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Processos de ventilação de minas, aeração simples e diagonal. Tipos de ventiladores
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Universidade Federal de Ouro Preto – UFOP Escola de Minas Departamento de Engenharia de Minas Campus Morro do Cruzeiro Ouro Preto – Minas Gerais – Brasil
Felipe Casagrande Pereira Ouro Preto, 05 de dezembro de 2018
Felipe Casagrande Pereira ESTUDO DA ECONOMIA ENERGÉTICA COM A IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA DE VENTILAÇÃO SOB DEMANDA NA MINA VAZANTE Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Minas da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Minas Orientador: Prof. Dr. José Margarida da Silva Ouro Preto, 05 dezembro de 2018
Agradeço aos meus pais e aos meus irmãos pelo amor incondicional e por serem minha base. Agradeço aos meus familiares e amigos pelo apoio e confiança. Agradeço aos Professores pelos ensinamentos. Agradeço à Universidade Federal de Ouro Preto pela oportunidade. Agradeço a Camila por toda a ajuda na construção desse trabalho. Agradeço ao Pedro Lincoln por sua colaboração indispensável. Agradeço ao Ciências sem Fronteiras e a Minera Jr. por todas as experiências e aprendizados Finalmente, agradeço a empresa Nexa Resources da mina Vazante por permitir a criação desse trabalho e a equipe do Serviços Técnicos por me ajudarem a chegar até aqui.
The sustainable trend that occurs in the mining market, together with the greater complexity of the mineral bodies, demands solutions with greater application of engineering. The huge technological development has been indispensable in facing these challenges. In this context, Ventilation on Demand emerged as a solution for the optimization of energy expenditure and better utilization of the ventilation system as a whole. Thus, the present work had as objective to describe the operation of a ventilation system in an underground mine, the government legislation in this subject, besides showing the applicability of VOD (Ventilation on Demand), presenting a case study for the Mine Vazante. The study took into account the change of rotation of the main fans, by the installation of a variable frequency drives, during shift exchanges when the staff and equipment is considerably reduced underground. In order to measure the energy savings obtained by the VOD system, all data of power consumed in the month of July 2018 of the fans of the Sucuri I and II, and of the Luminaire I of the Vazante Mine were withdrawn. More than 100 thousand data were collected and processed for each fan in order to establish the energy consumption in each hour of the day and to compare it with the power required for the system to rotate with its total capacity. The economy found in the period analyzed in the Mina Vazante was 15.29% in the dimensioned conditions, some improvements can be executed according to the opportunities found according to the maturity of the system. A wide variety of systems have been created, allowing the gains to be increased Key words: Ventilation, Automation, Ventilation on Demand, Energy savings, Underground Mining.
Figura 1- Elementos principais de um circuito de Ventilação (Modificado: MCPHERSON, 1993). ..................................................................................................................................... 5 Figura 2: Modelo Computacional da Mina Vazante região do Lumiadeira com o Ventsim Visual®. ............................................................................................................................... 12 Figura 3: Representação esquemática dos dois tipos de ventiladores, centrífugo (esq.) e axial (dir.) (VUTUKURI e LAMA, 1986 Apud COSTA, 2017). ...................................... 13 Figura 4: Regulador de vazão para galerias de ventilação (Fonte: Kashnikov, sd)............. 18 Figura 5: Localização do município de Vazante (Fonte: Wikipédia, 2018)........................ 21 Figura 6: Perfil Geológico (Fonte: CHARBEL, 2015). ...................................................... 22 Figura 7: Perfil Longitudinal da Mina Vazante e Extremo Norte. ...................................... 23 Figura 8: Ciclo operacional desenvolvimento (PAIVA, 2018). .......................................... 24 Figura 9: Blocos de lavra VRM na Mina Vazante (Fonte: Nexa Resources)...................... 25 Figura 10: Fluxograma simplificado da Mina Vazante. ...................................................... 26 Figura 11: Poço de ventilação Sucuri II. ............................................................................. 27 Figura 12: Instalação Lumiadeira II .................................................................................... 27 Figura 13: Tela de status dos ventiladores. ......................................................................... 31 Figura 14: Gráfico de variáveis do ventilador na plataforma PIMS.................................... 32 Figura 15: Tela de configuração dos horários de redução de velocidade dos ventiladores. 33 Figura 16: Planilha de Schedule e estimativa das potências. .............................................. 35 Figura 17: Gráfico da média de consumo energético em kWh ao longo das 24 horas do dia dos ventiladores do Lumiadeira I durante o mês julho de 2018. ......................................... 36 Figura 18: Gráfico da média de consumo energético em kWh ao longo das 24 horas do dia dos ventiladores do Sucuri I durante o mês julho de 2018. ................................................. 37 Figura 19: Gráfico da média de consumo energético em kWh ao longo das 24 horas do dia dos ventiladores do Sucuri II durante o mês julho de 2018................................................. 37 Figura 20: Gráfico comparativo de potência com e sem inversores de frequência. ............ 38 Figura 21: Redução do consumo com a VOD dos Ventiladores Primários. ....................... 39 Figura 22: Gráfico comparativo das reduções de consumo energético por meio do VOD. 40
NRM: Normas Reguladoras de Mineração. MTE: Ministério do Trabalho e Emprego. VOD: Ventilation on Demand RBM: Raise Boring Machine CLP: Controlador Lógico Programável QT: Vazão total de ar fresco em m³/min Q1: Quantidade de ar por pessoa em m³/min (em minas de carvão = 6,0 m³/min; em outras minas = 2,0 m³/min) n1: Número de pessoas no turno de trabalho Q2: 3,5 ou 2,65 m³ / min/cv (cavalo-vapor) dos motores a óleo diesel n2: Número total de cavalo-vapor dos motores a óleo diesel em operação A: Quantidade total em quilogramas de explosivos empregados por desmonte t: Tempo de aeração (reentrada) da frente em minutos q: Vazão de ar em m³/minuto para 1.000 toneladas desmontadas por mês ( mínimo de 180 m³/minuto/1.000 toneladas por mês) T: produção em toneladas desmontadas por mês. P1: Potência em cavalo vapor do equipamento de maior potência em operação; P2: Potência em cavalo vapor do equipamento de segunda maior potência em operação; Pn: Somatório da potência em cavalo-vapor dos demais equipamentos em operação. Tbn: Temperatura de bulbo úmido natural Tg: Temperatura de globo Tbs: Temperatura de bulbo seco Q: Vazão; P: Pressão; Pot: Potência; n: Velocidade de rotação; D: Diâmetro do ventilador; w: Densidade do ar.
A escolha pela lavra subterrânea leva em consideração aspectos como a profundidade do depósito, morfologia do corpo mineral e relação estéril-minério. A intensa extração mineral que vem sendo realizada desde o início da atividade mineira até hoje, tem tornado a presença de afloramentos superficiais não explotadas cada vez mais rara, popularizando um pouco mais a extração um subsolo. Entretanto, suas incertezas são mais expressivas do que em céu aberto, uma vez que demanda maior detalhamento do modelo geológico para a viabilização das suas atividades. Além disso, o ciclo operacional desse tipo de mineração é bem mais complexo e dinâmico, onde a segurança deve ser tratada como prioridade. A ventilação é uma atividade crucial para a mineração subterrânea, garantindo sua operacionalização de forma mais segura e eficiente. A atual tendência da indústria mineira de escavar depósitos mais profundos exige maior eficácia da ventilação como um todo, sendo capaz de suprir a demanda de ar na mina com qualidade e quantidade adequadas. Recentemente líderes das empresas globais de mineração tem discutido um modo mais sustentável de executa-la e soma-se a isso os altos gastos com energia elétrica dentro da atividade mineira. Assim, por representar usualmente mais de 50% do gasto energético em uma mina subterrânea, a ventilação, vem sendo muito pesquisada a fim de otimizar seu funcionamento. Como produto desse estudo, o Sistema de Ventilação Sob Demanda ou VOD foi desenvolvido e vem sendo aprimorado (COSTA, 2017). Essa nova técnica visa variar a distribuição do fluxo de ar na mina conforme a demanda das atividades executadas. Considerando o dinamismo de uma mina subterrânea quanto às atividades realizadas, equipamentos operando, número de pessoas em subsolo e a localização das frentes de serviço. Além disso, o dimensionamento de um sistema de ventilação considera o pior cenário, ou seja, visa atender a demanda de ar na mina no auge da sua produção, entretanto os mesmos equipamentos são utilizados para cenários
mais amenos não havendo a necessidade de operar o sistema com 100% de sua capacidade. Nesse contexto, a Mina de Vazante vem investindo na automatização de seu sistema de ventilação com o intuito de acompanhar a tendência do mercado. Os projetos vislumbram sustentabilidade, redução nos gastos com energia elétrica e otimização do uso dos ventiladores. O site Vazante está implementando dois projetos de ventilação sob demanda, sendo um promovido sob responsabilidade da Nexa Resources, onde inversores de frequência foram instalados no sistema principal de ventilação com auxílio de um software para seu controle.
Nesse capítulo serão apresentados os objetivos da ventilação, seus conceitos básicos, a legislação vigente sobre a mesma, bem como as diretrizes a respeito de Ventilação sobre Demanda. 3.1 Objetivos da ventilação A ventilação subterrânea é, em sua essência, a aplicação dos princípios da fluidodinâmica para criar um fluxo de ar nas escavações subterrâneas (HARTMAN, 1997). A principal função de um sistema de ventilação é prover a quantidade de ar necessária para atender as atividades de subsolo em tempo hábil. É a área responsável por fornecer a demanda de ar para o trabalhador na frente de serviço, diluir os gases tóxicos e explosivos, remover o material particulado em suspensão e controlar temperatura e umidade do ar (COSTA, 2017). De acordo com Hartman et al. (1997), esses objetivos podem ser descritos nos três tópicos abaixo:
3.2 Princípios básicos O fluxo de ar em uma mina pode ocorrer de forma natural ou mecânica. O ar se movimenta devido a uma diferença de pressão entre dois pontos. A ventilação natural é, geralmente, causada pela diferença de temperatura do ar que proporciona mudanças em sua densidade, resultando em seu movimento. Enquanto a ventilação mecânica ocorre através de um equipamento, na maioria dos casos um ventilador, responsável por gerar uma diferença de pressão entre as suas extremidades fazendo com que o ar se movimente (COSTA, 2017). Em um sistema de ventilação o ar fresco entra através de poços verticais (shafts), rampas ou galerias de acesso, galeria de transporte ou de minério (lavra), ou qualquer outro tipo de conexão com a superfície. O fluxo de adução passa por frentes de serviço onde os poluentes presentes são adicionados a ele, se transformando em ar viciado, indo em direção aos caminhos de retorno. Esses caminhos vão em direção a superfície por meio de subidas (raises), que são galerias inclinadas (MCPHERSON, 1993). Na Figura 1 está representado um circuito básico de ventilação. Figura 1- Elementos principais de um circuito de Ventilação (Modificado: MCPHERSON, 1993).
equipamentos trabalhando de forma simultânea na frente de serviço, ou por vazão de ar por metro quadrado de área na frente de serviço. Sendo que esse último, deve ser considerado para o caso de equipamentos que não são movidos a combustão, considerando uma vazão mínima de 15 metros cúbicos por minuto (MTE, 1999). O tipo de combustível interfere de forma expressiva na quantidade de ar requerida pela lei. De acordo com a NR 22-24 veículos que operam com diesel com teor de enxofre maior que 50 ppm necessitam de 3,5 m³/min para cada cavalo vapor, enquanto equipamentos que são abastecidos com combustível com teor de enxofre abaixo de 50 ppm necessitam de 2, m³/min (MTE, 1999). A Tabela 1 mostra como o cálculo de vazão mínima é feito. Tabela 1: Cálculo de vazão segundo NR 22 item 24. Determinação da vazão de ar fresco conforme disposto no item 24.8 da NR 22 Parâmetro Cálculo de Vazão Número máximo de pessoas ou máquinas com motores a combustão QT = Q1 x n1 + Q2 x n2 [m³/min] Consumo de explosivos QT = 0,5 x A/ t [m³/min] Tonelagem mensal desmontada QT = q x T [m³/min] Onde: QT = vazão total de ar fresco em m³/min Q1 = quantidade de ar por pessoa em m³/min (em minas de carvão = 6,0 m³/min; em outras minas = 2,0 m³/min) n1 = número de pessoas no turno de trabalho Q2 = 3,5 ou 2,65 m³ / min/cv (cavalo-vapor) dos motores a óleo diesel n2 = número total de cavalo-vapor dos motores a óleo diesel em operação A = quantidade total em quilogramas de explosivos empregados por desmonte t = tempo de aeração (reentrada) da frente em minutos q = vazão de ar em m³/minuto para 1.000 toneladas desmontadas por mês ( mínimo de 180 m³/minuto/1.000 toneladas por mês) T = produção em toneladas desmontadas por mês.
Para frentes de serviço no caso de operação de um ou mais equipamentos movidos a diesel deverá ser adotada a fórmula: QT = 3,5 (P1 + 0,75 x P2 + 0,5 x Pn) [ m³/min ] Onde: QT é a vazão total de ar fresco em m^3 /s; P1 é a potência em cavalo-vapor do equipamento de maior potência em operação; P2 é a potência em cavalo-vapor do equipamento de segunda maior potência em operação; Pn é o somatório da potência em cavalo-vapor dos demais equipamentos em operação. A legislação exige que todas as frentes sejam ventiladas com fluxo de ar fresco, não permitindo reuso ou reaproveitamento do ar utilizado em outro local (MACHADO, 2011). 3.5 Limites de tolerância A legislação estabelece limites quantitativos para os gases tóxicos mais comuns no subsolo, velocidade do ar e condições de temperatura ambiente. A Tabela 2 mostra os valores máximos de tolerância para esses gases no Brasil. Tabela 2: Limites de tolerância para gases encontrados no subsolo no Brasil (Fonte: MACHADO,2011). Gás Limite de tolerância CO 39 ppm CO 2 3900 ppm NOX 12 ppm NH 3 8 ppm H 2 S 8 ppm SO 2 2 ppm O 2 19,5% NH4 1% Velocidade do ar também possui limites de acordo com o local considerado. Para locais frequentados por pessoas a NR 22-24 estabelece uma velocidade mínima de 0,2 m³/segundo
