Theo các báo cáo trong ngành, mỏ này đang được đào sâu thêm mỗi năm – khoảng 30 mét.
Khi độ sâu tăng lên, nhu cầu thông gió và làm mát cũng tăng theo, và Howden biết điều này từ kinh nghiệm làm việc với các mỏ sâu nhất ở Nam Phi.
Công ty Howden được James Howden thành lập năm 1854 tại Scotland với tư cách là một công ty kỹ thuật hàng hải và bắt đầu hoạt động tại Nam Phi vào những năm 1950 để phục vụ nhu cầu của ngành khai thác mỏ và năng lượng. Đến những năm 1960, công ty đã giúp trang bị cho các mỏ vàng sâu trong lòng đất của quốc gia này tất cả các hệ thống thông gió và làm mát cần thiết để khai thác quặng một cách an toàn và hiệu quả ở độ sâu hàng dặm dưới lòng đất.
“Ban đầu, mỏ chỉ sử dụng hệ thống thông gió để làm mát, nhưng khi độ sâu khai thác tăng lên, cần phải sử dụng hệ thống làm mát cơ học để bù đắp cho lượng nhiệt ngày càng tăng trong mỏ,” Teunes Wasserman, người đứng đầu bộ phận Làm mát và Máy nén mỏ của Howden, nói với IM.
Nhiều mỏ vàng sâu ở Nam Phi đã lắp đặt các thiết bị làm mát ly tâm Freon™ trên và dưới mặt đất để cung cấp khả năng làm mát cần thiết cho nhân viên và thiết bị làm việc dưới lòng đất.
Mặc dù tình hình đã được cải thiện, hệ thống tản nhiệt của máy móc dưới lòng đất vẫn gặp vấn đề, vì khả năng làm mát của máy bị hạn chế bởi nhiệt độ và lượng khí thải sẵn có, Wasserman cho biết. Đồng thời, chất lượng nước mỏ gây ra hiện tượng đóng cặn nghiêm trọng đối với các bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng được sử dụng trong các máy làm lạnh ly tâm đời đầu này.
Để giải quyết vấn đề này, các mỏ bắt đầu bơm không khí lạnh từ bề mặt xuống lòng đất. Mặc dù điều này làm tăng khả năng làm mát, nhưng cơ sở hạ tầng cần thiết lại chiếm không gian trong hầm chứa và quá trình này tiêu 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 làm lạnh bằng nước.
Điều này đã thúc đẩy Howden giới thiệu hệ thống làm mát bằng vít amino trong các mỏ ở Nam Phi, ban đầu là kết hợp với các hệ thống làm mát ly tâm trên bề mặt hiện có. Điều này đã tạo ra một bước đột phá về lượng chất làm mát có thể cung cấp cho các mỏ vàng sâu dưới lòng đất, dẫn đến giảm nhiệt độ nước bề mặt trung bình từ 6-8°C xuống còn 1°C. Mỏ có thể sử dụng cùng một cơ sở hạ tầng đường ống dẫn nước, nhiều đường ống trong số đó đã được lắp đặt sẵn, đồng thời tăng đáng kể lượng chất làm mát được cung cấp cho các tầng sâu hơn.
Khoảng 20 năm sau khi giới thiệu WRV 510, Howden, một nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực này, đã phát triển WRV 510, một máy nén trục vít khối lớn với rôto 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 lạnh cần thiết để làm mát các mỏ sâu ở Nam Phi.
“Đây là một bước đột phá vì các mỏ có thể lắp đặt một máy làm lạnh duy nhất có công suất 10-12 MW thay vì nhiều máy làm lạnh khác nhau,” Wasserman nói. “Đồng thời, amoniac là chất làm lạnh thân thiện với môi trường, rất phù hợp cho sự kết hợp giữa máy nén trục vít và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.”
Các vấn đề liên quan đến amoniac đã được chính thức hóa trong các quy cách kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn về amoniac cho ngành khai thác mỏ, trong đó 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 minh chứng bằng việc ngành công nghiệp khai thác mỏ của Nam Phi đã lắp đặt hơn 350 MW công suất làm lạnh bằng 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 máy làm đá bề mặt vào dòng sản phẩm máy làm mát mỏ ngày càng phát triển của mình.
Khi các phương án làm mát trên bề mặt và dưới lòng đất đã đạt đến mức tối đa hoặc được coi là quá tốn kém, các mỏ cần một giải pháp làm mát mới để tiếp tục mở rộng khai thác xuống các tầng sâu hơn.
Năm 1985, Howden lắp đặt nhà máy sản xuất đá đầu tiên (ví dụ bên dưới) tại mỏ EPM (East Rand Proprietary Mine) phía đông Johannesburg, với tổng công suất làm lạnh khoảng 40 MW và công suất sản xuất đá là 4320 tấn/giờ.
Nguyên tắc hoạt động là tạo ra băng trên bề mặt và vận chuyển nó qua mỏ đến một đập băng ngầm, nơi nước từ đập băng được tuần hoàn trong các trạm làm mát ngầm hoặc được sử dụng làm nước cho quá trình khoan giếng. Băng tan sau đó được bơm trở lại bề mặt.
Lợi ích chính của hệ thống làm đá này là giảm chi phí bơm, từ đó giảm chi phí vận hành liên quan đến các hệ thống làm lạnh bằng nước bề mặt khoảng 75-80%. Ông Wasserman cho biết, điều này là do "năng lượng làm lạnh được lưu trữ trong quá trình chuyển pha của nước", giải thích rằng 1kg/giây đá có khả năng làm lạnh tương đương với 4,5-5kg/giây nước đá.
Nhờ "hiệu quả định vị vượt trội", đập ngầm có thể duy trì nhiệt độ ở mức 2-5°C để cải thiện hiệu suất nhiệt của trạm làm mát không khí ngầm, từ đó tối đa hóa khả năng làm mát.
Một ưu điểm khác của nhà máy điện băng, đặc biệt phù hợp với 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 thứ hai này đã dẫn đến việc phát triển một dự án hợp tác công nghiệp được Eskom hỗ trợ, theo đó Howden đang nghiên cứu việc sử dụng máy làm đá để giảm nhu cầu điện năng cao điểm, với các trường hợp thử nghiệm tại Mponeng và Moab Hotsong, những mỏ ngầm sâu nhất thế giới.
“Chúng tôi đóng băng đập vào ban đêm (sau giờ làm việc) và sử dụng nước cùng băng tan làm nguồn làm mát cho mỏ trong giờ cao điểm,” Wasserman giải thích. “Các thiết bị làm mát cơ bản được tắt trong giờ cao điểm, giúp giảm tải cho lưới điện.”
Điều này dẫn đến việc phát triển một hệ thống máy làm đá hoàn chỉnh tại Mponeng, nơi Howden đã hoàn thành toàn bộ công việc bao gồm thiết bị dân dụng, điện và cơ khí cho một máy làm đá công suất 12 MW, 120 tấn/giờ.
Các biện pháp bổ sung gần đây vào chiến lược làm mát cốt lõi của Mponeng bao gồm đá mềm, nước lạnh bề mặt, bộ làm mát không khí bề mặt (BAC) và hệ thống làm mát ngầm. Sự hiện diện của nồng độ muối và clorua hòa tan cao trong nước mỏ trong quá trình làm việc.
Ông cho biết, kinh nghiệm phong phú và sự tập trung vào giải pháp chứ không chỉ sản phẩm của Nam Phi tiếp tục làm thay đổi hệ thống làm lạnh trên toàn thế giới.
Như Wasserman đã đề cập, khi ngày càng nhiều mỏ được đào sâu hơn và có nhiều không gian hơn trong các hầm mỏ, người ta dễ dàng nhận thấy những giải pháp tương tự được tìm thấy ở những nơi khác trên thế giới.
Ông Meinhardt cho biết: “Howden đã xuất khẩu công nghệ làm mát hầm mỏ sâu của mình sang Nam Phi trong nhiều thập kỷ. Ví dụ, chúng tôi đã cung cấp các giải pháp làm mát hầm 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 điện năng – 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 thiết bị làm lạnh được thiết kế cho nhiệt độ môi trường tối đa có thể đạt được trong ba giờ mỗi ngày vào những tháng mùa hè. Tuy nhiên, nếu bạn có khả năng lưu trữ năng lượng làm lạnh, bạn có thể giảm công suất đó.”
“Nếu bạn có gói cước với mức giá cao điểm khá lớn và muốn nâng cấp lên mức giá rẻ hơn trong giờ thấp điểm, các giải pháp sản xuất đá này có thể mang lại lợi ích kinh doanh đáng kể,” ông nói. “Chi phí đầu tư ban đầu cho nhà máy có thể bù đắp cho chi phí vận hành thấp hơn.”
Đồng thời, BAC, loại hóa chất đã được sử dụng trong các mỏ ở Nam Phi hàng chục năm nay, 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, giới hạn nhiệt độ không khí trong hầm mỏ thấp hơn và kích thước nhỏ gọn 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 ở cổ ống để phù hợp với nhu cầu dưới lòng đất.
Trong năm qua, Howden đã cung cấp ba thiết bị BAC thế hệ mới cho khách hàng tại Brazil và Burkina Faso.
Công ty cũng có khả năng cung cấp các giải pháp tùy chỉnh cho các điều kiện vận hành khó khăn; một ví dụ gần đây là việc lắp đặt "độc đáo" các thiết bị làm mát amoniac BAC cho OZ Minerals tại mỏ Carrapateena ở Nam Úc.
Ông Wasserman cho biết về hệ thống lắp đặt này: “Howden đã lắp đặt các dàn ngưng tụ khô với máy nén amoniac Howden và bộ làm mát không khí khô khép kín tại Úc do thiếu nguồn nước. Vì đây là hệ thống lắp đặt 'khô' chứ không phải bộ làm mát phun hở được lắp đặt trong hệ thống nước, nên các bộ làm mát này được thiết kế để đạt hiệu quả tối đa.”
Hiện tại, công ty đang thử nghiệm một giải pháp giám sát thời gian hoạt động cho nhà máy BAC trên bờ 8 MW (hình dưới) được thiết kế và xây dựng tại mỏ bạc Yaramoko Fortuna (trước đây là Roxgold) ở Burkina Faso.
Hệ thống này, được điều khiển 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 Mỏ Toàn diện (TMVS) tiếp tục xây dựng các mối quan hệ bền vững mang lại giá trị gia tăng và công ty sẽ triển khai hai nghiên cứu khả thi về Hệ thống Thông gió Theo Yêu cầu (VoD) tại quốc gia này vào năm 2021.
Ngay sát biên giới Zimbabwe, công ty đang thực hiện một dự án cho phép điều khiển bằng video theo yêu cầu cho cửa tự động trong các hầm mỏ dưới lòng đất, giúp cửa có thể mở ở các khoảng thời gian khác nhau và cung cấp lượng khí làm mát vừa đủ tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của phương tiện.
Việc phát triển công nghệ này, sử dụng cơ sở hạ tầng khai thác hiện có và các nguồn dữ liệu sẵn có, 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 xử lý chất lượng nước kém tại các mỏ vàng sâu, cách làm cho các giải pháp tiết kiệm năng lượng nhất có thể để tránh các vấn đề về lưới điện, và cách đáp ứng một số yêu cầu nghiêm ngặt nhất về chất lượng không khí, nhiệt độ và sức khỏe nghề nghiệp trên toàn thế giới. Quy định này sẽ tiếp tục mang lại lợi ích cho các mỏ trên khắp thế giới.
Công ty TNHH Xuất bản Nhóm Khai thác Quốc tế, 2 Claridge Court, Lower Kings Road, Berkhamsted, Hertfordshire, Anh, HP4 2AF, Vương quốc Anh