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Dec 31, 2023

Reduzierung des Grubenwasserverbrauchs

Zur Leseliste speichern Veröffentlicht von Harleigh Hobbs, Herausgeber World Coal, Mittwoch, 2. September 2015, 11:00 Uhr

Chris Rehmann

Wasser ist eine grundlegende und wertvolle Ressource für das Leben und die Industrie. In Bergbaubetrieben wird es in einem breiten Spektrum von Aktivitäten eingesetzt, darunter Mineralverarbeitung, Staubunterdrückung und Schlammtransport. In den letzten Jahren haben verantwortungsbewusste Minenbetreiber im Rahmen ihrer Umweltverpflichtungen erhebliche Fortschritte bei der Reduzierung des Wasserverbrauchs gemacht.

Abgesehen von den Umweltaspekten wird Wasser immer knapper und teurer. Demgegenüber steht die Tatsache, dass Bergbaubetriebe bei Abbau- und Gewinnungsprozessen große Mengen Wasser verbrauchen. Eine genaue Planung des Wasserhaushalts über die gesamte Lebensdauer der Mine und die Reduzierung des Gesamtwasserverbrauchs sind daher entscheidend für den geschäftlichen Erfolg einer Mine.

Planung, Beschaffung, Genehmigung, Pumpen, Verfolgung, Berichterstattung und Entsorgung von Prozesswasser verschlingen einen erheblichen Teil des Betriebsbudgets eines Bergwerks, insbesondere in den trockensten Regionen der Welt. Die Reduzierung oder Eliminierung des Wasserverbrauchs in jedem Teil des Prozesses kann daher den ökologischen Fußabdruck und die finanzielle Leistung eines Unternehmens verändern.

Dies ist keine leichte Herausforderung, da die Bergbauindustrie eine der anspruchsvollsten und anspruchsvollsten Branchen für die Wartung rotierender Anlagen ist. Es muss nicht nur mit abrasiven und korrosiven Anwendungen zurechtkommen, sondern auch den bisherigen Wartungspraktiken, die bis zum Ausfall führten, und den Schwierigkeiten des Betriebs an rauen, abgelegenen Standorten Rechnung tragen.

Ein weit verbreitetes Missverständnis in der Bergbauindustrie ist, dass die einzige Möglichkeit, bei diesen anspruchsvollen Pumpenanwendungen eine zuverlässige Abdichtung zu erreichen, die Verwendung von Stopfbuchspackungen ist (Abbildung 1). Leider geht die Stopfbuchspackung mit einem hohen Wasserverbrauch, hohen Wartungskosten, schlechter Anlagenverfügbarkeit und großen Produktionsausfällen einher. Aus diesem Grund wurden vor einigen Jahrzehnten Gleitringdichtungen in Bergwerken eingeführt. Allerdings waren die Endbenutzer nicht ausreichend geschult und wurden jahrelang mit falschen Dichtungstypen, schlechter Materialauswahl und falschen – oder in manchen Fällen gar keinen – Dichtungsunterstützungssystemen beliefert. Dies trug zu dem allgemeinen Missverständnis bei, dass Gleitringdichtungen im Bergbau nicht funktionieren.

Abbildung 1: Typische Anordnung der Stopfbuchspackung in einer Pumpe.

Gleitringdichtungen funktionieren nicht nur, sondern sie eliminieren auch jedes Jahr Milliarden Gallonen verschwendetes Stopfbuchswasser und verbessern gleichzeitig die Reparaturzeit (MTBR) der Pumpen. Tausende von Doppel-Gleitringdichtungen sind mittlerweile rund um den Globus in einigen der entlegensten und schwierigsten Kohle-, Phosphat-, Platin-, Gold-, Kali-, Kupfer- und anderen Mineralgewinnungsbetrieben erfolgreich im Einsatz.

Stopfbuchsenpackungen sind seit mehr als 100 Jahren die traditionelle Methode zum Abdichten von Pumpen. Diese Art der Packung ist allgemein erhältlich, relativ kostengünstig pro Einheit und die meisten Mechaniker sind mit ihrer Verwendung vertraut. Das Packen hat jedoch einige inhärente Nachteile:

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Versiegelung liegt in der Aufrechterhaltung eines kühlen, sauberen und stabilen Flüssigkeitsfilms zwischen den Flächen. Wenn eine einzelne Gleitringdichtung verwendet wird, wird die gepumpte Flüssigkeit (die Pumpleistung) zum Flüssigkeitsfilm. Dies funktioniert gut, wenn es sich bei der Pumpflüssigkeit um eine saubere Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, handelt. Wenn jedoch Schlamm gepumpt wird, kann die abrasive Beschaffenheit des Schlamms die Dichtungsflächen schnell beschädigen und zum Ausfall von Komponenten führen.

Eine einzelne Gleitringdichtung besteht aus zwei flachen Flächen – einer stationären und einer rotierenden –, die gegeneinander laufen und zwischen denen ein Flüssigkeitsfilm für die Schmierung sorgt. Ohne einen stabilen Flüssigkeitsfilm zwischen den Flächen stünden sie in vollem Kontakt, was als „Trockenlauf“ bezeichnet würde, was zu einer schnellen Hitzeentwicklung und einem Bauteilausfall führen würde.

In diesem Fall kann eine externe Spülung mit sauberer Flüssigkeit, typischerweise Wasser, auf die Prozessseite der einzelnen Dichtung injiziert werden, um die Schlammflüssigkeit wegzudrücken und die Dichtungsflächen mit einer kühlen, sauberen Flüssigkeit zu umgeben. Der Hauptnachteil dieser als API Plan 32 bekannten Anordnung besteht darin, dass die Wassereinspritzung in den Prozess mit einem höheren Druck als dem Stopfbuchsdruck erfolgt.

Dies ist problematisch bei in Reihe geschalteten Tailings-Pumpen, bei denen der endgültige Förderdruck mehrere hundert Pfund pro Quadratzoll (psi) erreichen kann und spezielle Pumpensysteme installiert und gewartet werden müssen, nur um dieses Hochdruck-Spülwasser zu liefern.

Eine typische Spülinjektion kann pro Jahr mehrere Millionen Gallonen sauberes Wasser verschwenden. Wenn der Prozess heiß und das eingespritzte Spülwasser kühl ist, müssen große Energiemengen zugeführt werden, um die Temperatur des Spülwassers zu erhöhen. Wenn der Prozess empfindlich auf Verdünnung reagiert, muss noch mehr Energie zugeführt werden, um das Spülwasser aus dem Prozess zu verdampfen.

Alle oben beschriebenen Nachteile sowohl der Stopfbuchspackung als auch der Einzeldichtungen können mit einem korrekt spezifizierten Doppel-Gleitringdichtungs- und Stützsystem beseitigt werden. Eine Doppeldichtung verfügt über zwei Sätze von Flächen: einen Satz, der die Prozessflüssigkeit abdichtet, und einen Satz, der die Atmosphäre abdichtet, mit einem Sperrbereich zwischen den Flächen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Diagramm einer typischen doppelten Gleitringdichtung mit den inneren Dichtungsflächen zur Abdichtung gegenüber der Prozessflüssigkeit, den äußeren Dichtungsflächen zur Abdichtung zur Atmosphäre und einer (blauen) Sperrflüssigkeit dazwischen.

Ein ordnungsgemäß konzipiertes Dichtungsunterstützungssystem (Tank oder „Dichtungstopf“, Abbildung 3) versorgt den Sperrraum zwischen den Dichtungen mit einer sauberen, kühlen Flüssigkeit – normalerweise Wasser – mit einem höheren Druck als die Prozessflüssigkeit in der Pumpe. Dadurch entsteht ein Druckunterschied, der die saubere Sperrflüssigkeit über die Flächen drückt und so einen stabilen Flüssigkeitsfilm bildet.

Abbildung 3: Der Gleitringdichtung wird kälteres Wasser zugeführt, das wiederum durch die Gleitflächen erhitzt wird. Dieses „wärmere“ Wasser steigt dann zurück in das Gefäß und erhöht die Gesamttemperatur des Gefäßes. Das Gefäß gibt dann Wärme an die Atmosphäre ab, was dazu führt, dass das dichtere, kältere Wasser zurück zum Boden des Gefäßes und zurück zu den Dichtungsflächen fließt.

Da die Gleitflächen der Gleitringdichtung Wärme erzeugen, steigt das heiße Wasser in der Sperrzone der Dichtung zum Tank auf. Der Tank strahlt Wärme an die Atmosphäre ab und das kühlere, dichtere Wasser sinkt zurück zur Dichtung. Dieser Vorgang ist als „Thermosiphon“ bekannt und ermöglicht es dem Tank, die Gleitringdichtung ohne bewegliche Teile ständig mit frischem, kühlem, sauberem Druckwasser für den Flüssigkeitsfilm zu versorgen.

Zusätzlich zur Aufrechterhaltung eines stabilen Flüssigkeitsfilms auf den Dichtungsflächen ist es nützlich, die Gestaltung der Dichtungskammer zu kontrollieren, um eine maximale Lebensdauer der Dichtung zu gewährleisten. Viele Schlammpumpen verwenden eine Dichtungskammer mit offenem Hals (Abbildung 4). Diese Konstruktion kann zu einer Erosion der Dichtungsstopfbuchse führen, die durch die Geschwindigkeit der Aufschlämmung um die Dichtung herum verursacht wird.

Abbildung 4: Diagramm einer herkömmlichen „Offenhals-Dichtungskammer“, bei der die Dichtung der vollen Geschwindigkeit der Aufschlämmung ausgesetzt ist.

Die herkömmliche Abhilfe besteht darin, Strömungsmodifikatoren (Stege oder „Geschwindigkeitsschwellen“) zu verwenden, die in den Innendurchmesser der Dichtungskammer eingearbeitet sind. Ein besseres Dichtungskammerdesign ist in Abbildung 5 dargestellt, wo die Schlammgeschwindigkeit durch die geschlossene Rahmenplatte zwischen dem Laufrad und der Dichtungskammer unterbrochen wird. Um die Dichtung herum verbleibt noch ein großer Hohlraum, der den Flüssigkeitsfluss zur Kühlung der Dichtung begünstigt.

Abbildung 5: Alternatives Pumpendesign mit „geschlossener Rahmenplatte“, das die Dichtung vor der vollen Geschwindigkeit der Aufschlämmung verbirgt und so den Bedarf an teuren, exotischen Metallarbeiten für die Dichtungskomponenten verringert.

In einem modifizierten API-Plan 53A verfügt jede Gleitringdichtung über einen eigenen Stütztank mit einem Druckregler, um sauberes Sperrwasser mit dem entsprechenden Druck für jede Pumpe bereitzustellen. Jeder Tank ist mit einem Rückschlagventil ausgestattet, so dass eine Rückkontamination des Pflanzenwassersystems nicht möglich ist. Selbst wenn der Wasserdruck der Anlage kurzzeitig ausfällt, halten die Rückschlagventile jeden Tank auf dem richtigen Druck, um den wichtigen Flüssigkeitsfilm aufrechtzuerhalten.

Eine ausgereifte Lösung wird den Sperrwasserverbrauch pro Pumpe von geschätzten 6 Millionen Gallonen/Jahr Wasser mit einer herkömmlichen gespülten Dichtung oder Packung auf weniger als 10 Gallonen/Jahr senken, was einer Reduzierung des Sperrwasserverbrauchs um 99,999 % entspricht.

Es ist allgemein anerkannt, dass Packungen mehrere Nachteile haben, wenn sie zum Abdichten rotierender Wellen an Pumpen verwendet werden. Der vielleicht größte davon ist der Bedarf an Millionen Gallonen Stopfwasser pro Pumpe und Jahr zum Kühlen und Schmieren der Packungen.

Doppelte Gleitringdichtungen und Tanksysteme beseitigen alle mit der Packung verbundenen Probleme und können den Wasser-Fußabdruck einer Mine erheblich reduzieren. Gleichzeitig wird der Personalaufwand für die Verpackung reduziert und die Betriebszeit und Verfügbarkeit der Geräte erhöht. In den Fällen, in denen der Prozess empfindlich auf Verdünnung reagiert, können doppelte Gleitringdichtungen jährlich Millionen von Dollar an Produktverlusten einsparen.

Allerdings kann nicht jede mechanische Dichtungsanordnung die oben genannten Ziele erreichen. Der Pumpenbesitzer muss: (a) eine robuste doppelte Gleitringdichtung auswählen; (b) die Dichtung mit einer geschlossenen Rahmenplattenauskleidung vor der Schlämme „verstecken“; und (c) einen sauberen, stabilen Flüssigkeitsfilm über den Dichtungsflächen aufrechterhalten. Dieser saubere Flüssigkeitsfilm wird durch den Einsatz eines selbstfüllenden, wartungsfreien Tankunterstützungssystems erreicht, das den Flüssigkeitsdruck der Dichtungsbarriere auf 15–30 psi über dem Pumpenflüssigkeitsdruck hält.

Tausende von AESSEAL® Doppel-Gleitringdichtungen und Tanksystemen sind weltweit im Bergbau und in anderen Industrien im Einsatz, mit einer geschätzten Gesamteinsparung von mehr als 25 Milliarden Gallonen/Jahr Wasser, was sich sowohl für Unternehmen als auch für die Umwelt als besser erweist.

Herausgegeben von Harleigh Hobbs.

Über den Autor: Chris Rehmann ist Marketing Manager bei AESSEAL Inc.

Lesen Sie den Artikel online unter: https://www.worldcoal.com/special-reports/02092015/reducing-mine-water-usage-2801/

Eine von Cornwall Insight Australia durchgeführte Analyse hat ergeben, dass bestimmte Kohlekraftwerke in New South Wales von einer Verzögerung ihrer Stilllegung profitieren könnten.

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