Jak efektywnie schłodzić rejony wydobycia w kopalni

Pierwszy na świecie system chłodzenia o wydajności ponad 9MW, wykorzystujący zawiesinę lodową w rurociągach ciśnieniowych od ponad roku działa w kopalni LW Bogdanka SA. Jest znacznie wydajniejszy od systemów wodnych. Opracował go Łukasz Mika, naukowiec z AGH.

Jeżeli temperatura w kopalni przekroczy pewną wartość progową, w przybliżeniu można założyć 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 głębokością temperatura powietrza zaczyna wzrastać, a 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 optymalnych dla górników wartościach, albo choć na poziomie 28°C, nie zawsze było możliwe, a jeśli nawet się udawało, to wymagało dużych nakładów energii i charakteryzowało się niezbyt wysoką skutecznością.

Rozwiązanie opracowane przez Łukasza Mikę, pracownika AGH, pozwala na utrzymanie znacznie niższej temperatury powietrza w rejonach wydobycia i to przy niższym zużyciu energii, niż w dotychczas stosowanych systemach chłodzenia. Co więcej – rozwiązanie 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 głębie 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. Woda zasila następnie chłodnice, które z kolei ochładzają 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, bo 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 12oC – a to znacząco obniża efektywność chłodnicy i nie da się wystarczająco schłodzić powietrza.

Na powierzchni nie da się schłodzić już bardziej wody – przede wszystkim, po prostu by zamarzła 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.

– No więc jakie mamy rozwiązania? 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, autor projektu innowacyjnego systemu chłodzenia wdrożonego we wspomnianej kopalni.

Topniejący lód daje chłód

W trakcie opracowywania nowego systemu chłodzenia dr hab. inż. Łukasz Mika 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 i topnienia wody 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.

– Na początku trzeba powiedzieć, że jako bazę modernizowanego układu wykorzystuje się istniejący system centralnej klimatyzacji kopalni. Do tego systemu dokłada sięgeneratory zawiesiny lodowej. Z nich lód, w postaci drobinek lodu lub mokrego śniegu, jest doprowadzany do mieszalnika, gdzie jest mieszany ze schłodzoną w dotychczasowej infrastrukturze kopalni wodą i w postaci takiej wymieszanej zawiesiny spływa rurociągami na dół – mówi o autorskim systemie chłodzenia Łukasz Mika. – Rurociągiem istniejącym przesyłamy więc nie samą wodę, tylko wodę z drobinkami lodu, więc 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. Jak się dobrze układ zaprojektuje i eksploatuje, to w odległe rejony wydobywcze kopalni dopływać będzie woda o temperaturze 1-2oC lub nawet bliskiej 0oC. I to jest coś, co dla wszystkich osób odpowiedzialnych za chłodzenie w kopalni jest marzeniem:  przy układach wodnych było 8-12oC na zasilaniu chłodnic, a przy zastosowaniu zawiesiny lodowej będzie blisko 0oC. Przy zasilaniu chłodnic wodą o temperaturze 8-12oC ich wydajności są niższe o kilkadziesiąt procent niż katalogowo, co uniemożliwia wystarczające schłodzenie powietrza. Natomiast wydajność chłodnic zasilanych zawiesiną lodową przewyższa wydajności katalogowe, bo one są liczone na zasilanie wodą o temperaturze około 4oC. 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.

Wdrożenie opracowanego rozwiązanie 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 sto milionów złotych, a straty kopalni z powodu koniecznych wszelkich przerw w wydobyciu spowodowanych rozbudową systemu, też są liczone w setkach milionów. I tu ważne, aby podkreślić że milionów przypadku modernizacji układu polegającej na zastosowaniu zawiesiny lodowej inwestycja może być prowadzana równolegle z pracą kopalni, czyli tak naprawdę nie wymaga zatrzymania wydobycia. Wydobycie może cały czas trwać, tak jak miało to miejsce podczas budowy układu w LW Bogdanka SA – mówi o autorskim projekcie dr hab. inż. Łukasz Mika.

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 zatkana rurociągu i uniemożliwienia przepływu zawiesinie Z drugiej strony ważna jest też bezpieczna zawartość drobinek w zawiesinie, rozmiary tych drobinek, a także niezmiernie ważne jest zapewnienie optymalnych warunków przepływu takiej zawiesiny w rurociągu. Problematyczna jest też głębokość i pojemność rurociągów szybowych. Taki rurociąg może mieć nawet ponad kilometr głębokości, więc panuje w nim bardzo wysokie ciśnienie, sięgające nawet 13MPa, które potem jest redukowane do około 3MPa W takich warunkach występuje wytapianie się części drobinek, a potem ich powtórna rekrystalizacja.

– Zawiesina nie jest więc tak prostym w eksploatacji czynnikiem jak woda. Kiedy dodaje się do wody drobinki lodu, to w miarę wzrostu ich zawartości ta ciecz staje się cieczą nienewtonowską. Mamy więc specjalne modele opisujące jej zachowanie w czasie przepływu. Moglibyśmy powiedzieć obrazowo, że gdybyśmy dodawali tych drobinek do mieszaniny coraz więcej, to jej konsystencja i zachowanie podczas przepływu zaczęłyby przypominać płynny beton. Poza tym proszę zwrócić uwagę, że kra lodowa pływa w rzece, czyli jak się nie wie, jakie warunki przepływu utrzymać, to ta mieszanina się rozwarstwi: drobinki będą na górze, woda niżej. Tak mogłoby się dziać np. w rurociągach, w kopalni. Wszystkie automatyczne zabezpieczenia, które zostały zatem 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 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 trzeba pamiętać, że mamy do czynienia z drobinkami lodu czy też mokrego śniegu i to tylko kwestią czasu a wszystko zamienia się w wodę i samoczynnie się odblokuje, bez rozkręcania i czyszczenia.– podkreśla zalety takiego rozwiązania dr hab. inż. Łukasz Mika.

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 (dodatkowo 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 w odległych rejonach kopalni 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, wymagałoby wymiany rurociągów na większe oraz zwiększenia mocy powierzchniowej stacji klimatyzacyjnej o dodatkowe 18MW. Używając tego samego rurociągu, ale z rozwiązaniem wykorzystującym zawiesinę lodową opracowanym przez Łukasza Mikę, na analogicznej odległości od szybu można uzyskać temperaturę wody rzędu 0-2°C tylko dzięki dodaniu do systemu elementu o mocy 3,1MW – 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 ( 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 Łukasza Mikę ma szansę zostać wdrożone nie tylko w kopalniach, węgla kamiennego czy brunatnego, lecz także np. w głębokich kopalniach miedzi. Niestety czasem tak jest, że rozwiązanie nowe, nie posiadające, z racji swej nowości, wiarygodnej konkurencji na rynku krajowym, nie jest pożądane w przypadku organizowania przetargów. Trudno więc mieć gwarancję, że system ten będzie jeszcze zastosowany w innych polskich kopalniach. Z drugiej strony swoje zainteresowanie systemem z zawiesiną lodową wykazały już firmy z Niemiec, Kanady, a nawet z Chin. Taka sytuacja może martwić, bo przecież jako naukowcy jesteśmy rozliczani z Indeksu Hirsha, wskaźników Impact Factor, wysokopunktowanych publikacji chyba po to, aby udowodnić (choć na papierze) nasz pośredni wpływ na światową naukę i technikę. W przypadku systemu z zawiesiną lodową, jak i pewnie w wielu innych podobnych przypadkach w skali AGH, mamy taki wpływ bezpośrednio pokazany. Naukowcy z Polski, korzystając z polskiego know-how, wraz z krajową firmą stworzyli dla polskiej kopalni innowacyjny na skalę światową system, który działa. Czego można sobie więcej życzyć? Jednak w skali kraju nie bardzo takie osiągnięcie się liczy. Nie jest to cenione osiągnięcie naukowe jak choćby artykuł i żadnych punktów, jak za publikacje, z tej pracy nie będzie. Aż chce się zapytać, a dlaczego nie?  – podkreśla dr hab. inż. Łukasz Mika

– Mam jednak ogromną, nie dającą się zmierzyć, żadnymi indeksami i współczynnikami satysfakcję z wykonania tej pracy, która jest teraz dodatkowo większa, bo system został zbudowany i pracuje. Chciałbym w tym miejscu bardzo gorąco podziękować wszystkim Osobom, z którymi współpracowałem podczas wykonywania projektu i w czasie nadzoru nad wykonaniem inwestycji. Podziękowania należą się Władzom i Pracownikom LW Bogdanka SA. oraz Właścicielom, Zarządowi oraz Pracownikom głównego wykonawcy instalacji, czyli firmie DPMtech z Rybnika. Projekt systemu był wykonywany tutaj, na Wydziale Energetyki i Paliw AGH. To tu, na AGH, została opracowana koncepcja projektu, całe zestawienie urządzeń, odbyła się jego weryfikacja, zaprojektowano automatykę i zabezpieczenia. To jest coś takiego, czego na tą skalę nie rozwiązał jeszcze nikt inny na Świecie, choć wielu już próbowało. Na pewno więc można powiedzieć, że jesteśmy i już zawsze będziemy w tej dziedzinie pierwsi na Świecie – podsumowuje naukowiec.