First Quantum、Accelovant ファイバーでカンサンシ鉱山の信頼性を向上

ザンビアにある First Quantum 所有の企業、Kansanshi Mining は、Accelovant の光ファイバーセンサーを活用して、主要な銅鉱山におけるアーク放電、電子機器の故障、信号の問題を解決しています。

Kansanshi は、世界最大かつ最も生産性の高い銅の採掘および製錬所を運営しています。製錬作業では湿式電気集塵機 (ESP) を使用して、有毒な濃硫酸の流出を引き起こす可能性のある酸性ミスト (エアロゾル) や粉塵粒子を除去して二酸化硫黄ガスを浄化します。 ESP はこの用途において最も効果的なプロセススクラバーの 1 つと考えられていますが、プロセス温度制御は長い間、より広範な使用の障害となってきました。 ESPの制御には、高電圧、高温範囲、および高電磁場に同時に耐えることができる温度測定技術が必要です。

アプリケーションでは、湿式 ESP は高電圧電磁場を利用して、ガス流内のさまざまな分子を引き付けたり推進したりして、分離と収集に影響を与えます。管状の集電電極の中心に放電電極からなるフィールドが 1 つあります。ガスは放電電極のコロナ放電によってイオン化されます。ガスに含まれる粒子は帯電し、静電場の影響を受けて接地された電極に移動します。

カンサンシ銅製錬所の場合、製錬所からの二酸化硫黄ガスは湿式 ESP プラントを通って移動し、ガス流から酸性ミストと粉塵を分離します。酸性ミストは腐食性が高く、ガスから除去しないと、ガスブロワーやダクトなどの下流の機器に損傷を与える可能性があります。

正しく動作し、湿式 ESP の電気部品やセラミック部品への損傷を防ぐには、325 ～ 340°C の一定の温度に加熱する必要があります。この範囲で使用するとミストの結露が防止されます。結露が発生すると、ユニットの性能低下につながる短絡の危険性が大幅に高まります。

歴史的に、ESP は従来のインストリーム熱電対や測温抵抗体 (RTD) を使用していましたが、どちらも電気ノイズの影響を非常に受けやすかったです。これらのセンサーは信頼性が低く、高電圧環境によりフラッシュオーバーの危険性がありました。

Pieter Oosthuizen 制御計装監督者と Bodrick Mumba 硫酸工場操業監督者は、どちらも製錬工場と ESP の一貫した信頼性の高い操業を維持するために働いています。 ESP はペアになったセットで 24 時間稼働し、製錬所ガスの一定の流れを処理します。

ムンバ氏によると、1 つの ESP が適切な温度範囲外で動作している場合、ユニットが適切な動作状態に戻るまで、一次精錬炉での精鉱処理を削減して製錬所ガスの量を減らす必要があります。

「温度が設定値を下回ると、ESP 内のセラミック絶縁体に酸の噴霧や結露が発生する大きなリスクがあります」とムンバ氏は述べています。「セラミックが損傷した場合、修復のためのダウンタイムが発生する可能性があり、プラントのスループットと生産量は確実に減少します。」

湿式 ESP を取り巻く過酷な動作環境 (高電圧、電気ノイズ、高温) では、インストリームセンサーを使用して正確な温度レベルを監視および管理することは、困難で非常に予測不可能な作業でした。 Metso Outotec が提供する ESP ユニットは、標準化されたフォームファクターに準拠した複数の異なるセンサーを使用できるように設計されており、オペレーターはユースケースに最も効果的なセンサーを設置できます。

「ESPユニットは、500～600ミリアンペアの範囲の電流で、典型的な45 kVの充電で動作します」とウーストハイゼン氏は述べた。「この種の環境では、導電性のものや電子機器を使用するものには、膨大な電磁ノイズと誘導電流が発生します。これには、工業環境で高温を監視するために通常使用される熱電対や RTD が含まれます。私たちはさまざまな種類のデバイスを試しましたが、しかし、どのような場合でも、浮遊電磁界により電子機器が焼損して故障する可能性があります。」

Oosthuizen 氏は、製錬工場の環境では、RTD デバイスと熱電対デバイスの両方が高電圧フラッシュオーバーにさらされ、損傷するか、少なくともセンサーからコントローラーに送信される電気信号を中断する可能性があると指摘しました。このようなプラントの状態はセンサーの故障率を高め、信号の維持が困難になるため自動制御が本質的に妨げられます。

手動制御での操作はコストが高く、オペレーターは定期的に温度を測定し、適切な範囲を維持するために操作パラメーターを調整する必要がありました。多くの変数を含む複雑な動作環境では、これらの調整を手動で行うことは継続的なプロセスであり、人員の時間とコストが大幅に消費されました。

センサーの故障率が高く、自動制御を利用できないことが、ESP の信頼性の高い一貫した動作とプラント全体の生産性を維持する上での制限要因となっていました。ムンバ氏とウーストハイゼン氏は、実行可能なソリューションを模索する中で、光ファイバー温度センサーが電気ノイズに耐性があるため、過酷な環境で広く使用されていることを知りました。

「光ファイバーセンサーを研究するうちに、電気ノイズに対する固有の耐性がアーク放電や電子機器の故障、信号伝達の問題を解決できることが明らかになりましたが、高温の動作条件にも対処する必要がありました」とウーストハイゼン氏は述べた。「市場にあるほとんどの光ファイバーセンサーサプライヤーの動作仕様は 325 ～ 340°C の範囲まで拡張されていますが、私たちの要件は推奨範囲の上限に近いものであったため、製品の稼働寿命については少し不安がありました。そのとき、高温光ファイバーセンサーを専門とするカナダのサプライヤーを発見しました。」

研究チームは、カナダのメーカー Accelovant が開発した新しいクラスの光ファイバーセンサーを発見しました。これは、解決しようとしていた 2 つの重要な問題に対処していると思われます。

光ファイバーセンサーは、光のエネルギーのみを使用して温度を測定します。これらには電気的機能が含まれていないため、熱電対や RTD などの従来のセンサーに固有の電磁気的悪影響の影響を受けません。現在、産業用途で広く使用されていますが、通常は 250 ℃に制限されています。その温度を超えると、温度測定光信号の生成に使用される有機リン化合物が機能しなくなります。

「Accelovant は高温光ファイバーセンサーを専門としています」と Accelovant の CEO、Michael Goldstein 氏は述べています。「私たちは材料科学の基本に立ち返り、特許取得済みのセラミック状光学材料を発明し、はるかに高い温度に耐え、450℃を超える温度でもより長い耐用年数を提供できる新しいクラスの光ファイバー温度センサーを作成しました。」

2022 年 4 月、Accelovant 光ファイバーセンサーが、工場内で稼働している ESP の対応するペアの 1 つに設置されました。導入後すぐに、Oosthuizen はプラント管理ソフトウェアで利用可能な自動制御を利用して実験する準備が整いました。

「理論上、光ファイバーセンサーが電子センサーよりも優れた性能を発揮することはわかっていましたが、実際にもそうなるということを確かめたかったのです」と同氏は語った。「数カ月間の観察とテストの後、8 年以上の運用で初めて、これら 2 つの ESP の温度制御を自動に切り替えました。」

Accelovant 光ファイバーセンサーは、Kansanshi の湿式 ESP 銅製錬作業内で信頼性が高く一貫した温度監視と制御を提供するために必要な高温寿命と電磁耐性を実現したと同社は述べています。

Oosthuizen 氏は、11 か月の稼働後、Accelovant 光ファイバーセンサーが要求どおりに動作し、ESP の完全自動制御が可能になったと報告しています。「ESPが運用されてきた数年間で、これほど長期間にわたりセンサーの故障なしに運用できたことは一度もありませんでした」と同氏は述べた。

Accelovant センサーの安定性により、最終的に水流温度の自動管理が可能になり、プラントの運用上の課題の一部が解消されました。

ムンバ氏はさらに、「Accelovant センサーのおかげで、手動による温度調整が不要になり、効率が向上しました。これは、望ましい結果を達成するまでに複数回の反復が必要になる可能性があるプロセスです。センサーにより、他の問題に時間を集中できる信頼性が得られます。」と付け加えました。