업계 보고서에 따르면 광산은 매년 30m씩 더 깊어지고 있습니다.
깊이가 깊어질수록 환기와 냉각의 필요성도 커지는데, 하우든은 남아프리카에서 가장 깊은 광산에서 일한 경험을 통해 이를 잘 알고 있습니다.
하우든(Howden)은 1854년 제임스 하우든(James Howden)이 스코틀랜드에서 해양 엔지니어링 회사로 설립한 후, 1950년대에 광업 및 전력 산업의 수요를 충족하기 위해 남아프리카 공화국에 진출했습니다. 1960년대에는 남아프리카 공화국의 깊은 금광에 지하 수 마일에 걸쳐 안전하고 효율적으로 광석을 채굴하는 데 필요한 모든 환기 및 냉각 시스템을 구축하는 데 기여했습니다.
"처음에는 광산에서 냉각 방법으로 환기만 사용했지만, 채굴 깊이가 깊어짐에 따라 광산의 증가하는 열 부하를 보상하기 위해 기계적 냉각이 필요해졌습니다."라고 Howden의 광산 냉각 및 압축기 부문 책임자인 Teunes Wasserman이 IM에 말했습니다.
남아프리카의 많은 금광은 지하 인력과 장비에 필요한 냉각을 제공하기 위해 지상과 지하에 Freon™ 원심 냉각기를 설치했습니다.
현상 유지는 개선되었지만, 지하 기계의 방열 시스템에는 문제가 있었습니다. 기계의 냉각 용량이 온도와 배기량에 의해 제한되었기 때문입니다. 동시에, 광산 수질 문제로 인해 초기 원심 냉각기에 사용된 쉘 앤 튜브 열교환기의 오염이 심각했습니다.
이 문제를 해결하기 위해 광산에서는 지표면에서 차가운 공기를 지면으로 펌핑하기 시작했습니다. 이렇게 하면 냉각 용량은 늘어나지만, 필요한 인프라가 사일로 공간을 차지하게 되고, 이 과정은 에너지와 에너지 집약적입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 광산에서는 냉각수 장치를 통해 지면으로 공급되는 차가운 공기의 양을 극대화하고자 합니다.
이로 인해 Howden은 남아프리카 공화국 광산에 기존 표면 원심 냉각기에 이어 처음으로 아미노 스크류 냉각기를 도입했습니다. 이로 인해 이러한 심층 지하 금광에 공급할 수 있는 냉각수의 양이 크게 증가하여 평균 표층수 온도가 6~8°C에서 1°C로 낮아졌습니다. 광산은 이미 설치된 많은 광산 파이프라인 인프라를 그대로 활용하면서 심층부에 공급되는 냉각수의 양을 크게 늘릴 수 있었습니다.
WRV 510이 출시된 지 약 20년 후, 이 분야의 선도적인 시장 기업인 하우든(Howden)은 510mm 로터를 장착한 대형 블록 스크류 압축기인 WRV 510을 개발했습니다. 당시 시중에 출시된 스크류 압축기 중 가장 큰 모델 중 하나였으며, 남아프리카의 깊은 광산을 냉각하는 데 필요한 냉각 모듈 크기에도 적합했습니다.
"광산에서 여러 대의 냉각기를 설치하는 대신 10~12MW급 냉각기 하나만 설치하면 되므로 획기적인 변화입니다."라고 Wasserman은 말했습니다. "또한 친환경 냉매인 암모니아는 스크류 압축기와 판형 열교환기의 조합에 매우 적합합니다."
암모니아 관련 고려 사항은 광업용 암모니아 사양 및 안전 기준에 공식화되었으며, 하우든은 설계 과정에서 중요한 역할을 담당했습니다. 이러한 고려 사항은 업데이트되어 남아프리카 공화국 법률에 반영되었습니다.
이러한 성공은 남아프리카 광산업계가 세계 최대 규모로 간주되는 350MW 이상의 암모니아 냉장 용량을 설치한 것에서 입증됩니다.
하지만 남아프리카에서 하우든의 혁신은 거기서 끝나지 않았습니다. 1985년, 이 회사는 광산 쿨러 제품군에 표면 제빙기를 추가했습니다.
표면 및 지하 냉각 옵션이 극대화되거나 비용이 너무 많이 든다고 여겨지면서 광산에서는 채굴을 더 깊은 곳까지 확장하기 위한 새로운 냉각 솔루션이 필요합니다.
하우든은 1985년 요하네스버그 동쪽에 있는 EPM(East Rand Proprietary Mine)에 최초의 제빙 플랜트(아래 예시)를 설치했는데, 이 플랜트의 최종 총 냉각 용량은 약 40MW이고 제빙 용량은 시간당 4,320톤입니다.
이 작업의 기본 원리는 지표면에 얼음을 형성하여 광산을 통과하여 지하 얼음 댐으로 운반하는 것입니다. 얼음 댐에서 나온 물은 지하 냉각 시설로 순환되거나 시추공의 공정수로 사용됩니다. 녹은 얼음은 다시 지표면으로 펌핑됩니다.
이 제빙기 시스템의 주요 이점은 펌핑 비용 절감으로, 표면 냉수 시스템 운영 비용을 약 75~80% 절감할 수 있다는 것입니다. 바서먼은 이것이 "물의 상전이에 저장된 고유의 냉각 에너지"에 기인한다고 말하며, 얼음 1kg/s는 얼어붙은 물 4.5~5kg/s와 같은 냉각 용량을 가지고 있다고 설명했습니다.
"뛰어난 위치 효율성" 덕분에 지하 댐의 온도를 2~5°C로 유지하여 지하 공기 냉각 스테이션의 열 성능을 개선하고 냉각 용량을 극대화할 수 있습니다.
불안정한 전력망으로 유명한 남아프리카공화국에서 얼음 발전소가 특히 중요한 또 다른 이점은 이 시스템이 열 저장 방법으로 사용될 수 있다는 점입니다. 즉, 얼음을 만들어 지하 빙하댐에 쌓거나 최대 전력 수요 기간에 사용할 수 있습니다.
후자의 혜택은 Eskom이 지원하는 산업 파트너십 프로젝트 개발로 이어졌고, Howden은 이를 통해 최대 전력 수요를 줄이기 위해 제빙기를 사용하는 방법을 조사하고 있으며, 세계에서 가장 깊은 지하 광산인 Mponeng과 Moab Hotsong에서 테스트 사례를 진행하고 있습니다.
"저희는 야간(근무 ​​시간 이후)에 댐을 동결하고, 피크 시간대에는 물과 녹은 얼음을 광산 냉각수로 사용했습니다."라고 바서먼은 설명했습니다. "기본 냉각 장치는 피크 시간대에 꺼져 전력망 부하를 줄입니다."
이를 통해 Mponeng에서 턴키 방식의 제빙기가 개발되었고, Howden은 12MW, 120t/h 제빙기에 필요한 토목, 전기 및 기계 장비를 포함한 작업을 완료했습니다.
Mponeng의 핵심 냉각 전략에 최근 추가된 것으로는 연빙, 표면 냉각수, 표면 공기 냉각기(BAC) 및 지하 냉각 시스템이 있습니다. 작업 중 광산수에 용해된 소금과 염화물의 농도가 높아지는 경우가 있습니다.
그는 남아프리카의 풍부한 경험과 단순한 제품이 아닌 솔루션에 대한 집중이 전 세계 냉장 시스템을 지속적으로 혁신하고 있다고 말했습니다.
바서먼이 언급했듯이, 점점 더 많은 광산이 더 깊고 넓은 공간으로 확장되면서 이와 같은 해결책을 세계 다른 지역에서도 쉽게 찾아볼 수 있게 되었습니다.
마인하르트는 이렇게 말했습니다. "하우든은 수십 년 동안 남아프리카에 심층 광산 냉각 기술을 수출해 왔습니다. 예를 들어, 1990년대에는 네바다주 지하 금광에 광산 냉각 솔루션을 공급했습니다.
"일부 남아프리카 광산에서 사용되는 흥미로운 기술은 부하 전달을 위한 열빙(thermal ice) 저장입니다. 열에너지는 대형 아이스댐에 저장됩니다. 얼음은 피크 시간대에 생산되어 피크 시간대에 사용됩니다."라고 그는 말했습니다. "전통적으로 냉장 장치는 여름철 하루 최대 3시간까지 견딜 수 있는 주변 온도에 맞춰 설계됩니다. 하지만 냉각 에너지를 저장할 수 있다면 그 용량을 줄일 수 있습니다."
"상당히 높은 피크 요금제를 사용하고 있고 비수기에는 더 저렴한 요금제로 업그레이드하고 싶다면 이러한 제빙 솔루션이 강력한 사업 타당성을 제공할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. "공장 초기 자본금으로 운영비 절감 효과를 얻을 수 있습니다."
동시에, 수십 년 동안 남아프리카 광산에서 사용되어 온 BAC는 점점 더 전 세계적으로 중요해지고 있습니다.
기존 BAC 설계와 비교했을 때, 최신 BAC는 이전 모델보다 열 효율이 높고, 광산 대기 온도 한계가 낮으며, 설치 면적이 작습니다. 또한 Howden Ventsim CONTROL 플랫폼에 온디맨드(CoD) 냉각 모듈을 통합하여 지하 온도에 맞춰 칼라 대기 온도를 자동으로 조절합니다.
지난해 Howden은 브라질과 부르키나파소의 고객에게 3세대 BAC를 제공했습니다.
이 회사는 또한 어려운 운영 조건에 맞춰 맞춤형 솔루션을 생산할 수 있습니다. 최근 사례로는 호주 남부의 카라파티나 광산에 OZ Minerals가 BAC 암모니아 냉각기를 '독특하게' 설치한 것이 있습니다.
"하우든은 호주에서 사용 가능한 물이 부족한 상황에서 하우든 암모니아 압축기와 폐쇄형 루프 건식 공기 냉각기를 갖춘 건식 응축기를 설치했습니다."라고 와서먼은 해당 설치에 대해 설명했습니다. "이것은 '건식' 설치이며 수계 시스템에 설치된 개방형 분무 냉각기가 아니라는 점을 고려할 때, 이 냉각기는 최대 효율을 달성하도록 설계되었습니다."
이 회사는 현재 부르키나파소의 야라모코 포르투나 실버(구 록스골드) 광산에서 설계 및 건설된 8MW 육상 BAC 플랜트(아래 사진)에 대한 가동 시간 모니터링 솔루션을 테스트하고 있습니다.
요하네스버그에 있는 하우든 공장에서 제어되는 이 시스템을 통해 회사는 공장의 최적 운영을 유지하기 위한 잠재적인 효율 개선 및 유지보수에 대한 자문을 제공합니다. 브라질 에로 코퍼(Ero Copper)에 있는 카라이바(Caraiba) 광산 단지의 BAC 장치도 이 기능을 사용하도록 설계되었습니다.
Total Mine Ventilation Solutions(TMVS) 플랫폼은 지속 가능한 부가가치 관계를 지속적으로 구축하고 있으며, 회사는 2021년에 해당 국가에서 두 건의 Ventilation On Demand(VoD) 타당성 조사를 시작할 예정입니다.
이 회사는 짐바브웨 국경 바로 위에서 지하 광산의 자동문에 주문형 비디오를 제공하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 이 프로젝트는 자동문이 다양한 간격으로 열리고 차량의 특정 요구에 따라 적절한 양의 냉각 공기를 공급할 수 있도록 합니다.
기존의 채굴 인프라와 기성 데이터 소스를 활용한 이 기술 개발은 Howden의 미래 제품의 중요한 부분이 될 것입니다.
남아프리카 공화국의 하우든 사례: 깊은 금광에서 발생하는 열악한 수질을 해결하기 위한 냉각 솔루션을 설계하는 방법, 전력망 문제를 피하기 위해 최대한 에너지 효율적인 솔루션을 만드는 방법, 가장 엄격한 대기 질 요구 사항을 충족하는 방법을 알아보세요. 전 세계적으로 온도 및 직업 건강 요구 사항을 준수하는 규정은 전 세계 광산에 계속해서 이익을 가져다줄 것입니다.
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