Con las nuevas exigencias específicas para limpieza de combustible para motores diesel, el control de la contaminación a través de toda la cadena de suministro de combustible es un aspecto crítico

Por Christian Bauer, Ph.D.

El combustible es la sangre de la vida para la mayoría de las operaciones mineras en superficie. Muchas minas enfrentan diferentes grados de problemas de contaminación. Comprendiendo los componentes del sistema de suministro de combustible y los sistemas de filtración, los mineros pueden planificar de mejor forma estrategias para gestionar la limpieza.

Normalmente el combustible diesel se entrega a la mina por medio de un camión cisterna. Un grupo de bombas de 300- a 400-gpm pone el combustible en un enorme sistema de almacenamiento. Desde los estanques de almacenamiento principales, el combustible es transferido a estanques secundarios localizados antes de alcanzar las islas de combustible o estaciones de llenado donde el equipo es reabastecido.

En todos estos puntos de transferencia, se recomienda la filtración. Algunas minas usan grandes sistemas de filtración a granel, inicialmente combinados con un separador de agua o coalescente. Estos sistemas pueden manejar altos caudales y grandes cargas de contaminantes. Al final de la línea, se puede instalar una filtración de punto-de-uso (PoU) en el punto de abastecimiento de combustible del equipo. Los motores diesel tienen sistemas de filtración incorporados.

¿Cuál es la principal dificultad de los contaminantes? Los niveles de limpieza del combustible pueden variar significativamente de mina a mina. Los códigos de limpieza ISO de 22/20/17 no son poco comunes (Ver Tabla 1). Eso es aproximadamente equivalente a un nivel gravimétrico de 20 mg de suciedad por litro de combustible. Para una mina que usa 134.000 litros por día (l/d) de combustible, durante el curso de un año, la mina estaría bombeando 800 kg de suciedad a travésde la cadena de suministro de combustible. Combustible así de sucio nunca debiera ingresar directamente a camiones y palas—sus filtros de combustible incorporados de taparán. Una adecuada filtración aguas arriba puede eliminar la mayor parte de esta contaminación.

1.6 Fuel Cleanliness B11639Otro importante código de contaminación ISO es el 18/16/13. Este es el nivel de limpieza de combustible que sugiere la Carta Mundial de Combustibles como nivel de limpieza de combustible entrante. Este aún arrojaría 50 kg al año (kg/d) de suciedad para una mina que quema 134.000 l/d. Siguen siendo un número grande, pero factible.

El agua también puede ser un problema. El combustible diesel normal satura alrededor de 100 ppm de agua. Cualquier cosa por sobre ese nivel sería agua libre, ya sea en gotas o como agua emulsionada que se asienta en los estanques. Una mina que recibe combustible con 5.000 ppm de agua (0,5%) tendría que eliminar 250.000 lt. de agua al año para mantener el combustible seco.

Sistemas de Inyección Diesel
Los componentes críticos en el rajo son los inyectores de combustible en los motores diesel. Ellos determinan cuanto combustible se inyecta y controlan el proceso de combustión en los cilindros. Los inyectores de combustible a alta presión de riel común (HPCR) requieren niveles de limpieza mucho mayores que los de los inyectores electrónicos más antiguos (EUI)—hasta 30 veces más limpieza. Para obtener ese nivel de limpieza de combustible, los mineros deben estar seguros que están eliminando contaminación en cada etapa a lo largo de la cadena de suministro de combustible.

2.14 Fuel Cleanliness 11645Como su nombre lo indica, las presiones del inyector en estos sistemas llegan hasta el orden de los 40.000 psi. Los espacios vacíos son relativamente pequeños (2 micrones), porque estos inyectores actúan como válvulas abriéndose y cerrándose hasta 70 veces por segundo. Eventos de inyección múltiple tienen lugar en cada giro del embrague. Esto controla los niveles de emisión y cuán bien se quema el combustible.

Una limpieza de combustible inadecuada genera grandes dolores de cabeza a las faenas mineras. Los filtros de combustible a bordo se tapan prematuramente, lo que significa que lo más seguro es que el equipo no cumpla su mantención preventiva (PM) programada. El personal de mantención podría tener que cambiar filtros en el rajo, lo que equivale a una pérdida de producción. Los motores podrían ver una pérdida de potencia en el tiempo si los filtros de combustible no eliminan la contaminación por partículas eficientemente. Esto también podría llevar a un aumento en las emisiones, presencia de hollín, etc.

La mayoría de las especificaciones para limpieza de combustible para vehículos fuera-de-carretera para trabajo severo, incluyendo los vehículos mineros, no deben sobrepasar 16/13/8. Eso es cuatro veces más limpio que la recomendación de la Carta.

Ellas permitirán que una operación mantenga 12/9/7 por menos de del 35% de las horas de servicio. Pero realmente les gustaría ver 11/8/7 en el punto de inyección. En este nivel, el motor puede funcionar el 100% de sus horas de servicio. Una mina necesita filtrado suplementario avanzado para ayudar a los filtros de combustible a bordos a alcanzar esos niveles.

Estrategias de Gestión de Limpieza
2.15 Fuel Cleanliness 11644Para comprender en qué situación se encuentra actualmente la mina, debe realizar un control a su cadena de suministro de combustible. ¿Cómo es el combustible almacenado y que circula en la faena? ¿Qué niveles de filtrado (si los hay) se han establecido y dónde? ¿Cuán limpio está el combustible a granel fuera de la carga? ¿Cuán limpio está el combustible en las estaciones de llenado? Quizá durante una PM se pueda tomar una muestra antes y después del filtro de combustible a bordo.

Durante el control, la mina debería evaluar ubicaciones óptimas para posibles sistemas de control de contaminación.

Los mineros deben determinar los niveles de limpieza de combustible requeridos en base a puntos críticos en el proceso. Si los mineros ponen a funcionar inyectores de combustible EUI, la exigencia es 18/6/13. Si es HPCR, entonces el requerimiento es de 12/9/6 o mejor.

Una vez que se establecen los niveles, la mina debe determinar si el filtrado existente es suficiente. Para tal objetivo, la mina debe continuamente monitorear, adquirir, y evaluar los datos: limpieza del combustible, niveles de agua, niveles de contaminación, etc. Los mineros también debieran hacer un seguimiento a los intervalos de mantención y al costo de los sistemas de filtrado.

Usando la información del control, se puede diagramar la cadena de suministro de combustible (Ver Figura 2) con los niveles de limpieza apropiados indicados en los puntos de transferencia. Conociendo los niveles deseados en el PoU, la mina puede trabajar mirando al futuro para instalar un filtrado adecuado para el flujo ascendente en los puntos de transferencia.

Seleccionar el sistema de filtrado correcto es clave para mantener la limpieza del combustible. Se aplica sólo una vez. A diferencia del fluido hidráulico, que recircula a través del sistema de filtración, la mina solamente tiene la posibilidad de eliminar la contaminación del combustible diesel al pasar esta a través de la cadena de suministro. Los filtros tienen que ser clasificados correctamente de acuerdo al caudal de flujo en la cadena de suministro de combustible, y se tiene que considerar el volumen anual de combustible a fin de lograr una vida útil razonable del filtro (Ver Tabla 2).

Tradicionalmente, las instalaciones de filtrado de combustible a granel confiaban en la tecnología de filtrado convencional construida con medios de filtración de celulosa. Las eficiencias normales de filtrado son relativamente bajas. Con un filtro que tiene una eficiencia del 98%, 20 partículas de 1.000 pasarán, lo que no es suficiente para proteger los sistemas.

3.18 Fuel Cleanliness 11649Lo que realmente se necesita es tecnología de filtrado avanzada que tenga una eficiencia del 99.9%, lo que significa que solamente 1 partícula en 1.000 logra pasar. Esto les da a los operadores de la mina una oportunidad para eliminar el desgaste prematuro de los inyectores de combustible. Estos filtros también se caracterizan por su larga vida útil debido al área de filtración maximizada dentro del elemento, y a los medios sintéticos de filtrado que usa.

La mina no puede controlar lo que no mide y es difícil medir lo que uno no puede ver (Ver Figura 3). El tamaño normal del espacio para una partícula es de 5 micrones, lo que es 1/15 el diámetro de una hebra del cabello humano. Existen dos formas de medir la contaminación presente en el combustible: muestras embotelladas con un parche de análisis bajo un microscopio (muestreo fuera de línea) o un sistema de muestreo en línea que no exponga la muestra al medioambiente. Para muestras relativamente sucias (arriba de 18/16/13), realmente no hay diferencia en los resultados entre conteo en línea y conteo fuera de línea. Sin embargo, con altísimos niveles de limpieza del combustible, el muestreo en botellas ya no será suficiente. Un nivel razonable de limpieza que se pueda detectar con muestras en botella es alrededor de 15/14/11, lo que es relativamente limpio.

Si puede justificar el gasto, en la mina se debiera instalar un monitor de limpieza o un contador de partículas dentro de la línea con un puerto de muestras. Si  los técnicos tienen que usar botellas de muestra, deben lavarlas muy bien y no deben exponerlas al medio ambiente por mucho tiempo. Hablando desde la experiencia personal, es muy difícil medir un combustible limpio con una botella en una faena minera.

Ejemplos a Partir de Faenas Mineras
Una mina de carbón tenía elementos de filtro de papel plisado fijados nominalmente para 10 5 micrones en sus islas de combustible (estaciones PoU). El caudal era de 100 gpm. El combustible fue bombeado a estanques de almacenamiento de 200.000 galones. Normalmente estaban operando a 80°F. Cambiaban los filtros a una presión diferencial de 15 psi. La limpieza del combustible era de más de 19/16/14.

No estaban logrando el nivel de limpieza que necesitaban. Se realizó un control y decidieron actualizar hasta un elemento de filtro sintético para 7 micrones. La presión diferencial del recambio fue mayor para estos filtros de alta eficiencia. Los filtros de alto rendimiento tenían un área más que suficiente, pero cuestan seis veces más por elemento de filtro que los elementos convencionales para 5 micrones.

4.26 Fuel Cleanliness 11648Como con la mayoría de las decisiones, era una cuestión del retorno de la inversión. El costo beneficio al año para esta mina era de US$7.000, incluyendo una reducción de US$4.000 en costos de eliminación. Aún cuanto tenían un costo mayor de US$23.000 por los elementos de filtro, redujeron costos operacionales en más de US$27.000, debido a la mayor presión diferencial de recambio y una vida útil que era tres veces mayor que en los elementos de filtro originales. Este costo beneficio no parece mucho, pero este ejemplo no incluye los menores costos por horas de mantención y parada del equipo, ni la mayor vida útil de los componentes del sistema de inyección asociada los mejores niveles de limpieza del combustible nuevo de 14/12/9.

En otro ejemplo, una mina de oro recientemente analizó su cadena de suministro de combustible diesel completa. Tenían un caudal de descarga de 400 gpm y los niveles de limpieza eran de 22/20/13—realmente sucio. El combustible fue cargado en dos estanques de almacenamiento de 200.000 galones. No había filtración en los puntos de transferencia, pero encontraron mayores niveles de limpieza (20/16/11) en las boquillas de llenado, indicando asentamiento de contaminación en los estanques de almacenamiento.

El cliente quería alcanzar niveles de limpieza de 15/13/10 en los PoU. Determina- ron que necesitaban filtración en tres puntos importantes: en la descarga, en la transferencia a granel y en las boquillas de los PoU. Los tres puntos fueron diseñados con clasificaciones de filtración escalonadas: 12 micrones en la descarga, 6 micrones en los puntos de transferencia, y 5 micrones en los PoU. La limpieza de los PoU alcanzó los 14/13/11.

En los primeros tres meses, ellos vieron cambios en cómo operaba la mina. Anteriormente promediaban 70 fallas de inyector por trimestre y ahora han reducido eso a cero. Esta faena minera estuvo haciendo seguimiento de esta información y pudieron justificar fácilmente la inversión de manera interna. La vida útil de los filtros de combustible a bordo en los camiones también mejoró dramáticamente. Ahora están cumpliendo sus PMs programadas. Están entregando combustible más limpio a los camiones, lo que aumentó la productividad y la producción total.

Los sistemas modernos de inyección de combustible diesel son muy sensibles a la contaminación por material particulado y al agua. Si no hay filtración a granel o en los PoU, la vida útil de los elementos de filtro a bordo puede variar enormemente como una función de la concentración de la contaminación en el combustible que entra. Se recomienda filtración a granel y/o filtración en los PoU de alto rendimiento para garantizar una limpieza de combustible permanentemente alta al entrar a los estanques de combustible de la mina.

Este artículo fue adaptado de una presentación dada por el autor en Haulage & Loading 2013, que tuvo lugar durante Mayo en Phoenix, Arizona, USA.

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