업계 보고서에 따르면 광산은 매년 30m씩 더 깊어지고 있습니다.
깊이가 깊어질수록 환기와 냉각의 필요성도 커지는데, 하우든은 남아프리카공화국에서 가장 깊은 광산에서 일한 경험을 통해 이를 잘 알고 있습니다.
하우든은 1854년 제임스 하우든이 스코틀랜드에서 해양 엔지니어링 회사로 설립했으며, 1950년대에 남아프리카공화국에 진출하여 광업 및 전력 산업의 요구를 충족시켰습니다. 1960년대에 이르러서는 남아프리카공화국의 심층 금광에 안전하고 효율적으로 광석을 채굴하는 데 필요한 모든 환기 및 냉각 시스템을 공급하는 데 기여했습니다.
하우든의 광산 냉각 및 압축기 사업부 책임자인 테우네스 와서먼은 IM과의 인터뷰에서 "초기에는 광산에서 냉각 방법으로 환기만 사용했지만, 채굴 깊이가 증가함에 따라 광산의 열 부하 증가를 상쇄하기 위해 기계식 냉각이 필요하게 되었습니다."라고 말했습니다.
남아프리카공화국의 많은 심층 금광에는 지하 작업자와 장비에 필요한 냉각을 제공하기 위해 지상과 지하에 프레온™ 원심 냉각기가 설치되어 있습니다.
현 상황이 개선되었음에도 불구하고, 지하 기계의 열 방출 시스템은 문제가 있는 것으로 드러났는데, 기계의 냉각 용량이 온도와 사용 가능한 배기 공기량에 의해 제한되었기 때문이라고 워서먼은 말했다. 동시에, 광산수의 수질은 초기 원심 냉각기에 사용된 쉘앤튜브 열교환기에 심각한 오염을 유발했다.
이 문제를 해결하기 위해 광산들은 지표면의 차가운 공기를 지하로 끌어올리기 시작했습니다. 이는 냉각 용량을 증가시키지만, 필요한 설비가 사일로 내부 공간을 차지하고, 이 과정은 에너지 소비가 많고 에너지 효율도 떨어집니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 광산에서는 냉각수 장치를 통해 지상으로 공급되는 냉기의 양을 극대화하고자 합니다.
이에 하우든은 남아프리카공화국의 광산에 아미노 스크류 냉각기를 도입했는데, 처음에는 기존의 지상 원심 냉각기 뒤에 병렬로 설치했습니다. 그 결과, 심층 지하 금광에 공급할 수 있는 냉각수 양이 획기적으로 증가하여 표면수의 평균 온도가 6~8°C에서 1°C로 낮아졌습니다. 광산은 이미 설치된 기존 광산 파이프라인 인프라를 그대로 활용하면서도 더 깊은 지층에 공급되는 냉각량을 크게 늘릴 수 있었습니다.
WRV 510이 출시된 지 약 20년 후, 해당 분야의 선두 기업인 하우든(Howden)은 510mm 로터를 장착한 대형 블록 스크류 압축기인 WRV 510을 개발했습니다. 당시 시판되는 스크류 압축기 중 가장 큰 규모 중 하나였으며, 남아프리카공화국의 심층 광산을 냉각하는 데 필요한 칠러 모듈의 크기에 부합했습니다.
"이는 획기적인 변화입니다. 광산에서 여러 대의 냉각기를 설치하는 대신 10~12MW급 냉각기 한 대만 설치할 수 있기 때문입니다."라고 와서먼은 말했습니다. "게다가 친환경 냉매인 암모니아는 스크류 압축기와 판형 열교환기의 조합에 매우 적합합니다."
암모니아 관련 사항은 광산업용 암모니아 사양 및 안전 기준에 공식화되었으며, 하우든은 설계 과정에서 중요한 역할을 수행했습니다. 이러한 기준은 업데이트되어 남아프리카 공화국 법률에 통합되었습니다.
이러한 성공은 남아프리카공화국의 광업계가 설치한 350MW 이상의 암모니아 냉동 설비 용량에서 입증되며, 이는 세계 최대 규모로 여겨집니다.
하지만 하우든의 남아프리카공화국에서의 혁신은 거기서 멈추지 않았습니다. 1985년, 이 회사는 광산용 냉각기 제품군에 지상 제빙기를 추가했습니다.
지표면 및 지하 냉각 방식이 한계에 도달했거나 비용이 너무 많이 드는 것으로 판단됨에 따라, 광산들은 채굴을 더 깊은 곳까지 확장하기 위해 새로운 냉각 솔루션을 필요로 합니다.
하우든은 1985년 요하네스버그 동쪽에 위치한 EPM(이스트 랜드 사유 광산)에 첫 번째 제빙 설비(아래 예시 참조)를 설치했으며, 이 설비의 최종 총 냉각 용량은 약 40MW이고 얼음 생산 용량은 시간당 4320톤입니다.
이 작업의 기본 원리는 지표면에서 얼음을 생성하여 광산을 통해 지하 얼음댐으로 운반하는 것입니다. 얼음댐의 물은 지하 냉각 시설에서 순환되거나 시추공의 공정수로 사용됩니다. 녹은 얼음은 다시 지표면으로 펌핑됩니다.
이 제빙 시스템의 가장 큰 장점은 펌핑 비용 절감으로, 표면 냉각수 시스템과 관련된 운영 비용을 약 75~80% 줄여준다는 것입니다. 워서먼은 그 비결이 "물의 상변화에 저장된 냉각 에너지"에 있다고 설명하며, 초당 1kg의 얼음이 초당 4.5~5kg의 얼음과 동일한 냉각 용량을 가진다고 덧붙였습니다.
탁월한 위치 선정 효율 덕분에 지하 댐을 2~5°C로 유지하여 지하 공랭식 발전소의 열 성능을 향상시키고 냉각 용량을 극대화할 수 있습니다.
전력망이 불안정하기로 악명 높은 남아프리카공화국에서 얼음 발전소가 특히 중요한 또 다른 이점은, 전력 수요가 높은 시간대에 지하 얼음 댐에 얼음을 생성하고 축적하여 열 저장 방식으로 활용할 수 있다는 점입니다.
이러한 이점 덕분에 하우든은 에스콤의 지원을 받는 산업 파트너십 프로젝트를 개발하게 되었으며, 이 프로젝트에서 세계에서 가장 깊은 지하 광산인 음포넹과 모압 핫송에서 시험 사례를 통해 최대 전력 수요를 줄이기 위해 제빙기를 사용하는 방안을 연구하고 있습니다.
"저희는 야간(근무 ​​시간 외)에 댐을 얼리고, 물과 녹인 얼음을 광산의 피크 시간대 냉각수로 사용했습니다."라고 와서먼은 설명했습니다. "피크 시간대에는 기지 냉각 장치를 끄기 때문에 전력망 부하가 줄어듭니다."
이로 인해 음포넹에 턴키 방식의 제빙기가 개발되었으며, 하우든은 12MW, 시간당 120톤 용량의 제빙기에 대한 토목, 전기 및 기계 장비를 포함한 모든 작업을 완료했습니다.
최근 음포넹의 핵심 냉각 전략에 추가된 요소에는 연빙, 표면 냉각수, 표면 공기 냉각기(BAC) 및 지하 냉각 시스템이 포함됩니다. 이는 작업 중 광산수에 용해된 염분과 염화물의 농도가 높게 존재하기 때문입니다.
그는 남아프리카공화국의 풍부한 경험과 제품뿐 아니라 솔루션에 집중하는 자세가 전 세계 냉동 시스템을 지속적으로 혁신하고 있다고 말합니다.
와서먼이 언급했듯이, 광산이 점점 더 깊어지고 광산 내 공간이 넓어짐에 따라 세계 다른 지역에서 이와 같은 해결책을 쉽게 찾아볼 수 있습니다.
마인하르트는 “하우든은 수십 년 동안 남아프리카공화국에 심층 광산 냉각 기술을 수출해 왔습니다. 예를 들어, 1990년대에는 네바다주의 지하 금광에 광산 냉각 솔루션을 공급하기도 했습니다.”라고 말했습니다.
"남아프리카 일부 광산에서 사용되는 흥미로운 기술 중 하나는 열에너지를 얼음에 저장하여 부하를 전달하는 것입니다. 즉, 열에너지를 대형 얼음 댐에 저장하는 것이죠. 얼음은 수요가 가장 많은 시간대에 생산되어 같은 시간대에 사용됩니다."라고 그는 말했다. "기존의 냉장 장치는 여름철에 하루 최대 3시간 동안 최고 주변 온도에 맞춰 설계되었습니다. 하지만 냉방 에너지를 저장할 수 있다면 필요한 용량을 줄일 수 있습니다."
"만약 피크 시간대 요금이 상당히 높은 요금제를 사용하고 있고, 비피크 시간대에는 더 저렴한 요금제로 바꾸고 싶다면, 이러한 제빙 솔루션은 강력한 사업 타당성을 제공할 수 있습니다."라고 그는 말했다. "설비 설치에 드는 초기 자본은 운영 비용 절감으로 상쇄될 수 있습니다."
한편, 수십 년 동안 남아프리카 광산에서 사용되어 온 BAC는 전 세계적으로 점점 더 중요해지고 있습니다.
기존 BAC 설계와 비교했을 때, 최신 세대 BAC는 이전 모델보다 열효율이 높고, 광산 공기 온도 제한이 낮으며, 설치 공간이 더 작습니다. 또한 Howden Ventsim CONTROL 플랫폼에 냉각 온디맨드(CoD) 모듈이 통합되어 있어 지하 환경에 맞춰 칼라 공기 온도를 자동으로 조절합니다.
지난 한 해 동안 하우든은 브라질과 부르키나파소의 고객에게 3세대 BAC를 공급했습니다.
또한 이 회사는 까다로운 운영 조건에 맞는 맞춤형 솔루션을 제공할 수 있습니다. 최근 사례로는 남호주 카라파티나 광산에 있는 OZ Minerals를 위해 BAC 암모니아 냉각기를 설치한 '독특한' 사례가 있습니다.
"하우든은 호주에서 물을 사용할 수 없는 환경에 맞춰 하우든 암모니아 압축기와 밀폐형 건식 공기 냉각기를 사용하여 건식 응축기를 설치했습니다."라고 와서먼은 해당 설치 사례에 대해 설명했습니다. "이것은 개방형 분무식 냉각기가 물 시스템에 설치되는 방식이 아닌 '건식' 설치 방식이기 때문에, 이러한 냉각기는 최대 효율을 위해 설계되었습니다."
현재 이 회사는 부르키나파소의 야라모코 포르투나 실버(구 록스골드) 광산에 설계 및 건설된 8MW급 육상 BAC 발전소(아래 사진 참조)의 가동 시간 모니터링 솔루션을 테스트하고 있습니다.
요하네스버그에 있는 하우든 공장에서 제어되는 이 시스템을 통해 회사는 잠재적인 효율성 개선 및 유지 보수에 대한 조언을 받아 공장을 최적의 상태로 운영할 수 있습니다. 브라질 에로 코퍼에 있는 카라이바 광산 단지의 BAC 장치 또한 이 기능을 활용하도록 설계되었습니다.
종합 광산 환기 솔루션(TMVS) 플랫폼은 지속 가능한 부가가치 관계를 구축해 나가고 있으며, 회사는 2021년에 해당 국가에서 두 건의 수요 기반 환기(VoD) 타당성 조사를 시작할 예정입니다.
짐바브웨 국경 바로 옆에서 이 회사는 지하 광산의 자동문에 주문형 비디오 서비스를 제공하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 이 시스템을 통해 자동문은 차량의 특정 요구에 따라 다양한 간격으로 열리고 적절한 양의 냉방 공기를 공급할 수 있게 됩니다.
기존에 이용 가능한 채굴 인프라와 기성 데이터 소스를 활용한 이러한 기술 개발은 하우든의 미래 제품에 중요한 부분을 차지할 것입니다.
남아프리카공화국의 하우든 사례: 심층 금광의 열악한 수질 문제를 해결하기 위한 냉각 솔루션 설계 방법, 전력망 문제를 방지하기 위해 에너지 효율을 극대화하는 방법, 그리고 전 세계적으로 가장 엄격한 대기질, 온도 및 산업 보건 규제 요건을 충족하는 방법을 알아보세요. 이러한 노력은 전 세계 광산에 지속적인 이익을 가져다줄 것입니다.
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