Secondo i rapporti del settore, la miniera diventa ogni anno più profonda: 30 metri.
Con l'aumentare della profondità aumenta anche la necessità di ventilazione e raffreddamento, e Howden lo sa bene, avendo lavorato nelle miniere più profonde del Sudafrica.
Howden fu fondata nel 1854 da James Howden in Scozia come azienda di ingegneria navale e fece il suo ingresso in Sudafrica negli anni '50 per soddisfare le esigenze dell'industria mineraria ed energetica. Negli anni '60, l'azienda contribuì a dotare le miniere d'oro profonde del paese di tutti i sistemi di ventilazione e raffreddamento necessari per estrarre il minerale in modo sicuro ed efficiente a chilometri di profondità.
"Inizialmente, la miniera utilizzava solo la ventilazione come metodo di raffreddamento, ma con l'aumentare della profondità di estrazione, è diventato necessario il raffreddamento meccanico per compensare il crescente carico termico nella miniera", ha spiegato a IM Teunes Wasserman, responsabile della divisione Mine Cooling and Compressors di Howden.
Molte miniere d'oro profonde in Sudafrica hanno installato refrigeratori centrifughi Freon™ sopra e sotto terra per fornire il raffreddamento necessario al personale e alle attrezzature sotterranee.
Nonostante il miglioramento dello status quo, il sistema di dissipazione del calore della macchina sotterranea si è rivelato problematico, poiché la capacità di raffreddamento della macchina era limitata dalla temperatura e dalla quantità di aria di scarico disponibile, ha affermato Wasserman. Allo stesso tempo, la qualità dell'acqua di miniera causava gravi incrostazioni negli scambiatori di calore a fascio tubiero utilizzati in questi primi refrigeratori centrifughi.
Per risolvere questo problema, le miniere hanno iniziato a pompare aria fredda dalla superficie al terreno. Sebbene ciò aumenti la capacità di raffreddamento, l'infrastruttura necessaria occupa spazio nel silos e il processo è sia energetico che dispendioso in termini di energia.
Per risolvere questi problemi, le miniere vogliono massimizzare la quantità di aria fredda trasportata al suolo tramite unità di acqua refrigerata.
Ciò ha spinto Howden a introdurre raffreddatori a coclea amminica nelle miniere del Sudafrica, per la prima volta in tandem dopo i raffreddatori centrifughi di superficie già esistenti. Ciò ha portato a un cambiamento radicale nella quantità di refrigerante che può essere fornita a queste miniere d'oro sotterranee profonde, con conseguente riduzione della temperatura media dell'acqua superficiale da 6-8 °C a 1 °C. La miniera può utilizzare la stessa infrastruttura di condotte minerarie, molte delle quali sono già installate, aumentando significativamente la quantità di raffreddamento erogata agli strati più profondi.
Circa 20 anni dopo l'introduzione del WRV 510, Howden, azienda leader nel settore, sviluppò il WRV 510, un compressore a vite di grandi dimensioni con rotore da 510 mm. Era uno dei compressori a vite più grandi sul mercato all'epoca e aveva le dimensioni del modulo refrigeratore necessarie per raffreddare le miniere nelle profondità del Sudafrica.
"Questo rappresenta una svolta perché le miniere possono installare un singolo refrigeratore da 10-12 MW invece di una serie di refrigeratori", ha affermato Wasserman. "Allo stesso tempo, l'ammoniaca, come refrigerante ecologico, è ideale per combinazioni di compressori a vite e scambiatori di calore a piastre".
Le considerazioni sull'ammoniaca sono state formalizzate nelle specifiche e negli standard di sicurezza per l'ammoniaca per l'industria mineraria, con Howden che ha svolto un ruolo importante nel processo di progettazione. Tali standard sono stati aggiornati e recepiti nella legislazione sudafricana.
Questo successo è dimostrato dall'installazione di oltre 350 MW di capacità di refrigerazione ad ammoniaca da parte dell'industria mineraria sudafricana, considerata la più grande al mondo.
Ma l'innovazione di Howden in Sud Africa non si fermò qui: nel 1985 l'azienda aggiunse una macchina per il ghiaccio di superficie alla sua gamma crescente di refrigeratori minerari.
Poiché le opzioni di raffreddamento in superficie e nel sottosuolo sono massimizzate o ritenute troppo costose, le miniere hanno bisogno di una nuova soluzione di raffreddamento per espandere ulteriormente l'attività estrattiva a livelli più profondi.
Howden ha installato il suo primo impianto per la produzione di ghiaccio (esempio sotto) nel 1985 presso l'EPM (East Rand Proprietary Mine) a est di Johannesburg, con una capacità di raffreddamento totale finale di circa 40 MW e una capacità di produzione di ghiaccio di 4320 t/h.
Il funzionamento si basa sulla formazione di ghiaccio in superficie e sul suo trasporto attraverso la miniera fino a una diga di ghiaccio sotterranea, dove l'acqua proveniente dalla diga viene fatta circolare in stazioni di raffreddamento sotterranee o utilizzata come acqua di processo per la perforazione dei pozzi. Il ghiaccio sciolto viene poi pompato nuovamente in superficie.
Il vantaggio principale di questo sistema di produzione di ghiaccio è la riduzione dei costi di pompaggio, che riduce di circa il 75-80% i costi operativi associati ai sistemi di raffreddamento superficiale dell'acqua. Questo è dovuto all'intrinseca "energia di raffreddamento immagazzinata nelle transizioni di fase dell'acqua", ha affermato Wasserman, spiegando che 1 kg/s di ghiaccio ha la stessa capacità di raffreddamento di 4,5-5 kg/s di acqua congelata.
Grazie alla “superiore efficienza di posizionamento”, la diga sotterranea può essere mantenuta a 2-5°C per migliorare le prestazioni termiche della stazione di raffreddamento dell’aria sotterranea, massimizzando ulteriormente la capacità di raffreddamento.
Un altro vantaggio della particolare rilevanza di una centrale elettrica a ghiaccio in Sudafrica, un paese noto per la sua rete elettrica instabile, è la capacità del sistema di essere utilizzato come metodo di accumulo di calore, dove il ghiaccio viene creato e accumulato in dighe di ghiaccio sotterranee e durante i periodi di punta.
Quest'ultimo vantaggio ha portato allo sviluppo di un progetto di partenariato industriale supportato da Eskom, nell'ambito del quale Howden sta studiando l'uso di fabbricatori di ghiaccio per ridurre i picchi di domanda di elettricità, con casi di prova a Mponeng e Moab Hotsong, le miniere sotterranee più profonde del mondo.
"Abbiamo congelato la diga di notte (dopo l'orario di lavoro) e utilizzato acqua e ghiaccio sciolto come fonte di raffreddamento per la miniera nelle ore di punta", ha spiegato Wasserman. "Le unità di raffreddamento di base vengono spente durante i periodi di punta, il che riduce il carico sulla rete elettrica."
Ciò ha portato allo sviluppo di una macchina per il ghiaccio chiavi in ​​mano a Mponeng, dove Howden ha completato il lavoro, comprese le attrezzature civili, elettriche e meccaniche per una macchina per il ghiaccio da 12 MW e 120 t/h.
Le recenti aggiunte alla strategia di raffreddamento del nucleo di Mponeng includono ghiaccio morbido, acqua refrigerata in superficie, refrigeratori d'aria di superficie (BAC) e un sistema di raffreddamento sotterraneo. la presenza nelle acque della miniera di elevate concentrazioni di sali e cloruri disciolti durante i lavori.
Secondo lui, la grande esperienza del Sudafrica e la sua attenzione alle soluzioni, non solo ai prodotti, continuano a trasformare i sistemi di refrigerazione in tutto il mondo.
Come ha detto Wasserman, man mano che le miniere diventano sempre più profonde e creano più spazio al loro interno, è facile vedere soluzioni simili trovare anche in altre parti del mondo.
Meinhardt ha affermato: "Howden esporta la sua tecnologia di raffreddamento per miniere profonde in Sudafrica da decenni. Ad esempio, abbiamo fornito soluzioni di raffreddamento per miniere d'oro sotterranee in Nevada già negli anni '90.
"Una tecnologia interessante utilizzata in alcune miniere sudafricane è l'accumulo di ghiaccio termico per il trasferimento del carico: l'energia termica viene immagazzinata in grandi dighe di ghiaccio. Il ghiaccio viene prodotto e utilizzato nelle ore di punta", ha affermato. "Tradizionalmente, le unità di refrigerazione sono progettate per una temperatura ambiente massima che può raggiungere le tre ore al giorno durante i mesi estivi. Tuttavia, se si ha la possibilità di immagazzinare energia frigorifera, è possibile ridurre tale capacità."
"Se si dispone di un piano con una tariffa di punta piuttosto elevata e si desidera passare a tariffe più economiche durante i periodi di bassa stagione, queste soluzioni per la produzione di ghiaccio possono rappresentare una valida opportunità di business", ha affermato. "Il capitale iniziale per l'impianto può compensare i minori costi operativi".
Allo stesso tempo, il BAC, utilizzato nelle miniere sudafricane da decenni, sta acquisendo sempre più importanza a livello mondiale.
Rispetto ai tradizionali modelli BAC, l'ultima generazione di BAC offre un'efficienza termica superiore rispetto ai modelli precedenti, limiti di temperatura dell'aria di miniera più bassi e un ingombro ridotto. Integrano inoltre un modulo di raffreddamento su richiesta (CoD) nella piattaforma Howden Ventsim CONTROL, che regola automaticamente la temperatura dell'aria nel collare in base alle esigenze del sottosuolo.
Nell'ultimo anno, Howden ha consegnato tre BAC di nuova generazione a clienti in Brasile e Burkina Faso.
L'azienda è inoltre in grado di realizzare soluzioni personalizzate per condizioni operative difficili; un esempio recente è l'installazione "unica" di refrigeratori di ammoniaca BAC per OZ Minerals presso la miniera di Carrapateena nell'Australia Meridionale.
"Howden ha installato condensatori a secco con compressori ad ammoniaca Howden e refrigeratori d'aria a secco a circuito chiuso in Australia, in assenza di acqua disponibile", ha affermato Wasserman in merito all'impianto. "Dato che si tratta di un'installazione 'a secco' e non di refrigeratori a spruzzo aperti installati in sistemi idrici, questi refrigeratori sono progettati per la massima efficienza".
L'azienda sta attualmente testando una soluzione di monitoraggio dei tempi di attività per un impianto BAC onshore da 8 MW (nella foto sotto), progettato e costruito presso la miniera Yaramoko Fortuna Silver (ex Roxgold) in Burkina Faso.
Il sistema, controllato dall'impianto Howden di Johannesburg, consente all'azienda di fornire consulenza su potenziali miglioramenti dell'efficienza e interventi di manutenzione per mantenere l'impianto operativo al massimo delle sue potenzialità. Anche l'unità BAC del complesso minerario Caraiba di Ero Copper, in Brasile, è progettata per sfruttare questa funzionalità.
La piattaforma Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) continua a costruire relazioni sostenibili a valore aggiunto e l'azienda lancerà due studi di fattibilità sulla ventilazione su richiesta (VoD) nel Paese nel 2021.
Proprio al confine con lo Zimbabwe, l'azienda sta lavorando a un progetto che consentirà la trasmissione di video su richiesta alle porte automatiche nelle miniere sotterranee, consentendo loro di aprirsi a intervalli variabili e di fornire la giusta quantità di aria di raffreddamento a seconda delle esigenze specifiche del veicolo.
Questo sviluppo tecnologico, che sfrutta l'infrastruttura mineraria esistente e le fonti di dati già disponibili, costituirà una parte importante dei futuri prodotti di Howden.
L'esperienza di Howden in Sudafrica: scopri come progettare soluzioni di raffreddamento per far fronte alla scarsa qualità dell'acqua nelle sue profonde miniere d'oro, come realizzare soluzioni il più possibile efficienti dal punto di vista energetico per evitare problemi alla rete elettrica e come soddisfare alcuni dei più rigorosi requisiti in materia di qualità dell'aria. requisiti di temperatura e salute sul lavoro a livello mondiale La regolamentazione continuerà a dare i suoi frutti per le miniere di tutto il mondo.
International Mining Team Publishing Ltd 2 Claridge Court, Lower Kings Road Berkhamsted, Hertfordshire Inghilterra HP4 2AF, Regno Unito