Theo báo cáo của ngành, mỏ đang ngày càng sâu hơn mỗi năm – 30 m.
Khi độ sâu tăng lên, nhu cầu thông gió và làm mát cũng tăng theo. Howden biết điều này từ kinh nghiệm làm việc với các mỏ sâu nhất ở Nam Phi.
Howden được thành lập vào năm 1854 bởi James Howden tại Scotland với tư cách là một công ty kỹ thuật hàng hải và đã thâm nhập vào Nam Phi vào những năm 1950 để phục vụ nhu cầu của ngành khai thác mỏ và điện. Đến những năm 1960, công ty đã giúp trang bị cho các mỏ vàng sâu của đất nước này tất cả các hệ thống thông gió và làm mát cần thiết để khai thác quặng an toàn và hiệu quả hàng dặm dưới lòng đất.
Teunes Wasserman, giám đốc bộ phận làm mát và máy nén mỏ của Howden, cho biết với IM: “Ban đầu, mỏ chỉ sử dụng thông gió làm phương pháp làm mát, nhưng khi độ sâu khai thác tăng lên, cần phải sử dụng phương pháp làm mát cơ học để bù đắp cho lượng nhiệt ngày càng tăng trong mỏ”.
Nhiều mỏ vàng sâu ở Nam Phi đã lắp đặt máy làm mát ly tâm Freon™ trên và dưới lòng đất để cung cấp khả năng làm mát cần thiết cho nhân viên và thiết bị dưới lòng đất.
Wasserman cho biết, mặc dù tình trạng hiện tại đã được cải thiện, hệ thống tản nhiệt của máy ngầm vẫn gặp vấn đề vì khả năng làm mát của máy bị giới hạn bởi nhiệt độ và lượng khí thải có sẵn. Đồng thời, chất lượng nước mỏ gây ra tình trạng tắc nghẽn nghiêm trọng đối với bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống được sử dụng trong các máy làm lạnh ly tâm đầu tiên này.
Để giải quyết vấn đề này, các mỏ bắt đầu bơm không khí lạnh từ bề mặt xuống đất. Mặc dù điều này làm tăng khả năng làm mát, nhưng cơ sở hạ tầng cần thiết lại chiếm không gian trong silo và quá trình này vừa tốn năng lượng vừa tốn nhiều năng lượng.
Để giải quyết những vấn đề này, các mỏ muốn tối đa hóa lượng không khí lạnh được đưa xuống lòng đất thông qua các thiết bị nước lạnh.
Điều này thúc đẩy Howden đưa máy làm mát trục vít amino vào các mỏ ở Nam Phi, đầu tiên là song song sau các máy làm mát ly tâm bề mặt hiện có. Điều này đã dẫn đến một bước thay đổi về lượng chất làm mát có thể cung cấp cho các mỏ vàng sâu dưới lòng đất này, dẫn đến nhiệt độ nước bề mặt trung bình giảm từ 6-8°C xuống 1°C. Mỏ có thể sử dụng cùng cơ sở hạ tầng đường ống mỏ, nhiều trong số đó đã được lắp đặt, đồng thời tăng đáng kể lượng chất làm mát được cung cấp cho các lớp sâu hơn.
Khoảng 20 năm sau khi giới thiệu WRV 510, Howden, một công ty hàng đầu trong lĩnh vực này, đã phát triển WRV 510, một máy nén trục vít khối lớn với rotor 510 mm. Đây là một trong những máy nén trục vít lớn nhất trên thị trường vào thời điểm đó và phù hợp với kích thước mô-đun làm mát cần thiết để làm mát các mỏ sâu ở Nam Phi.
“Đây là một bước ngoặt vì các mỏ có thể lắp đặt một máy làm lạnh 10-12 MW duy nhất thay vì một loạt máy làm lạnh”, Wasserman cho biết. “Đồng thời, amoniac là chất làm lạnh xanh rất phù hợp cho sự kết hợp giữa máy nén trục vít và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm”.
Các cân nhắc về amoniac đã được chính thức hóa trong các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn cho amoniac trong ngành khai thác mỏ, với Howden đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế. Chúng đã được cập nhật và đưa vào luật pháp Nam Phi.
Thành công này được chứng minh bằng việc ngành khai khoáng Nam Phi lắp đặt hơn 350 MW công suất làm lạnh amoniac, được coi là lớn nhất thế giới.
Nhưng sự đổi mới của Howden ở Nam Phi không dừng lại ở đó: vào năm 1985, công ty đã bổ sung thêm một máy làm đá bề mặt vào dòng máy làm mát mỏ đang ngày càng phát triển của mình.
Khi các giải pháp làm mát bề mặt và ngầm được tối đa hóa hoặc được coi là quá tốn kém, các mỏ đang cần một giải pháp làm mát mới để mở rộng hoạt động khai thác xuống các tầng sâu hơn.
Howden đã lắp đặt nhà máy sản xuất đá đầu tiên (ví dụ bên dưới) vào năm 1985 tại EPM (Mỏ độc quyền East Rand) phía đông Johannesburg, có tổng công suất làm mát cuối cùng khoảng 40 MW và công suất sản xuất đá là 4320 tấn/giờ.
Cơ sở của hoạt động này là hình thành băng trên bề mặt và vận chuyển nó qua mỏ đến đập băng ngầm, nơi nước từ đập băng sau đó được lưu thông trong các trạm làm mát ngầm hoặc được sử dụng làm nước xử lý để khoan giếng. Sau đó, băng tan được bơm trở lại bề mặt.
Lợi ích chính của hệ thống máy làm đá này là giảm chi phí bơm, giúp giảm chi phí vận hành liên quan đến hệ thống nước lạnh bề mặt khoảng 75-80%. Wasserman cho biết, điều này phụ thuộc vào "năng lượng làm mát vốn có được lưu trữ trong các pha chuyển tiếp của nước", giải thích rằng 1kg/giây đá có cùng khả năng làm mát như 4,5-5kg/giây nước đông lạnh.
Nhờ “hiệu quả định vị vượt trội”, đập ngầm có thể được duy trì ở nhiệt độ 2-5°C để cải thiện hiệu suất nhiệt của trạm làm mát không khí ngầm, một lần nữa tối đa hóa khả năng làm mát.
Một lợi thế khác của nhà máy điện băng có liên quan đặc biệt đến Nam Phi, một quốc gia nổi tiếng với lưới điện không ổn định, là khả năng sử dụng hệ thống này như một phương pháp lưu trữ nhiệt, trong đó băng được tạo ra và tích tụ trong các đập băng ngầm và trong các thời kỳ cao điểm.
Lợi ích sau này đã dẫn đến sự phát triển của dự án hợp tác công nghiệp được Eskom hỗ trợ, trong đó Howden đang nghiên cứu việc sử dụng máy làm đá để giảm nhu cầu điện cao điểm, với các trường hợp thử nghiệm tại Mponeng và Moab Hotsong, hai mỏ ngầm sâu nhất thế giới.
“Chúng tôi đóng băng đập vào ban đêm (sau giờ làm việc) và sử dụng nước và băng tan làm nguồn làm mát cho mỏ trong giờ cao điểm,” Wasserman giải thích. “Các đơn vị làm mát cơ sở được tắt trong thời gian cao điểm, giúp giảm tải cho lưới điện.”
Điều này dẫn đến sự phát triển của một máy làm đá trọn gói tại Mponeng, nơi Howden hoàn thành công việc bao gồm thiết bị dân dụng, điện và cơ khí cho một máy làm đá công suất 12 MW, 120 tấn/giờ.
Những bổ sung gần đây cho chiến lược làm mát cốt lõi của Mponeng bao gồm đá mềm, nước lạnh bề mặt, máy làm mát không khí bề mặt (BAC) và hệ thống làm mát ngầm. Sự hiện diện của nồng độ muối hòa tan và clorua cao trong nước mỏ trong quá trình làm việc.
Ông cho biết, sự giàu kinh nghiệm và tập trung vào các giải pháp chứ không chỉ sản phẩm của Nam Phi tiếp tục chuyển đổi các hệ thống làm lạnh trên toàn thế giới.
Như Wasserman đã đề cập, khi ngày càng có nhiều mỏ được đào sâu hơn và có nhiều không gian hơn trong các mỏ, thì chúng ta có thể dễ dàng thấy các giải pháp như thế này được tìm thấy ở những nơi khác trên thế giới.
Meinhardt cho biết: “Howden đã xuất khẩu công nghệ làm mát mỏ sâu của mình sang Nam Phi trong nhiều thập kỷ. Ví dụ, chúng tôi đã cung cấp các giải pháp làm mát mỏ cho các mỏ vàng ngầm ở Nevada vào những năm 1990.
“Một công nghệ thú vị được sử dụng trong một số mỏ ở Nam Phi là lưu trữ băng nhiệt để truyền tải tải – năng lượng nhiệt được lưu trữ trong các đập băng lớn. Băng được sản xuất trong giờ cao điểm và được sử dụng trong giờ cao điểm”, ông nói. “Theo truyền thống, các đơn vị làm lạnh được thiết kế cho nhiệt độ môi trường tối đa có thể đạt tới ba giờ một ngày trong những tháng mùa hè. Tuy nhiên, nếu bạn có khả năng lưu trữ năng lượng làm mát, bạn có thể giảm công suất đó”.
“Nếu bạn có một kế hoạch với mức giá cao điểm khá cao và muốn nâng cấp lên mức giá rẻ hơn trong thời gian ngoài giờ cao điểm, các giải pháp làm đá này có thể tạo ra một trường hợp kinh doanh mạnh mẽ”, ông nói. “Vốn ban đầu cho nhà máy có thể bù đắp cho chi phí vận hành thấp hơn”.
Cùng lúc đó, BAC, loại vật liệu đã được sử dụng trong các mỏ ở Nam Phi trong nhiều thập kỷ, đang ngày càng trở nên quan trọng hơn trên toàn cầu.
So với các thiết kế BAC truyền thống, thế hệ BAC mới nhất có hiệu suất nhiệt cao hơn so với thế hệ trước, giới hạn nhiệt độ không khí trong mỏ thấp hơn và diện tích nhỏ hơn. Chúng cũng tích hợp mô-đun làm mát theo yêu cầu (CoD) vào nền tảng Howden Ventsim CONTROL, tự động điều chỉnh nhiệt độ không khí vòng đệm để phù hợp với nhu cầu dưới bề mặt.
Trong năm qua, Howden đã cung cấp ba mẫu BAC thế hệ mới cho khách hàng ở Brazil và Burkina Faso.
Công ty cũng có thể sản xuất các giải pháp tùy chỉnh cho những điều kiện vận hành khó khăn; một ví dụ gần đây là việc lắp đặt 'độc đáo' máy làm mát amoniac BAC cho OZ Minerals tại mỏ Carrapateena ở Nam Úc.
“Howden đã lắp đặt các tụ ngưng khô với máy nén amoniac Howden và bộ làm mát không khí khô vòng kín tại Úc khi không có nước”, Wasserman cho biết về quá trình lắp đặt. “Vì đây là quá trình lắp đặt 'khô' chứ không phải bộ làm mát phun mở được lắp đặt trong hệ thống nước, nên các bộ làm mát này được thiết kế để đạt hiệu suất tối đa”.
Công ty hiện đang thử nghiệm giải pháp giám sát thời gian hoạt động cho nhà máy BAC trên bờ công suất 8 MW (hình ảnh bên dưới) được thiết kế và xây dựng tại mỏ Yaramoko Fortuna Silver (trước đây là Roxgold) ở Burkina Faso.
Hệ thống, được kiểm soát bởi nhà máy Howden ở Johannesburg, cho phép công ty tư vấn về các cải tiến hiệu quả tiềm năng và bảo trì để giữ cho nhà máy hoạt động ở mức tối ưu. Đơn vị BAC tại khu phức hợp khai thác Caraiba ở Ero Copper, Brazil cũng được thiết kế để sử dụng tính năng này.
Nền tảng Giải pháp thông gió toàn diện cho mỏ (TMVS) tiếp tục xây dựng các mối quan hệ có giá trị gia tăng bền vững và công ty sẽ triển khai hai nghiên cứu khả thi về thông gió theo yêu cầu (VoD) tại quốc gia này vào năm 2021.
Ngay tại biên giới Zimbabwe, công ty đang thực hiện một dự án cho phép điều khiển video theo yêu cầu cho các cửa tự động trong các mỏ ngầm, cho phép chúng mở theo các khoảng thời gian khác nhau và cung cấp lượng khí làm mát vừa đủ tùy theo nhu cầu cụ thể của phương tiện.
Sự phát triển công nghệ này, sử dụng cơ sở hạ tầng khai thác hiện có và các nguồn dữ liệu có sẵn, sẽ là một phần quan trọng trong các sản phẩm tương lai của Howden.
Kinh nghiệm của Howden tại Nam Phi: Tìm hiểu cách thiết kế các giải pháp làm mát để giải quyết tình trạng chất lượng nước kém tại các mỏ vàng sâu, cách tạo ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng nhất có thể để tránh các sự cố về lưới điện và cách đáp ứng một số yêu cầu nghiêm ngặt nhất về chất lượng không khí. Quy định về nhiệt độ và sức khỏe nghề nghiệp trên toàn thế giới – sẽ tiếp tục mang lại lợi ích cho các mỏ trên toàn thế giới.
International Mining Team Publishing Ltd 2 Claridge Court, Lower Kings Road Berkhamsted, Hertfordshire England HP4 2AF, UK