La mina se está haciendo 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 en las minas más profundas de Sudáfrica.
Howden fue fundada en 1854 por James Howden en Escocia como una empresa de ingeniería naval 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 subterráneas del país con todos los sistemas de ventilación y refrigeración necesarios para extraer el mineral de forma segura y eficiente a kilómetros de profundidad.
“Inicialmente, la mina solo utilizaba la ventilación como método de refrigeración, pero a medida que aumentaba la profundidad de la explotación, se hizo necesario el enfriamiento mecánico para compensar la creciente carga térmica en la mina”, declaró a IM Teunes Wasserman, jefe de la división de Refrigeración y Compresores para Minas de Howden.
Muchas minas de oro de gran profundidad en Sudáfrica han instalado enfriadores centrífugos Freon™ tanto en la superficie como 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 refrigeración 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 una grave obstrucción en los intercambiadores de calor de carcasa y tubos utilizados en estos primeros enfriadores centrífugos.
Para solucionar este problema, las minas comenzaron a bombear aire frío desde la superficie hasta el subsuelo. Si bien esto aumenta la capacidad de refrigeración, la infraestructura necesaria ocupa espacio en el silo y el proceso consume mucha energía.
Para solucionar estos problemas, las minas quieren maximizar la cantidad de aire frío que llega al subsuelo mediante unidades de agua refrigerada.
Esto impulsó a Howden a introducir enfriadores de tornillo amino en minas de Sudáfrica, primero en combinación con los enfriadores centrífugos de superficie ya 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 media 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, al tiempo que aumenta significativamente la cantidad de refrigeración suministrada a las capas más profundas.
Aproximadamente 20 años después de la introducción del WRV 510, Howden, un actor líder en el mercado del sector, desarrolló el WRV 510, un compresor de tornillo de gran tamaño con un rotor de 510 mm. Era uno de los compresores de tornillo más grandes del mercado en ese momento y se ajustaba al tamaño del módulo de refrigeración necesario para enfriar las profundas minas sudafricanas.
“Esto supone un cambio radical, ya que las minas pueden instalar un único enfriador de 10-12 MW en lugar de varios”, afirmó Wasserman. “Además, el amoníaco, como refrigerante ecológico, resulta muy adecuado para combinaciones de compresores de tornillo e intercambiadores de calor de placas”.
Las consideraciones relativas al amoníaco quedaron formalizadas en las especificaciones y normas de seguridad para este material en la industria minera, con una importante participación de Howden en el proceso de diseño. Dichas normas se han actualizado y se han incorporado a la legislación sudafricana.
Este éxito queda patente en la instalación de más de 350 MW de capacidad de refrigeración por amoníaco por parte de la industria minera de Sudáfrica, considerada la más grande del mundo.
Pero la innovación de Howden en Sudáfrica no terminó ahí: en 1985, la empresa añadió una máquina de hielo de superficie a su creciente gama de refrigeradores para minas.
A medida que se maximizan las opciones de refrigeración superficial y subterránea o se consideran demasiado costosas, las minas necesitan una nueva solución de refrigeración para expandir la extracción a niveles más profundos.
Howden instaló su primera planta de fabricación de hielo (ejemplo a continuación) en 1985 en la mina EPM (East Rand Proprietary Mine), al este de Johannesburgo, que tiene una capacidad de refrigeración total final de alrededor de 40 MW y una capacidad de producción de hielo de 4320 t/h.
La operación se basa en la formación de hielo en la superficie y su transporte a través de la mina hasta una represa de hielo subterránea. El agua de la represa se recircula en estaciones de enfriamiento subterráneas o se utiliza como agua de proceso para la perforación de pozos. El hielo derretido se bombea de nuevo a la superficie.
La principal ventaja de este sistema de fabricación de hielo radica en la reducción de los costos de bombeo, lo que disminuye los costos operativos asociados a los sistemas de agua fría superficial en aproximadamente un 75-80%. Esto se debe a la energía de enfriamiento inherente almacenada en las transiciones de fase del agua, explicó Wasserman, quien añadió que 1 kg/s de hielo tiene la misma capacidad de enfriamiento que 4,5-5 kg/s de agua congelada.
Gracias a su "eficiencia de posicionamiento superior", la presa subterránea puede mantenerse a una temperatura de entre 2 y 5 °C para mejorar el rendimiento térmico de la estación subterránea de refrigeración por aire, maximizando así la capacidad de refrigeración.
Otra ventaja de la particular relevancia de una central eléctrica de hielo en Sudáfrica, un país conocido por su red eléctrica inestable, es la capacidad del sistema para ser utilizado como método de almacenamiento de calor, donde el hielo se crea y se acumula en represas de hielo subterráneas y durante los períodos pico.
Este último beneficio ha propiciado el desarrollo de un proyecto de colaboración industrial con el apoyo de Eskom, en el que Howden está investigando el uso de máquinas de 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 del horario laboral) y usamos agua y hielo derretido como fuente de refrigeración para la mina durante las horas pico”, explicó Wasserman. “Las unidades de refrigeración de la base se apagan durante los períodos de mayor demanda, lo que reduce la carga en la red eléctrica”.
Esto condujo al desarrollo de una máquina de hielo llave en mano en Mponeng, donde Howden completó el trabajo, incluyendo el equipamiento civil, eléctrico y mecánico para una máquina de hielo de 12 MW y 120 t/h.
Las adiciones recientes a la estrategia de enfriamiento central de Mponeng incluyen hielo blando, agua fría superficial, enfriadores de aire superficiales (BAC) y un sistema de enfriamiento subterráneo. la presencia en las aguas de la mina de concentraciones elevadas de sales y cloruros disueltos durante el trabajo.
Según afirma, la vasta experiencia de Sudáfrica y su enfoque en las soluciones, y no solo en los productos, sigue transformando los sistemas de refrigeración en todo el mundo.
Como mencionó Wasserman, a medida que más y más minas se vuelven más profundas y ocupan más espacio, es fácil ver soluciones como esta en otras partes del mundo.
Meinhardt declaró: “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 que se utiliza en algunas minas sudafricanas es el almacenamiento de hielo térmico para la transferencia de carga: la energía térmica se almacena en grandes represas de hielo. El hielo se produce durante las horas pico y se utiliza durante esas mismas horas”, explicó. “Tradicionalmente, las unidades de refrigeración están diseñadas para una temperatura ambiente máxima que puede alcanzar las tres horas diarias durante los meses de verano. Sin embargo, si se tiene la capacidad de almacenar energía de refrigeración, se puede reducir esa capacidad”.
“Si tiene un plan con una tarifa máxima bastante alta y desea actualizar a tarifas más económicas durante los períodos de menor demanda, estas soluciones para la fabricación de hielo pueden ser una excelente inversión”, afirmó. “El capital inicial para la planta puede compensar la reducción de los costos operativos”.
Al mismo tiempo, el carbón activado granular (BAC), que se ha utilizado en las minas sudafricanas durante décadas, está adquiriendo cada vez más importancia a nivel mundial.
En comparación con los diseños BAC tradicionales, la última generación de BAC ofrece una mayor eficiencia térmica, límites de temperatura del aire en la mina más bajos y un tamaño más compacto. Además, integra un módulo de refrigeración bajo demanda (CoD) en la plataforma Howden Ventsim CONTROL, que ajusta automáticamente la temperatura del aire en la zona de trabajo para satisfacer las necesidades del subsuelo.
Durante el último año, Howden ha entregado tres BAC de nueva generación a clientes en Brasil y Burkina Faso.
La empresa también es capaz de producir soluciones personalizadas para condiciones operativas difíciles; un ejemplo reciente es la instalación "singular" de enfriadores de amoníaco BAC para OZ Minerals en la mina Carrapateena en Australia Meridional.
“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”, dijo Wasserman sobre la instalación. “Dado que se trata de una instalación ‘seca’ y no de enfriadores de pulverización abiertos instalados en sistemas de agua, estos enfriadores están diseñados para lograr la máxima eficiencia”.
Actualmente, la empresa está probando una solución de monitorización del tiempo de actividad para una planta BAC terrestre de 8 MW (que se muestra en la imagen inferior), diseñada y construida en la mina de plata Yaramoko Fortuna (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 que la planta opere de forma óptima. La unidad BAC del complejo minero de 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 añadido y la empresa pondrá en marcha dos estudios de viabilidad de Ventilación bajo Demanda (VoD) en el país en 2021.
Justo en la frontera con Zimbabue, la empresa está trabajando en un proyecto que permitirá la reproducción de vídeo bajo demanda para las puertas automáticas de las minas subterráneas, lo que les permitirá 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 existente y fuentes de datos disponibles en el mercado, 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 eléctrica y cómo cumplir con algunos de los requisitos de calidad del aire más estrictos. La regulación de temperatura y salud ocupacional a nivel mundial seguirá dando frutos para las minas de todo el mundo.
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