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Dec 31, 2023

鉱山水の使用量削減

リストを保存して読む World Coal 編集者 Harleigh Hobbs 発行、2015 年 9 月 2 日水曜日、11:00

クリス・レーマン

水は産業だけでなく生命にとっても基本的かつ貴重な資源です。 採掘作業では、鉱物処理、粉塵抑制、スラリー輸送などの幅広い活動に使用されます。 ここ数年、責任ある鉱山経営者は、環境への取り組みの一環として、水の使用量を削減することにかなりの進歩を遂げてきました。

環境への配慮とは別に、水はますます不足し、価格が高騰しています。 これに反するのは、採掘作業では採掘および抽出のプロセス中に大量の水を使用するという事実です。 したがって、鉱山の存続期間にわたる正確な水バランス計画と全体的な水消費量の削減は、鉱山がビジネスとして成功するために非常に重要です。

プロセス水の計画、調達、許可、汲み上げ、追跡、報告、廃棄は、特に世界で最も乾燥した地域に拠点を置く鉱山の運営予算のかなりの部分を消費します。 したがって、プロセスのどの部分からでも水の消費を削減または排除することは、環境フットプリントと企業の財務パフォーマンスを変革する可能性があります。

鉱山業界は回転機器のメンテナンスが最も困難で要求の厳しい業界の 1 つであるため、これは簡単な課題ではありません。 摩耗性および腐食性のアプリケーションに対処する必要があるだけでなく、これまでの実行から故障までのメンテナンス慣行や、過酷な遠隔地での操作の難しさにも対応する必要があります。

鉱山業界でよくある誤解は、このような過酷なポンプ用途で信頼性の高いシールを実現する唯一の方法はグランドパッキンを使用することであるというものです (図 1)。 残念ながら、グランドパッキンは水の消費量が多く、メンテナンスコストが高く、設備の可用性が低く、生産損失が大きくなります。 その結果、数十年前にメカニカルシールが鉱山に導入されました。 しかし、エンドユーザーは十分なトレーニングを受けておらず、長年にわたり、間違った種類のシール、不適切な材料選択、間違ったシール サポート システム、または場合によってはシール サポート システムが供給されていませんでした。 このため、メカニカルシールは鉱業では機能しないという一般的な誤解が生じました。

図 1: ポンプ内のグランドパッキンの一般的な配置。

メカニカル シールは機能するだけでなく、毎年何十億ガロンもの無駄なグランド水を一括して排除し、同時にポンプの修理間隔 (MTBR) を改善します。 現在、何千ものダブルメカニカルシールが世界中で最も遠隔地での石炭、リン酸塩、白金、金、カリ、銅、その他の鉱物の抽出作業で成功裏に稼働しています。

グランドパッキンは、100 年以上にわたってポンプをシールする伝統的な方法です。 このタイプのパッキンは一般に入手可能であり、ユニットあたりのコストが比較的低く、ほとんどの整備士はその使用方法に精通しています。 ただし、パッキングには固有の欠点がいくつかあります。

シールを成功させる鍵は、面の間に冷たくて清潔で安定した流体膜を維持することです。 単一のメカニカルシールを使用する場合、圧送される液体 (ポンプ) は流体膜になります。 これは、ポンピングが水などのきれいな液体の場合にうまく機能します。 ただし、ポンピングがスラリーの場合、スラリーの研磨性によりシール面がすぐに損傷し、コンポーネントの故障につながる可能性があります。

1 つのメカニカル シールには 2 つの平坦面 (1 つは固定面、もう 1 つは回転面) が組み込まれており、それらの間に潤滑を提供する流体膜を挟んで互いに接触します。 面の間に安定した流体膜がないと、「空運転」として知られる完全に接触した状態になり、急速な熱の蓄積やコンポーネントの故障につながります。

この場合、きれいな液体、通常は水の外部フラッシュを単一シールのプロセス側に注入してスラリーを押し出し、シール面を冷たくてきれいな液体で囲みます。 API プラン 32 として知られるこの配置の主な欠点は、プロセスへの水の注入がスタッフィング ボックスの圧力よりも高い圧力であることです。

これは、最終吐出圧力が数百ポンド/平方インチ (psi) に達する可能性がある直列の尾滓ポンプでは問題となり、この高圧洗浄水を供給するためだけに特別なポンプ システムを設置して維持する必要があります。

一般的なフラッシュ注入では、年間数百万ガロンのきれいな水が無駄になる可能性があります。 プロセスが高温で、注入された洗浄水が冷たい場合、洗浄水の温度を上げるために大量のエネルギーを追加する必要があります。 プロセスが希釈の影響を受けやすい場合は、プロセスから洗浄水を蒸発させるためにさらに多くのエネルギーを追加する必要があります。

上記のグランドパッキンとシングルシールの両方の欠点はすべて、正しく指定されたダブルメカニカルシールとサポートシステムによって解消できます。 ダブルシールには 2 組の面があり、1 組はプロセス流体をシールし、もう 1 組は大気をシールし、面の間にバリア領域があります (図 2)。

図 2: プロセス流体をシールする内側シール面、大気をシールする外側シール面、およびその間の (青色) バリア流体を示す、典型的なダブル メカニカル シールの図。

適切に設計されたシールサポートシステム (タンクまたは「シールポット」、図 3) は、ポンプ内のプロセス流体よりも高い圧力で、きれいで冷たい液体 (通常は水) をシール間のバリアスペースに供給します。 したがって、圧力差が生じ、きれいなバリア流体が面全体に押し出され、安定した流体膜が形成されます。

図 3: 冷水がメカニカル シールに供給され、メカニカル シールはシール面によって加熱されます。 この「温かい」水は上昇して容器内に戻り、容器全体の温度が上昇します。 その後、容器は大気中に熱を失い、その結果、より密度の高い冷たい水が容器の底に流れ、シール面に戻ります。

メカニカルシール面が熱を発生すると、シールのバリアゾーン内の熱水がタンクに上昇します。 タンクは熱を大気中に放射し、より冷たくて密度の高い水がシールに沈んで戻ります。 このプロセスは「サーモサイフォン」として知られており、タンクは可動部品を使用せずに、メカニカルシールに新鮮で冷たくて清潔な加圧水を流体膜に常に供給することができます。

シール面に安定した流体膜を維持することに加えて、シールチャンバーの設計を制御してシール寿命を最大限に延ばすことも役立ちます。 多くのスラリー ポンプはオープンスロート シール チャンバーを利用しています (図 4)。 この設計では、シール周囲のスラリーの速度によってシール グランドの浸食が発生する可能性があります。

図 4: シールをスラリーの全速度にさらす従来の「オープンスロートシールチャンバー」の図。

従来の解決策は、シール チャンバーの ID に機械加工された流れ調整剤 (リッジまたは「スピード バンプ」) を使用することです。 より優れたシール チャンバーの設計を図 5 に示します。ここでは、インペラとシール チャンバーの間の閉じたフレーム プレートによってスラリーの速度が遮断されます。 シールの周囲には依然として大きな空洞があり、シールを冷却する液体の流れが促進されます。

図 5: 代替の「クローズド フレーム プレート」ポンプ設計。スラリーの全速度からシールを隠し、シール コンポーネントに高価で特殊な冶金の必要性を減らします。

修正された API プラン 53A では、各メカニカル シールに圧力調整器を備えた独自のサポート タンクがあり、各ポンプに適切な圧力できれいなバリア水を提供します。 各タンクには逆止弁が取り付けられているため、工場の水システムの逆汚染は不可能です。 プラントの水圧が短時間低下した場合でも、逆止弁が各タンクを適切な圧力に保ち、重要な流体膜を維持します。

適切に設計されたソリューションにより、ポンプあたりのシール水の消費量が、従来のフラッシュシールまたはパッキンを使用した推定 600 万ガロン/年の水から 10 ガロン/年未満に削減され、シール水の使用量が 99.999% 削減されます。

ポンプの回転シャフトをシールするためにパッキンを使用すると、いくつかの欠点があることが一般に認められています。 おそらくこれらのうち最大のものは、パッキンの冷却と潤滑のために、ポンプごとに年間数百万ガロンのグランド水が必要になることです。

ダブルメカニカルシールとタンクシステムにより、パッキンに関連する問題がすべて解消され、鉱山の水の使用量を大幅に削減できます。 同時に、梱包の手入れに必要な人員が削減され、機器の稼働時間と可用性が向上します。 プロセスが希釈の影響を受けやすい場合、二重メカニカルシールにより、製品の損失を年間数百万ドル節約できます。

ただし、メカニカル シールの配置だけで上記の目標を達成できるわけではありません。 ポンプの所有者は次のことを行う必要があります。(a) 堅牢なダブルメカニカルシールを選択する。 (b) 密閉フレームプレートライナーを使用してシールをスラリーから「隠す」。 (c) シール面全体にきれいで安定した流体膜を維持します。 このきれいな流体膜は、シールバリアの流体圧力をポンプ流体圧力を上回る 15 ～ 30 psi に維持する、自己充填型のメンテナンス不要のタンク サポート システムを使用することによって実現されます。

何千もの AESSEAL® ダブル メカニカル シールとタンク システムが鉱業やその他の産業で世界中で稼働しており、合計で年間 250 億ガロン以上の水を節約できると推定されており、これはビジネスと環境の両方にとって良いことが証明されています。

ハーレー・ホブズが編集。

著者について: Chris Rehmann は、AESSEAL Inc. のマーケティング マネージャーです。

記事はオンラインでご覧いただけます: https://www.worldcoal.com/special-reports/02092015/reducing-mine-water-usage-2801/

コーンウォール・インサイト・オーストラリアが実施した分析により、ニューサウスウェールズ州の特定の石炭火力発電所は、廃止を遅らせることで恩恵を受ける可能性があることが明らかになった。

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