UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA
Peumo Repositorio Digital USM https://repositorio.usm.cl
Tesis USM TESIS de Pregrado de acceso INTERNO
2019
ELABORACIÓN DE BALANCE DE
MASA Y ENERGÍA DEL SISTEMA DE
MANEJO DE GASES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO
PREDICTIVO QUE PERMITA
MEJORAR LA CAPTURA DE AZUFRE
Y ARSÉNICO EN LA PLANTA DE
FUNDICIÓN CALETONES, CODELCO
DIVISIÓN EL TENIENTE
CONTRERAS DURÁN, CATALINA DEL CARMEN
https://hdl.handle.net/11673/47328
UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTALVALPARAÍSO – CHILE
“
ELABORACIÓN DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA DEL
SISTEMA DE MANEJO DE GASES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO PREDICTIVO QUE
PERMITA MEJORAR LA CAPTURA DE AZUFRE Y
ARSÉNICO EN LA PLANTA DE FUNDICIÓN CALETONES,
CODELCO DIVISIÓN EL TENIENTE”
CATALINA DEL CARMEN CONTRERAS DURÁN
MEMORIA DE TITULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL QUÍMICO
Profesor Guía
PATRICIO NUÑEZ MUÑOZ
Ingeniero Correferente
RAIMUNDO RIVEROS RUBINA
3
Título de Memoria
ELABORACIÓN DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA DEL SISTEMA
DE MANEJO DE GASES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO
PREDICTIVO QUE PERMITA MEJORAR LA CAPTURA DE AZUFRE Y
ARSÉNICO EN LA PLANTA DE FUNDICIÓN CALETONES, CODELCO
DIVISIÓN EL TENIENTE
Autor
CATALINA DEL CARMEN CONTRERAS DURÁN
Trabajo de memoria, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos para el
título de Ingeniero Civil Químico de la Universidad Técnica Federico Santa María.
Patricio Núñez Muñoz ________________________________
Raimundo Riveros Rubina ___________________________________
4
Dedicatoria
“Dedicado a mi madre Angélica que me enseñó a luchar día a día por hacer mis sueños realidad y por demostrarme con hechos que la perseverancia es la principal clave el éxito y el amor la clave de
la felicidad; a mi padre Jorge que me inculcó desde pequeña que el saber no ocupa lugar, que con
humildad se consiguen los objetivos y que “afuera” tengo un mundo entero por conocer; y a mi
hermano Sebastián que me incentivó a volar y que ha sido el pilar fundamental de mi vida y mi
5
Agradecimientos
Quiero partir agradeciéndole a mis padres y hermano el apoyo que me brindaron
durante todos mis años de estudio y en cada idea que tuve en el camino.
Agradezco a mis amigos de la U… Joshua, Cami, Coté, por hacer de este duro
trayecto un camino mas fácil y agradable, y a los que se sumaron en el camino
Percy y Nato que junto a Joshua que fueron por un semestre mi familia postiza.
Gracias a mis amigos de San Fernando que siempre creyeron en mí y estuvieron
ahí para apoyarme cada vez que los necesité; Chalo, Joxi, Frois, Felipe, Nacho,
Carlos.
Agradezco a mi profesor guía Patricio Núñez y a mi correferente Raimundo Riveros
que me dieron la oportunidad de vivir una de las mejores experiencias de mi vida,
ser memorista de la Fundición Caletones.
Agradezco a los viejitos que conocí en la Fundición, Don Luis, Don Julio, Don Ricardo, Manolito, Don Víctor, Don Lalo y la Sra María… me llevo en la mente cada
uno de sus consejos y su preocupación y cariño guardados en el corazón. Gracias
a Claudia que me recibió con los brazos abiertos, a Paula que me escuchó cientos
de veces, a Sole que tuvo la paciencia de explicarme una y otra vez lo que no
entendía, Piero por su buena onda y Pancho por sus conocimientos. En general
gracias a todo el equipo que compone la Fundición, hicieron que mi estadía fuera
una muy grata experiencia.
Finalmente, quiero agradecer con mucho cariño a mi monono Eduardo, que ha
contribuido en todos mis logros, me ha apoyado en todas mis decepciones y ha sido
6
Resumen Ejecutivo
El cobre en Chile aporta en promedio un 10% al PIB nacional, mientras que en
regiones mineras, el aporte ha alcanzado un 63% en promedio al PIB regional, por
lo que se considera un elemento realmente importante para la economía nacional,
en donde las empresas mineras deben poner su máximo esfuerzo para asegurar su
continuidad operacional a pesar de las nuevas normas que entren en vigencia.
En el presente trabajo de título se elabora un modelo de la Fundición de Caletones – Codelco División El Teniente, con el objetivo de estimar la captura de azufre y
arsénico de la planta en diferentes condiciones de operación.
El modelo se elaboró en Excel con el objetivo de desarrollar una herramienta de
fácil comprensión y utilización para cualquier usuario de la fundición. Incluye todos
los procesos relacionados a la conversión del mineral y el tratamiento de gases de
la planta en un archivo único, lo que permite estimar la respuesta de todas las
variables relacionadas al proceso de manera instantánea sin la necesidad de buscar
estas variables en distintos archivos. Además, debido a que el modelo está
desarrollado en una herramienta de fácil adquisición es posible utilizarlo en
cualquier computador sin la obligación de instalar un programa específico.
El modelo, de carácter estimativo y dinámico, se elaboró bajo las condiciones
operacionales de la planta hasta el 12 de Diciembre del 2018 (modelo inicial), es
decir, con los Hornos de Limpieza de Escorias en operación. Luego de varias de
etapas de ajuste y validación del modelo inicial (en donde se utilizaron datos operacionales de la herramienta “PI-System”, datos manuales y datos estimados), se construye el “Modelo Fundición Caletones PTE” estimativo y dinámico, en donde
se eliminan los Hornos de Limpieza de Escorias entrando en operación la Planta de
Tratamiento de Escorias y la Torre de Tratamiento de Gases de Cola, considerando
las mismas suposiciones y condiciones operacionales del modelo inicial.
De esta manera, el “Modelo Fundición Caletones PTE” estima que para un flujo de
concentrado fundido igual a 4.100 toneladas por día con una concentración de
azufre y arsénico igual a 32,2% y 0,15% respectivamente, las condiciones
operacionales para cumplir con la norma debiesen ser: 252 [min] de soplado CPS,
100 % flujo de gases CT1 a PLG2, 100% flujo de gases CT2 a PLG1, 17% flujo de
gases CPS a PLG1, 83% flujo de gases CPS a PLG2, 99,5% de conversión en la
zona de conversión y 99% de absorción en la zona de absorción. Bajo las
condiciones anteriormente mencionadas el modelo estima que la captura de azufre
es del 95,1% mientras que la captura de arsénico es 95,6%.
Finalmente, el modelo estima que las variables que influyen en la captura tanto de
azufre como de arsénico son: flujo y composición del concentrado, distribución del
arsénico, tiempo de soplado CPS, dilución en campana, temperatura salida Sonic y
7
Glosario
CT: Convertidor Teniente
CPS: Convertidor Peirce Smith
HA: Horno Anódico
HLE: Horno de Limpieza de Escorias
MAGA: Manejo de Gases
PLG: Planta de Limpieza de Gases
PTE: Planta de Tratamiento de Escorias
ETP: Planta de Tratamiento de Efluentes
PP.EE: Precipitador Electrostático
PRECA: Unidad de Preparación de Cargas
FUCO: Unidad de Fusión Conversión
REMO: Unidad de Refinación y Moldeo
LIGA: Unidad de Limpieza de Gases
CuFeS2: Calcopirita
FeS2: Pirita
Cu2S: Calcosina
Fe3O4: Magnetita
FeO*SiO2: Fayalita
Cu12As4S13: Tenantita
Cu0: Cobre Metálico
SiO2: Fundente
M.B: Metal Blanco
MM: Millón
TMF: Tonelada Métrica Fina
Input: Entrada
Output: Salida
8
Índice
Título de Memoria ... 3
Autor ... 3
Dedicatoria... 4
Agradecimientos ... 5
Resumen Ejecutivo ... 6
Glosario ... 7
Índice ... 8
Índice de Figuras ... 9
Índice de Tablas ... 11
1. Introducción. ... 12
2. Objetivos. ... 13
2.1 Objetivos Generales. ... 13
2.2 Objetivos Específicos. ... 13
3. Antecedentes. ... 14
3.1 Antecedentes Generales. ... 14
3.2 Antecedentes de la División El Teniente. ... 15
3.3 Descripción general del proceso. ... 16
3.4 Descripción del proceso de fundición. ... 20
3.4.1 Unidad de Recepción y Preparación de Cargas (PRECA). ... 20
3.4.2 Unidad de Fusión y Conversión (FUCO). ... 21
3.4.3 Unidad de Refinación y Moldeo (REMO). ... 24
3.4.4 Unidad de Limpieza de Gases (LIGA). ... 27
Manejo de Gases (MAGA). ... 27
Planta de Limpieza de Gases (PLG). ... 31
Planta de Tratamiento de Efluentes (ETP). ... 41
3.4.5 Planta de Tratamiento de Escorias (PTE). ... 44
4. Azufre y arsénico en el proceso de fundición. ... 49
4.1 Fijación de azufre en el proceso. ... 49
4.2 Fijación de arsénico en el proceso. ... 50
4.3 Aspectos fenomenológicos relacionados al proceso. ... 51
5. Desarrollo del modelo. ... 53
5.1 Metodología para el desarrollo. ... 53
5.2 Límite de batería del modelo. ... 53
5.3 Consideraciones del modelo. ... 54
5.4 Balance de masa y energía. ... 54
5.4.1 Proceso conversión del mineral. ... 54
5.4.2 Planta de tratamiento de escorias. ... 71
5.4.3 Manejo de gases fundición. ... 73
5.4.4 Producción de ácido sulfúrico. ... 84
5.4.5 Balance de materia tratamiento efluente. ... 86
9
5.6 Construcción del modelo. ... 89
5.7 Autovalidación del modelo ... 99
6. Resultados. ... 100
6.1 Validación del modelo. ... 101
6.2 Sensibilización del modelo ... 104
6.3 Aplicaciones del modelo ... 113
7. Conclusiones. ... 115
8. Recomendaciones. ... 116
Anexos.... 117
Anexo A: Entalpía estándar de formación... 117
Anexo B: Capacidad Calorífica. ... 118
Anexo C: Dimensiones Convertidor Teniente. ... 119
Anexo D: Constante de transferencia de calor. ... 119
Anexo E: Cálculo pérdidas de calor Convertidor Teniente. ... 119
Anexo F: Dimensiones Convertidor Peirce Smith. ... 120
Anexo G: Constante de transferencia de calor. ... 120
Anexo H: Cálculo pérdidas de calor Convertidor Peirce Smith. ... 120
Anexo I: Cálculo transferencia de calor en Campana CT... 121
Anexo J: Transferencia de calor por pérdidas de calor en campana: ... 121
Anexo K: Simulación del modelo. ... 122
Anexo L: Metodología de uso del modelo. ... 131
Bibliografía. ... 153
Índice de Figuras
Figura 1: Diagrama de Flujo de minerales. ... 17Figura 2: Concentradora Colón. ... 18
Figura 3: Diagrama de proceso de Fundición Caletones. ... 19
Figura 4: Proceso de Secado de Concentrado. ... 21
Figura 5: Esquema Convertidor Teniente. ... 22
Figura 6: Diagrama esquema CPS. ... 23
Figura 7: Horno de Limpieza de Escorias... 23
Figura 8: Distribución de Equipos lado Sewell. ... 25
Figura 9: Distribución de equipos lado Rancagua. ... 26
Figura 10: Diagrama General Manejo de Gases. ... 30
Figura 11: Diagrama General PLG. ... 31
Figura 12: Acondicionamiento de Gases. ... 33
Figura 13: Torre de Conversión PLG N°1. ... 34
Figura 14: Enfriamiento de Gases Tren 1 PLG N° 2. ... 36
Figura 15: Lavado de Gases Tren 1 PLG N° 2. ... 36
Figura 16: Precipitadores Electroestáticos. ... 37
Figura 17: Desgasificador PLG N° 2. ... 37
Figura 18: Convertidor PLG N° 2... 38
Figura 19: Torre de Conversión PLG N° 2. ... 38
Figura 20: Vista General PLG1. ... 39
Figura 21: Vista General PLG 2. ... 40
Figura 22: Diagrama General Tratamiento de Efluentes... 41
Figura 23: PH vs [As] en función de la relación Fe/As. ... 43
10
Figura 25: Diagrama de Flujo de Molienda. ... 45
Figura 26: Diagrama de Flujo Flotación PTE. ... 46
Figura 27: Diagrama de flujo sistema de espesamiento. ... 47
Figura 28: Diagrama de flujo espesaje de relaves. ... 48
Figura 29: Trayectoria del azufre en el proceso de fundición. ... 50
Figura 30: Trayectoria del arsénico en el proceso fundición. ... 51
Figura 31: Perfil de temperatura vs % conversión de SO2 a SO3 ... 52
Figura 32: Distribución de arsénico en Fundición Caletones. ... 52
Figura 33: Límite de batería Modelo Fundición. ... 53
Figura 34: Corrientes Convertidor Teniente. ... 55
Figura 35: Balance de energía reacciones Convertidor Teniente. ... 57
Figura 36: Temperatura productos reacción... 58
Figura 37: Corrientes Convertidor Peirce Smith. ... 62
Figura 38: Evolución de las etapas de soplado CPS. ... 62
Figura 39: Diagrama de equilibrio Cu-S. ... 63
Figura 40: Balance de energía reacciones CPS. ... 64
Figura 41: Acondicionamiento metal blanco para reacción de oxidación. ... 64
Figura 42: Temperatura productos CPS. ... 65
Figura 43: Etapas Refinación Anódica. ... 67
Figura 44: Diagrama de flujo Horno Anódico. ... 68
Figura 45: Diagrama de flujo Horno de Limpieza de Escorias. ... 70
Figura 46: Diagrama Planta de Tratamiento de Escorias. ... 71
Figura 47: Balance de calor Concentrado de Escoria. ... 72
Figura 48: Campana CT. ... 74
Figura 49: Sistema Sonic CT. ... 76
Figura 50: Diagrama PP.EE JOY... 77
Figura 51: Campana CPS. ... 79
Figura 52: Sistema Radiativo CPS. ... 80
Figura 53: MAGA CPS 4. ... 82
Figura 54: Precipitadores Electrostáticos MILJO. ... 83
Figura 55: PFD Modelo Fundición. ... 88
Figura 56: Construcción CT ... 90
Figura 57: Construcción CPS ... 91
Figura 58: Construcción HA ... 92
Figura 59: Construcción HLE ... 93
Figura 60: Construcción PTE ... 93
Figura 61: Construcción MAGA CT ... 94
Figura 62: Construcción MAGA CPS ... 95
Figura 63: Gases a PLG. ... 95
Figura 64: Construcción PLG ... 97
Figura 65: Construcción PTE ... 98
Figura 66: Resultados Carga Fría CT vs Concentrado Fundido. ... 104
Figura 67: Carga Fría CT vs Temperatura CT. ... 104
Figura 68: Gas boca CT vs Concentrado Fundido. ... 105
Figura 69: Gas a PLG vs Concentrado Fundido. ... 105
Figura 70: Captura azufre y arsénico vs Concentrado Fundido. ... 106
Figura 71: Captura azufre vs Eficiencia de Captura. ... 107
Figura 72: Captura Arsénico vs Eficiencia Captura. ... 107
Figura 73: Emisión Chimenea vs Concentrado Fundido. ... 108
Figura 74: Captura de azufre vs Concentrado Fundido. ... 108
Figura 75: Fijación azufre en ácido vs Concentrado Fundido... 109
Figura 76: Fijación azufre en sólidos vs concentrado fundido. ... 109
Figura 77: Captura de arsénico vs Concentrado Fundido. ... 109
Figura 78: Fijación en RESPEL vs Concentrado Fundido. ... 110
Figura 79: Fijación en sólidos vs Concentrado Fundido. ... 110
11
Figura 81: Flujo de agua Sonic vs Temperatura salida Sonic. ... 111
Figura 82: Temperatura gas salida campana vs dilución. ... 112
Figura 83: Captura de azufre vs horas de soplado CPS. ... 112
Figura 84: Aire y Oxígeno CT1. Real – Modelo. ... 122
Figura 85: Aire y Oxigeno CT2. Real – Modelo. ... 122
Figura 86: Carga Fría CT1. Real – Modelo. ... 123
Figura 87: Carga Fría CT2. Real – Modelo. ... 123
Figura 88: Metal blanco CT. Real – Modelo. ... 124
Figura 89: Carga Fría CT. Real – Modelo. ... 124
Figura 90: Flujo de aire CPS. Real – Modelo. ... 125
Figura 91: Hora soplado CPS. Real – Modelo. ... 125
Figura 92: Producción cobre blíster. Real – Modelo. ... 126
Figura 93: Cobre Moldeado. Real – Modelo. ... 126
Figura 94: Escoria Botadero. Real – Modelo. ... 127
Figura 95: Temperatura Campana CT1. Real – Modelo. ... 127
Figura 96: Temperatura campana CT2. Real – Modelo. ... 127
Figura 97: Flujo de agua Sonic CT1. Real – Modelo. ... 128
Figura 98: Flujo de agua Sonic CT2. Real – Modelo. ... 128
Figura 99: Flujo de gas a PLG. Real – Modelo. ... 128
Figura 100: Concentración de SO2 PLG1. Real – Modelo. ... 129
Figura 101: Concentración SO2 PLG2. Real – Modelo. ... 129
Figura 102: Producción de ácido plantas. Real – Modelo. ... 129
Figura 103: Captura de azufre. Real – Modelo. ... 130
Figura 104: Residuo arsenical. Real – Modelo. ... 130
Índice de Tablas
Tabla 1: Especificaciones Cobre Anódico ... 67Tabla 2: Calidad química escoria CT ... 69
Tabla 3: Composición gases en boca CT ... 73
Tabla 4: Composición química del aire atmosférico ... 73
Tabla 5: Composición gases en boca CT ... 78
Tabla 6: Composición gases PLG1 y PLG2 ... 84
Tabla 7: Composición Efluente ... 86
Tabla 8: Validación Modelo Caso 1 ... 101
Tabla 9: Validación Modelo Caso 2 ... 102
Tabla 10: Validación Modelo Caso 3 ... 103
Tabla 11: Condiciones Modelo PTE para cumplir con la norma... 113
Tabla 12: Concentrado Máximo para cumplir con la norma ... 113
Tabla 13: Composición de azufre máxima para cumplir la norma ... 113
Tabla 14: Composición de arsénico para cumplir con la norma ... 114
12
1.
Introducción.
El cobre, junto con el aluminio y el hierro, es uno de los metales más utilizados en
el mundo debido a su gran capacidad de conducir electricidad lo que permite su
utilización en la fabricación de piezas electrónicas y eléctricas y, además, en la
producción de cables. Se puede obtener a partir de minerales oxidados y sulfurados.
Chile es el mayor productor de cobre en el mundo, siendo este metal su principal
producto de exportación. En el 2017, la producción de cobre alcanzó a 5,56 MM
TMF que equivalen al 27,9% de la producción mundial y de las cuales el 25,5 %
representa la producción de cobre de fundición (Sernageomin, 2018). Las
exportaciones de cobre representaron un 49,6% de la industria Chilena, que
equivale 33.852 MM US$ (COCHILCO, 2018).
Las fundiciones de cobre son fuentes emisoras de azufre y arsénico, tanto de forma
fugitiva como a través de chimeneas, lo que conlleva un riesgo importante para la
salud de las personas y del medioambiente. En este contexto, el Ministerio del
Medio Ambiente elaboró una nueva norma de emisiones, en donde se establecen
los límites máximos de emisión de azufre y arsénico que deberán acatar las
fundiciones de cobre, y que además deberán cumplir con una captura y fijación de
azufre y arsénico igual o superior al 95% (Ministerio del Medio Ambiente, 2018).
Debido a la publicación de esta norma es que la Fundición Caletones se ve en la
obligación de eliminar sus Hornos de Limpieza de Escorias y sustituirlos por una
nueva planta de procesamiento de escorias CT. Además, se invirtió en 4 proyectos
que tienen la función de disminuir las emisiones de azufre, arsénico y M.P, los
cuales son: (1) Planta de secado Fluosólido (2) Planta de Tratamiento de Gases de
Cola (3) Planta de Tratamiento de Escorias (4) Reducción de opacidad de humos
Hornos Anódicos (CODELCO, 2018).
Bajo estas circunstancias es que nace la necesidad de construir un modelo de la
Fundición Caletones con el objetivo de predecir la captura de azufre y arsénico
considerando la nueva Planta de Tratamiento de Escorias, tema que será abordado
13
2.
Objetivos.
2.1
Objetivos Generales.
Construir un modelo de la Fundición Caletones, Codelco División El Teniente
para estimar la captura de arsénico y azufre.
2.2
Objetivos Específicos.
• Desarrollar el balance de masa y energía del proceso de fusión y conversión del mineral para estimar la producción de ánodos de cobre, escoria de
botadero y gases de fundición.
• Desarrollar el balance de masa y energía del acondicionamiento de gases de fundición para estimar el flujo de gases que se envían, procesan y emiten en
las Plantas de Limpieza de Gases.
• Desarrollar el balance de masa del proceso de producción de Ácido Sulfúrico y Residuo Peligroso para estimar las fijaciones de azufre y arsénico en
sólidos, ácido y RESPEL.
• Construir un Modelo de la Fundición Caletones considerando la operación de los Hornos de Limpieza de Escorias.
• Ajustar el modelo construido en base a la operación de la Fundición Caletones para validar los supuestos utilizados.
• Construir un Modelo predictivo de la Fundición Caletones considerando la operación de la Planta de Tratamiento de Escorias para predecir la captura
14
3.
Antecedentes.
3.1
Antecedentes Generales.
La Corporación Nacional del Cobre (CODELCO), es una empresa Chilena 100%
estatal nacionalizada el año 1971 que se dedica a la explotación minero cuprífero,
siendo en este rubro la compañía más importante a nivel mundial ya que tiene
grandes niveles de reservas y recursos de cobre conocidos, en donde se proyecta
que con los niveles de producción actual los yacimientos tendrán más de 65 años
de vida útil. CODELCO es el mayor productor de cobre en el mundo y representa el
mayor aporte empresarial a la economía Chilena. Al año 2017 se produjeron
1.842.075 TMF (incluyendo la participación en el Abra y en Anglo American Sur)
que equivale al 9% de la producción de cobre de mina a nivel mundial y a un 33%
a nivel nacional. El mercado principal de cobre fino y sus derivados producidos es
Asia, seguido por Norteamérica, Europa y Sudamérica, lo que convierte a la
compañía en la responsable del 16% de las exportaciones nacionales al año 2017.
La empresa posee 8 divisiones operacionales distribuidas en las regiones de:
Antofagasta (Chuquicamata, Radomiro Tomic, Gabriela Mistral y Ministro Hales),
Atacama (Salvador), Valparaíso (Andina y Ventanas) y Libertador Bernardo O’Higgins (El Teniente), además de Casa Matriz ubicada en la Región Metropolitana
que desempeña funciones administrativas.
Codelco produce y comercializa 4 tipos de productos de cobre refinado y no
refinado, los cuales son (CODELCO, 2018):
• Refinados: Cátodos de cobre con 99,9 % de pureza que se obtienen por electrorrefinación y electroobtención.
• No refinados: Concentrados de cobre, concentrados de cobre tostado, ánodos y blíster (pureza de 99,5% app.).
• Subproductos: Molibdeno.
15
3.2
Antecedentes de la División El Teniente.
CODELCO División El Teniente se encuentra ubicada en la comuna de Machalí en
la cordillera de Los Andes, entre los 2.200 y 3.200 metros sobre el nivel del mar y
se encuentra operativa desde el año 1905. Está a 54 km de Rancagua, capital de la región del Libertador Bernardo O’Higgins. Es la mina subterránea más grande del
mundo, se compone de más de 3.000 km de galerías subterráneas, y entre sus
unidades productivas se destacan los yacimientos Diablo Regimiento Fase IV,
Esmeralda, Dacita, Reservas Norte, Pipa Norte, Sur Andes Pipa, Pilar Norte y
Teniente 4 Sur. La división también cuenta con una operación en superficie, El Rajo
Sur, ubicado entre los 2.730 y 3.240 msnm y que entró en funcionamiento a fines
del año 2012 (CODELCO, 2018).
Durante el año 2017 la producción de la división fue de 464.328 toneladas métricas
de cobre fino comercializadas a través de ánodos que se generan en la fundición
de Caletones, en donde también se produjeron 6.199 toneladas métricas finas de
molibdeno y 1.214.941 toneladas de ácido sulfúrico como subproductos.
Las principales operaciones del complejo industrial de la División son:
• Mina (Sewell).
16
3.3
Descripción general del proceso.
La producción de cobre consta de una serie de etapas consecutivas las que se
encuentran divididas por gerencias que cumplen la función de manejarlas y
controlarlas.
- Gerencia Minas: Extracción del mineral
La extracción del mineral de las capas superiores, roca blanda y de fácil fragmentación, se lleva a cabo por el método “Block Caving” (hundimiento de
bloques), en donde el mineral cae por gravedad desde el nivel de hundimiento al
nivel de producción. Por otra parte, en los sectores profundos donde hay roca
primaria, es decir, más dura y de menor ley, la extracción se realiza a través de un
método mecanizado en donde se usan jumbos, cargadores (LHD) y martillos
picadores hidráulicos.
La materia prima utilizada para la producción de ánodos de cobre es un complejo
mineralógico compuesto principalmente de Calcopirita, Pirita y Bornita, además de
Calcosina, Covelina, Tenantita, Molibdenita, entre otros.
La división extrae anualmente 137.000 toneladas diarias de mineral desde los
yacimientos Diablo Regimiento Fase IV, Esmeralda, Dacita, Reservas Norte, Pipa
Norte, Sur Andes Pipa, Pilar Norte, Teniente 4 Sur y Rajo Sur con una ley de cobre
promedio de 0,97 % CuT (concentración del metal con valor comercial por tonelada)
el cual es llevado a la Concentradora ubicada en Colón que tiene por objetivo reducir
el tamaño del mineral y enviarlo posteriormente a la fundición Caletones con una
humedad cercana al 8% (CODELCO, 2018).
A continuación, en la figura N° 1 se muestra el diagrama de flujo de minerales de la
18 - Gerencia Plantas Concentración: Flotación y molienda convencional.
La concentración del mineral se hace en las plantas de Sewell y Colón, donde por
medio de molinos SAG (semiautogenos) y líneas de molienda convencional se
reduce el tamaño de partícula, en etapas de chancado y molienda. Posterior a esto,
se lleva a cabo la etapa de flotación del mineral en donde se separa el cobre del molibdeno, quedando un producto intermedio con una ley de cobre cercana al 30 –
35 %.
A continuación, en la figura N° 2 se muestra el proceso de la Gerencia Plantas.
Figura 2: Concentradora Colón.
- Gerencia Fundición: Producción de ánodos de cobre y ácido sulfúrico.
El mineral de cobre se recibe desde las plantas concentradoras y se procesa en
Caletones en etapas de secado, fusión, conversión, refinación y moldeo. Además,
los gases producidos en el proceso de fusión se acondicionan en el sistema de
manejo de gases para ser enviados a la planta de limpieza de gases, en donde se
limpia, seca y convierte el dióxido de azufre en ácido sulfúrico concentrado.
A continuación, en la figura N° 3 se muestra el proceso general de la Fundición de
20
3.4
Descripción del proceso de fundición.
La fundición de Caletones procesa 1.400.000 toneladas anuales de concentrado de
cobre seco (CODELCO, 2018).
3.4.1
Unidad de Recepción y Preparación de Cargas (PRECA).
El mineral recibido por la planta tiene una ley de cobre cercana al 35%, 32% de
azufre, 27% de hierro, 6% de sílice, 0.2% de arsénico y una humedad de
aproximadamente un 30%. Sin embargo, para que esta materia prima pueda ser
procesada debe tener un contenido de humedad inferior al 0,2%.
Para reducir el contenido de humedad presente en el concentrado, la Fundición
cuenta con 3 plantas de secado que utilizan secadores de lecho fluidizado (2
operativas con capacidades de 56 y 135 ton/h y 1 en stand-by) y aire a 250 °C.
Además, cuenta con gas natural y respaldo de diésel para realizar el secado
(CODELCO - División El Teniente, 2018).
El gas, producto de la combustión del gas natural y el gas de fluidización que se
calienta al pasar por la cámara de combustión, se juntan en el Plenum y pasan a
través del lecho debido al tiraje forzado producido por un ventilador de tiro inducido,
produciendo la fluidización de la gravilla. En donde, se suspende y agita adoptando
las características de un fluido.
El gas y la gravilla en movimiento rompen las aglomeraciones e intercambian calor
con el concentrado húmedo, el cual es alimentado en forma descendente desde la
parte superior del Free Board, mediante una válvula de alimentación (alimentador
rotatorio). El concentrado cae por gravedad en contracorriente con el aire caliente y
se pone en contacto con la gravilla en el lecho. Aquí, se produce la mezcla y se
efectúa la transferencia de calor y por lo tanto el secado del concentrado.
Una vez secado el concentrado es enviado a la etapa de fusión conversión en forma
neumática con aire seco a través de cañerías.
A continuación, en la figura N° 4 se muestra un esquema del proceso de secado del
21 Figura 4: Proceso de Secado de Concentrado.
3.4.2
Unidad de Fusión y Conversión (FUCO).
En la etapa de fusión, el mineral es recibido por los convertidores teniente N° 1 y N°
2 que trabajan en proceso continuo las 24 horas del día. Los convertidores reciben
el mineral seco, a razón de 80 – 120 ton/h, por medio de un sistema de vasos
presurizados en donde, a través de toberas se inyecta directamente en el baño del
horno para ser fundido a 1220 °C con el objetivo de llevar a cabo el proceso de
descomposición y la posterior oxidación de los componentes mediante la
incorporación de oxígeno enriquecido. Además, se agrega fundente con el objetivo
de formar la escoria fayalítica y carga fría para controlar la temperatura dentro del
horno. De esta forma, se obtienen 3 fases inmiscibles entre sí: Metal Blanco (súlfuro
72-75 %Cu), Escoria (óxido 6 – 8 %Cu) y gases (22-26 %SO2) (CODELCO -
División El Teniente, 2018).
Los Convertidores Teniente producen diariamente alrededor de 700 – 800 ton/día
de metal blanco el cual se extrae de manera discontinua a través de un pasaje de
sangría que opera con una placa de cobre refrigerada con agua. El producto
obtenido es transferido a la siguiente etapa a través de tazas de 400 [pie3] de
capacidad a los Convertidores Peirce Smith (CPS).
Actualmente, la escoria producida por los convertidores teniente (alta en magnetita)
es trasladada a través de tazas de 500 [pie3] de capacidad a los hornos de limpieza
de escoria, en donde a través de un proceso de reducción se libera la mayor parte
del cobre arrastrado, generando un producto HLE que es procesado en los
convertidores teniente y una escoria final o también llamada escoria de botadero
22 Los gases producidos en la fusión son colectados por campanas refrigeradas
ubicadas en la boca de cada convertidor para ser acondicionados en el sistema de
manejo de gases.
A continuación, en la figura N° 5 se presenta el diagrama del Convertidor Teniente.
Figura 5: Esquema Convertidor Teniente.
Los convertidores Peirce Smith reciben el metal blanco a razón de 5 tazas por carga.
El horno es un reactor de burbujeo que transforma el metal blanco en cobre blíster
en dos etapas, siendo la primera etapa la desulfuración del sulfuro ferroso con
escorificación de hierro y la segunda de soplado con oxígeno hasta cobre blíster.
Además, se agrega carga fría con el objetivo de controlar la temperatura dentro del
horno debido a las reacciones exotérmicas que se producen en su interior.
En esta etapa se producen 3 fases: Cobre Blister (99,3% Cu) el cual es enviado al
proceso de refinación y moldeo, Escoria CPS que es devuelta como retorno líquido
al convertidor teniente, y por último gases de anhídrido sulfuroso al 16-18 % que
son colectados por las campanas refrigeradas de cada convertidor para luego ser
enviados al sistema de manejo de gases.
A continuación, en la figura N° 6 se presenta el diagrama del Convertidor Peirce
23 Figura 6: Diagrama esquema CPS.
Como se mencionó anteriormente, debido a que la escoria CT tiene un alto
contenido de magnetita, lo que se traduce en un arrastre de cobre considerable,
ésta es enviada a los Hornos de Limpieza de escoria, en donde, a través de un
proceso de reducción se libera el cobre disponible para ser procesado nuevamente
en los Convertidores Teniente.
La escoria producida por los CT’s se reduce mediante la inyección de Carboncillo al
baño (mediante toberas), para así mejorar las características físico-químicas de la
escoria, como por ejemplo viscosidad y tensión superficial, permitiendo así una
mejor separación entre fases metal y escoria.
La Fundición de Caletones hay 4 Hornos de Limpieza de Escorias que operan de
forma discontinua en las siguientes etapas: Carguío, Reducción, Sedimentación,
Vaciado de Escoria, Vaciado de Metal y Vaciado total.
En este proceso, se producen 3 corrientes: Producto HLE con un contenido de cobre
superior al 50%, Gases que contienen principalmente CO y CO2, y una escoria final
también llamada escoria de botadero que tiene un contenido de cobre inferior al 1%.
A continuación, en la figura N° 7 se muestra el esquema del Horno de Limpieza de
Escorias.
24
3.4.3
Unidad de Refinación y Moldeo (REMO).
Debido al alto nivel de impurezas contenidas en el cobre blíster (oxígeno, níquel,
plomo, arsénico, selenio, telurio, azufre, bismuto, plata, oro, etc.), es necesario
someterlo a un proceso de refinación para obtener un producto más puro y
comercializable.
La refinación se realiza en los hornos anódicos (5) en un proceso discontinuo que
se lleva a cabo en 4 etapas: carguío, escoriado, oxidación, reducción. Durante la
oxidación, se inyecta oxígeno para que reaccione con el azufre disuelto en el baño
y así liberar SO2 reduciendo las ppm de azufre, pero aumentando las ppm de
oxígeno. Luego, se lleva a cabo la etapa de reducción con gas natural, en donde
reacciona el oxígeno disuelto con carbono, hidrógeno y monóxido de carbono
(productos de la descomposición del gas natural), formando monóxido y dióxido de
carbono además de vapor de agua. Luego de estas etapas, los niveles de azufre y
oxígeno se reducen a aproximadamente 30 y 1200 ppm respectivamente con una
ley de cobre cercana al 99,6 % Cu, rangos que se consideran aceptables para el producto de refinación “cobre anódico”. En la práctica, las etapas de escoriado y
oxidación se llevan a cabo de manera intermitente (CODELCO - División El
Teniente, 2018).
Finalmente, cuando el cobre anódico cumple con las características anteriormente
mencionadas se encuentra en condiciones para ser moldeado en las ruedas RM28
y Rueda Twin.
En la etapa de moldeo, el cobre fluye desde el horno de refinación hacia la cuchara
intermedia quien a su vez se inclina para llenar la cuchara de moldeo que se ubica
sobre mecanismo de pesaje, al término de esta operación, la cuchara intermedia
corta el vaciado y vuelve a su posición de reposo. Cuando la rueda se ubica en
posición de moldeo, se registra el peso de la cuchara y esta comienza a inclinarse
en función del programa de inclinación establecido, dependiendo del peso
momentáneo de la cuchara durante el vaciado. Cuando disminuye el peso en la
cuchara y aumenta el peso del ánodo, el cobre se detiene suavemente y la cuchara
de moldeo regresa lentamente a su posición de reposo. Esta operación se repite
para todos los moldes disponibles en la rueda.
La operación se encuentra dividida en dos sectores, lado Rancagua que opera con
2 hornos anódicos que suministran Cobre a la RM28 y lado Sewell que opera con
dos hornos anódicos que alimentan a la rueda de moldeo Twin completamente
automatizada que en su conformación posee dos ruedas con 16 moldes cada una.
Los moldes deben estar necesariamente a una temperatura cercana a los 1150 °C
a 1180 °C (para no hacer el proceso de moldeo muy denso o muy líquido). Para
esto, se utilizan tuberías que expulsan gas natural a las cucharas de moldeo, con el
25 Para facilitar el desprendimiento del ánodo desde el molde se utiliza un desmoldante
compuesto por ceniza de hueso. Éste, se agrega en forma automática por un
sistema que mezcla ceniza de hueso con agua, en una relación de 12-17 kg cada
100 litros de agua, dependiendo de la densidad requerida.
La Fundición Caletones produce 5 formatos de cobre moldeado, los cuales se
detallan a continuación (CODELCO - División El Teniente, 2018):
• DYFY: Moldes de 240 kg que son enviados a San Antonio para su directa exportación a Asia (China principalmente).
• JCC: Moldes de 380 kg enviados a China.
• Ventanas: Moldes de 275 kg y 1800 ppm O2 enviados a la Fundición de
Ventanas, V región.
• Potrerillos: Moldes de 261 kg enviados a la Fundición de Potrerillos, Salvador, III región.
• Chuquicamata: Moldes de 420 kg y 2000 ppm O2 que son enviados a la
Fundición de Chuquicamata, II región.
A continuación, en las Figuras N° 8 y N° 9 se muestra la disposición de los equipos
en el proceso de Refinación y Moldeo, lado Sewell y lado Rancagua
respectivamente.
27
3.4.4
Unidad de Limpieza de Gases (LIGA).
Unidad encargada de realizar el acondicionamiento, limpieza y conversión de los
gases en Ácido Sulfúrico concentrado al 98,5% como subproducto de fundición.
Esta unidad consta de 3 operaciones que se detallan a continuación.
Manejo de Gases (MAGA).
Producto de las reacciones que se llevan a cabo en los Convertidores Teniente y
Peirce Smith, se producen corrientes gaseosas que contienen principalmente
oxígeno, nitrógeno y anhídrido sulfuroso (en una concentración cercana al 20-25% en los CT’s y 16-18% en los CPS’s) a 1220 °C aproximadamente, las que debido a
las normas medioambientales por las cuales se rigen las Fundiciones Chilenas
deben ser procesadas para evitar su envío directo a la atmósfera.
El principal objetivo del Manejo de Gases es el acondicionamiento (enfriamiento,
dilución y retiro de polvos) y posterior conducción de estos hacia las plantas de
limpieza de gases (PLG1 y PLG2). Este proceso está dividido en 6 líneas: (2)
Manejo de Gases de Convertidores Teniente (MAGA-CT) y (4) Manejo de Gases de
Convertidores Peirce Smith (MAGA-CPS).
La operación comienza con la captación de los gases de cada convertidor (CT’s Y CPS’s) a través de campanas refrigeradas que se encuentran sobre la boca de cada
reactor. En esta etapa, ocurre una disminución importante de la temperatura debido
a que durante la captación de los gases en la campana existe también una dilución
con aire atmosférico significativa que, sumada a la refrigeración con agua de
servicio de la campana, la temperatura desciende hasta aproximadamente 650 °C
al igual que la concentración de dióxido de azufre (CODELCO - División El Teniente,
2018).
Los Convertidores Teniente tienen un sistema de manejo de gases completamente
independientes entre sí, por lo que en la Fundición de Caletones hay un MAGA-CT1
un MAGA-CT2. Sin embargo, cada uno cuenta con los mismos equipos y etapas de
acondicionamiento. Por otra parte, los Convertidores Peirce Smith tienen un sistema
de enfriamiento de gases independientes entre sí. Sin embargo, el sistema de
captación de polvos y conducción hacia las PLG’s es común para las 4 líneas asociadas a los 4 CPS’s.
En el MAGA-CT, luego de que los gases son capturados, estos se diluyen por el
efecto de la infiltración de aire atmosférico hasta una concentración de SO2 cercana
al 13%, además debido a la transferencia de calor que se produce entre el gas, el
aire atmosférico y los paneles de la campana, se produce la primera disminución de
28 Este sistema adiciona agua pulverizada con la ayuda de aire comprimido (spray) y
su principio de enfriamiento se basa en la evaporación de agua que está en contacto
directo con la corriente gaseosa. Es decir, la energía que libera el gas (que se
traduce en una disminución de su temperatura) es absorbida por las pequeñas gotas
de agua pulverizadas a la cámara, esto produce un calentamiento en las partículas
de agua hasta alcanzar su temperatura de ebullición, en donde ocurre el cambio de
estado de fase liquida a fase gaseosa y un sobrecalentamiento hasta la temperatura
de salida del gas. Con este proceso, aumenta la humedad contenida en el gas
desde un 1% hasta aproximadamente un 8% y la temperatura desciende hasta 370
°C app.
Los gases enfriados son conducidos hasta los Precipitadores Electroestáticos (JOY)
quienes tienen la función de capturar los polvos contenidos en el gas a través de la
ionización de las partículas con energía eléctrica de alto voltaje. El polvo es captado
por las placas del sistema de precipitación y desde aquí caen a los transportadores
de cadena. Finalmente, los gases son conducidos hacia las plantas de Limpieza de
Gases (PLG 1 para el caso del CT2 y PLG2 para los gases del CT1).
Sistema de extracción de gases CT: Los gases provenientes de los precipitadores
electroestáticos del MAGA CT, son enviados mediante ductos hacia las Plantas de
Limpieza de Gases, impulsados por el tiraje generado por los sopladores principales de las PLG’s.
El MAGA CPS se diferencia del MAGA CT debido a que su principio de
funcionamiento se basa en el enfriamiento por radiación de calor.
Los gases CPS’s son capturados por las campanas ubicadas en la boca de cada
uno de los 4 convertidores, y son enfriados bajo el mismo principio que los gases
CT, es decir, por transferencia de calor entre gas, aire atmosférico (aire de dilución)
y placas refrigeradas de la campana. Aquí, la temperatura de los gases desciende
hasta aproximadamente 630 °C, mientras que la concentración de SO2 baja hasta
un valor cercano al 9,5%. Luego, los gases son conducidos a través de sus
respectivas líneas al sistema de enfriamiento radiativo que consta de 3 etapas:
(1) Precámara de enfriamiento: Cuenta con una pantalla matapolvo refrigerada
en su interior, en donde impactan las partículas contenidas en el gas,
produciéndose una decantación de una parte de las partículas más pesadas
y gruesas.
(2) Radiación en Liras: 4 tubos radiantes en forma de U invertida de 1,5 metros
de diámetro que transfieren energía por convección y radiación provocando
una importante disminución de la temperatura y que además, conducen hacia
29
(3) Cámara de enfriamiento: En este sistema, los polvos son colectados debido
a los cambios de dirección del flujo de gas.
Desde este sistema, los gases salen a una temperatura cercana a los 385 °C y se
mezclan en un ducto de alta velocidad a la salida de las cámaras de enfriamiento
antes de entrar a los Precipitadores Electroestáticos (MILJO).
Los Precipitadores tienen la función de colectar polvos en suspensión a través de la
ionización de partículas con energía eléctrica de alto voltaje. Estos precipitadores
cuentan con su propio sistema de rastras para la colección de polvos.
Finalmente, los gases son conducidos hacia la PLG2 en donde se mezclan con los
gases producidos por el CT1.
Sistema de extracción de gases CPS: Para impulsar los gases de los CPS’s a
través del sistema de captación, enfriamiento y limpieza se utilizan 2 Ventiladores
de Tiro Inducido equipados con variadores de frecuencia para regular su velocidad.
Los Ventiladores succionan desde un ducto común, ubicado a la salida de los PP.EE
y descargan a un ducto de alta velocidad.
El ducto de alta velocidad se bifurca en dos ramales, los cuales están conectados a los ductos que conducen los gases CT1 y CT2 hacia las PLG’s.
Las campanas de captación de gases disponen de un circuito primario de agua
tratada y control de PH para el enfriamiento de paneles refrigerados. Este mismo
circuito cerrado alimenta las pantallas matapolvos del enfriador radiante.
A continuación, en la figura N° 10 se presenta el esquema general del MAGA
31
Planta de Limpieza de Gases (PLG).
Las Plantas de Limpieza de Gases tienen como objetivo remover el anhídrido
sulfuroso y contaminantes metálicos contenidos en los gases provenientes del
proceso de Fusión y Conversión del concentrado.
La Fundición de Caletones cuenta con 2 plantas de limpieza de gases, en donde la
Planta N° 1 tiene una capacidad de producción de 1.500 ton/día de Ácido Sulfúrico
al 100% p/p. Mientras que la Planta N° 2 tiene una capacidad de producción de
2.485 ton/día de ácido al 100% p/p (CODELCO - División El Teniente, 2018).
Tanto la planta N° 1 como la N° 2 poseen básicamente el mismo proceso dividido
en 3 etapas principales.
1) Acondicionamiento del gas: El gas se limpia de impurezas, principalmente
metales pesados, polvos, sulfatos y agua.
2) Conversión del gas: En esta etapa el gas se combina con oxígeno, en
presencia de un Catalizador (Pentóxido de Vanadio) para formar trióxido de
azufre.
3) Absorción: El trióxido de azufre se absorbe en agua para formar Ácido
Sulfúrico.
Además, cada una de las Plantas cuenta con una Planta de Tratamiento de
Efluentes que procesa los efluentes producidos en la limpieza de los gases y
recupera agua de proceso que retorna al sistema.
A continuación, en la figura N° 11 se muestra un diagrama general del proceso que
se lleva a cabo en las Plantas de Limpieza de Gases (PLG).
32
Planta de Limpieza de Gases N°1
El proceso cuenta con una tecnología del tipo Mitsubishi – Lurgi de contacto único
y se divide en tres zonas principales (Modelo de operación para manejo de gases
de la Fundición Caletones, 2009). Su capacidad de tratamiento es 172.500 Nm3/h
de gas.
Sección de planta purificadora del gas (GCP)
Para poder llevar a cabo el proceso de conversión y posterior absorción del gas a
ácido sulfúrico, es necesario que el SO2 proveniente del Manejo de Gases CT’s y
CPS’s esté completamente libre de impurezas, vapor de agua y polvo, debido a que
afectan negativamente el proceso, los equipos y la calidad del ácido producido.
Para esto, la sección cuenta con los siguientes equipos, que se encuentran
conectados en serie, uno después del otro.
• Torre de Lavado: También llamada torre humedecedora, no posee relleno en su interior y su función es eliminar impurezas (tales como arsénico, selenio,
plomo y polvos metalúrgicos) y co-ayudar al enfriamiento del gas. Para esto, el
gas a una temperatura cercana a los 340 °C proveniente del manejo de gases
es inyectado en contracorriente a la torre, en donde se lava con ácido sulfúrico
diluido en forma de rocío. En este proceso el gas es depurado y enfriado
adiabáticamente por evaporación del agua contenida en el ácido de depuración,
hasta el punto de saturación del vapor.
Durante el proceso se genera un efluente que es bombeado a una torre Stripper
o también llamada desgasificadora, para retirar el SO2 residual. El efluente libre
de SO2 es enviado a la planta de tratamiento de efluentes, mientras que el SO2
recuperado se reintegra a la corriente gaseosa.
El enfriamiento del gas se produce adiabáticamente por la evaporación del agua
presente en el ácido de lavado hasta el punto de saturación de los gases con
vapor de agua. La temperatura de salida de los gases es aproximadamente
60°C.
• Depurador Venturi: Su función es eliminar el Arsénico y el polvo contenido en el gas mediante el paso por la garganta del Venturi. En este punto, el gas
aumenta su velocidad debido a la disminución del diámetro del equipo,
provocando una decantación de los polvos y su consecuente limpieza del gas.
El depurador cuenta con un circuito de ácido débil que retira las impurezas.
• Torre Empacada de Enfriamiento del gas: El gas se inyecta en forma ascendente a la torre, mientras que el ácido de circulación se pulveriza desde la
parte superior y es en la sección empacada de la torre (relleno con esferas de
33 de circulación. El gas entra a aproximadamente 65 – 69 °C y se enfría hasta unos 27 – 31 °C, disminuyendo por condensación, la cantidad de agua contenida
en el gas.
• Precipitadores Electroestáticos Húmedos: Su objetivo es retirar todas las impurezas remanentes en el gas, especialmente el arsénico.
La planta cuenta con 3 módulos de precipitadores de dos componentes cada
uno, en donde se capturan los polvos y líquidos (neblina ácida) decantando por
arrastre la humedad.
El gas ingresa al primer precipitador por la parte superior y es conducido a la
parte inferior donde se distribuye a los tubos colectores a través de placas de
distribución. En el centro de cada colector hay electrodo que es capaz de
esparcir carga positiva a cada una de las partículas de la neblina de entrada. A
medida que el gas va ascendiendo, las partículas ya cargadas son recolectadas
en la superficie del colector cargado negativamente. De esta manera, el gas sale
por el vestíbulo superior e ingresa al segundo precipitador en donde ocurre el
mismo proceso, pero con la diferencia que desde aquí el gas sale totalmente
limpio pero húmedo.
El efluente producido se va retirando constantemente ya que a medida que el
proceso de limpieza avanza, éste se va enriqueciendo en impurezas. El efluente
se envía a la Planta de Tratamiento de Efluentes.
34
Sección de Planta de Contacto con Ácido (CAP)
En esta sección se convierte el dióxido de azufre (SO2) en trióxido de azufre (SO3)
mediante un catalizador adecuado (pentóxido de vanadio para el caso de la
Fundición de Caletones). Sin embargo, para que este proceso se lleve a cabo es
necesario que el gas a procesar se encuentre completamente seco.
Esta sección cuenta con 3 pasos fundamentales: Secado del gas, Conversión del
gas, Absorción del gas.
• Secado del gas de SO2: El gas libre de polvos y vapor, pero aún húmedo y con
el aire de dilución necesario para la conversión catalítica, es conducido a la torre
de secado (empacada) para tener contacto en forma vigorosa con ácido sulfúrico
concentrado al 98,5 % quien finalmente absorbe la humedad contenida en el gas
y se diluye hasta aproximadamente un 96%. Para evitar que vapor ácido sea
arrastrado, el gas sale de la torre de secado y pasa por un eliminador de neblina.
Debido a que la reacción entre el ácido sulfúrico y el agua es exotérmica, el calor
se retira mediante intercambiadores de calor de placas para enfriar el ácido y
favorecer la condensación en la torre.
• Oxidación catalítica del SO2 en SO3: Para llevar a cabo la conversión de dióxido de azufre en trióxido de azufre es necesario que el gas esté
completamente seco, con una proporción de O2 a SO2 no menor a 1.1:1, una
temperatura de 400 °C y un catalizador (pentóxido de vanadio para la Fundición
de Caletones). La conversión se lleva a cabo en un reactor de 4 lechos, que
cuenta con 3 intercambiadores de calor que permiten ajustar la temperatura a la
requerida por la reacción.
35
• Absorción de SO2 en ácido sulfúrico concentrado: Se lleva a cabo en la torre de absorción de relleno cerámico, en donde el SO2 de la etapa anterior
fluye en contracorriente y se absorbe en ácido sulfúrico concentrado (98,5%
p/p) que circula continuamente por la torre. Finalmente, el gas que sale por
la torre pasa a través de un eliminador de vapor para evitar el goteo ácido y
su posterior expulsión a la atmósfera.
Planta de Limpieza de Gases N° 2
La planta N° 2 fue diseñada por un conglomerado internacional Kvaerner Chemetics
y entró en funcionamiento el año 2002. Al igual que la planta N° 1, el proceso se
puede dividir en 3 etapas principales: Limpieza de gases, Zona de contacto, Zona
de absorción, además de su respectiva Planta de Tratamiento de Efluentes (ETP)
(Modelo de operación para manejo de gases de la Fundición Caletones, 2009).
Su capacidad de procesamiento es de 280.000 Nm3/h.
Sección de Limpieza de Gases
Como su nombre lo indica, su función es limpiar el gas de toda impureza con el
objetivo de evitar una posible destrucción de los equipos y una disminución en la
eficiencia del proceso.
A diferencia de la Planta N° 1, esta planta cuenta con 2 trenes de limpieza de gases,
los cuales se componen de los siguientes equipos dispuestos en serie:
• Quench Venturi: Su función es saturar adiabáticamente los gases (humedece y reduce temperatura) provenientes del proceso MAGA. El gas se lava con ácido
débil inyectado en forma de rocío para enfriar su temperatura hasta la
temperatura de saturación (63°C app.).
• Torre de Retención o Torre Vacía: Recibe los gases desde la Torre Quench y su función es separar el gas del líquido, el cual contiene cierta cantidad de
impurezas.
• Limpiador Venturi o Venturi Scrubber: El gas que viene desde la Torre Vacía pasa a través de la garganta variable que tiene el limpiador y por diferencia de
velocidad en el gas las partículas finas precipitan, produciéndose de esta manera
la limpieza del gas.
• Torre de Enfriamiento de Gas: Como su nombre lo indica, su función es enfriar
el gas y retirar humedad mediante condensación.
A continuación, en las figuras N° 14 y N° 15 se muestra la configuración del
enfriamiento y lavado de gases del tren N° 1 de la Planta de Limpieza de Gases N°
36 Figura 14: Enfriamiento de Gases Tren 1 PLG N° 2.
Figura 15: Lavado de Gases Tren 1 PLG N° 2.
• Precipitadores: Recibe los gases de ambos trenes y su objetivo es quitar la neblina y partículas ácidas presentes en el gas. Esta planta cuenta con 4
precipitadores electroestáticos, en donde cada uno cuenta con 300 tubos
circulares que son utilizados como superficie colectora en donde se instala el
electrodo (en el centro de cada colector).
A continuación, en la figura N° 16 se muestra el esquema de los precipitadores
37 Figura 16: Precipitadores Electroestáticos.
• Desgasificador Ácido Débil: Los equipos anteriormente mencionados generan efluentes ácidos que contienen partículas indeseadas y también SO2. El dióxido
de azufre es recuperado en el desgasificador en donde se inyecta aire para
retirar el gas y éste se envía a las torres de enfriamiento de cada tren para
continuar con su conversión.
Figura 17: Desgasificador PLG N° 2.
Zona de Contacto
El gas libre de impurezas es enviado a la Torre de Secado, en donde mediante
absorción con ácido sulfúrico se genera un gas completamente seco y apto para
ingresar a la torre de conversión.
La zona de contacto cuenta con un soplador que es una unidad centrifuga impulsada
por un motor eléctrico y su función es impulsar y comprimir los gases hacia los
distintos equipos de la planta.
El gas comprimido es ingresado a la Torre de Conversión en donde se produce la
38 superior a los 400 °C. Debido a que la cinética de esta reacción es lenta, se utiliza
un catalizador de Pentóxido de Vanadio para acelerar la reacción.
A continuación, en la figura N° 18 se muestra el esquema del Reactor de Conversión
de la PLG N° 2.
Figura 18: Convertidor PLG N° 2.
Zona de Absorción
El gas proveniente de la torre de conversión se pone en contacto con ácido al 98,5%,
el cual circula constantemente. De esta forma, el SO3 se absorbe en el ácido y se
va generando más ácido en el sistema. La reacción de absorción es exotérmica,
por lo que el sistema cuenta con un sistema de refrigeración compuesto por
intercambiadores de calor. A continuación, en la figura N° 19 se muestra la
configuración de la zona de absorción.
41
Planta de Tratamiento de Efluentes (ETP).
Durante la limpieza de los gases que provienen del proceso de fusión y conversión de mineral, se generan efluentes ácidos que contienen entre un 8 – 15 % de ácido
sulfúrico, además de metales pesados y arsénico.
Debido a la peligrosidad de estos elementos es completamente necesario que sean
tratados y estabilizados en las Plantas de Tratamiento de Efluentes. Estas plantas
tratan los efluentes generados y producen desechos sólidos y líquidos, estables y
seguros para el medioambiente.
La Fundición de Caletones cuenta con dos Plantas de Tratamiento de Efluentes
(ETP), en donde la ETP 1 procesa el efluente generado por la PLG 1 y la ETP 2
procesa el efluente generado por la PLG 2. Ambas plantas se basan en los mismos
conceptos físico-químicos para el tratamiento, sin embargo, difieren en los equipos
que se utilizan en cada una. Además, existen 2 plantas que preparan la Lechada de
Cal (reactivo principal del proceso) a partir de Cal Viva (Proceso para la eliminación
de impurezas de efluentes provenientes de las fundiciones de cobre, 2012).
El tratamiento de los efluentes considera las etapas que se describen en la figura
N° 22.
42
Neutralización con lechada de cal
El efluente ácido producido por las Plantas de Limpieza de Gases se envía a través
de bombas centrífugas a un estanque de neutralización, en donde se pone en
contacto con lechada de cal para comenzar la neutralización del efluente y por ende
formación de cristales de yeso (Sulfato de Calcio). En esta etapa, es sumamente
importante promover el tiempo de residencia necesario para que los cristales
crezcan, ya que estos servirán como matriz encapsuladora del arsénico en sus
distintas presentaciones.
Por otra parte, los estanques son insuflados con aire para ayudar la oxidación del
arsénico hasta su forma As+5 debido a que es más fácil de precipitar que el Arsénico
en su forma As+3. Además, contienen un agitador para mantener los sólidos en
suspensión.
De los estanques de neutralización, la pulpa de yeso rebalsa hacia el estanque de
precipitación donde ocurre la decantación del resto de los compuestos debido al
aumento de PH, ya que esto facilita la precipitación de los compuestos.
Precipitación de los iones metálicos y retiro parcial del Arsénico
En esta etapa, el PH se encuentra cercano a 11.5 [-] con el objetivo de promover la
precipitación de una gran parte de los iones metálicos de arsénico como también el
hidróxido de metal.
Al igual que el estanque de neutralización, este estanque se encuentra agitado para
seguir manteniendo los sólidos en suspensión.
Los iones metálicos Cu, Fe y Zn comienzan a precipitar en forma de hidróxidos a un
PH cercano a 5.3, 2 y 7 respectivamente.
La pulpa obtenida en el estanque de precipitación contiene aproximadamente un
9% de sólidos, según diseño, y es enviada al espesador primario en donde se pone
en contacto con un floculante o polímero para promover la unión de las partículas
sólidas en suspensión, para su posterior decantación.
En esta etapa se obtienen dos corrientes:
• Corriente Sólida: Contiene precipitados de Arsénico, metales y sulfatos.
• Corriente Líquida: Efluente neutro con Arsénico disuelto.
El líquido que rebalsa desde el espesador primario fluye hacia el estanque de
precipitación de arsénico N° 2 conteniendo aproximadamente entre 25 y 30 ppm de
Arsénico en solución. Mientras que la corriente sólida es enviada al estanque de
43
Precipitación final del arsénico:
Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal de la planta es tratar los
efluentes provenientes de la Planta de Limpieza de Gases produciendo compuestos
estables y seguros para el medioambiente.
La forma más estable de precipitación del Arsénico es como Arseniato Férrico
insoluble (FeAsO4). Es por esto que, a la corriente líquida proveniente del espesador
primario, se le adiciona una solución de Fierro, como Sulfato Férrico. De esta
manera el Arsénico remanente precipita, logrando obtener un efluente neutralizado
con una baja concentración de Arsénico en solución (<1 g/L).
Esta etapa del proceso se encuentra condicionada por la relación Fe/As del sistema,
ya que dependiendo del PH y esta relación, será la solubilidad del Arsénico, y lo que
se busca es que esta sea la menor posible.
El PH en esta etapa se encuentra entre 8.5 y 9.5 [-] y de acuerdo con estudios
realizados en búsqueda de la relación óptima del proceso se encuentra que la razón
Fe/As debe ser igual a 7 para conseguir la menor solubilidad posible del Arsénico,
como se muestra en la Figura N° 23.
Figura 23: PH vs [As] en función de la relación Fe/As.
Luego de esta etapa, el efluente se envía a un espesador secundario, en donde
nuevamente se adiciona un floculante con el objetivo de aglomerar los sólidos
suspendidos y posteriormente realizar una separación sólido-líquido, en donde los
sólidos son enviados al estanque de lodos, mientras que el líquido es neutralizado
con ácido sulfúrico y enviado al estanque de efluente neutralizado.
Filtrado:
Los sólidos obtenidos son enviados desde el estanque de lodos a los filtros
correspondientes a cada planta. En esta, se extrae parte del líquido y se obtiene
como resultado un queque con una humedad del 40% aproximadamente,
44 el cual es entregado a “HIDRONOR” para realizar el posterior tratamiento y
disposición final de este residuo peligroso.
Durante muchos años, el queque filtrado fue procesado por las mismas Plantas de
Tratamiento de Efluentes de la Fundición de Caletones, en donde el queque se
enviaba a un calcinador y se obtenía un producto calcinado y estabilizado, el cual
era almacenado en maxi sacos para su posterior disposición final. Sin embargo,
debido al alto costo operativo que conlleva esta parte del proceso, la Fundición de
Caletones optó por entregar el queque húmedo a una empresa externa para que
realice su tratamiento final.
3.4.5
Planta de Tratamiento de Escorias (PTE).
Debido a la nueva norma de emisiones que rige a las Fundiciones en Chile, es
necesario que la Fundición de Caletones modifique parte del proceso productivo ya
que actualmente, la escoria producida por los Convertidores Teniente N° 1 y 2 es
enviada a los Hornos de Limpieza de Escorias, en donde a través de un proceso de
reducción con carboncillo el cobre se libera y se envía como retorno líquido a los
Convertidores mencionados. Sin embargo, el proceso de reducción libera una
cantidad de arsénico a la atmosfera que no permite cumplir con la nueva norma de
emisiones de As establecida por el Ministerio de Medio Ambiente.
Es por esto que es necesario la eliminación total de los Hornos de Limpieza de
Escorias, utilizando en su lugar una nueva Planta de Tratamiento de Escorias, en
donde a través de un proceso de Flotación el cobre se recupera en el Concentrado
de Escoria, sin emitir gases contaminantes a la atmosfera.
La nueva Planta de Tratamiento de Escorias está diseñada para tratar 1.350.000
toneladas de escoria al año con una ley promedio de Cobre cercana al 8.5%.
Además, está compuesta por los siguientes procesos (CODELCO - Gerencia
Proyectos, 2016):
1. Transporte, Manejo, Chancado y Acopio de escoria CT.
La escoria triturada en las canchas de enfriamiento será descargada en la tolva de
recepción de escoria para luego ser enviada al chancador primario (de tipo
mandíbula) con el objetivo de disminuir su tamaño hasta un P80 de 64 mm para
luego ser transportada al acopio de almacenamiento.
A continuación, en la figura N° 24 se esquematiza la primera parte del proceso de
45 Figura 24: Chancado y Acopio de escoria.
2. Molienda.
La molienda se llevará a cabo a través de un Molino SAG y un Molino de Bolas.
Molienda Primaria: Desde el domo de acopio, se descargará la escoria al Molino
SAG de dimensiones 6.71 [m] x 3.35 [m] y de 2.824 kW (3.787 HP). La descarga
del molino se llevará a cabo con trommel, con el objetivo de clasificar los pebbles y
el mineral fino. El cajón de descarga del molino alimentará a la batería de
hidrociclones y procesará además la descarga del molino de bolas.
Molienda Secundaria: Consiste en un Molino de Bolas de 6.10 [m] x 9.75 [m] de
7.145 kW (9.581 HP), operando en circuito cerrado con una batería de hidrociclones
(8 + 2 stand by), de 381 mm de diámetro. Se estima que el producto final tendrá un
P80 = 47 µm.
El cajón receptor de descarga del Molino SAG alimentará a los hidrociclones y
además, de recibir la descarga proveniente del molino de bolas.
A continuación, en la figura N° 25 se esquematiza el circuito de molienda.