Diseño de depósitos de relaves secos para plantas hidrometalúrgicas

Los relaves filtrados y apilados en seco se han convertido en la respuesta por defecto al riesgo en las nuevas plantas hidrometalúrgicas: al deshidratar hasta 85–90 % de sólidos p/p se obtiene una torta parecida a un suelo que se compacta en una pila estable y no saturada, sin presa que retenga agua, y se recircula hasta cerca del 80 % del agua de proceso. Esta guía resume el diagrama de flujo, el balance de agua, los criterios de diseño, los costes y los aspectos de permisos que debe esperar un propietario.

Puntos clave

• El depósito seco elimina el modo de fallo de la presa húmeda y simplifica la gobernanza bajo el marco GISTM.
• La filtración es el corazón del circuito de separación sólido-líquido; la selección del equipo de deshidratación debe empezar en la etapa de diagrama de flujo, no en la ingeniería de detalle.
• Esquema típico: espesador de alta capacidad o de pasta, filtro prensa, transporte y capas compactadas.
• En zonas áridas se recupera el 75–85 % del agua de proceso, una ventaja decisiva en Chile, Perú y Asia Central.
• El CAPEX supera al de una presa convencional; el OPEX realista se sitúa en torno a 2–7 USD por tonelada de sólido seco.

Qué significa un depósito de relaves secos

Los relaves secos, también llamados relaves filtrados o DSTF por dry stacked filtered tailings, son relaves deshidratados hasta comportarse como un suelo granular húmedo y no como una pulpa, que después se transportan y compactan en capas proyectadas. La instalación no contiene una presa permanente de retención de agua: la masa almacenada es autoportante, no saturada y drena por su base.

Tres conceptos sostienen la terminología. Primero, la filtración: el filtro prensa es una máquina de filtración a presión por lotes que comprime la pulpa entre placas recubiertas de tela y entrega una torta manejable, normalmente con 80–90 % de sólidos p/p; los filtros de banda a vacío y las prensas de placas cumplen la misma función de forma continua o cíclica. Segundo, el preespesado: un espesador de pasta eleva el contenido de sólidos antes del filtro, estabiliza el tiempo de ciclo y reduce la carga sobre bombas y telas; cuando el agua es el factor dominante, un espesador de alta capacidad aguas arriba de los filtros captura igualmente la mayor parte del agua libre con un coste por metro cuadrado muy inferior. Tercero, el apilado: la torta se coloca con transportador o camión, se extiende en capas de 5 a 15 m, se compacta con orugas o rodillos y se perfila para que la lluvia escurra en lugar de infiltrarse. La forma final se parece mucho más a un relleno técnico o a un botadero de estéril que a una presa.

La consecuencia práctica es de riesgo: al no estar saturados los relaves, no existe superficie freática ni un gran embalse cuya rotura pueda fluir como un líquido. Esa es la diferencia esencial frente a cualquier variante de embalse húmedo, convencional, de línea central o aguas abajo, y explica por qué reguladores, aseguradoras y bancos, y las comunidades que recuerdan Brumadinho, preguntan hoy por qué no filtrar como primera cuestión en toda revisión de relaves.

Del espesador a la pila: el diagrama de flujo

El circuito es un tren de deshidratación seguido de una operación de movimiento de tierras. Los equipos son convencionales; la integración es donde los proyectos se ganan o se pierden. El tren típico para una planta de cobre u oro es:

1. Espesado. La pulpa, con 25–40 % de sólidos p/p, alimenta un espesador de alta capacidad o de alta densidad, floculada con 10–30 g/t de polímero. La descarga inferior sale con 55–70 % p/p y libera la mayor parte del agua recuperada antes de la filtración. El dimensionamiento se rige por el flujo de sedimentación y el par del rastrillo, no por la clarificación, de modo que los ensayos con los relaves reales son obligatorios.
2. Filtración. La descarga se bombea a filtros prensa o, para servicios más gruesos y de mayor tonelaje, a filtros de banda a vacío o de discos horizontales. La prensa llena en 2–6 minutos, comprime a 8–16 bar y descarga la torta en un ciclo de 10–20 minutos. El tiempo de ciclo fija el número de placas y de prensas: por eso la consistencia de la alimentación importa más que cualquier especificación aislada del equipo.
3. Manejo de la torta. La torta cae sobre un alimentador de banda y el transportador principal de apilado. La fragilidad y el ángulo de reposo en la descarga determinan si la torta se rompe en grumos o se adhiere a las bandas; ambas dependen del contenido de arcilla y de ultrafinos y deben observarse en ensayos piloto, no suponerse.
4. Apilado y construcción. La torta se extiende en capas de 5–15 m; en instalaciones grandes de zonas áridas se eligen 10–20 m. Cada capa se compacta con bulldozers y rodillos hasta una densidad seca objetivo, y el resguardo, las rampas y los taludes se diseñan como en un botadero de estéril, con criterios geotécnicos de aceptación por capa.
5. Subdrenaje y gestión del agua. Una red de drenes graduados, o una capa inicial drenante de estéril grueso, mantiene la base no saturada. El agua de tormenta se separa de cualquier infiltración, se conduce a una balsa pequeña y se devuelve a planta; al no estar saturada la pila, esa balsa es una fracción de la que exigiría un embalse húmedo.
6. Cierre progresivo. Cada zona terminada se perfila, se cubre cuando procede y se revegeta al ritmo de la operación. El gasto de cierre se reparte a lo largo de la vida de la mina en lugar de diferirse como pasivo, lo que mejora la posición de la instalación en cualquier revisión de gobernanza alineada con el GISTM.

La tabla siguiente resume valores indicativos por corriente; cada proyecto debe confirmarlos con ensayos de laboratorio y piloto sobre muestras representativas.

Las dos palancas de diseño que dominan todo lo que viene después son la densidad de descarga y la humedad de la torta. Si se suben cinco puntos los sólidos de descarga, el área de filtración se reduce de forma medible; si se falla la humedad objetivo, los equipos de apilado se atascan, la productividad por capa se derrumba y el programa se retrasa. Por eso conviene tratar la selección del espesador y del filtro como una sola optimización y no como dos compras independientes.

Recuperación de agua: por qué se elige en zonas áridas

En el desierto de Atacama, en los Andes peruanos, en Sonora, en Nevada y en el Gobi, allí donde hay cobre y oro pero no hay agua, el balance hídrico manda. Una balsa de relaves convencional pierde agua por evaporación en una gran superficie mojada y la retiene de forma permanente en los huecos de la pulpa almacenada. El depósito seco invierte esa imagen: el agua se libera en dos puntos proyectados, el rebose del espesador y el filtrado, ambos capturados, bombeados y devueltos a planta, mientras la superficie mojada se reduce a una pequeña balsa de tormentas.

Un balance anual simplificado para una planta de 3 Mt/año en clima árido ilustra la escala:

El 15–25 % restante sale del circuito por tres vías: la humedad fijada en la torta apilada, la evaporación de la balsa pequeña y de las superficies activas, y las pérdidas por humedad de los circuitos de refrigeración y supresión de polvo. Aun así, recuperar 75–85 % se compara con un 50–65 % de un embalse convencional en el mismo clima, y la diferencia se acumula cada año de operación. Para una planta que consume 2,5 millones de m³ de agua cruda al año, el delta ronda los 500.000 m³ anuales: en Chile o Mongolia, suficiente para decidir si el proyecto obtiene o no sus derechos de agua.

Hay dos beneficios de segundo orden que importan al propietario. El primero es que baja el volumen bombeado: el agua recuperada vuelve por gravedad o con poca altura en lugar de recorrer largas tuberías desde una presa lejana, con lo que se reducen energía y mantenimiento. El segundo es que el inventario de agua de la instalación, es decir, el volumen que podría escapar en un evento extremo, es pequeño, lo que simplifica los planes de emergencia y la comunicación con la comunidad.

Criterios de diseño, límites de aplicación y gobernanza

El diseño empieza por la torta. Un objetivo de humedad gravimétrica inferior a unos 15 % p/p, equivalente a 85 % de sólidos p/p, es el umbral de aceptación habitual, porque con esa consistencia los relaves filtrados se pueden transportar, extender y compactar de inmediato en casi cualquier clima. Por debajo de 80 % de sólidos la torta se surca bajo los bulldozers; por encima de 92 % crecen la generación de polvo y el derrame en las bandas. El objetivo lo fijan los finos: los residuos ricos en arcilla de minerales de oro oxidados, o las arcillas de zonas de meteorización de pórfidos cupríferos, retienen el agua con fuerza y pueden exigir tiempos de compresión mayores, telas más finas o ciclos asistidos con vapor.

El manejo de finos va más allá de la prensa. Los ultrafinos que escapan del espesado pueden cegar la tela y desestabilizar las capas, de modo que muchas plantas dividen la corriente: las arenas de hidrociclón a los filtros y los lodos a una pequeña balsa separada o a relleno de pasta. En sitios de alta pluviosidad con relaves finos y de baja permeabilidad se prefiere un enfoque híbrido de espesado o pasta, porque una pila filtrada construida con material saturado y poco permeable consolida despacio y pierde resistencia al corte en estaciones húmedas prolongadas.

La geometría se deduce de la calidad de la torta. Una torta gruesa y drenante admite capas de 15–20 m y taludes generales empinados, lo que maximiza la capacidad por hectárea donde el terreno escasea junto a una pila de lixiviación. Una torta más fina o húmeda exige capas de 5–10 m, bermas más anchas y ángulos menores. En regiones sísmicas como los Andes, Turquía o Asia Central se prefieren capas bajas con compactación sistemática y drenaje generoso, porque la densificación y la baja saturación elevan la resistencia cíclica de la masa; un depósito seco no es inmune por definición al diseño sísmico, simplemente es mucho más fácil de proyectar con seguridad que una presa saturada. En todos los casos la fundación y el subdrenaje hacen el trabajo silencioso: una capa inicial drenante, drenes colectores graduados y piezómetros de control mantienen la base no saturada durante toda la vida útil.

El clima cierra el círculo. En zonas áridas como Australia Occidental o el norte de Chile la torta se seca más en la pila y gana resistencia; en climas húmedos la misma torta puede no drenar nunca por debajo de su humedad de colocación, de modo que el margen de humedad de diseño, la altura de capa y la estrategia de cobertura deben elegirse de forma conservadora.

No obstante, el apilado en seco no sirve para toda mina, y un cribado honesto ahorra presupuestos. Tonelajes muy altos, por encima de unas 8–10 Mt/año de relaves finos, elevan rápidamente el número de filtros, la superficie ocupada y el OPEX, y pueden favorecer grandes instalaciones espesadas. Los relaves extremadamente finos o arcillosos producen tortas difíciles de apilar de forma económica. Los sitios de alta pluviosidad pierden parte de la ventaja de recuperación de agua y afrontan ventanas de colocación más ajustadas. A la inversa, los entornos con escasez de agua, sismicidad, restricción de suelo o sensibilidad social, que son la mayoría de los proyectos nuevos de cobre y oro, son precisamente donde el almacenamiento filtrado gana en riesgo, agua y coste de cierre.

El marco de gobernanza también ha cambiado. Tras el colapso de la presa de Brumadinho en enero de 2019, que causó 270 víctimas, el ICMM, el PNUMA y los PRI publicaron en agosto de 2020 el Estándar Global de la Industria para la Gestión de Relaves, el GISTM, construido sobre siete principios que abarcan comunidades afectadas, base de conocimiento integrada, diseño, construcción y gestión continua, gestión del cambio, monitoreo y control, y cierre y poscierre. No impone una tecnología concreta, pero exige justificar la elección frente a alternativas, divulgar los datos de la instalación y demostrar que las consecuencias de una falla se evaluaron con honestidad. Una instalación sin lámina de agua retenida y con una clasificación de consecuencias baja responde casi todas esas preguntas a bajo coste, y por eso los bancos y aseguradoras leen hoy la decisión de apilar en seco como evidencia de buena gobernanza y no solo como una preferencia de ingeniería.

Costes, permisos y ensayos previos

El propietario debe esperar que un depósito seco cueste más por adelantado y menos a lo largo de la vida útil que un embalse húmedo de la misma capacidad. La prima de capital está en la planta de deshidratación: espesador, filtros prensa, transportadores, apilador y las obras civiles asociadas. La compensación aparece en menor perturbación del terreno, ausencia de recrecimientos de talud, fianzas de cierre más bajas, menos compra de agua y, cada vez más, una ruta de permisos más fluida.

Los supuestos detrás de estos rangos importan. Una energía de 0,05–0,12 USD/kWh, un floculante de 2,0–3,5 USD/kg, una vida de tela de 3.000–8.000 ciclos y una vida de instalación de 10–20 años desplazan los totales. El caudal es la palanca más fuerte: una planta de oro de 100 t/h y un concentrador de cobre de 600 t/h se sitúan en extremos opuestos de casi todos los rangos, y la estrategia de ciclo, es decir, cuántas prensas operan y cuántas quedan en reserva, puede mover el CAPEX en un tercio.

Los permisos interactúan directamente con el coste. Al no almacenar agua, muchas jurisdicciones la evalúan como una estructura tipo relleno sanitario o terraplén y no como una presa, lo que acorta la revisión; pero la extracción de agua en zonas áridas, el polvo y los planes de cierre progresivo siguen atrayendo escrutinio, y los financiadores alineados con el GISTM exigirán gobernanza documentada en cualquier caso. En la práctica, la tramitación toma de 12 a 36 meses según la jurisdicción, y la ventaja del depósito seco se nota en la calidad de la revisión más que solo en la velocidad: en Chile, Perú, Kazajistán y Australia Occidental los reguladores conocen bien las instalaciones filtradas, de modo que la base técnica, con ensayos de torta, corridas de estabilidad y balance de agua, suele aceptarse sin el debate plurianual de un embalse. Lo que alarga los plazos rara vez es la pila: los derechos de agua, la gestión del polvo y la consulta comunitaria dominan la ruta crítica.

Tres campañas de ensayos reducen el riesgo de la inversión. La sedimentación y la reología de laboratorio definen el flujo del espesador y la densidad de descarga. La filtración piloto, haciendo pasar la pulpa por una placa de tamaño real con tiempos de ciclo representativos, fija la humedad de torta, la selección de tela y el número de prensas. Los ensayos de apilado con la torta real confirman la compactación por capa, el tránsito de equipos y el drenaje. Saltarse la campaña intermedia es el atajo más caro de este diagrama de flujo.

Preguntas frecuentes

¿Qué humedad de torta se necesita para apilar en seco?

El objetivo operativo del sector es una humedad gravimétrica inferior a unos 15 % p/p, equivalente a 85 % de sólidos p/p. Con esa consistencia la torta se transporta, se acarrea y se compacta sin surcos. Los relaves más gruesos pueden apilarse de forma aceptable con 18–20 % p/p de humedad; los ricos en arcilla pueden necesitar menos del 12 %. El objetivo correcto sale de ensayos piloto de filtración y apilado con el residuo real.

¿Cuánta agua recupera una instalación de relaves secos y cuánto cuesta?

En zonas áridas se recupera típicamente el 75–85 % del agua que entra con la pulpa, medido anualmente, frente al 50–65 % de un embalse convencional en el mismo clima; las pérdidas son la humedad residual de la torta, la evaporación de una balsa pequeña y el acondicionamiento de polvo. En coste, hay que prever 0,2–0,6 MUSD de CAPEX por tonelada por hora de capacidad de filtración y 2–7 USD por tonelada de sólido seco de OPEX total, dominado por energía, floculante y telas. Son rangos típicos que deben confirmarse con la oferta del proveedor y las condiciones del sitio.