First Quantum verbessert die Zuverlässigkeit der Kansanshi-Mine mit Accelovant-Fasern

Kansanshi Mining, ein Unternehmen im Besitz von First Quantum mit Sitz in Sambia, nutzt die faseroptischen Sensoren von Accelovant, um Lichtbögen, Elektronikausfälle und Signalprobleme in der großen Kupfermine zu lösen.

Kansanshi betreibt einen der weltweit größten und produktivsten Kupferbergbau- und -schmelzstandorte. In den Schmelzbetrieben werden Nasselektrofilter (ESP) eingesetzt, um Schwefeldioxidgas zu reinigen, indem Säurenebel (Aerosole) und Staubpartikel entfernt werden, die zu einem giftigen konzentrierten Schwefelsäureabwasser führen können. Während ESPs als einer der effektivsten Prozesswäscher in dieser Anwendung gelten, war die Kontrolle der Prozesstemperatur lange Zeit ein Hindernis für einen umfassenderen Einsatz. Für die Steuerung des ESP ist eine Temperaturmesstechnik erforderlich, die gleichzeitig hoher Spannung, hohem Temperaturbereich und hohen elektromagnetischen Feldern standhält.

In der Anwendung nutzt das Nass-ESP elektromagnetische Hochspannungsfelder, um verschiedene Moleküle in einem Gasstrom anzuziehen oder anzutreiben und so die Trennung und Sammlung zu bewirken. Es verfügt über ein Feld bestehend aus Entladungselektroden in der Mitte rohrförmiger Niederschlagselektroden. Durch die Koronaentladung der Entladungselektroden wird das Gas ionisiert. Die im Gas enthaltenen Partikel werden aufgeladen und wandern unter dem Einfluss des elektrostatischen Feldes zu den geerdeten Elektroden.

Im Falle der Kansanshi-Kupferschmelze wird das Schwefeldioxidgas aus der Schmelze durch die Nass-ESP-Anlagen geleitet, um den Säurenebel und Staub aus dem Gasstrom zu trennen. Der Säurenebel ist stark korrosiv und kann, wenn er nicht aus dem Gas entfernt wird, nachgeschaltete Geräte wie Gasgebläse und Rohrleitungen beschädigen.

Um ordnungsgemäß zu funktionieren und Schäden an den elektrischen und keramischen Komponenten des Nass-ESP zu verhindern, muss es auf eine konstante Temperatur zwischen 325 und 340 °C erhitzt werden. Der Betrieb in diesem Bereich verhindert die Kondensation des Nebels. Tritt Kondensation auf, erhöht sich das Risiko eines Kurzschlusses erheblich, der zu einer Leistungseinbuße des Geräts führen kann.

In der Vergangenheit wurden in ESPs herkömmliche In-Stream-Thermoelemente und/oder Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) eingesetzt, die beide sehr anfällig für elektrisches Rauschen waren. Beim Einsatz dieser Sensoren waren sie unzuverlässig und stellten aufgrund der Hochspannungsumgebung ein Überschlagsrisiko dar.

Pieter Oosthuizen, Superintendent für Steuerungsinstrumente, und Bodrick Mumba, Superintendent Operations Sulphuric Acid Plant, arbeiten beide daran, einen konsistenten und zuverlässigen Betrieb der Schmelzanlage und der ESPs aufrechtzuerhalten. Die ESPs arbeiten paarweise rund um die Uhr und verarbeiten einen konstanten Schmelzgasstrom.

Wenn ein ESP außerhalb des richtigen Temperaturbereichs arbeitet, muss laut Mumba das Volumen des Schmelzgases reduziert werden, indem die Konzentratbehandlung im primären Schmelzofen reduziert wird, bis die Einheit wieder in den ordnungsgemäßen Betriebszustand versetzt ist.

„Wenn die Temperatur unter den Sollwert sinkt, besteht ein großes Risiko, dass Säure auf den Keramikisolatoren im ESP vernebelt und kondensiert“, sagte Mumba. „Wenn die Keramik beschädigt ist, würde ein möglicher Ausfall zur Reparatur sicherlich den Durchsatz und die Leistung der Anlage verringern.“

In einer rauen Betriebsumgebung rund um die nassen ESPs (Hochspannung, elektrisches Rauschen und hohe Temperaturen) war die Überwachung und Verwaltung präziser Temperaturniveaus mithilfe von In-Stream-Sensoren eine schwierige und höchst unvorhersehbare Aufgabe. Die von Metso Outotec gelieferten ESP-Einheiten sind so konzipiert, dass sie die Verwendung mehrerer verschiedener Sensoren ermöglichen, die einem standardisierten Formfaktor entsprechen, sodass der Betreiber den für den Anwendungsfall effektivsten Sensor installieren kann.

„Die ESP-Einheiten arbeiten mit einer typischen 45-kV-Ladung bei Strömen im Bereich von 500–600 Milliampere“, sagte Oosthuizen. „In einer solchen Umgebung gibt es enormes elektromagnetisches Rauschen und induzierte Ströme in allem, was leitend ist oder Elektronik nutzt. Dazu gehören Thermoelemente und RTDs, die typischerweise zur Überwachung hoher Temperaturen in industriellen Umgebungen eingesetzt werden. Wir haben viele verschiedene Gerätetypen ausprobiert, aber in allen Fällen würde die Elektronik aufgrund der elektromagnetischen Streufelder durchbrennen und ausfallen.“

Oosthuizen stellte fest, dass in der Umgebung von Schmelzanlagen sowohl RTD- als auch Thermoelementgeräte Hochspannungsüberschlägen ausgesetzt waren, die sie beschädigen oder zumindest die übertragenen elektrischen Signale vom Sensor an seine Steuerung stören können. Solche Anlagenbedingungen tragen zu hohen Sensorausfallraten bei, und die Schwierigkeit, Signale aufrechtzuerhalten, verhinderte im Wesentlichen eine automatisierte Steuerung.

Der Betrieb mit manueller Steuerung war kostspieliger und bedeutete, dass die Bediener regelmäßig Temperaturmessungen durchführen und die Betriebsparameter anpassen mussten, um den richtigen Bereich aufrechtzuerhalten. In einer komplexen Betriebsumgebung mit vielen Variablen war die manuelle Durchführung dieser Anpassungen ein fortlaufender Prozess, der viel Personalzeit und -kosten in Anspruch nahm.

Die hohe Ausfallrate der Sensoren und die Unfähigkeit, automatisierte Steuerungen zu nutzen, waren limitierende Faktoren für die Aufrechterhaltung des zuverlässigen und konsistenten Betriebs der ESPs und der Produktivität der gesamten Anlage. Auf der Suche nach einer praktikablen Lösung erfuhren Mumba und Oosthuizen, dass faseroptische Temperatursensoren aufgrund ihrer Immunität gegenüber elektrischem Rauschen häufig in rauen Umgebungen eingesetzt werden.

„Als wir faseroptische Sensoren erforschten, wurde uns klar, dass die inhärente Immunität gegenüber elektrischem Rauschen unsere Lichtbogen- und Elektronikausfälle und Signalprobleme lösen könnte, aber wir mussten uns auch mit den Betriebsbedingungen bei hohen Temperaturen befassen“, sagte Oosthuizen. „Während die Betriebsspezifikationen für die meisten Anbieter von faseroptischen Sensoren auf dem Markt bis zu einem Temperaturbereich von 325–340 °C reichten, lagen unsere Anforderungen am oberen Ende des empfohlenen Bereichs, sodass wir etwas besorgt über die Lebensdauer des Produkts waren . Da entdeckten wir einen kanadischen Lieferanten, der sich auf faseroptische Hochtemperatursensoren spezialisiert hatte.“

Das Team fand eine neue Klasse faseroptischer Sensoren des kanadischen Herstellers Accelovant, die offenbar beide Schlüsselprobleme löste, die sie zu lösen versuchten.

Faseroptische Sensoren nutzen zur Temperaturmessung ausschließlich die Energie des Lichts. Da sie über keine elektrische Funktion verfügen, sind sie immun gegen die schädlichen elektromagnetischen Einflüsse, die herkömmliche Sensoren wie Thermoelemente und RTDs mit sich bringen. Obwohl sie derzeit in industriellen Anwendungen weit verbreitet sind, sind sie im Allgemeinen auf 250 °C begrenzt. Oberhalb dieser Temperatur beginnen die Organophosphorverbindungen, die zur Erzeugung des optischen Temperaturmesssignals verwendet werden, zu versagen.

„Accelovant ist auf faseroptische Hochtemperatursensoren spezialisiert“, sagte Michael Goldstein, CEO von Accelovant. „Wir kehrten zu den Grundlagen der Materialwissenschaft zurück und erfanden ein patentiertes keramikähnliches optisches Material, um eine neue Klasse faseroptischer Temperatursensoren zu schaffen, die viel höheren Temperaturen standhalten und eine längere Lebensdauer bei Temperaturen über 450 °C bieten.“

Im April 2022 wurden Accelovant-Glasfasersensoren in einem der aufeinander abgestimmten ESP-Paare im Werk installiert. Kurz nach der Installation war Oosthuizen bereit, mit der Nutzung der automatisierten Steuerungen der Anlagenverwaltungssoftware zu experimentieren.

„Wir wussten, dass die faseroptischen Sensoren theoretisch die elektronischen Sensoren übertreffen würden, wollten aber sicher sein, dass dies auch in der Praxis der Fall ist“, sagte er. „Nach mehreren Monaten der Beobachtung und Prüfung haben wir die Temperaturregelung dieser beiden ESPs auf Automatik umgestellt – zum ersten Mal seit mehr als acht Betriebsjahren.“

Die faseroptischen Sensoren von Accelovant lieferten die Langlebigkeit bei hohen Temperaturen und die elektromagnetische Immunität, die für eine zuverlässige und konsistente Temperaturüberwachung und -steuerung in den Nass-ESP-Kupferschmelzbetrieben in Kansanshi erforderlich sind, so das Unternehmen.

Oosthuizen berichtet, dass die faseroptischen Sensoren von Accelovant nach 11 Monaten im Einsatz die geforderte Leistung erbrachten und eine vollautomatische Steuerung der ESPs ermöglichten. „In den Jahren, in denen die ESPs im Einsatz sind, konnten wir noch nie so lange ohne Sensorausfall auskommen“, stellte er fest.

Die Stabilität der Accelovant-Sensoren hat endlich eine automatisierte Steuerung der Strömungstemperaturen ermöglicht und einige der betrieblichen Herausforderungen in der Anlage beseitigt.

Mumba fügte hinzu: „Die Accelovant-Sensoren haben unsere Effizienz gesteigert, indem sie die manuelle Temperaturanpassung überflüssig gemacht haben – ein Prozess, der mehrere Iterationen erfordern könnte, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Sie bieten Zuverlässigkeit, die es uns ermöglicht, unsere Zeit auf andere Dinge zu konzentrieren.“