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MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 4 LA MINERÍA COMO FACTOR CLAVE EN LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA Editorial CONTENIDO 06 Histórico PIEDRA DE HUAMANGA EN EL IMPERIO WARI 70 DESCARBONIZACIÓN DEL PROCESO WAELZ UTILIZANDO BRIQUETAS DE CARBÓN VEGETAL Innovación 08 POTENCIAL DE ENERGÍA EÓLICA Y MINIHIDRÁULICA EN LAS CUENCAS BAJAS DE LOS RÍOS DE LAS CORDILLERAS SEGÚN SU TOPOLOGÍA Energías Renovables 20 CONTROL DE DILUCIÓN EN ZONA DE CIZALLA NUS CON RELLENO DETRÍTICO CEMENTADO 52 Geoingeniería EVALUACIÓN DE LA MALLA ELECTROSOLDADA CONVENCIONAL CONTRA LA MALLA ROMBOIDAL DE ALTA RESISTENCIA EN CARGAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS PARA OPTIMIZAR EL DISEÑO DEL TRASLAPE 38
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 5 Nuestra Portada: Ofrecer a nuestros lectores conocimiento, tecnología e innovación, orientados al desarrollo productivo y sostenible de las operaciones mineras, buscando la mejora de la calidad y competitividad del sector minero. Misión: MINERÍA es la publicación oficial del Instituto de Ingenieros de Minas del Perú Calle Los Canarios 155-157, Urb. San César - II Etapa, La Molina, Lima 12, Perú. Telf. (511) 313-4160 / E-mail: rmineria@iimp.org.pe http://www.iimp.org.pe «Hecho el Depósito Legal Nº 98-3584 en la Biblioteca Nacional del Perú» El Instituto de Ingenieros de Minas del Perú no se solidariza necesariamente con las opiniones expresadas en los artículos publicados en esta edición de MINERÍA. Se autoriza la reproducción de los textos siempre que se cite la fuente Director: Homar Lozano Editor: Hebert Ubillús Arriola Publicidad: 961748318 / 944570038 Colaboradores: Henrique Costa y Caio Alves – José Salas, Fredy Butrón y Vicente Salas – G. Von Rickenbach, R. Brändle, Luis Fonseca, G. Fischer y R. Romero – M.F. Aparicio, I. Gómez, T.J. Nolasco, M.A. Patiño, S. Rueda y D.A. Toro, – Jorge Olivari. Diagramación: César Blas Valdivia Corrección: C & S Comunicaciones PUBLICACIÓN OFICIAL DEL IIMP www.revistamineria.com.pe / rmineria@iimp.org.pe Volumen 73, N° 574 - Julio 2025 PRESIDENTE Darío Zegarra 1er. VICEPRESIDENTE Zetti Gavelan 2do.VICEPRESIDENTE Juan Carlos Ortíz EXPRESIDENTE Abraham Chahuan REPRESENTANTE CIP Jorge Soto GERENTE GENERAL Gustavo De Vinatea COMITÉ EDITORIAL Miguel Cardozo Roberto Maldonado Richard Contreras Darío Zegarra Luz Cabrera Diógenes Uceda DIRECTORES Roberto Maldonado Tomás Gonzales Karina Zevallos Enrique Ramírez Jimena Sologuren Raúl Garay Tamiko Hasegawa Gustavo Luyo Richard Contreras Homar Lozano Diana Rake
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 6 LA MINERÍA COMO FACTOR CLAVE EN LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA La transición energética es el proceso más importante que lleva adelante la humanidad en el presente siglo, con el propósito de combatir los posibles efectos catastróficos del cambio climático, que implica la sustitución progresiva del uso de combustibles fósiles generadores de CO2, por energías limpias que no producen gases de efecto invernadero (GEI). En ese contexto, los principales países del mundo impulsan desde finales del siglo pasado el uso de energías como la solar, eólica, geotérmica, hidráulica y hasta nuclear. A lo que se suma, la optimización del consumo energético en todos los sectores para reducir el desperdicio y la demanda. Esto implica una renovada apuesta por la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías en áreas como el almacenamiento de energía, las redes inteligentes y la electromovilidad. Estas innovadoras tecnologías están basadas en el uso de los denominados minerales críticos, que dan soporte a este cambio sin precedentes en la historia y que conlleva la necesidad de una mayor producción de estos elementos estratégicos y la profundización de la economía circular y el reciclaje. En forma paralela, este nuevo escenario de producción minera, exige que esta no solo mantenga estándares ambientales de primer nivel, sino que también haga una transformación en las operaciones para que, al igual que las otras industrias, reduzca sus emisiones de GEI y residuos, lo que constituye un doble reto para el sector. Entre los principales minerales críticos tenemos al litio que es usado en baterías para vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos; el cobalto para componentes clave y superaleaciones; las tierras raras utilizadas en imanes, catalizadores y electrónica; el grafito como elemento esencial en baterías y aplicaciones industriales, y el cobre como material fundamental en la infraestructura eléctrica y electrónica. El Perú como un país minero por excelencia, según fuentes oficiales, produce ocho de los 17 minerales críticos básicos para la transición energética, sin embargo, de acuerdo con la actual producción y cartera de proyectos mineros cercana a los US$ 65 mil millones, es el cobre nuestro commoditie estrella, representando en la actualidad el 30% del total de
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 7 exportaciones nacionales y más del 70% de las iniciativas de inversión a futuro. Es decir, tomando en cuenta el contexto global, estamos ante una gran oportunidad, pero que conlleva a su vez una gran responsabilidad. Tenemos la oportunidad de mejorar nuestra regulación interna para concretar y atraer nueva inversión minera para duplicar la producción cuprífera y de otros minerales, con el fin de abastecer la demanda mundial, con lo que ello significará en generación de empleo directo e indirecto, ingreso de divisas y pago de impuestos y contribuciones para el cierre de brechas sociales. Además, simultáneamente tenemos la responsabilidad de avanzar y culminar el proceso de transformación de las operaciones con el uso de energías renovables y mayor economía circular, camino que las empresas de la gran y mediana minería ya transitan, pero que lamentablemente aún es ajeno para la minería a pequeña escala, mucha de la cual está sumergida en la informalidad e ilegalidad. Precisamente, buena parte de esta responsabilidad conlleva a establecer un marco regulatorio adecuado, que incentive a los pequeños mineros, tomando en cuenta el tipo de explotación que realizan, a incorporarse a la formalidad con una asistencia técnica intensiva, que les permita subirse a la ola de la descarbonización y las buenas prácticas. Además, se debe trabajar para erradicar a la minería ilegal en todas sus formas, pues constituye un flagelo para la sociedad aún más ahora que está aliada a la criminalidad. Para cerrar este círculo virtuoso es preciso atender el tema de los pasivos ambientales mineros para impulsar el reaprovechamiento de las relaveras que, con la tecnología actual, todavía pueden aportar minerales con un menor procesamiento. Asimismo, se debe fomentar la transformación de pasivos mineros en activos en sus diferentes formas: turísticos, académicos o de recreación, entre otros, según sea el caso para generar nuevas oportunidades de desarrollo sostenible. EDITORIAL Homar Lozano Director
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 8 Innovación Abstract Waelz process is a method applied in the zinc oxide production and is one of the largest sources of carbon emissions within the zinc industry. In this process, zinc containing material (mostly electric arc kiln dust EAFD) is fed at approximately 25 °C and heated up to 1,200 °C where reduction reactions and zinc volatilization take place. The solid carbon used for heating and for reduction reactions is provided mainly by the coke fed with the EAFD in the Waelz kiln. Both chemical composition and physical properties of the coke are important to transportation and to the process. Chemically, it has low ash, low volatile content, and high heat value. Physically, it has high strength. However, the coke is one of the main contributors to greenhouse gas emissions, which have a negative impact on the environment. DESCARBONIZACIÓN DEL PROCESO WAELZ UTILIZANDO BRIQUETAS DE CARBÓN VEGETAL
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 9 Por: Henrique Hipolito Costa y Caio Henrique Alves Maciel, Nexa Resources. Decarbonizing the Waelz process by replacing the traditional fuel source using alternative biogenic fuel, for example, offers a potential solution to reduce the carbon footprint, which is aligned with the ESG perspective. However, considering the characteristics of the process and the coke, the alternative biogenic fuel must meet minimum chemical and physical requirements. For example, if it has low volatile and ash content and it does not generate fine particles easily compared to coke, then it meets the requirements. Resumen El proceso Waelz es un método aplicado en la producción de óxido de zinc y es una de las mayores fuentes de emisiones de carbono dentro de la industria del Zn. En este proceso, el material que contiene zinc (principalmente polvo de acería eléctrica - PAE) se alimenta a aproximadamente 25 °C y se calienta hasta 1,200 °C, donde ocurren reacciones de reducción y volatilización. El carbono sólido utilizado para el calentamiento y para las reacciones de reducción es proporcionado principalmente por el coque alimentado con el PAE en el horno Waelz. Tanto la composición química como las propiedades físicas del coque son importantes para el transporte y el proceso. Químicamente, tiene bajas cenizas, poco contenido volátil y alto poder calorífico. Físicamente, tiene una alta resistencia. Sin embargo, el coque es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero, que tienen un impacto negativo en el medio ambiente. La descarbonización del proceso Waelz mediante la sustitución de la fuente de combustible tradicional por combustible biogénico alternativo, por ejemplo, ofrece una solución potencial para reducir la huella de carbono, que está alineada con la perspectiva ESG. Sin embargo, teniendo en cuenta las características del proceso y del coque, el combustible biogénico alternativo debe cumplir con los requisitos químicos y físicos mínimos. Por ejemplo, si tiene un bajo contenido de volátiles y cenizas y no genera partículas
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 10 finas fácilmente en comparación con el coque, entonces cumple con los requisitos. La investigación sobre combustibles alternativos para reemplazar el coque se llevó a cabo en los últimos años utilizando madera y finos de carbón, por ejemplo. Estos materiales no cumplían con los requisitos, pero las briquetas formadas por carbón vegetal aglomerado con alquitrán de madera fueron técnicamente aprobadas. El alquitrán de madera se utiliza no solo como aglutinante, sino que también contribuye a la dureza de las briquetas y es una fuente de carbono. La determinación de la composición de la briqueta consideró la menor cantidad posible de aglomerante y una mayor resistencia mecánica durante la producción y después del curado. La selección de carbón vegetal con un alto contenido de carbón fijo, bajo contenido de volátiles y cenizas contribuyó a una briqueta con alto poder calorífico y alto carbón fijo. Además, el proceso de producción incluyó la mezcla de los componentes seguida de la etapa de briquetado o compactación, que implicó la aplicación de presión, que contribuyó a la dureza y la etapa de curado, que promovió la liberación de algunos volátiles y humedad, así como la unión de los componentes. Para estudiar el potencial reemplazo del coque por briquetas, se realizaron pruebas en Research regarding alternative fuels to replace coke was conducted in the recent years using wood and charcoal fines, for example. These materials did not meet the requirements, but the briquettes formed by charcoal agglomerated with wood tar were technically approved. The wood tar is used not only as a binder but also contributes to briquette hardness and is a source of carbon. The determination of the briquette composition considered the lowest possible amount of agglomerant and greater mechanical resistance during production and after curing. The selection of charcoal with a high content of fixed carbon, low content of volatiles and ash contributed to a briquette with high heat value and high fixed carbon. In addition, the production process included mixing the components followed by the briquetting stage that involved application of pressure contributing to the hardness, and the curing stage that promoted release of some volatiles and moisture as well as the components binding. To study the potential coke replacement with briquettes, tests were carried out in laboratory, bench muffle, bench kiln and in a pilot kiln. In the muffle and bench kiln, the temperature resistance and reactivity up to 1,200 °C of the briquettes and the coke was tested, compared, and served as a reference to research in the pilot kiln. The pilot Waelz kiln tests were carried out using substitutions up to 50%. Part of the coke was reduced, and the briquettes were fed considering the substitution factor obtained in the bench kiln. The yield was compared with the yield of the blank test (EAFD and coke only). The yield consists in the zinc mass recovered divided by the zinc mass fed. Pilot tests have shown that the briquettes can replace up to 40% of coke while maintaining the same performance and operational stability of the current Waelz process. Substitutions of 40% showed yield equivalent to the blank test. Test with 50% substitution showed 89% yield. To evaluate better substitutions of 50% and above, additional tests will be performed. Due to effectiveness of the briquettes in pilot tests, industrial tests will be carried out. If a 30% substitution is applied to the process, the estimate is to reduce 30% CO2e a year.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 11 laboratorio, mufla, horno de laboratorio y en un horno piloto. En la mufla y en el horno de laboratorio, se probó y comparó la resistencia a la temperatura y la reactividad hasta 1,200 °C de las briquetas y el coque, y sirvieron de referencia para la investigación en el horno piloto. Las pruebas piloto del horno Waelz se llevaron a cabo utilizando sustituciones de hasta el 50%. Se redujo parte del coque y las briquetas se alimentaron teniendo en cuenta el factor de sustitución obtenido en el horno de laboratorio. El rendimiento se comparó con el de la prueba en blanco (PAE y coque solamente). El rendimiento consiste en la masa de zinc recuperada dividida por la masa de zinc alimentada. Las pruebas piloto han demostrado que las briquetas pueden reemplazar hasta el 40% del coque, manteniendo el mismo rendimiento y estabilidad operativa del proceso actual de Waelz. Las sustituciones del 40% mostraron un rendimiento equivalente a la prueba en blanco. La prueba con 50% de sustitución mostró un rendimiento del 89%. Para evaluar mejores sustituciones del 50% y más, se realizarán pruebas adicionales. Debido a la efectividad de las briquetas en las pruebas piloto, se llevarán a cabo pruebas industriales. Si se aplica una sustitución del 30% al proceso, la estimación es reducir el 30% de CO2e al año. Palabras Clave: Descarbonización, Proceso Waelz, Briquetas de Carbón Vegetal. Introducción Uno de los métodos más utilizados para la recuperación de zinc es mediante la pirometalurgia. Este método se caracteriza por aplicar altas temperaturas para promover fenómenos fisicoquímicos. El proceso Waelz es una ruta pirometalúrgica capaz de recuperar zinc de diversas fuentes. Puede tratar minerales, relaves, lodos, cenizas, escorias y residuos de cualquier tipo. Por otro lado, esta alternativa suele estar asociada a un alto consumo energético y a la gran posibilidad de generar gases contaminanTabla 1. Composición Promedio de los Materiales Waelz PAE (wt%) Óxido Waelz (wt) Escoria (wt%) Fe 20-35 1-3 40-50 Zn 14-30 50-62 0.1-2 Pb 0.6-2 4-8 0-0.2 Cd 0.1-0.2 0.3-0.9 - Al 0.5-1 0.1-0.2 0.6-1 Si 1.5-2.5 - 3-6 Mg 1.5-2 0-0.4 3-5 Ca 5-12 0-0.6 10-20 Cl 1-5 - 0-0.06 F 0.2-0.5 - 0-0.03 Figura 1. Horno Waelz.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 12 tes durante el proceso (Mello et al., 2015 y Stewart et al., 2000). El horno Waelz de Nexa (Figura 1) está revestido con ladrillos refractarios de sílice y alúmina. Está inclinado en un ángulo del dos por ciento con respecto a la horizontal, para facilitar el movimiento de materiales dentro del horno y optimizar la eficiencia del proceso de recuperación de zinc. La fuente de zinc más utilizada es el polvo de acería eléctrica (PAE), que se alimenta al proceso mezclado con alguna fuente de carbono que suele ser coque de petróleo. El proceso se basa en la reducción de óxidos de zinc y hierro en un horno rotatorio hasta una temperatura de 1,200 °C. Las principales reacciones carbotérmicas son las Ecuaciones 1 y 2. El coque reduce los óxidos que conducen a la volatilización del zinc. Parte del calor generado en el proceso proviene de la reoxidación del vapor de zinc en contacto con el oxígeno del aire que ingresa al horno. La reacción de oxidación del zinc se muestra en la Ecuación 3. Además, los óxidos de Pb y Cd, así como el Cl y F (halógenos) se eliminan del PAE junto con el ZnO y forman parte del producto llamado óxido de Waelz (Lee et al., 2001 y Seetharaman et al., 2014). ZnO(s) + CO(g) → Zn(g) + CO2(g) 1 Fe2O3(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) 2 Zn(g) + 1/2O2(g) → ZnO(s) 3 Además de la combustión del coque y la reoxidación del zinc, otra fuente de calor es la combustión de gas natural a través de una antorcha. El oxígeno contenido en el aire en contacto con los metales reducidos de la escoria (principalmente hierro) los reoxida y genera calor adicional. La mayor parte del carbono sin reaccionar también se oxida en la escoria, generando CO y CO2 (Seetharaman et al., 2014). En el horno Waelz, la mezcla sólida fluye en contracorriente con los gases. El sistema de escape genera una corriente de gases que arrastra el óxido Waelz producido, mientras que la escoria sale del horno debido a su inclinación y se recoge en una piscina con agua para disminuir su temperatura. A continuación, la escoria se almacena en pilas para su tratamiento o venta. Las partículas que contienen óxido Waelz se separan de los gases mediante filtros de mangas. La composición media del PAE, el óxido Waelz y la escoria se muestra en la Tabla 1. El horno Waelz consta de varias zonas internas, cada una de las cuales desempeña un papel crucial en el proceso global (Figura 1). La zona húmeda es la sección inicial del horno Waelz, donde se introducen el PAE y el coque. Esta se caracteriza por su mayor contenido de humedad, ya que los materiales pueden contener agua u otros componentes volátiles. La zona húmeda sirve para eliminar la humedad de la materia prima y prepararla para su posterior procesamiento. La temperatura en esta zona aumenta de 25 a 150 °C. Figura 2. Coque de petróleo. Figura 3. Briquetas de carbón vegetal.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 13 Después de pasar por la zona húmeda, la materia prima entra en el área de precalentamiento y combustión. En esta sección, la materia prima se calienta gradualmente utilizando gases generados por la combustión del combustible. El proceso de precalentamiento eleva la temperatura de los materiales, lo que les permite alcanzar la temperatura de reacción deseada para las etapas posteriores. La temperatura en esta zona aumenta de 150 a 500 °C. La zona de pre-reacción se encuentra después del área de precalentamiento y combustión, y es donde la materia prima parcialmente calentada sufre una transformación térmica y química. En esta, los componentes volátiles, como los compuestos orgánicos o la humedad, se eliminan, mientras que los materiales que contienen zinc comienzan a reaccionar con el material carbónico presente. Esta etapa de pre-reacción prepara la materia prima para la reacción principal en la zona siguiente. La temperatura en esta área aumenta de 500 a 900 °C. La zona de reacción es la región principal del horno Waelz, donde se producen las principales reacciones químicas. Aquí, las altas temperaturas facilitan la reducción del óxido de zinc a zinc metálico. El material carbónico actúa como agente reductor, reaccionando con el óxido de zinc para producir vapor de zinc. Otras impurezas, como el plomo y el cadmio, también pueden volatilizarse o formar compuestos estables. La temperatura en esta zona aumenta de 900 a 1,200 °C. La sección final del horno Waelz es la zona de descarga de escoria. Tras las reacciones principales en el área correspondiente, los materiales restantes, incluidas las impurezas no volátiles y la escoria solidificada, se descargan del horno. La escoria, que consiste en los componentes no metálicos de la materia prima, se separa y se procesa posteriormente para recuperar los metales valiosos que pueda contener. La escoria sale del horno a una temperatura entre 850 y 900 °C. El coque de petróleo es el subproducto final del refinado del petróleo. Sus características son importantes para una aplicación adecuada, ya que tiene un bajo contenido en compuestos volátiles, un punto de ignición elevado y es difícil de quemar. Las características de combustión se ven muy afectadas por la velocidad de calentamiento. El coque tiene una alta resistencia mecánica y soporta la rotación del horno junto con toneladas de PAE. Por lo tanto, es capaz de aportar energía y carbono para las reacciones de reducción en las partes del horno con temperaturas más altas. Sin embargo, es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero, que tienen un impacto negativo en el medio ambiente. Los combustibles biogénicos, derivados de materiales orgánicos, ofrecen importantes beneficios medioambientales al reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se consideran neutros en carbono, ya que el dióxido de carbono liberado durante la combusFigura 4. Horno de laboratorio.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 14 tión se compensa con la absorción durante el crecimiento de la materia prima. Los combustibles biogénicos también tienen impactos sociales positivos, como la creación de empleo y el desarrollo rural, y se adhieren a rigurosas normas de gobernanza, promoviendo una gestión responsable de los recursos. La urgente necesidad de mitigar el cambio climático ha aumentado el interés por las estrategias de descarbonización. Los combustibles biogénicos, derivados de materiales orgánicos, constituyen una alternativa prometedora a los combustibles fósiles (Gassmann et al., 2001; Antea Group, 2023). La descarbonización del sector energético es un objetivo fundamental para combatir el cambio climático. La adopción de los principios ESG proporciona un marco sólido para evaluar las prácticas sostenibles y éticas. Los combustibles biogénicos se perfilan como una solución viable que se ajusta a los objetivos ESG, ya que ofrecen importantes beneficios medioambientales, apoyan el desarrollo social y cumplen rigurosas normas de gobernanza. A medida que las naciones y las industrias persiguen vías de descarbonización, la integración de los combustibles biogénicos en los sistemas energéticos puede allanar el camino hacia un futuro más sostenible y respetuoso con el clima (Gassmann et al., 2001; Antea Group, 2023). En los últimos años, Nexa ha llevado a cabo investigaciones sobre combustibles alternativos para sustituir al coque. El objetivo era encontrar una fuente de carbono que fuera técnicamente aprobada y financieramente viable. Para ello, el combustible alternativo debe ser aprobado mediante análisis de laboratorio y pruebas piloto, paralelamente a la identificación de proveedores y precios, antes de pasar a las pruebas industriales. Los materiales fósiles y biogénicos fueron analizados por Nexa. Se probaron soluciones con un menor grado de fabricación y, por lo tanto, un precio más bajo, como la madera y el carbón vegetal, por ejemplo. La madera cuenta con una resistencia mecánica considerable, pero tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto contenido de volátiles. El carbón vegetal puede tener un alto contenido de carbono fijo, de hasta el 92%, sin embargo, genera partículas finas durante el transporte, la alimentación y dentro del horno, debido a su baja resistencia mecánica. Por esta razón, se quema rápidamente en comparación con el coque y sus partículas finas pueden dañar el sistema de filtrado. Dado que estas opciones eran viables desde el punto de vista financiero, pero no desde el punto de vista técnico, se decidió aglomerar el carbón vegetal con alquitrán de madera y utilizar el proceso de briquetado y curado. El briquetado de carbón vegetal con alquitrán constituye una solución técnica convincente frente a la utilización exclusiva del carbón vegetal, ya que resuelve diversos problemas asociados a su forma bruta. El proceso de briquetado, facilitado por la adición de alquitrán como aglutinante, mejora las propiedades técnicas de la briqueta resultante. El alquitrán actúa como agente cohesivo, lo que garantiza una mayor dureza y durabilidad de la briqueta, haciéndola resistente a la rotura y facilitando su manipulación eficiente. Ade- Figure 5. Horno Waelz piloto.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 15 más, el aglutinante de alquitrán promueve una composición uniforme dentro de la briqueta, lo que facilita una combustión controlada y una liberación óptima de energía. Además, el proceso de curado, que implica la aplicación de calor o presión, mejora aún más la resistencia y la estabilidad de la briqueta. Este enfoque técnico no solo maximiza la utilización del carbón vegetal, sino que también ofrece propiedades físicas mejoradas, como dureza y composición, lo que se traduce en un mayor rendimiento y viabilidad. La briqueta de carbón vegetal (Figura 3) fue la opción biogénica que mostró mayor potencial, ya que cumplía con varios criterios. El siguiente paso fue probarla de manera sistemática. Objetivos Demostrar el potencial del uso de briquetas de carbón vegetal como sustituto viable del coque en el proceso Waelz, garantizando al mismo tiempo el mantenimiento del rendimiento del proceso y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). La importancia de este trabajo radica en la investigación de una fuente de combustible alternativa que preserva el rendimiento del proceso sin comprometer su eficiencia. Además, la utilización de combustible biogénico, como las briquetas de carbón vegetal, ofrece oportunidades para reducir los costos del proceso, garantizar la viabilidad financiera y lograr una reducción sustancial de las emisiones de dióxido de carbono equivalente (CO2e). Este artículo está dirigido a personas interesadas en mantenerse actualizadas de los últimos avances en la industria minera y de producción de zinc. Está especialmente dirigido a quienes desean adquirir conocimientos exhaustivos sobre las técnicas innovadoras aplicadas en los procesos pirometalúrgicos, con especial énfasis en los hornos rotativos y el proceso Waelz. Además, está dirigido a personas que tienen un interés particular en explorar soluciones sostenibles para el reciclaje de materiales de desecho, como el polvo de acería eléctrica. Desarrollo y recolección de datos La briqueta se analizó y probó en cada etapa en el siguiente orden: Análisis a escala de laboratorio. Pruebas en horno de laboratorio. Pruebas en horno Waelz piloto. También se analizó una muestra de coque de petróleo como caso base. Análisis de laboratorio Se realizaron los siguientes análisis: Pérdida de masa en mufla. Análisis inmediato (carbono fijo, materia volátil, humedad y cenizas). Poder calorífico. Resistencia mecánica. La resistencia mecánica se determinó utilizando un dinamómetro. Se realizaron réplicas de las pruebas de resistencia tanto con coque Figura 6. Pérdida de masa de coque y briquetas en mufla. Figura 7. Pérdida de masa en pruebas de horno de laboratorio.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 16 como con briquetas. El dinamómetro utilizado fue un modelo digital portátil Instrutherm DD2000. Antes de las pruebas en mufla, se obtuvo la masa inicial de los materiales. El análisis de la pérdida de masa en mufla se realizó añadiendo material en crisoles, que se mantuvieron a temperaturas de 300 a 1,200 °C en incrementos de 100 °C con 2 h de permanencia a cada temperatura. La mufla se abrió durante 15 segundos cada 30 minutos para que el material entrara en contacto con el oxígeno del aire. Después de permanecer en la mufla y de que el crisol alcanzara la temperatura ambiente, se obtuvo la masa final para calcular la pérdida de masa. Estas pruebas se realizaron utilizando partículas de 1 cm de tamaño, tanto de briquetas como de coque. La mufla utilizada fue SolidSteel SSFM de 6.7 litros y 100 a 1200 °C. El análisis inmediato se realizó en un laboratorio para obtener la composición de carbono fijo, materia volátil, humedad y cenizas del coque y las briquetas. En este procedimiento se utilizó el mismo modelo de mufla. El análisis inmediato se realizó siguiendo los métodos: ASTM D-3173 (humedad), ASTM D-3174 (cenizas) y ASTM D-3175 (materia volátil). Ensayos en horno de laboratorio El horno rotativo de laboratorio tiene un tubo refractario de 1.5 m de longitud y se calienta eléctricamente. El tubo tiene un diámetro interno de 7 cm. Este equipo es un Fortelab FRO 1700, 25 a 1,700 °C. La inclinación y la rotación del tubo se pueden ajustar (Figura 4). Para las pruebas, el tubo tenía una inclinación de 2% para representar el horno Waelz piloto e industrial. La rotación se ajustó de manera que los materiales tuvieran 1 h de residencia a cada temperatura. Durante las pruebas se utiliza el ventilador de extracción para mantener el flujo de aire dentro del tubo. Las pruebas se llevaron a cabo a 550, 700, 800, 900, 1,000, 1,100 y 1,200 °C. Se pesó la masa inicial y final en cada prueba para obtener la pérdida de masa del material cuando se sometió a prueba a cada temperatura. Estos ensayos se realizaron utilizando partículas de briquetas y coque de 2 cm de tamaño. Pruebas piloto del horno Waelz El sistema piloto Waelz cuenta con un quemador de GLP, un horno de 4 m de longitud (Figura 5), una cámara de sedimentación de polvo (CSP), un ciclón, filtros de mangas y un sistema de escape. La inclinación del horno es de 2%. En el horno piloto Waelz se realizan pruebas con PAE, coque, cal (para ajustar la basicidad) y otros materiales con el fin de analizar las condiciones de funcionamiento y el rendimiento en diferentes escenarios. El rendimiento se comparó con el de la prueba en blanco (PAE, coque y cal). El rendimiento consiste en la masa de zinc recuperada dividida por la masa de zinc alimentada. Se alimentó cal en una pequeña proporción en todas las pruebas, en blanco y con briquetas. Se analizaron los niveles de sustitución de coque por briquetas. Las sustituciones fueron del 10 al 50% con incrementos de 10% con réplicas. En la prueba en blanco, el caudal de coque es el 36% del caudal másico de PAE alimentado. Se alimentó un 3,6% de cal para ajustar la basicidad con el fin de evitar la formación de costras y bolas grandes. Las briquetas se alimentaron teniendo en cuenta el factor de sustitución obtenido en el horno de laboratorio. Tabla 2. Propiedades del Coque y Briquetas Parámetro Unidad Coque Briquetas Carbón fijo % 90.2 70.1 Materia volátil % 7.2 28.2 Ceniza % 2.6 1.7 Humedad % 5.8 1.6 Poder calorífico Gcal/t 7.8 7.1 Resistencia mecánica Kgf 20.4 19.3
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 17 Presentación y discusión de los resultados Los resultados de las pruebas y análisis de las briquetas se presentan siguiendo el aumento de escala: análisis a escala de laboratorio, horno de laboratorio y horno Waelz piloto. Los resultados obtenidos en las pruebas de mufla se presentan en el gráfico de la Figura 6. Se observa que la masa de la briqueta se reduce aproximadamente al 85% a 300 °C. Esto se debe a la mayor cantidad de volátiles. Las briquetas tienen el potencial de proporcionar carbono hasta temperaturas de aproximadamente 1,000 °C. Por encima de esta, se convierte en cenizas. Además, es posible verificar que la pendiente de pérdida de masa es similar a la pendiente del coque entre 550 y 950 °C. Es posible comparar las propiedades del coque y las briquetas a través de los datos presentados en la Tabla 2. Las briquetas tienen una cantidad considerable de carbono para suministrar a través de carbono fijo y material volátil. También cuenta con una alta capacidad de suministro de energía, debido a su alto poder calorífico y su resistencia mecánica que son similares a las del coque. Sin embargo, considerando lo indicado en la Figura 6 y el hecho de que tenga menos carbono fijo y más volátiles, es posible comprobar que es más reactivo, tiende a quemarse más rápido que el coque. Los resultados de las pruebas realizadas en el horno de laboratorio se presentan en Figura 7, mostrando que el coque tiene mayor resistencia a la temperatura (menor reactividad). Teniendo en cuenta todo el rango de temperaturas en el gráfico, la diferencia de masa fue del 30% en promedio. El comportamiento del coque y las briquetas en la Figura 7 es similar a la verificada en la Figura 6. Sin embargo, en la Figura 7 las briquetas no alcanzaron cenizas, debido al diferente método de ensayo con menor tiempo de residencia y uso de granulometrías más grandes. El hecho de que las briquetas tengan una pendiente de la curva de reactividad similar al coque a temperaturas de 550 a aproximadamente 1,000 °C, condujo a un factor de sustitución. El factor de sustitución es la masa de briquetas sobre la masa de coque. Para ello, se consideraron las diferencias en la reactividad (a través de gráficos) y el carbono fijo. Tomando la diferencia de masa promedio de los gráficos (Figuras 6 y 7), 30%, la diferencia en carbono fijo, 20%, y añadiendo, debería haber un 50% más de briquetas para reemplazar el coque. Por lo tanto, el factor de sustitución utilizado en las pruebas piloto fue de 1.5. Por ejemplo, por cada kilogramo reducido de masa de coque, se añadieron 1.5 kilogramos de briquetas. Los resultados de la prueba piloto se muestran en el gráfico de la Figura 8. Las pruebas con sustitución del 10 al 40% mostraron un rendimiento equivalente a la prueba en blanco. Las condiciones de funcionamiento también fueron equivalentes a la prueba en blanco. Las condiciones de operación incluyen el cambio de mangas de filtro de mangas y su condición, consumo de GLP. No hubo formación de costra ni bolas grandes. La prueba con 50% de reemplazo mostró estabilidad operativa como las demás, sin embargo, la temperatura más alta fue de 1,000 °C, lo que está relacionado con el rendimiento considerablemente menor del 89.5%. Es necesario tener temperaturas de 1,100 °C para maximizar la recuperación de zinc. Figura 8. Pérdida de masa en pruebas de horno de laboratorio.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 18 Teniendo en cuenta las pruebas piloto, el 40% a 50% puede ser un límite para reemplazar el coque con briquetas considerando el factor de reemplazo de 1.5. Se realizarán más pruebas con 50% y diferentes parámetros. Existe la posibilidad de sustituir el 50% o más siendo técnicamente factible en el horno industrial Waelz, debido a su mayor tamaño y sistema de escape más robusto. Si se aplica una sustitución del 30% al proceso industrial, se estima reducir un 30% de CO2e al año. Teniendo en cuenta el volumen de coque consumido hoy, la reducción estimada es de 25 kt/año de CO2e. Conclusiones 1. A partir de las características obtenidas de las briquetas y las pruebas realizadas, se pudo concluir a nivel piloto que las briquetas pueden reemplazar el coque hasta en un 40% sin reducir el rendimiento y con estabilidad operativa del proceso. 2. Los análisis de las briquetas en el laboratorio, horno de laboratorio y en un horno piloto fueron importantes para la toma de decisiones de la aplicación de briquetas para reemplazar el coque. 3. Para evaluar las sustituciones del 50% o más, se realizarán pruebas piloto adicionales. Debido a la efectividad de las briquetas en las pruebas piloto, se llevarán a cabo pruebas industriales. 4. Dado que la briqueta es un combustible 100% biogénico, la aplicación de un 30% de reemplazo industrial, por ejemplo, ofrece una gran solución para reducir la huella de carbono, que está alineada con la perspectiva ESG. Bibliografía Lee, J.J. Lin,C.I. CHEN, H.K. 2001. Carbothermal Reduction of Zinc Ferrite. Metallurgical and Materials Transactions B. 32B. p 10331040 Mello, L.S. Lemos, M.G. Barbosa, P.F. Teixeira, F.M. Dias, M.J. Takayama, T.F. 2015. Caracterização mineralógica do circuito waelz – juiz de fora, minas gerais. XXVI Encontro Nacional de Tratamento de Minérios e Metalurgia Extrativa. Seetharaman, S. Mclean, A. Guthrie, R. Sridhar, S. 2014. Treatise on process metallurgy Industrial processes Volume 3. Oxford: ELSEVIER. Stewart, D. L. J. Daley, J.C. Stephens, R.L. 2000. Fourth International Symposium on recycling of metals and engineered materials. Proceedings of a Symposium organized by the Recycling Committee of the Extraction & Processing Division and Light Metals Division of TMS. Song, C. Liu, K. Gong, Z. Liu, Y. 2019. Thermogravimetric analysis of combustion characteristics of coal gangue and petroleum coke mixture. The Second International Conference on Physics, Mathematics and Statistics. Journal of Physics: Conference Series. 1324 (2019) 012077. Suetens, T. Klaasen, B. Acker, K. V. Blanpain, B. 2014. Comparison of electric arc furnace dust treatment technologies using exergy efficiency. Elsevier. 65. p. 152-167 Antea Group. 2023. Emerging Trends in Biofuels: ESG and the Energy Transition. Visitado el 15 de Junio, 2023, de https:// us.anteagroup.com/news-events/blog/ emerging-trends-in-biofuels-esg-and-theenergy-transition Gassmann, P. Herman, C. Kelly, C. 2001. Are you ready for the ESG revolution? Visitado el 16 de Junio, 2023, de https://esg-library. mgimo.ru/upload/iblock/bec /tqe5tzrhy87urhybajzhiak51sn4xxey/pwcSB_2021_06_15_ Are_you_ready_ESG_revolution.pdf Nexa Resources. 2023. Inovação, tecnologia e colaboração. Visitado el 16 de Junio, 2023, de https://www.nexaresources.com/esg/ inovacao/
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MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 20 Energías Renovables Abstract In 2019, the Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa announced a competitive grant call for Applied Research, evaluated by external reviewers, which resulted in the selection of the following research project: Harnessing Hydraulic and Wind Energy in the Lower Basins - Arequipa Region. As a result, in 2020, Contract No. IBA-IB-29-2020UNSA was signed, with funding of S/ 250,000.00, sourced from the mining canon. This study aims to assess the potential wind and small-scale hydropower energy in the lower river basins of the mountain ranges. The lower basin of the Ocoña River in Arequipa, was POTENCIAL DE ENERGÍA EÓLICA Y MINIHIDRÁULICA EN LAS CUENCAS BAJAS DE LOS RÍOS DE LAS CORDILLERAS SEGÚN SU TOPOLOGÍA
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 21 Por: José Luis Salas Gonzales, Fredy Alberto Butrón Fernández y Vicente Salas Giles, Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. selected as a representative case due to its topography. As results, wind speeds on the order of 10 m/s were obtained, with a persistence of 8 hours per day. As for the small-scale hydropower, with a minimum flow of 50 m3/s during dry season, an annual persistence greater than 90% was observed. In conclusion, the wind, small-scale hydropower, and combined energy potential at this representative site is sufficient for energy utilization, which is essential for the development of mining, agriculture, etc. Resumen En 2019, la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, convocó a un concurso de fondos concursables para la investigación aplicada, evaluada por pares externos, del que salió ganador el presente proyecto de investigación: Aprovechamiento de energía hidráulica y eólica en las cuencas bajas – región Arequipa, por lo que en 2020 se firmó el contrato N° IBA-IB-29-2020-UNSA, con un fondo de S/. 250 mil, proveniente del canon minero. Este estudio pretende auscultar la energía potencial eólica y minihidráulica en las cuencas bajas de los ríos de las cordilleras, dada su topología, se tomó como ejemplo característico, la cuenca baja del río Ocoña en Arequipa. Como resultados, se han obtenido velocidades de viento en el orden de 10 m/s, con una persistencia de ocho horas diarias. En cuanto al minihidráulico, con un caudal mínimo, en estiaje de 50 m3/s se tiene una persistencia anual, superior al 90%. En conclusión, el potencial de energía eólica, minihidráulica y combinada, en este lugar característico, es suficiente para el aprovechamiento energético, esencial para el desarrollo de las actividades de la minería, la agricultura, etc. Palabras Clave: Energía Eólica, Minihidráulica, Cuencas Bajas, Cordillera, Topología. Introducción La energía es un factor indispensable para el desarrollo y el progreso de los países y sociedades. En cualquier es-
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 22 cenario que se considere, el aumento del Producto Bruto Interno (PBI) de un país, siempre está ligado a un aumento del consumo de energía. Una alternativa para suplir ese nivel de demanda consiste en la implementación de energías renovables, las que deben garantizar la seguridad del abastecimiento, el aumento del nivel de autoproducción, con una mayor independencia y eficiencia energética, así como la diversificación de las fuentes energéticas disponibles, disminuyendo significativamente la dependencia de los combustibles fósiles. En este artículo, se trata sobre el aprovechamiento de la energía eólica, minihidráulica y combinadas, en las cuencas bajas de las cordilleras, dada su topología. Se tomó como ejemplo característico, la cuenca baja del río Ocoña (Arequipa), pudiendo extrapolarse a similares en las cordilleras de todo el mundo, debido a su topología. Objetivos El objetivo principal, de la presente investigación aplicada, es determinar cuantitativamente, la viabilidad tecnológica, del aprovechamiento de la energía eólica, minihidráulica, y combinadas de los ríos de las cuencas bajas de las cordilleras y su sostenibilidad económica, tomando como ejemplo característico, la cuenca baja del río Ocoña (Arequipa). Como objetivos parciales, se estudia de forma individual, el tema eólico, minihidráulico. Desarrollo y colección de datos El cañón formado por las cordilleras, toma la forma de un ducto eólico, que incrementa significativamente la velocidad del viento, en la garganta que lo conforma. Para obtener una evaluación clara del potencial eólico, es necesario realizar mediciones del viento en la zona. La recopilación de datos se hace a diferentes Fuente: Autoridad Nacional del Agua. Figura 1. Ducto eólico conformado por la cordillera, en el lugar característico, Ocoña, Arequipa. Figura 2. Torre eólica (Universal Transversal Mercator, zona 18L: 697,864 E, 8’232,644 S, 426 msnm.), con sus tres anemómetros, con Data Logger (instrumento capaz de registrar la intensidad y dirección del viento con una periodicidad horaria), Booster (instrumento capaz de aumentar la intensidad de transmisión de datos, del Data Logger al Data Collector), y Data Collector (instrumento capaz de almacenar la información proveniente del Data Logger).
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 23 alturas, se analizan las variaciones horarias y mensuales de la velocidad del viento. Siendo el método escogido para evaluar las condiciones del viento, la instalación de anemómetros a 6, 12, y 18 metros sobre la superficie del terreno. Se registraron las velocidades con una periodicidad horaria, durante seis meses y se comprobó que la variación de la velocidad entre meses es poco significativa, por lo que se determinó que era un tiempo suficiente de registro. Por otro lado, el río Ocoña concentra un significativo caudal en la cuenca baja (450 msnm.), que oscila en el rango aproximado de 50 a 1,000 m3/s entre estiaje y avenida, siendo que por ecología no se pretende construir un barraje, la opción es aprovechar un caudal importante con baja altura hidráulica. Se determinó la sección de control en un lugar donde el río se concentra, pegado al dique derecho en una longitud transversal en el orden de 30 metros, siendo el ancho característico, de dique derecho a izquierdo de 200 metros, lo que facilita la batimetría y la medida de la velocidad del flujo. Con el fin de conocer el área de la sección del río, es necesario realizar la batimetría, que proporciona la ubicación de los puntos de la sección transversal del río, para lo que se utiliza una estación total (Figura 4). La medición periódica del nivel del agua, se realiza con un sensor de nivel de agua (Figura 5), otro parámetro importante que se debe registrar es la velocidad del río, teniendo valores periódicos de ambos y, con la sección del río preesFuente: Autoridad Nacional del Agua. Figura 3. Concentración hídrica en el área de la cuenca 16,045 Km2, en el lugar característico, Río Grande, Ocoña, Arequipa. Figura 4. Batimetría en la zona donde se concentra la escorrentía superficial del río (pegado al dique derecho). Figura 5. Registro del nivel de agua del río, mediante un sensor de nivel de agua, la medida de la velocidad del flujo se realiza periódicamente con un correntómetro.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 24 tablecida, podemos hacer el seguimiento del caudal, que es el dato con el que podemos evaluar el potencial del recurso hidráulico del lugar característico. Datos eólicos Por medio de los tres anemómetros, se hizo una lectura de la velocidad y dirección del viento, tomándose la lectura a cada hora a lo largo de seis meses, siendo esta información la base del estudio del potencial eólico. Se presenta en las Tablas 1 a la 3, con el promedio (PROM) y desviación estándar de la muestra (D. Sta. M), para las 24 horas del día, según los tres anemómetros colocados a 6, 12 y 18 metros sobre la superficie, considerando los meses de marzo a agosto de 2022 (seis meses). En las Figuras 6 a la 8 se resume esta información. Con los datos de las Tablas 1, 2, y 3 se elabora la Figura 9, que representa la variación de la velocidad del viento, según las horas del día, para los anemómetros instalados a 6, 12, y 18 metros sobre la superficie. Es conveniente conocer la dirección del viento, para el estudio del potencial eólico, para ello se realiza un diagrama denominado Rosa de vientos, mostrado en la Figura 10, con el software WRPLOT View Freeware 8.0.2 y con los datos de un mes característico (agosto 2022), para el anemómetro colocado a 18 metros sobre la superficie; según la estructura de datos requerida por el referido software, que se muestra en la Tabla 4. Fuente: elaboración propia. Figura 6. Promedio de velocidad del viento y desviación estándar de los registros con vientos mayores a 6 m/s (aprovechables), según los meses de marzo a agosto (6 meses), del anemómetro instalado a 6 metros sobre la superficie. Fuente: elaboración propia. Figura 7. Promedio de velocidad del viento y desviación estándar de los registros con vientos mayores a 6 m/s (aprovechables), según los meses de marzo a agosto (6 meses), del anemómetro instalado a 12 metros sobre la superficie. Fuente: elaboración propia. Figura 8. Promedio de velocidad del viento y desviación estándar de los registros con vientos mayores a 6 m/s (aprovechables), según los meses de marzo a agosto (6 meses), del anemómetro instalado a 18 metros sobre la superficie.
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MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero EDICIÓN 574 / JULIO 2025 26 Datos minihidráulicos Con los datos obtenidos de la batimetría (Figura 4), se procede a llevar a cabo un registro periódico de la altura del pelo de agua (Figura 5), así como de la velocidad del flujo. A partir de ello, es posible el cálculo periódico de la sección de control y de la escorrentía superficial del río. Durante el registro de datos, se observó que este caudal tiene una gran variación entre avenida (diciembre, enero y febrero) y estiaje (de marzo a noviembre), debido a la presencia o no, de lluvias en la cuenca, como se puede apreciar en Tabla 5. La concentración hídrica en el área de la cuenca es de 16,045 Km2, en el lugar característico (río Grande, Ocoña, Arequipa). La turbina a reacción de gran caudal y baja altura hidráulica es la apropiada para pequeñas alturas hidráulicas entre 3 a 20 m, y grandes caudales entre 50 a 1,000 m3/s en el lugar característico. Presentación y discusión de resultados Análisis Potencial de energía eólica.- La energía aprovechable depende del aerogenerador que se utilice, en este caso se refiriere a una velocidad aprovechable mayor o igual a 6 m/s. Para evaluar el potencial eólico del lugar característico, se considera el número de horas en que se tenga una velocidad mayor o igual a los 6 m/s, siendo estas horas las que se consideran aprovechables, con sus respectivos promedios de la velocidad del Fuente: elaboración propia. Figura 9. Promedio de velocidad del viento, según las horas del día de los anemómetros instalados a 6, 12, y 18 metros sobre la superficie, se muestra la velocidad de 6 m/s, que separa las velocidades de viento aprovechables, superiores a los 6 m/s, de las menos aprovechables inferiores a 6 m/s. Fuente: elaboración propia. Figura 10. Información de la dirección y velocidad del viento, utilizando el software WRPLOT View Freeware 8.0.2 y la información de velocidad y dirección del viento de un mes característico (agosto 2022), del anemómetro colocado a 18 metros sobre el nivel del terreno, en la torre de control. Fuente: elaboración propia. Figura 11. Ubicación de la Rosa de Viento en el Centro de Control (torre eólica): Universal Transversal Mercator (UTM), zona 18L: 697,864 E, 8’232,644 S, 426 msnm., utilizando el software WRPLOT View Freeware 8.0.2.
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