De mijn wordt elk jaar dieper – 30 meter, volgens berichten uit de sector.
Naarmate de diepte toeneemt, neemt ook de behoefte aan ventilatie en koeling toe, en Howden weet dit uit ervaring met het werken in de diepste mijnen van Zuid-Afrika.
Howden werd in 1854 in Schotland opgericht door James Howden als een bedrijf voor scheepsbouwkunde en betrad in de jaren 50 de Zuid-Afrikaanse markt om te voorzien in de behoeften van de mijnbouw- en energiesector. In de jaren 60 hielp het bedrijf de diepgelegen goudmijnen van het land uit te rusten met alle ventilatie- en koelsystemen die nodig waren om erts kilometers onder de grond veilig en efficiënt te winnen.
"Aanvankelijk werd in de mijn alleen ventilatie gebruikt als koelmethode, maar naarmate de mijnbouwdiepte toenam, was mechanische koeling nodig om de groeiende warmtebelasting in de mijn te compenseren," vertelde Teunes Wasserman, hoofd van de afdeling Mijnbouwkoeling en Compressoren van Howden, aan IM.
In veel diepe goudmijnen in Zuid-Afrika zijn Freon™-centrifugaalkoelers boven en onder de grond geïnstalleerd om de noodzakelijke koeling te bieden aan het personeel en de apparatuur ondergronds.
Ondanks de verbetering van de situatie bleek het warmteafvoersysteem van de ondergrondse machine problematisch, omdat de koelcapaciteit van de machine beperkt werd door de temperatuur en de hoeveelheid beschikbare afvoerlucht, aldus Wasserman. Tegelijkertijd veroorzaakte de slechte waterkwaliteit in de mijn ernstige vervuiling van de buizenwarmtewisselaars die in deze vroege centrifugaalkoelers werden gebruikt.
Om dit probleem op te lossen, begonnen de mijnen koude lucht van het oppervlak naar de grond te pompen. Hoewel dit de koelcapaciteit vergroot, neemt de benodigde infrastructuur ruimte in beslag in de silo en is het proces zowel energie- als energieverbruikend.
Om deze problemen aan te pakken, willen mijnen de hoeveelheid koude lucht die via koelwaterinstallaties naar de grond wordt gebracht, maximaliseren.
Dit bracht Howden ertoe om amino-schroefkoelers te introduceren in mijnen in Zuid-Afrika, aanvankelijk in combinatie met de bestaande centrifugaalkoelers aan de oppervlakte. Dit heeft geleid tot een aanzienlijke toename van de hoeveelheid koelvloeistof die aan deze diep ondergrondse goudmijnen kan worden geleverd, met als gevolg een daling van de gemiddelde oppervlaktewatertemperatuur van 6-8 °C naar 1 °C. De mijn kan gebruikmaken van dezelfde pijpleidinginfrastructuur, waarvan een groot deel al is aangelegd, terwijl de hoeveelheid koeling die naar diepere lagen wordt geleverd aanzienlijk wordt verhoogd.
Ongeveer 20 jaar na de introductie van de WRV 510 ontwikkelde Howden, een toonaangevende speler op de markt, de WRV 510, een grote schroefcompressor met een rotor van 510 mm. Het was destijds een van de grootste schroefcompressoren op de markt en voldeed aan de afmetingen van de koelmodules die nodig waren om de diepe mijnen in Zuid-Afrika te koelen.
"Dit is een baanbrekende ontwikkeling, omdat mijnen nu één koelmachine van 10-12 MW kunnen installeren in plaats van een heleboel," aldus Wasserman. "Tegelijkertijd is ammoniak als milieuvriendelijk koelmiddel zeer geschikt voor combinaties van schroefcompressoren en platenwarmtewisselaars."
De overwegingen met betrekking tot ammoniak werden vastgelegd in specificaties en veiligheidsnormen voor ammoniak in de mijnbouw, waarbij Howden een belangrijke rol speelde in het ontwerpproces. Deze zijn bijgewerkt en opgenomen in de Zuid-Afrikaanse wetgeving.
Dit succes blijkt uit de installatie van meer dan 350 MW aan ammoniakkoelcapaciteit door de Zuid-Afrikaanse mijnbouwsector, die wordt beschouwd als de grootste ter wereld.
Maar Howdens innovaties in Zuid-Afrika hielden daar niet op: in 1985 voegde het bedrijf een ijsmachine voor oppervlaktekoeling toe aan zijn groeiende assortiment mijnkoelers.
Naarmate de mogelijkheden voor koeling boven en onder de grond hun maximale potentieel bereiken of als te duur worden beschouwd, hebben mijnen een nieuwe koeloplossing nodig om de mijnbouwactiviteiten naar diepere lagen verder uit te breiden.
Howden installeerde zijn eerste ijsfabriek (zie onderstaand voorbeeld) in 1985 bij de EPM (East Rand Proprietary Mine) ten oosten van Johannesburg. Deze fabriek heeft een uiteindelijke koelcapaciteit van ongeveer 40 MW en een ijsproductiecapaciteit van 4320 ton per uur.
De basis van het proces is het vormen van ijs aan de oppervlakte en het transporteren ervan door de mijn naar een ondergrondse ijsdam. Het water uit de ijsdam wordt vervolgens in ondergrondse koelinstallaties gecirculeerd of gebruikt als proceswater voor het boren van putten. Het gesmolten ijs wordt vervolgens terug naar de oppervlakte gepompt.
Het grootste voordeel van dit ijsmaaksysteem zijn de lagere pompkosten, waardoor de operationele kosten van oppervlaktegekoeld water met ongeveer 75-80% dalen. Dit komt door de inherente "koelenergie die is opgeslagen in de faseovergangen van water", aldus Wasserman, die uitlegde dat 1 kg ijs per seconde dezelfde koelcapaciteit heeft als 4,5-5 kg ​​bevroren water per seconde.
Dankzij de "superieure positioneringsefficiëntie" kan de ondergrondse dam op een temperatuur van 2-5°C worden gehouden, wat de thermische prestaties van het ondergrondse luchtkoelstation verbetert en zo de koelcapaciteit maximaliseert.
Een ander voordeel van de bijzondere relevantie van een ijskrachtcentrale in Zuid-Afrika, een land dat bekendstaat om zijn instabiele elektriciteitsnet, is de mogelijkheid om het systeem te gebruiken als warmteopslagmethode. Hierbij wordt ijs gevormd en opgeslagen in ondergrondse ijsdammen, met name tijdens piekuren.
Dit laatste voordeel heeft geleid tot de ontwikkeling van een door Eskom ondersteund samenwerkingsproject met de industrie, waarbij Howden onderzoek doet naar het gebruik van ijsmachines om de piekvraag naar elektriciteit te verminderen. Testprojecten worden uitgevoerd in Mponeng en Moab Hotsong, 's werelds diepste ondergrondse mijnen.
"We bevroren de dam 's nachts (na sluitingstijd) en gebruikten water en gesmolten ijs als koelbron voor de mijn tijdens de piekuren", legde Wasserman uit. "De koelinstallaties van de basis worden tijdens piekuren uitgeschakeld, wat de belasting van het elektriciteitsnet vermindert."
Dit leidde tot de ontwikkeling van een kant-en-klare ijsmachine in Mponeng, waar Howden de werkzaamheden voltooide, inclusief de civiele, elektrische en mechanische installaties voor een ijsmachine van 12 MW met een capaciteit van 120 ton per uur.
Recente toevoegingen aan Mponengs kernkoelingsstrategie omvatten zacht ijs, oppervlaktegekoeld water, oppervlakteluchtkoelers (BAC's) en een ondergronds koelsysteem. De aanwezigheid van verhoogde concentraties opgeloste zouten en chloriden in het mijnwater tijdens de werkzaamheden.
De rijke ervaring van Zuid-Afrika en de focus op oplossingen, in plaats van alleen producten, blijven koelsystemen over de hele wereld transformeren, zegt hij.
Zoals Wasserman al aangaf, naarmate er steeds meer mijnen dieper worden en er meer ruimte in de mijnen ontstaat, is het gemakkelijk te zien dat dit soort oplossingen ook in andere delen van de wereld worden toegepast.
Meinhardt zei: "Howden exporteert al tientallen jaren zijn technologie voor diepwaterkoeling naar Zuid-Afrika. Zo leverden we bijvoorbeeld in de jaren negentig koeloplossingen voor ondergrondse goudmijnen in Nevada."
"Een interessante technologie die in sommige Zuid-Afrikaanse mijnen wordt gebruikt, is de opslag van thermisch ijs voor lastoverdracht – thermische energie wordt opgeslagen in grote ijsdammen. Er wordt ijs geproduceerd tijdens piekuren en gebruikt tijdens piekuren", zei hij. "Traditioneel zijn koelinstallaties ontworpen voor een maximale omgevingstemperatuur die in de zomermaanden drie uur per dag kan bedragen. Als je echter de mogelijkheid hebt om koelenergie op te slaan, kun je die capaciteit verlagen."
"Als u een abonnement hebt met een relatief hoog piektarief en wilt overstappen op lagere tarieven tijdens daluren, kunnen deze ijsmachines een sterke zakelijke aanbeveling vormen", zei hij. "De initiële investering voor de installatie kan de lagere operationele kosten compenseren."
Tegelijkertijd wint BAC, dat al tientallen jaren in Zuid-Afrikaanse mijnen wordt gebruikt, wereldwijd steeds meer aan belang.
Vergeleken met traditionele BAC-ontwerpen hebben de nieuwste generatie BAC's een hoger thermisch rendement dan hun voorgangers, lagere limieten voor de luchttemperatuur in de mijn en een kleinere voetafdruk. Ze integreren ook een koelmodule op aanvraag (CoD) in het Howden Ventsim CONTROL-platform, die de temperatuur van de lucht in de kraag automatisch aanpast aan de behoeften onder de grond.
Het afgelopen jaar heeft Howden drie nieuwe generatie BAC's geleverd aan klanten in Brazilië en Burkina Faso.
Het bedrijf is ook in staat om oplossingen op maat te leveren voor moeilijke bedrijfsomstandigheden; een recent voorbeeld is de 'unieke' installatie van BAC-ammoniakkoelers voor OZ Minerals in de Carrapateena-mijn in Zuid-Australië.
"Howden heeft in Australië droge condensatoren met Howden ammoniakcompressoren en gesloten luchtkoelers geïnstalleerd, omdat er geen water beschikbaar was", aldus Wasserman over de installatie. "Aangezien dit een 'droge' installatie is en geen open sproeikoelers die in watersystemen zijn geïnstalleerd, zijn deze koelers ontworpen voor maximale efficiëntie."
Het bedrijf test momenteel een oplossing voor het bewaken van de uptime van een 8 MW onshore BAC-centrale (zie afbeelding hieronder), die is ontworpen en gebouwd bij de Yaramoko Fortuna Silver-mijn (voorheen Roxgold) in Burkina Faso.
Het systeem, dat wordt aangestuurd door de Howden-fabriek in Johannesburg, stelt het bedrijf in staat om advies te geven over mogelijke efficiëntieverbeteringen en onderhoud om de fabriek optimaal te laten functioneren. De BAC-eenheid in het Caraiba-mijnbouwcomplex in Ero Copper, Brazilië, is eveneens ontworpen om van deze functie gebruik te maken.
Het Total Mine Ventilation Solutions (TMVS)-platform blijft duurzame, waardetoevoegende relaties opbouwen en het bedrijf zal in 2021 twee haalbaarheidsstudies voor Ventilation On Demand (VoD) in het land starten.
Vlak bij de grens met Zimbabwe werkt het bedrijf aan een project dat video-on-demand mogelijk maakt voor automatische deuren in ondergrondse mijnen. Hierdoor kunnen de deuren met variabele tussenpozen openen en precies de juiste hoeveelheid koellucht toevoeren, afhankelijk van de specifieke behoeften van het voertuig.
Deze technologische ontwikkeling, waarbij gebruik wordt gemaakt van bestaande mijnbouwinfrastructuur en standaard databronnen, zal een belangrijk onderdeel vormen van Howdens toekomstige producten.
De Howden-ervaring in Zuid-Afrika: leer hoe je koeloplossingen ontwerpt om de slechte waterkwaliteit in de diepe goudmijnen aan te pakken, hoe je oplossingen zo energiezuinig mogelijk maakt om problemen met het elektriciteitsnet te voorkomen, en hoe je voldoet aan enkele van de strengste eisen op het gebied van luchtkwaliteit, temperatuur en arbeidsomstandigheden wereldwijd. Deze regelgeving zal zich blijven uitbetalen voor mijnen over de hele wereld.
International Mining Team Publishing Ltd 2 Claridge Court, Lower Kings Road Berkhamsted, Hertfordshire Engeland HP4 2AF, VK