Jak efektywnie schłodzić rejony wydobycia w kopalni

Pierwszy na świecie system chłodzenia o wydajności ponad 9 MW, wykorzystujący zawiesinę lodową w rurociągach ciśnieniowych, od ponad roku działa w kopalni Lubelski Węgiel „Bogdanka” SA. Jest znacznie wydajniejszy od systemów wodnych. Powstał w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Jeżeli temperatura w kopalni przekroczy pewną wartość progową (w przybliżeniu można założyć, że to 33°C) to wszelkie prace, z wyjątkiem akcji ratunkowej, powinny zostać wstrzymane. Przy niskiej cyrkulacji powietrza i jego dużej wilgotności powstają wtedy warunki, w których kontynuowanie wydobycia stanowiłoby zagrożenie dla zdrowia i życia górników. Tymczasem wraz ze wzrostem głębokości temperatura powietrza zaczyna rosnąć i na poziomie wydobycia w kopalni węgla kamiennego może przekraczać nawet 40°C. Obniżenie temperatury powietrza znacząco zwiększa komfort pracy górników, ale niestety, dotychczas utrzymywanie jej w zakresie wartości optymalnych dla górników, albo chociaż na poziomie 28°C, nie zawsze było możliwe, a jeśli nawet się udawało, to wymagało dużych nakładów energii.

Rozwiązanie opracowane przez dr. hab. inż. Łukasza Mikę z Wydziału Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie pozwala na utrzymanie znacznie niższej temperatury powietrza w rejonach wydobycia i to przy niższym zużyciu energii niż w dotychczas stosowanych systemach chłodzenia. Co więcej, może zostać wdrożone w wielu kopalniach bez konieczności modyfikacji infrastruktury znajdującej się pod ziemią, a tym samym bez konieczności wstrzymywania prac wydobywczych na czas wprowadzania modernizacji systemu chłodzenia.

Im głębiej i dalej od szybu, tym cieplej

Spośród funkcjonujących dotychczas systemów chłodzenia powietrza w kopalni najbardziej zaawansowanym była klimatyzacja centralna. W dużym uproszczeniu jej działanie opiera się na schłodzeniu wody na powierzchni ziemi (do temperatury około 1–2°C) i przesłaniu jej rurociągiem pionowym pod ziemię, gdzie może zostać rozesłana rurociągami poziomymi do różnych obszarów kopalni. Następnie woda zasila chłodnice schładzające powietrze w części kopalni, w której prowadzone jest aktualnie wydobycie. Na początku eksploatacji kopalni to rozwiązanie może działać całkiem nieźle, ale im dłużej prowadzone jest wydobycie, tym dłuższe stają się rurociągi poziome, a więc tym bardziej od szybu oddala się miejsce, do którego powinna dotrzeć schłodzona woda. To przysparza kłopotów, ponieważ w reszcie kopalni panuje upał i pomimo dobrej izolacji termicznej rur znajdująca się w nich woda z każdym kilometrem znacznie się ociepla. Jeżeli na powierzchni ma około 2°C, to zanim dotrze do chłodnicy zlokalizowanej w miejscu wydobycia, po przebyciu kilku kilometrów pod ziemią, może osiągnąć temperaturę nawet 8°C, a czasem nawet 12°C. Znacząco obniża to efektywność chłodnicy, a więc temperatura powietrza w rejonach wydobycia rośnie.

Wody na powierzchni nie da się schłodzić już bardziej – po prostu zamarzłaby w urządzeniach, co uniemożliwiłoby jej przesłanie rurociągiem. Temu dałoby się zapobiec poprzez stworzenie odpowiedniego roztworu – dzięki dodaniu do wody alkoholu lub soli ciecz mogłaby osiągnąć temperaturę poniżej 0°C, jednocześnie nie zmieniając stanu skupienia. Zastosowanie takiego rozwiązania uniemożliwiają jednak obowiązujące przepisy – do kopalni nie można wprowadzać cieczy o temperaturze poniżej 0°C.

Co nam pozostaje? Można zbudować nowy szyb, czyli zrobić odwiert, zbudować nową infrastrukturę na powierzchni i zbudować nowe rurociągi pionowe i poziome. Można też wymienić wszystkie dotychczas eksploatowane rurociągi i pompy na większe, zmienić całą infrastrukturę na powierzchni i w kopalni, tak żeby dało się przesłać do kopalni więcej wody, żeby ona nie zdążyła tak bardzo podgrzać się po drodze. Wymaga to jednak wstrzymania wydobycia i jest bardzo kosztowne inwestycyjnie. Można też zastosować właśnie takie rozwiązanie, które zostało opracowane dla kopalni „Bogdanka” – wyjaśnia dr hab. inż. Łukasz Mika, prof. AGH, autor projektu innowacyjnego systemu chłodzenia wdrożonego we wspomnianej kopalni.

Topniejący lód daje chłód

W trakcie opracowywania nowego systemu chłodzenia naukowiec z AGH miał świadomość wszystkich ograniczeń, które nakładają na systemy chłodzenia normy prawne oraz prawa fizyki. Za pomocą opracowanego systemu udało mu się jednak przekuć zjawisko zamrażania wody i topnienia lodu w zaletę i, w zgodzie z przepisami, przemycić pod ziemię cząsteczki lodu. Zaprojektowany przez naukowca system od ponad roku funkcjonuje w kopalni „Bogdanka”, gdzie pomaga utrzymać temperaturę powietrza sprzyjającą pracy górników. W projekcie naukowiec wykorzystał wiedzę, którą zdobywał jeszcze w trakcie prac nad doktoratem i habilitacją na Politechnice Krakowskiej.

Jako bazę modernizowanego układu wykorzystał istniejący system centralnej klimatyzacji kopalni. Do niego dokłada się generatory zawiesiny lodowej. Z nich lód, w postaci drobinek lodu lub mokrego śniegu, jest doprowadzany do mieszalnika, gdzie miesza się z wodą schłodzoną w dotychczasowej infrastrukturze kopalni i w postaci takiej zawiesiny spływa rurociągami na dół.

Istniejącym rurociągiem przesyłamy więc nie samą wodę, tylko wodę z drobinkami lodu, zatem temperatura na powierzchni wynosi zero stopni Celsjusza, a w zawiesinie mamy również drobinki lodu. Zawiesina jest dostarczana rurociągami do kopalni i na skutek wysokiej temperatury powietrza dostarczane jest do rurociągu ciepło (straty energii na przesyle). Ale temperatura wody się nie podnosi, bo najpierw wytapiają się drobinki, a dopiero gdy ich zabraknie, woda w rurociągu zacznie się podgrzewać. Przy dobrze zaprojektowanym i eksploatowanym układzie, w odległe rejony wydobywcze kopalni dopływać będzie woda o temperaturze 1–2°C lub nawet bliskiej 0°C. I to jest coś, co dla wszystkich osób odpowiedzialnych za chłodzenie w kopalni jest marzeniem: przy układach wodnych było 8–12°C na zasilaniu chłodnic, a przy zastosowaniu zawiesiny lodowej będzie blisko 0°C. Przy zasilaniu chłodnic wodą o temperaturze 8–12°C ich wydajność jest niższa o kilkadziesiąt procent niż katalogowo, co uniemożliwia wystarczające schłodzenie powietrza. Natomiast wydajność chłodnic zasilanych zawiesiną lodową przewyższa wydajności katalogowe, bo są one liczone na zasilanie wodą o temperaturze około 4°C. Przy krótszych odcinkach rurociągów do chłodnic dopływać może nawet zawiesina, ale to nie stanowi żadnego problemu dla chłodnic, a nawet jest zaletą, bo dopływa do nich więcej „chłodu”, który można przekazać do powietrza w rejonie pracy górników – tłumaczy naukowiec.

Wdrożenie opracowanego rozwiązania w kopalniach, w których dotychczas funkcję chłodzenia pełniła klimatyzacja centralna, nie wymaga nawet przebudowy istniejącej infrastruktury. Konieczne jest tylko wybudowanie na powierzchni hali, w której znajdowałyby się urządzenia przekształcające wodę w lód, czyli produkujące zawiesinę lodową, stanowiącą kluczowy element tej innowacyjnej instalacji.

Alternatywą dla systemu z zawiesiną jest oczywiście rozbudowa istniejącego systemu klimatyzacji centralnej opartej na wodzie. Na budowę nowego szybu z infrastrukturą trzeba by liczyć około 100 mln zł, a straty kopalni z powodu wszelkich koniecznych przerw w wydobyciu, spowodowanych rozbudową systemu, też są liczone w setkach milionów. W przypadku modernizacji układu polegającej na zastosowaniu zawiesiny lodowej, przebudowa może być prowadzana równolegle z pracą kopalni, czyli tak naprawdę nie potrzeba zatrzymywać wydobycia – przekonuje dr hab. inż. Łukasz Mika, prof. AGH.

Kłopotliwe stany skupienia

Chociaż sam mechanizm zamarzania i topnienia wody można opisać prostymi słowami i w sposób zrozumiały dla każdego, to wszystkie aspekty umożliwiające zaprojektowanie systemu z zawiesiną lodową są znacznie bardziej skomplikowane i wymagały rozwiązania licznych problemów technicznych i naukowych. Przede wszystkim nie wystarczy po prostu zmieszać wodę z lodem, by można było przesłać ją rurociągiem. Konieczne jest przygotowanie takiej mieszaniny, w której drobinki lodu nie będą się ze sobą sklejały, co mogłoby doprowadzić do zatkania rurociągu i uniemożliwiło przepływ zawiesinie. Z drugiej strony, istotna jest też bezpieczna zawartość drobinek w zawiesinie, rozmiary tych drobinek. Niezmiernie ważne jest także zapewnienie optymalnych warunków przepływu takiej zawiesiny w rurociągu. Problematyczna jest głębokość i pojemność rurociągów szybowych. Taki rurociąg może mieć nawet ponad kilometr głębokości, więc panuje w nim bardzo wysokie ciśnienie, sięgające nawet 13 MPa, które potem jest redukowane do około 3 MPa. W takich warunkach występuje wytapianie się części drobinek, a potem ich powtórna rekrystalizacja.

Wszystkie automatyczne zabezpieczenia, które zostały w ramach tego rozwiązania zaprojektowane w kopalni LW „Bogdanka” SA, obejmują różne scenariusze awarii – nagłego blackoutu, braku części zasilania, zatrzymania się systemu czy innych awarii poszczególnych urządzeń systemu. Został też zaprojektowany układ regulacji wydajności systemu. Natomiast gdyby z jakichś innych przyczyn, np. błędu ludzkiego, doszło do zablokowania rurociągu lodem, to też nie jest tak, jak w przypadku zablokowania piaskiem czy szlamem, że trzeba rurociąg później rozkręcić, opróżnić z wody, wyczyścić. W przypadku zawiesiny lodowej mamy do czynienia z drobinkami lodu czy też mokrego śniegu i jest to tylko kwestią czasu, aż wszystko zamieni się w wodę i samoczynnie się odblokuje, bez rozkręcania i czyszczenia – podkreśla zalety takiego rozwiązania naukowiec z AGH.

Wielki potencjał drobinek lodu

Pomiary przeprowadzone w kopalni LW „Bogdanka” SA po uruchomieniu systemu z zawiesiną lodową wykazały, że jest on znacznie wydajniejszy niż stary układ wodny. Gdy przy zbliżonych warunkach panujących w kopalni, system wykorzystujący wodę, przy wsparciu agregatu sprężarkowego, był w stanie schłodzić powietrze do 25,4°C, system z zawiesiną lodową pozwolił na osiągnięcie temperatury powietrza poniżej 20°C – i to bez dodatkowego, lokalnego agregatu sprężarkowego (także zużywającego energię). Dzięki zastosowaniu zawiesiny lodowej udało się zatem osiągnąć spadek temperatury powietrza w rejonie wydobycia o ponad 5°C. To spora różnica nawet w codziennych warunkach na powierzchni Ziemi, a jeszcze większa dla ciężko pracujących górników.

Rozwiązanie przynosi też korzyści ze względu na zużycie energii. Obniżenie temperatury wody na wejściu do chłodnic z 7°C do 3°C z wykorzystaniem samej wody wymagałoby czterokrotnego zwiększenia jej strumienia w rurociągu. To z kolei wymusiłoby wymianę rurociągów na większe oraz zwiększenie mocy powierzchniowej stacji klimatyzacyjnej o dodatkowe 18 MW. Używając tego samego rurociągu, ale z rozwiązaniem wykorzystującym zawiesinę lodową, na analogicznej odległości od szybu można uzyskać temperaturę wody rzędu 0–2°C tylko dzięki dodaniu do systemu elementu o mocy około 3 MW – i to bez konieczności wymiany jakichkolwiek rurociągów. Zdolność „magazynowania chłodu” przez drobinki lodu w zawiesinie jest po prostu tak wysoka, że znacząco zwiększa wydajność całego systemu.

Do tej pory lód czy śnieg próbowano już wykorzystać do chłodzenia w górnictwie, choćby w Afryce (np. w kopalni złota Mponeng w RPA), ale mechanizm działania był zupełnie inny. Rurociągami poziomymi w kopalni tak jak dotychczas płynęła sama woda, a lód był zrzucany do podziemnych zbiorników grawitacyjnie, gdzie służył raczej do stabilizacji temperatury na poziomie około 2°C w podziemnych, otwartych zbiornikach. Rozwiązanie zaproponowane przez naukowca z AGH ma szansę zostać wdrożone nie tylko w kopalniach węgla kamiennego czy brunatnego, lecz także np. w głębokich kopalniach miedzi.

źródło: AGH

Dyskusja (0 komentarzy)