كيف يتم استخدام غلاف PTFE-و-المبادلات الأنبوبية في استعادة الحرارة من مياه المناجم الساخنة المسببة للتآكل؟

يضخ منجم النحاس أو الذهب العميق تحت الأرض باستمرار ملايين الجالونات من المياه الجوفية الساخنة والحمضية والممعدنة بشدة. إنها مشكلة بيئية، ولكنها أيضًا مصدر ضخم وغير مستغل للطاقة الحرارية الأرضية. يعد الماء، الذي يمكن أن تصل درجة حرارته إلى 30-50 درجة ويكون مشبعًا بحمض الكبريتيك والمعادن المذابة، خيارًا مثاليًا لاستعادة الحرارة بدرجة منخفضة. يمكن التقاط هذه الطاقة المجانية بأمان وكفاءة بواسطة مبادل حراري وأنبوب PTFE- إما لتسخين المباني السطحية للمنجم أو لتسخين المياه المعالجة الواردة مسبقًا، دون التأثر بالسائل المسبب للتآكل.

الفرصة: تحويل مياه المناجم من مسؤولية إلى أحد الأصول
تعد إزالة المياه نشاطًا مستمرًا وضروريًا في التعدين تحت الأرض. تخضع أعمال المناجم لتدفقات كميات كبيرة من المياه الجوفية، والتي يجب ضخها إلى السطح لمعالجتها وإطلاقها. غالبًا ما يكون هذا الماء:

دافئ: يؤدي التسخين من الصخور العميقة إلى رفع درجة الحرارة إلى 30-50 درجة (86–122 درجة فهرنهايت)، وغالبًا ما تكون أكثر سخونة في المناجم العميقة.

الحمضية: أكسدة معادن الكبريتيد، وخاصة البيريت، ينتج عنها حمض الكبريتيك. يمكن أن يكون الرقم الهيدروجيني أي شيء من 2 إلى 5 أو أقل.

المعادن-الغنية: يتم إذابة الحديد والنحاس والزنك والألمنيوم والمعادن الأخرى، ويوجد في كثير من الأحيان بمئات الأجزاء في المليون.

غنية بالكلوريدات والكبريتات: تعمل هذه الأيونات على تسريع تآكل المعادن الشائعة.

تتم معالجة مياه المنجم الدافئة عادةً (تحييدها وتسويتها وتصفيتها) ثم تصريفها في البيئة أو ضخها مرة أخرى إلى الأرض. يفقد الماء طاقته الحرارية. ومع ذلك، باستخدام نظام استرداد الحرارة - المصمم جيدًا، يمكن التقاط هذه الحرارة المنخفضة - واستخدامها في:

تدفئة مكاتب المناجم والمحلات التجارية وبيوت تغيير الملابس والمباني السطحية الأخرى.

• تسخين هواء التهوية في الأجواء الباردة، والحد من استخدام الغاز الطبيعي

معالجة الخام تسخين المياه (على سبيل المثال، دوائر التعويم حيث يسهل الماء الدافئ عملية الاسترداد)

إزالة-الجليد من الطرق ومناطق التحميل خلال أشهر الشتاء

كان التحدي الرئيسي أمام عملية استعادة الحرارة هذه دائمًا هو الميل إلى التحجيم والتآكل في مياه المناجم الخام. سوف يتآكل المبادل الحراري المعدني العادي (الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم أو حتى المواد ذات السبائك العالية) بسرعة ويتسبب في حدوث حفر وتلوث. يعمل مبادل الأنبوب والقشرة PTFE على التخلص من هذه المشكلات.

كيف يجعل مبادل PTFE استعادة الحرارة من مياه المناجم أمرًا ممكنًا
إن نظام استرداد حرارة مياه منجم المبادل PTFE عبارة عن مبادل حراري للقشرة والأنبوب مع مياه المنجم المسببة للتآكل في جانب الأنبوب ومياه حلقة مغلقة نظيفة أو تركيبة جلايكول في جانب الصدفة. عنصر التمكين الرئيسي هو أنابيب PTFE.

مقاومة التآكل: مناعة كاملة لكيمياء المياه المنجمية
مادة PTFE خاملة كيميائيًا لجميع المواد الكيميائية الموجودة في مياه المناجم تقريبًا، والتي تشمل:

أي تركيز لحمض الكبريتيك (H2SO4)

حمض الهيدروكلوريك (HCl) والكلوريدات

أملاح الكبريتات (مثل كبريتات النحاس وكبريتات الحديد)

المؤكسدات والأكسجين المذاب

على عكس الفولاذ المقاوم للصدأ، الذي يعتمد على طبقة أكسيد سلبية يمكن أن تتلف بسبب الكلوريدات أو انخفاض درجة الحموضة، لا توجد طبقة سلبية للحماية باستخدام PTFE. لن يتآكل أو يتشقق أو يتشقق بسبب الإجهاد. يمكنك تحويل نفس المبادل من منجم النحاس (النحاس العالي الحمضي) إلى منجم الذهب (الكلوريدات العالية عادة) دون أي تعديل جوهري. ونظرًا للتنوع الشديد والكيمياء الخاصة بالموقع-لمياه المناجم، فإن هذه المقاومة العالمية تمثل ميزة كبيرة.

مقاومة القاذورات – يقلل السطح غير اللاصق من مادة PTFE من تراكم القشور-.
ومن المعروف بشكل خاص القشور المعدنية المترسبة من مياه المناجم:

مغرة الحديد (Fe(OH)₃، هيدروكسيد الحديديك): رواسب بنية هلامية برتقالية اللون- تتكون من أكسدة حديد الحديدوز

الجبس (كبريتات الكالسيوم، CaSO₄·2H₂O) - قشور صلبة بلوري من الكبريتات-مياه غنية

هيدروكسيدات المعادن (الألومنيوم والزنك والنحاس)

الطاقة السطحية المنخفضة لجدار أنبوب PTFE لا تسمح للمقاييس بالالتصاق. تتم إزالة الجسيمات التي تستقر بسرعة عن طريق اضطراب السوائل أو التدفق الخلفي المجدول. ومع ذلك، توفر الأنابيب المعدنية (حتى الفولاذ المقاوم للصدأ الأملس) مواقع النواة لتطوير البلورات وسوف تفسد بسرعة وتفقد كفاءة نقل الحرارة.

الأداء الحراري: استعادة الحرارة عند درجة حرارة منخفضة 30-50 درجة
يتمتع PTFE بموصلية حرارية أقل (≈0.25 واط/م ك) من المعادن (≈15-400 واط/م ك). وهذا ليس عائقًا حاسمًا لاستعادة الحرارة منخفضة الدرجة من مياه المناجم الدافئة. على الرغم من أن فرق درجة الحرارة بين مياه المنجم (30-50 درجة) وحلقة التسخين النظيفة (الهدف 25-40 درجة) هو الحد الأدنى، إلا أنه يكفي لتسخين الفضاء أو تطبيقات التسخين المسبق. مساحة نقل الحرارة المطلوبة أكبر من تلك التي يتطلبها المبادل المعدني، لكن المبادل PTFE يعوضها عن طريق:

لا توجد بدلات للتآكل (ليست هناك حاجة لجدران أنبوبية سميكة)

لا يوجد عنصر قاذورات يزداد مع مرور الوقت للحفاظ على نظافته

توفير فترة خدمة طويلة بدون صيانة (غالبًا 20+ سنة)

إن مبادل PTFE عبارة عن إسفنجة حرارية عمياء كيميائيًا تشرب الحرارة من مياه المناجم الحمضية والمعدنية وتمررها إلى حلقة التسخين النظيفة.

نظام واجب المياه في المناجم: اعتبارات التصميم
ما قبل-الترشيح والتسوية: مفتاح إزالة الجزيئات
تشتمل مياه التعدين الخام على معادن مذابة وجسيمات معلقة، والتي قد تشمل جزيئات الصخور الدقيقة (الطمي والرمل)، وهيدروكسيدات المعادن المترسبة، وأحيانًا مواد عضوية. يمكن أن تتسبب هذه الجسيمات الكاشطة في تآكل أنابيب PTFE بمرور الوقت. يتميز PTFE بمعامل احتكاك منخفض وبالتالي فهو أقل كشطًا من المعادن. ومع ذلك، يلزم وجود مرشح أولي- أو خزان ترسيب أعلى المبادل PTFE. المعلمات النموذجية هي:

Settling tank: 30-60 minutes retention period to enable coarse particles (>100 ميكرومتر) لتسوية.

الخرطوشة أو مرشح الشاشة: شبكة من 200 إلى 500 ميكرومتر للحفاظ على أي جزيئات أكبر متبقية.

فلتر الغسيل العكسي التلقائي: يعمل فلتر التنظيف الذاتي-على التخلص من الجزيئات التي يصل حجمها إلى 50-100 ميكرومتر للتشغيل المستمر.

إذا لم يتم استخدام الترشيح المسبق-، فستمتلئ حزمة الأنابيب في النهاية بالطمي ويجب إزالتها وتنظيفها.

ملاحظة العملية: الرجوع التلقائي-روتين التدفق
حتى مع الترشيح المسبق، ستتراكم الرواسب الدقيقة (الطمي ومغرة الحديد المترسبة) تدريجيًا على سطح الأنابيب. يعتبر التدفق الخلفي الآلي- المنتظم ضروريًا للحفاظ على أداء نقل الحرارة. نظام التنظيف الخلفي- يكون كما يلي:

عكس التدفق: يتم عكس اتجاه التدفق عبر جانب الأنبوب كل 4-8 ساعات لمدة 30-60 ثانية. يؤدي ذلك إلى إزاحة وطرد أي رواسب ضعيفة الالتصاق.

التدفق الخلفي-: أثناء التدفق الخلفي-، يتم زيادة معدل التدفق بشكل مؤقت (على سبيل المثال. 1.5× عادي) لتنظيف جدران الأنبوب.

التصريف والتطهير بالنسبة للسوائل المتقشرة بقوة، يتم استخدام تطهير الهواء المضغوط أو الماء لتفكيك الرواسب المستمرة.

تكون دورة التدفق الخلفي- تلقائية تمامًا ويتم التحكم فيها بواسطة وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). يتم توجيه مياه تدفق النفايات (بما في ذلك الطمي) إلى نظام معالجة المياه الموجود في المنجم. عادةً، لا يلزم إجراء تنظيف فعلي لمبادل PTFE لمدة أشهر أو حتى سنوات.

الأنبوب-الجانب مقابل الصدفة-التخصيص الجانبي
فيما يتعلق باستعادة الحرارة من مياه المنجم، فإن التيار المتآكل وغير النظيف (مياه المنجم) يكون دائمًا على جانب الأنبوب. الأسباب هي:

قابلية التنظيف: يمكن إزالة الرواسب الموجودة على جانب الأنبوب عن طريق التنظيف الكيميائي أو عن طريق التنظيف الميكانيكي (إذا كانت الأنابيب مستقيمة). تتميز أنابيب PTFE بالمرونة، ولكن يمكن تنظيف الأنابيب المستقيمة باستخدام فرش لطيفة.

احتواء الضغط: يدعم الغلاف خارجيًا أنابيب PTFE. وهذا يقلل من الضغط على PTFE حيث أن الضغط على جانب الأنبوب عادة ما يكون أقل من الضغط على جانب الغلاف.

كشف التسرب: سيسمح التسرب في أنبوب PTFE لسائل جانب الغلاف النظيف بالاختلاط مع مياه المنجم (فقدان السائل النظيف) أو العكس. تُظهر مراقبة ضغط الحلقة النظيفة تراجعًا يشير إلى كسر الأنبوب

يمر سائل التسخين النظيف والمغلق (الماء مع مانع التآكل أو خليط الجليكول/الماء) عبر جانب الغلاف. نظرًا لأن الصدفة لا تتلامس أبدًا مع مياه المنجم المسببة للتآكل، فقد تكون مصنوعة من الفولاذ الكربوني العادي أو الفولاذ المقاوم للصدأ.

الدقة الفنية: كيمياء المياه في الموقع
إن كيمياء مياه المناجم متغيرة تمامًا وتعتمد على الموقع. تعد المقاومة العالمية لـ PTFE ميزة إضافية كبيرة، ولكن يجب تصميم النظام بأكمله ليناسب تحليل المياه الحقيقي (الترشيح المسبق-، تردد التدفق الخلفي-، اختيار المواد للأجزاء غير - PTFE). المعلمات الرئيسية التي يجب الحصول عليها قبل التصميم:

الرقم الهيدروجيني: يشير إلى تركيز الحمض وما إذا كان التحييد مطلوبًا قبل العلاج (لا يتطلب PTFE ذلك، ولكن قد تتطلبه المكونات النهائية).

إجمالي المواد الصلبة العالقة (TSS): يؤثر على حجم المرشح المسبق-.

تركيز الحديد وحالة الأكسدة (الحديد مقابل الحديديك): يؤثر على معدل هطول الأمطار.

تركيزات الكالسيوم والكبريتات: تقديرات إمكانية تحجيم الجبس.

تركيز الكلوريد: يساعد في اختيار المواد للقشرة والأنابيب (لا يتأثر PTFE).

بالنسبة للسوائل المتقشرة الشديدة جدًا (مثل فرط الجبس) قد يكون من الضروري إجراء تدخل إضافي مثل الجرعات الكيميائية (مضاد التكلس) أو التنظيف الحمضي الدوري لجانب الأنبوب. ولكن بما أن PTFE غير قابل للالتصاق-، فإن الحاجة إلى مثل هذه التدخلات تكون أقل تكرارًا بكثير من المبادلات المعدنية.

مثال: تركيب نموذجي في منجم نحاس كندي
منجم للنحاس في كولومبيا البريطانية، كندا، يسحب 5000 لتر/دقيقة من المياه الجوفية عند درجة حرارة 38 درجة من عمق 1200 متر. الماء 3.5 درجة حموضة، 200 ملغم/لتر من الحديد المذاب، 400 ملغم/لتر كبريتات، 50 ملغم/لتر من الجسيمات العالقة. أطلق المنجم سابقًا هذه المياه الساخنة إلى بركة معالجة دون استعادة الحرارة. تم إنشاء غلاف - و- مبادل أنبوبي بأنابيب PTFE- (جانب الأنبوب: 1000 × 6 م أنابيب PTFE-، سمك الجدار 0.5 مم). يتم استخدام الحرارة المستردة (حوالي 2 ميجاوات) لتسخين هواء التهوية الذي يدخل العمود الرئيسي للمنجم في الشتاء، مما يقلل من استخدام الغاز الطبيعي بمقدار 30.000 جيجا جول سنويًا. يتم إعادة تنظيف المبادل تلقائيًا كل 6 ساعات. بعد 5 سنوات من التشغيل، لم تكن هناك حاجة لاستبدال الأنبوب أو التنظيف الكيميائي.

الاستنتاج: تحويل مياه الصرف الصحي إلى أصول طاقة مربحة
تعد المبادلات الحرارية PTFE الطريقة المثالية القوية والمقاومة للتآكل لاستخراج الحرارة المهمة ذات الدرجة المنخفضة من تيارات مياه المناجم الأكثر كشطًا والمساعدة في جعل عملية التعدين الخاصة بك أكثر استدامة وكفاءة في استخدام الطاقة. يمكن أن يتحمل غلاف PTFE-و-المبادلات الأنبوبية التآكل الحمضي وهجوم الأيونات المعدنية والقشور المعدنية، مما يسمح باستعادة الحرارة بشكل موثوق وطويل الأمد-من الماء مما يؤدي إلى تدمير المعدات المعدنية خلال أشهر. تتطلب هذه المبادلات صيانة منخفضة، مع ترشيح مسبق مناسب -وغسل خلفي آلي-، واستعادة الحرارة التي قد يتم فقدانها. يتم استخدام الحرارة المستردة لتقليل استخدام الوقود الأحفوري لتدفئة الغرفة، أو التسخين المسبق لهواء التهوية أو تسخين المياه المعالجة، وبالتالي تعزيز كفاءة الطاقة على الفور وتقليل البصمة الكربونية للمنجم.

المناجم الأكثر خضرة هي تلك التي تحصل على الطاقة من مياه الصرف الصحي الخاصة بها. في أعماق فترات الاستراحة الباردة والمظلمة في منجم، يعمل مبادل PTFE بهدوء ودون كلل، مما يحول المسؤولية المحملة بالمعادن الحمضية- إلى تدفق مستمر ومتجدد من الدفء.