Preparación del Carbón

Depuracióny secadoClasificación

granulométrica

Justificación para la depuración del carbón

Materia orgánica(Mayoritario)

Materia mineral cuarzo, arcillas, sulfuros, carbonatos, etc.

Cantidad y Composición

UTILIZACIÓN DEL CARBÓN

C, H, N, S, O

Problemas medioambientales...

SOx

NOx

Se, Hg, halógenos

Azufre Nitrógeno

Materia Mineral

Emisiones

Escorias Cenizas Volantes+

Residuos Sólidos

Partículas < 10µmAs, Cd, Pb, etc.

¿Cómo se puede evitar o disminuir estos problemas

ambientales?

Depurar el carbón como paso previo

a su utilización

Preparación mecánica del carbón

Remoción del material indeseable presente en el carbón (TODO EN UNO), empleando procesos de separación capaces de diferenciar entre propiedades físicas y de superficie del carbón y de las impurezas (GANGA).

PROPÓSITO Depuración Clasificación granulométrica

Bondades de la depurar del carbón Reduce emisiones asociadas a la materia mineral en el carbón:☺Emisiones de SOx (azufre inorgánico) ☺Emisiones de cenizas volantes ☺Emisiones de elementos trazas☺Residuos sólidos

NO REDUCE emisiones asociadas a la materia orgánica del carbón: CO2, NOx y SOx

Variación del contenido de azufre con el lavado del carbón

Reducción significativa del azufre inorgánico (eliminación del 50 a 85% del azufre pirítico y de 50 a 75% de los sulfatos).Las pequeñas variaciones en el azufre orgánico pueden ser

atribuidas a diferencias en los litotipos de los carbones ensayados.

0

1

2

3

4

5

% A

zufr

e

S Sulfatos 0,27 0,18 0,36 0,36

S Pirítico 1,55 1,05 1,27 2,36

S Orgánico 0,91 1,27 1,27 1,86

A B C D0

1

2

3

4

5

% A

zufr

e

S Sulfatos 0,09 0,09 0,09 0,09

S Pirítico 0,32 0,55 0,55 0,36

S Orgánico 0,77 1,27 1,23 1,55

A B C D

ANTES DESPUÉS

Aspectos a considerar para una adecuada depuración del carbón

Conocimiento del mineral.– Naturaleza, composición y estructura del

mineral bruto.– Propiedades físicas del mineral bruto y de

sus componentes. – Estudios de laboratorio: Curvas de

lavabilidad. – Cantidad de mineral a tratar.

Nivel de preparación deseado.

Características de la materia mineral

Naturaleza de la materia mineral (cenizas):

Extrinsicas: Agregados macros de minerales fácilmente diferenciables

Intrinsicas: Minerales diseminados en la matriz orgánica

Principales constituyentes de la materia mineral:Arcillas ~ 50%: Al2Si2O5(OH)4 / KAl3Si3O10(OH)2

Carbonatos ~ 10%: CaCO3 / FeCO3 / CaCO3.MgCO3 / 2CaCO3.MgCO3.FeCO3

Sulfuros y Sulfatos ~ 25%: FeS2 / CaSO4.2H2OÓxidos ~ 15% SiO2 / Fe2O3

RA

YOS

X

Componentes minerales más frecuentemente identificados en el carbón

Arcillas» Monmorillonita Silicato de aluminio hidratado» Caolinita Silicato de aluminio hidratado» Haloisita Silicato de aluminio hidratado» Ilita Silicato doble de aluminio y potasio» Clorita Silicato doble de aluminio y magnesio

Sulfuros» Pirita Polisulfuro de hierro » Marcasita Polisulfuro de hierro

Sulfatos» Anhidrita Sulfato de calcio» Yeso Sulfato de calcio dihidratado» Melanterita Sulfato ferroso heptahidratado

Componentes minerales más frecuentemente identificados en el carbón

Haluros» Silvinita Cloruro de potasio» Halita Cloruro de sodio

Oxidos» Sílice Dióxido de silicio » Hematites Óxido férrico» Limonita Óxido ferroso hidratado» Rutilo Óxido de titanio

Carbonatos» Calcita Carbonato de calcio» Dolomita Carbonato doble de calcio y magnesio» Siderita Carbonato ferroso

Fosfatos» Apatito (fluoropatito) Mezcla compleja de haluros y fosfatos

de calcio hidratados

Propiedades físicas del mineral bruto y sus componentes

Gravedadespecífica

Arcilla 2,6Arena 2,6Carbonatos en arcillas 2,0 – 2,6Caolin 2,7Calcita 2,6Sulfato de calcio 2,3Carbón esquistoso 1,4 – 2,0Carbón limpio 1,23 – 1,72

Densidad Dureza Coeficiente de roceFriabilidad

Propiedades de interés para la separación

Nivel de preparación del carbónNIVEL DESIGNACION RENDIMIENTO REDUCCION

DE CENIZASREDUCIONDE AZUFRE

OBSERVACION

A Aplicacióndirecta

100 Nula Nula Poco utilizado

B Triturado 98-100 Escasa Nula Práctica generalen boca de mina

C Preparación degruesos

75-85 Mediana Escasa Usada concarbones de altocontenido enrocas

D Preparación definos

65-85 Buena Pobre Usada concarbones de fácillavabilidad

E Preparación demuy finos

60-80 Notable Buena Usada encarbones deexcelentelavabilidad

F Depuraciónprofunda

60-80 Excelente enel carbónlavado;escasa enmixtos

Excelente enel carbónlavado;variables enlos mixtos

Proporciona másproductos finalesde calidadesdiferentes.

Tenga en cuenta que...TAMAÑO PARTÍCULAS ⇒ MÉTODO DE DEPURACIÓN

Fundamento de los distintos métodos de depuración:Capacidad de diferenciar entre propiedades físicas del

carbón y la materia mineralPropiedades físicas frecuentemente utilizadas:

Densidad - Propiedades Superficiales Magnetismo - Conductividad

Carbón Bruto

Carbón Depurado

Rechazo

Se reduce o elimina materia mineral yazufre pirítico

Determina rendimiento económico de la depuración

Clasificación para depuración y comercialización

TODO EN UNO (PRODUCTO EN BOCA DE MINA)Clasificación preliminar

TODO EN UNO PARA LAVADO GRUESO (> 60 mm)GRANOS: Cribado (50 - 60 mm)

Galleta (25 - 50 mm) Granza (15 - 25 mm)Grancilla (10 - 15 mm)

MENUDOS: (0 - 10 mm) FINOS: (0 - 1,5 mm)LAMAS: (finos brutos no depurados)

El tamaño de partículas determina el método de depuración...

TODO EN UNO (PRODUCTO EN BOCA DE MINA)Clasificación

preliminar

TODO EN UNO PARA LAVADO GRUESO (> 60 mm)

FINOS(0 - 0,5 mm)

FLOTACIONCICLONES CON MEDIO DENSO

METODOS HIDRAULICOS MEDIO DENSO

MENUDOS (0,5 – 10 mm)

GRANOS(10 - 60 mm)

Siderurgia y TérmicaSiderurgia, Térmica

e Industria Calefacción e Industria

ESCOGIDO MANUAL

Estériles a Escombreras u otros destino

Principales métodos de depuraciónTODO EN UNO PARA LAVADO

Métodos Secos Métodos Húmedos

Métodos Hidráulicos Medios Densos

Estratificación con corrientes de aire

No requieren secado posterior

Equipos de gran tamaño con abundante

generación de polvo

Corrientes ascendentes de

aguaen cajas, espirales,

reolavadores.

Requiere sistemas para

tratamiento aguas, recuperación de

lamas y secado del carbón

Suspensiones de magnetita en aguacon densidad mayor

al carbón que permite flotarlo

No permite el tratamiento de finos

Fundamento de los métodos hidráulicos

Estratificación basada en diferencias de densidad, aumentada por el uso de

corrientes ascendentes de un fluido de baja densidad.

s = velocidaddp = densidad partículadl = densidad líquidoD = diámetro partícula

s ∝ (dp-dl) D2

Fundamento de los métodos hidráulicos Estratificación basada en

diferencias de densidad, aumentada por el uso de

corrientes ascendentes de un fluido de baja densidad.

s = velocidaddp = densidad partículadl = densidad líquidoD = diámetro partícula

s ∝ (dp-dl) D2

Fundamento de medios densosBrutoBruto

CarbCarbóón n depuradodepurado

RechazoRechazo

Medio denso (Suspensión de

magnetita)

Fluido

Recipiente

Partícula de carbón

EQUILIBRIO DE FUERZAS

donde:d = densidad partículav = volumenD = densidad suspensión magnetitaR = resistencia del líquido (viscosidad)s = velocidad de sedimentación

s ∝ g v (d-D) - R

Del equilibrio de fuerzas:

s > 0 ⇒ Partícula sedimentas < 0 ⇒ Partícula flota

s = 0 ⇒ g v (d-D) = R

Si...

Obtención del medio denso

ρ < ρliq.⇒ flota sí tamaño de la partícula no es inferir al usado para preparar la suspensión.

Tamaño mínimo para que la partícula de alta densidad no flote:

D = Densidad del sólido a flotard = Densidad de partícula en suspensión

l = Dimensión de partículas en suspensión

Concentración de arena (x) para lograr suspensión

de densidad “d”

d: 1,25 - 1,75⇒ 45% max arena

1,25 - 2,50 ⇒ usar magnetita.

Suspensiones de arena o magnetita en agua

11

−−

=dDlL

11

* −−

=ddx d* = densidad de

la arena

Separador Hardinge

C= Tambor cilíndrico giratorio (inclinación 6,25; longitud igual a 2 D) B = Banda interior helicoidal con anchura variable y creciente desde el extremo inferior al superiorT = Descarga del rechazo mediante baldas interiores R y S = Rodillos y cojinetes.

Ciclones con medio densoEQUILIBRIO DE FUERZAS

Partícula de carbón

Cono de aire

mS2/r

s

donde:v = volumen partículad = densidad partícular = radioD = densidad suspensión magnetitaS = velocidad partículas = velocidad de sedimentación

Fext = (S2/r) v dFint = (S2/r) v D

s ∝ (S2/r) v (d-D) - R

Intervalos de aplicación de distitosmétodos para el lavado del carbón

Fundamentos de flotación

ESPUMANTE → disminuye γwa

COLECTOR → aumenta γws

SÓLIDO

AGUA γas

γwa

γwsθ

AIRE

γas = γws + γwa . cos θ∆G = γas – (γws + γwa)∆G = γwa (cos θ - 1)

> θ ⇒ > ∆G > θ ⇒ > Fuerza adhesión burbuja

aire/partícula

Aglomeración con aceite

γsa = γsw + γwa . cos θa) θ < 90º ⇒ fase acuosab) θ = 90º ⇒ interfasec) θ > 90º ⇒ fase aceite

Adición de un aceite o líquido inmiscible a una

suspensión acuosa de partículas de carbón en

agitación

AceiteAceite

AguaAguaθθ

γγwawa CarbCarbóónn

γγswsw

γγSaSa

Partícula carbón hidrófoba y/o oleofílica

++

Esquema general de lavado.

Rendimiento de las operaciones de lavado

Mayores pérdidas de carbón en el lavado mientras más sucio el carbón original y más limpio se desee el producto.

Rendimiento práctico comercial: total:%57,6375100026614

=−−

%4,611000614

=

Resultados por 1000 toneladas del todo en uno

Equipos para molienda gruesa

Reducción de 300 mm a 50 mmQuebrantadoras de cilindro,

mandíbula, martillo.

Equipos para molienda fina

Reducción de 75 mm a 5 mmTrituradoras de martillo

Trabajo necesario para la molienda

di = diámetro inicial de la partículad = diámetro final de la partícula Wi = Índice de trabajo (Ec. Bond-Test).

Relacionado con facilidad de molienda del material.

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−=

ii dd

WW 1110 kW/TON

Material WiCarbón 11,37 Coque 20,70 Flexicoque 38,60

Coque retardado 73,80

Equipos para clasificación granulométricaEquipos resistentes que deben

rendir grandes cantidades de productos clasificado sin

causar desmenuzamiento del carbón.

Capacidad: f (ancho) 7-14 TON/h por cada 10 cm de ancho

Efectividad: f (longitud)1-2 m por corte granulométrico

TIPOS: – De movimiento alternativo– De oscilación diferencial – Giratorias – Vibratorias

Equipos para depuración de Gruesos

Mesa circular para escogido manual

Toboganes

Mesas de estriado manual en Europa del Este

Cajas hidráulicas de concentración

Granulometría de GRANOS Granulometría de MENUDOS

Vista de cajas hidráulicas

Vista de cajas hidráulicas

Curvas de lavabilidad

Se construye a partir del ensayo de estratificación, y genera las curvas: – Elemental – Carbón lavado – Escombros – Densidad (opcional)

Curvas de lavabilidad.a. Elemental: Indica la

constitución del carbón y sus posibilidades de lavado.

b. Carbón Lavado: Porcentaje de cenizas promedio en el carbón lavado

c. Escombros: Proporción de cenizas en los escombros o carbón perdido en los escombros

d. Densidad: Densidaddel líquido en que flota un peso dado de carbón.

Trazado de la curva elementalSe hace coincidir

el punto medio del peso

acumulado de cada estrato

con el porcentaje de

cenizas determinado

para dicho estrato.

Porcentaje en cenizas de la fracción densimétrica

Peso por cada 100 en la fracción densimétrica

Densidad del líquido

Peso acumulado = Peso del bruto por cada 100 que

flota en cada densidad

Porcentaje en cenizas de las porciones del bruto

que flota en cada densidad

Cálculo de las coordenadas de los puntos de la curva de carbón lavado

Construcción de curvas de lavado

Información de la curva de lavado

Carbón bruto27,6% Cenizas

Si se desea:CarbCarbóón lavadon lavado

5% Cenizas

Rendimiento CarbCarbóón n

depurado 55%depurado 55%

Rendimiento Estériles 45%

Estériles 65% Cenizas

Curva (b)

Curva (d)Curva (c)

Densidad 1,33 g/cm3

Fuentes bibliografía consultadas

Ed. J. Leonard. Coal preparatation. 1991. J. Speight. The chemistry and tecnology of coal. Ney York, 1994.A. García Suárez. Preparación del carbón para su utilización en los procesos de conversión. INCAR, CSIC, 2002.F. Rubiera. Preparación mecánica de los minerales.1965. http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/default/tech_papers/17th_congress/1_2_02.asp