lo cual nos es posible el fenómeno de licuación.
represa de almacenamiento de agua y sistema de bombeo con el fin de completar el ciclo de recuperación de agua. La secuencia es similar a las presas de relaves construidas con arenas. Para las lamas se puede construir una represa de relaves, pero la represa deberá ser construida con materiales de préstamo, y el área del vaso será menor. También existe la opción de filtrar con filtros prensa y depositarlo como desmonte mediante el uso de un Apilador (staker).
Figura 5: Disposición de Relaves en Pasta
4.
La selección de la tecnología de recuperación de agua de los relaves es determinante para definir los requerimientos de agua fresca en el proceso, de este modo un proceso eficiente en cuanto al manejo del recurso hídrico, reflejará esta eficiencia en un menor consumo de agua fresca. En la Tabla 1 se plantea un ejemplo de una planta de 100K TMPD, en dicha tabla se puede observar los requerimientos de agua fresca en función a la tecnología seleccionada.
Ref. VST Ingenieros, Jul.2007
3.3
Tecnologías de Recuperación de Agua y Requerimiento de agua fresca
Tabla 1. Tecnologías de Espesamiento y Requerimiento de agua fresca para proceso
Disposición de Relaves Filtrados
En razón de su consistencia tipo keke, la disposición de los relaves filtrados es posible realizarlo por medio de fajas transportadoras y apilamiento mediante un apilador (staker), en conclusión los relaves producto de esta tecnología son dispuestos en forma similar al apilamiento de mineral de desmonte. Ref. D. Cotrado, J. Román, 2011
5.
Conclusiones
Figura 6: Disposición de Relaves Filtrados
Ref. J.F. Lupo, J. Hall, 2010
3.4
a.
Los requerimientos de agua fresca para el procesamiento de minerales mediante Flotación, están directamente relacionados a la tecnología seleccionada para la recuperación de agua de los relaves; de esta manera a mayor recuperación de agua, menor será el requerimiento de agua fresca.
b.
La industria minera viene haciendo esfuerzos significativos orientados al desarrollo sostenible de sus proyectos, en este contexto destacan las tecnologías de manejo eficiente del recurso hídrico, las mismas que se vienen incorporando en sus procesos productivos.
c.
Cada operación minera debe seleccionar aquella tecnología de recuperación de agua que mejor se adapte a su entorno, al proceso productivo, al tipo de mineral a procesar y a las limitaciones geográficas.
Disposición de Relaves por el Método de Separación Arenas - Lamas
La disposición de arenas con 70% de sólidos puede hacerse hidráulicamente mediante el uso de tuberías a partir de la batería de ciclones. El requerimiento de bombas de diafragma puede ser necesario dependiendo de las longitudes y topografía de al zona. Los taludes de las arenas normalmente se consideran en el orden de 3:1 (H:V). Es necesario construir al pie del talud una
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6.
Recomendaciones
Se recomienda a los técnicos responsables del diseño de plantas, incorporar en los procesos productivos, tecnologías que posibiliten el uso eficiente de los recursos naturales, como es el caso del agua. 7.
Reconocimientos
Los autores desean agradecer a la Dirección General de Operaciones de Southern Perú Copper Corp. por autorizar la publicación del presente trabajo.
Bibliografía: 1.
H. MacLeod, Clohn Krippen/SRK Joint Venture (1999), Tailing and Leaching Studies – SPCC/Cuajone Mine.
2.
Knight Piesold Consultores (2003), Estudio de Factibilidad para la Disposición de Relaves Espesados en Pampa Purgatorio, SPCC.
3.
Golder Associates (2008), Informe Recuperación de Agua de los Relaves de Cuajone Mediante Tecnologias de Relaves Espesados, Southern Peru.
4.
Davies, M.P. and S. Rice (2001), an Alternative to Conventional Tailing Management-“Dry Management- “Dry Stack” Filtered Tailings.
5.
Gladman, B.J., Usher S.P. and Scales P.J. (2006) Understanding thickening process, Paste 2006, R.J. Jewell, S. Lawson, P. Newman (Eds), Perth , 12 p.
6.
Sofra, F., (2006) Rheological Assessment – A road map for plant designers and operators, Paste 2006, R.J. Jewell, S. Lawson, P. Newman (Eds), Perth, 24 p.
7.
Scolia, J.C. and Landriault, D (2007), An Evaluation of Highly Dewatered Tailings Disposal Applications in Large Scale Mining Operations in Atacama Desert, Paste07 Conference, Perth Australia March 2007.
8.
C. Riveros, S. Barreda (2009), CaseronesOption of Tailing Classifying to Improve Water Reclamation.
7
