La mina se hace más profunda cada año: 30 metros, según informes de la industria.
A medida que aumenta la profundidad, también aumenta la necesidad de ventilación y refrigeración, y Howden lo sabe por su experiencia trabajando con las minas más profundas de Sudáfrica.
Howden fue fundada en 1854 por James Howden en Escocia como empresa de ingeniería marina y llegó a Sudáfrica en la década de 1950 para atender las necesidades de las industrias minera y energética. Para la década de 1960, la empresa ayudó a equipar las minas de oro profundas del país con todos los sistemas de ventilación y refrigeración necesarios para extraer mineral de forma segura y eficiente a kilómetros de profundidad.
“Inicialmente, la mina solo utilizaba ventilación como método de enfriamiento, pero a medida que aumentaba la profundidad de la minería, se requirió enfriamiento mecánico para compensar la creciente carga de calor en la mina”, dijo Teunes Wasserman, jefe de la división de Enfriamiento y Compresores de Minas de Howden, a IM.
En muchas minas de oro profundas de Sudáfrica se han instalado enfriadores centrífugos Freon™ sobre y bajo tierra para proporcionar la refrigeración necesaria para el personal y los equipos subterráneos.
A pesar de la mejora en la situación actual, el sistema de disipación de calor de la máquina subterránea resultó problemático, ya que su capacidad de enfriamiento estaba limitada por la temperatura y la cantidad de aire de escape disponible, explicó Wasserman. Al mismo tiempo, la calidad del agua de la mina provocó graves incrustaciones en los intercambiadores de calor tubulares utilizados en estos primeros enfriadores centrífugos.
Para solucionar este problema, las minas comenzaron a bombear aire frío desde la superficie al suelo. Si bien esto aumenta la capacidad de refrigeración, la infraestructura necesaria ocupa espacio en el silo y el proceso consume mucha energía.
Para abordar estos problemas, las minas quieren maximizar la cantidad de aire frío que llega al suelo a través de unidades de agua refrigerada.
Esto impulsó a Howden a introducir enfriadores de tornillo amino en minas de Sudáfrica, primero en tándem tras los enfriadores centrífugos de superficie existentes. Esto ha supuesto un cambio radical en la cantidad de refrigerante que se puede suministrar a estas minas de oro subterráneas profundas, lo que ha resultado en una disminución de la temperatura promedio del agua superficial de 6-8 °C a 1 °C. La mina puede utilizar la misma infraestructura de tuberías, muchas de las cuales ya están instaladas, a la vez que aumenta significativamente la cantidad de refrigeración suministrada a las capas más profundas.
Aproximadamente 20 años después de la introducción del WRV 510, Howden, empresa líder en el sector, desarrolló el WRV 510, un compresor de tornillo de bloque grande con un rotor de 510 mm. Era uno de los compresores de tornillo más grandes del mercado en aquel momento y se ajustaba al tamaño del módulo de refrigeración necesario para refrigerar las minas profundas de Sudáfrica.
“Esto supone un cambio radical, ya que las minas pueden instalar un solo enfriador de 10 a 12 MW en lugar de varios”, afirmó Wasserman. “Al mismo tiempo, el amoníaco, como refrigerante ecológico, es ideal para combinaciones de compresores de tornillo e intercambiadores de calor de placas”.
Las consideraciones sobre el amoníaco se formalizaron en las especificaciones y normas de seguridad para la industria minera, con Howden desempeñando un papel importante en el proceso de diseño. Estas se han actualizado e incorporado a la legislación sudafricana.
Este éxito queda evidenciado por la instalación de más de 350 MW de capacidad de refrigeración con amoníaco en la industria minera de Sudáfrica, considerada la más grande del mundo.
Pero la innovación de Howden en Sudáfrica no terminó ahí: en 1985, la compañía añadió una máquina de hielo de superficie a su creciente gama de enfriadores de minas.
A medida que las opciones de enfriamiento superficial y subterráneo se maximizan o se consideran demasiado costosas, las minas necesitan una nueva solución de enfriamiento para expandir aún más la minería a niveles más profundos.
Howden instaló su primera planta de fabricación de hielo (ejemplo a continuación) en 1985 en la EPM (mina propia East Rand) al este de Johannesburgo, que tiene una capacidad de enfriamiento total final de alrededor de 40 MW y una capacidad de hielo de 4320 t/h.
La base de la operación es la formación de hielo en la superficie y su transporte a través de la mina hasta una presa de hielo subterránea, donde el agua de la presa circula en estaciones de enfriamiento subterráneas o se utiliza como agua de proceso para la perforación de pozos. El hielo derretido se bombea de vuelta a la superficie.
La principal ventaja de este sistema de fabricación de hielo es la reducción de los costos de bombeo, lo que reduce los costos operativos asociados con los sistemas de agua fría superficial en aproximadamente un 75-80 %. Esto se debe a la inherente "energía de enfriamiento almacenada en las transiciones de fase del agua", explicó Wasserman, quien explicó que 1 kg/s de hielo tiene la misma capacidad de enfriamiento que 4,5-5 kg/s de agua congelada.
Gracias a la “eficiencia de posicionamiento superior”, la presa subterránea se puede mantener a 2-5 °C para mejorar el rendimiento térmico de la estación de enfriamiento de aire subterránea, maximizando nuevamente la capacidad de enfriamiento.
Otra ventaja de la particular relevancia de una planta de energía de hielo en Sudáfrica, un país conocido por su red eléctrica inestable, es la capacidad del sistema de ser utilizado como un método de almacenamiento de calor, donde el hielo se crea y se acumula en presas de hielo subterráneas y durante los períodos pico.
Este último beneficio ha llevado al desarrollo de un proyecto de asociación industrial apoyado por Eskom, en el marco del cual Howden está investigando el uso de máquinas para fabricar hielo para reducir la demanda máxima de electricidad, con casos de prueba en Mponeng y Moab Hotsong, las minas subterráneas más profundas del mundo.
“Congelamos la presa por la noche (fuera de horario) y usamos agua y hielo derretido como fuente de refrigeración para la mina durante las horas punta”, explicó Wasserman. “Las unidades de refrigeración de la base se apagan durante las horas punta, lo que reduce la carga en la red”.
Esto condujo al desarrollo de una máquina de hielo llave en mano en Mponeng, donde Howden completó el trabajo, incluido el equipo civil, eléctrico y mecánico para una máquina de hielo de 12 MW y 120 t/h.
Las incorporaciones recientes a la estrategia de enfriamiento central de Mponeng incluyen hielo blando, agua helada superficial, enfriadores de aire de superficie (BAC) y un sistema de enfriamiento subterráneo. la presencia en las aguas de la mina de concentraciones elevadas de sales disueltas y cloruros durante el trabajo.
La riqueza de experiencia de Sudáfrica y su enfoque en soluciones, no sólo en productos, continúan transformando los sistemas de refrigeración en todo el mundo, afirma.
Como mencionó Wasserman, a medida que más minas penetran más profundamente y ocupan más espacio, es fácil ver soluciones como esta en otras partes del mundo.
Meinhardt afirmó: «Howden lleva décadas exportando su tecnología de refrigeración para minas profundas a Sudáfrica. Por ejemplo, suministramos soluciones de refrigeración para minas de oro subterráneas en Nevada en la década de 1990».
Una tecnología interesante utilizada en algunas minas sudafricanas es el almacenamiento de hielo térmico para la transferencia de carga: la energía térmica se almacena en grandes presas de hielo. El hielo se produce y se utiliza durante las horas punta —explicó—. Tradicionalmente, las unidades de refrigeración están diseñadas para una temperatura ambiente máxima que puede alcanzar tres horas al día durante los meses de verano. Sin embargo, si se puede almacenar energía de refrigeración, se puede reducir esa capacidad.
“Si tiene un plan con una tarifa punta bastante alta y desea cambiar a tarifas más económicas durante las horas valle, estas soluciones para fabricar hielo pueden ser una excelente opción comercial”, afirmó. “El capital inicial para la planta puede compensar los menores costos operativos”.
Al mismo tiempo, el BAC, que se utiliza desde hace décadas en las minas sudafricanas, está adquiriendo cada vez más importancia mundial.
En comparación con los diseños tradicionales de BAC, la última generación de BAC ofrece mayor eficiencia térmica que sus predecesores, límites de temperatura del aire de la mina más bajos y un tamaño más compacto. Además, integran un módulo de enfriamiento bajo demanda (CoD) en la plataforma Howden Ventsim CONTROL, que ajusta automáticamente la temperatura del aire del collarín según las necesidades del subsuelo.
Durante el año pasado, Howden entregó tres BAC de nueva generación a clientes en Brasil y Burkina Faso.
La empresa también puede producir soluciones personalizadas para condiciones operativas difíciles; un ejemplo reciente es la instalación "única" de enfriadores de amoníaco BAC para OZ Minerals en la mina Carrapateena en el sur de Australia.
“Howden instaló condensadores secos con compresores de amoníaco Howden y enfriadores de aire seco de circuito cerrado en Australia ante la falta de agua disponible”, explicó Wasserman sobre la instalación. “Dado que se trata de una instalación seca y no de enfriadores de aspersión abiertos instalados en sistemas de agua, estos enfriadores están diseñados para una máxima eficiencia”.
Actualmente, la empresa está probando una solución de monitoreo del tiempo de actividad para una planta BAC terrestre de 8 MW (en la foto a continuación) diseñada y construida en la mina Yaramoko Fortuna Silver (anteriormente Roxgold) en Burkina Faso.
El sistema, controlado por la planta de Howden en Johannesburgo, permite a la empresa asesorar sobre posibles mejoras de eficiencia y mantenimiento para mantener la planta en óptimas condiciones de funcionamiento. La unidad BAC del complejo minero Caraiba en Ero Copper, Brasil, también está diseñada para utilizar esta función.
La plataforma Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) continúa construyendo relaciones sostenibles de valor agregado y la compañía lanzará dos estudios de viabilidad de Ventilation On Demand (VoD) en el país en 2021.
Justo en la frontera con Zimbabue, la empresa está trabajando en un proyecto que permitirá el uso de vídeo a pedido en puertas automáticas en minas subterráneas, permitiéndoles abrirse a intervalos variables y proporcionar la cantidad justa de aire de refrigeración según las necesidades específicas del vehículo.
Este desarrollo tecnológico, que utiliza la infraestructura minera disponible y fuentes de datos listas para usar, será una parte importante de los futuros productos de Howden.
La experiencia de Howden en Sudáfrica: aprenda cómo diseñar soluciones de refrigeración para lidiar con la mala calidad del agua en sus minas de oro profundas, cómo hacer que las soluciones sean lo más eficientes energéticamente posible para evitar problemas en la red y cómo cumplir con algunos de los requisitos más estrictos de calidad del aire, temperatura y salud ocupacional en todo el mundo. La regulación seguirá dando sus frutos para las minas de todo el mundo.
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