apostila unicamp - calculos açucar e alcool

7/28/2019 Apostila Unicamp - calculos aucar e alcool

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA MECNICACOMISSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Cogerao e Integrao Trmica em Usinas deAcar e lcool

Autor: Mrcio HigaOrientador: Antonio Carlos Bannwart

07/2003PDFCreate!5

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA MECNICACOMISSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Cogerao e Integrao Trmica em Usinas deAcar e lcool

Autor: Mrcio HigaOrientador: Antonio Carlos Bannwart

Curso: Engenharia Mecnicarea de Concentrao: Trmica e Fluidos

Tese de doutorado apresentada comisso de Ps Graduao da Faculdade de Engenharia

Mecnica, como requisito para a obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Mecnica.

Campinas, 2003S.P . Brasil

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FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELABIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP

H533cHiga, Mrcio

Cogerao e integrao trmica em usinas de acar elcool / Mrcio Higa.--Campinas, SP: [s.n.], 2003.

Orientador: Antonio Carlos Bannwart.Tese (Doutorado) - Universidade Estadual deCampinas, Faculdade de Engenharia Mecnica.

1. Acar Usinas. 2. Recuperao do calor. 3.Energia eltrica e calor-cogerao. 4. Analise trmica.5. Engenharia trmica. I. Bannwart, Antonio Carlos. II.Universidade Estadual de Campinas. Faculdade deEngenharia Mecnica. III. Ttulo.PDFC

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Resumo

HIGA, Mrcio, Cogerao e Integrao Trmica em Usinas de Acar e lcool, Campinas:

Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de Campinas, 2003. 137 p.

Tese (Doutorado).

A avaliao do potencial de cogerao em usinas de acar e lcool depende de diversos

fatores, entre os quais se incluem a demanda trmica no processo de produo, o tipo de

tecnologia utilizada nas turbinas, o nvel de presso do vapor nas caldeiras, e o auto-consumo de

potncia. Para maximizar a gerao eltrica excedente para venda ao mercado, ou alcanar

melhor aproveitamento energtico dentro da planta trmica, necessrio que, alm dos balanos

de massa e energia do processo (1a lei da termodinmica), se utilize tambm a 2a lei da

termodinmica, a qual considera as irreversibilidades trmicas existentes e permite que se

obtenham metas factveis de cogerao. Para este propsito, a anlise Pinch na representaoexergtica oferece uma valiosa ferramenta que fornece resultados de entalpia, temperatura e fator

de Carnot graficamente, permitindo uma visualizao dos principais pontos de irreversibilidades

do sistema. Este trabalho faz uma reviso deste mtodo, e segue por um estudo de caso em uma

usina de acar e lcool, que recentemente aumentou o seu potencial de cogerao. Comparando-

se algumas alternativas diferentes de cogerao nessa planta, conclui-se que quanto melhor for a

integrao trmica da mesma, melhores sero as condies para maximizao da gerao de

potncia excedente. Alm disso, diversas medidas de reduo do consumo de vapor de processo

da usina so analisadas.

Palavras Chave

- Cogerao, Integrao Trmica, Usinas de Acar e lcool, Anlise Pinch.

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Abstract

HIGA, Mrcio, Cogeneration and Thermal Integration in Sugar and Alcohol Plants, Campinas:

Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de Campinas, 2003. 137 p.

Tese (Doutorado).

The evaluation of the cogeneration potential in sugar and alcohol plants depends on several

factors, e.g. thermal demand of the production process, turbine technology, steam generator

pressure, power consumption of the mills. To maximize the net electric power generated for sale

to the market, or to reach better energy use in the plant, it is necessary, besides mass and energy

balances of the process (1st law of thermodynamics), also the analysis through the 2nd law of

thermodynamics, which accounts for the existent thermal irreversibilities, and allows to obtain

real possibilities of improvements (targets). For this purpose Pinch analysis in exergy

representation is a valuable tool that provide results for enthalpy, temperature and Carnots factorgraphically, allowing visualization of areas of larger irreversibilities. This work reviews this

method, further applying it to the study of a sugar-cane based sugar and alcohol plant, which has

recently improved its cogeneration potential through the installation of a back pressure extraction

turbine. By comparing different cogeneration alternatives, it is concluded that the better the

thermal integration is, the better the maximization conditions will be to generate exceeding power

for sale. Besides these comparisons, other possible alternatives of reduction of steam

consumption in process are studied.

Key Words

- Cogeneration, Thermal Integration, Sugar and Alcohol Industries, Pinch Analysis.

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Dedicatria

Dedico este trabalho a minha esposa Tatiana Takahashi Higa, que esteve sempre ao meu

lado durante toda esta caminhada.

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Agradecimentos

Foram muitas as contribuies durante a realizao deste trabalho, as quais presto meusagradecimentos:

A toda minha famlia por todo incentivo em todos os momentos.

Ao Prof. Dr. Antonio C. Bannwart que sempre se mostrou solcito em todas asoportunidades.

Aos engenheiros Alberto Shintaku e Hlcio Lamnica da COPERSUCAR pelos dados,

informaes e sugestes que muito contriburam para a realizao deste trabalho.

A todos os colegas e amigos do Departamento de Energia que dividiram as lutas do dia a

dia.

Ao Rodrigues e Neusa, funcionrios do Departamento de Energia, que foram sempre

prontos e dispostos para me auxiliarem.

A todos os professores e funcionrios da UNICAMP, que ajudaram de forma direta e

indireta na concluso deste trabalho.

Ao Conselho Nacional de Pesquisas (CNPq) que viabilizou o desenvolvimento desta tese.PDFCreate!5

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viii

ndice

1 Introduo......................................................................................................................................1

2 Anlise Pinch: uma Reviso.....................................................................................................6

2.1 Curvas Compostas (CCs) ...................................................................................................7

2.2 Mtodo Tabular (Cascata Trmica)..................................................................................10

2.3 Grande Curva Composta (GCC) ......................................................................................14

2.4 Utilizao das Curvas Compostas....................................................................................15

2.5 Total Site Integration .......................................................................................................16

2.6 Grande Curva Composta Exergtica (GCCE)..................................................................19

2.6.1 Ciclo Carnot ..................................................................................................................21

2.6.2 Ciclos Reais...................................................................................................................23

2.6.3 Cargas e Demandas Trmicas da Caldeira....................................................................262.7 Construo da GCCE .......................................................................................................27

3 Tecnologias de Gerao de Potncia...........................................................................................29

3.1 Ciclos de Turbinas a Vapor..............................................................................................29

3.1.1 Utilizao de Turbinas de Contra Presso com Condensao Atmosfrica..................30

3.1.2 Conjunto com Turbinas de Contra Presso e de Condensao .....................................31

3.1.3 Extrao-Condensao (CEST: Condensing-Extracion Steam Turbine)......................32

3.1.4 Gerao de Vapor..........................................................................................................34

3.2 Ciclos de Potncia com Gaseificao do Bagao e Utilizao de Turbinas a Gs ..........35

3.2.1 Ciclos BIG-CC(Biomass Integrated Gasifier/Combined Cycle) .................................35

3.2.2 Ciclos BIG-STIG (Biomass Integrated Gasifier/Steam Injected Gas Turbine)............36

3.2.3 Dificuldades Tecnolgicas ............................................................................................37

4 Tecnologia de Processo...............................................................................................................39

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4.1 Adio de gua (Embebio) durante a Extrao do Caldo............................................40

4.1.1 Moagem.........................................................................................................................41

4.1.2 Difusores .......................................................................................................................42

4.2 Integrao Trmica da Destilao....................................................................................43

4.3 Evaporao.......................................................................................................................45

4.3.1 Evaporador em Mltiplos Efeitos (EME) .....................................................................45

4.3.2 Tecnologias, Temperatura e Presso no EME ..............................................................47

4.3.3 Integrao do EME........................................................................................................50

4.3.4 Utilizao do Condensado.............................................................................................52

5 Aplicao do Mtodo e Algoritmo..............................................................................................53

5.1 Algoritmo .........................................................................................................................54

5.2 Critrios de Avaliao de Eficincia de Sistemas de Cogerao.....................................576 Maximizao da Gerao de Potncia: Estudo de Caso .............................................................60

6.1 Estudo de Caso (Planta Inicial e Projeto 1)......................................................................61

6.2 Consumo de Processo.......................................................................................................66

6.3 Aumento no Consumo de Processo (Projeto 2) ...............................................................71

6.4 Utilidades em Mltiplos Nveis de Temperatura (Projeto 3) ...........................................73

6.5 Aumento na Capacidade do Turbo-Gerador (Projeto 4) ..................................................80

6.6 Utilizao de Turbinas de Condensao (Projeto 5) ........................................................85

6.7 Comparao dos Resultados.............................................................................................89

7 Reduo do Consumo de Vapor de Processo..............................................................................92

7.1 Utilizao de Vapor Vegetal (VV) no Processo...............................................................95

7.2 Nmero de Efeitos do EME ...........................................................................................100

7.3 Utilizao de Condensados ............................................................................................104

7.4 Discusso de Resultados ................................................................................................105

8 Concluses e Sugestes.............................................................................................................109

8.1 Concluses .....................................................................................................................110

8.2 Sugestes para Futuros Trabalhos..................................................................................113

Referncias Bibliogrficas ...........................................................................................................115

Apndice A Rede de Trocadores de Calor Utilizando a Anlise Pinch ...................................123

A.1 Configuraes Gerais das Redes Estimadas no Captulo 7...........................................125

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Apndice B Modelagem do Evaporador de Mltiplos Efeitos ....................................................127

B.1 Balanos de Massa e Energia ........................................................................................127

B.2 Equaes........................................................................................................................128

B.3 rea dos Evaporadores..................................................................................................131

B.4 Configuraes Gerais do EME Utilizadas no Captulo 7..............................................133

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Lista de Figuras

Figura 1.1- Esquema tradicional de gerao e consumo de vapor em usinas ..................................2

Figura 2.1- Integrao trmica entre duas correntes (quente e fria).................................................7

Figura 2.2- a) Correntes trmicas individuais; b) Curva composta (correntes combinadas) ...........8

Figura 2.3- Curvas compostas quente e fria.....................................................................................8

Figura 2.4- Separao do sistema nas regies sumidouro e fonte.............................................9

Figura 2.5- Intervalos de temperaturas de correntes quentes e frias ..............................................11

Figura 2.6- Cascata trmica............................................................................................................12

Figura 2.7- Cascata trmica com troca de calor impossvel...........................................................13

Figura 2.8- Cascata trmica com consumo mnimo de energia .....................................................13

Figura 2.9- a) Curvas compostas quente e fria; b) Grande curva composta ..................................14

Figura 2.10- Diagrama de cebola (Linnhoff e Dhole, 1993) ......................................................16Figura 2.11- a) GCC - Processo 1; b) GCC - Processo 2; c) Perfis fontes e sumidouros ..............17

Figura 2.12- Utilizao dos perfis para determinao das metas de cogerao.............................18

Figura 2.13- Carnot x Entalpia ........................................................................................................20

Figura 2.14- Carnot para SSSP........................................................................................................21

Figura 2.15: Representao grfica do ciclo Carnot......................................................................23

Figura 2.16- Representao grfica do cicloRankine:...................................................................24

a) temperaturas reais na caldeira b) temperaturas mdias.........................................................24

Figura 3.1- Ciclo com turbinas de contra-presso e utilizao de condensador atmosfrico ........31

Figura 3.2- Ciclo com utilizao de turbinas de contra-presso e condensao............................32

Figura 3.3- Ciclo com utilizao de turbinas de extrao-condensao (CEST)...........................33

Figura 3.4- Ciclo de potncia BIG-CC...........................................................................................36

Figura 3.5- Ciclo de potncia BIG-STIG.......................................................................................37

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Figura 7.5- Curvas compostas da planta disponibilizando V.V. do 2o efeito ................................98

Figura 7.6- Curvas compostas da planta disponibilizando V.V. do 3o efeito ................................99

Figura 7.7- Curvas compostas da planta com EME utilizando apenas 1 efeito...........................101

Figura 7.8- Curvas compostas da planta com EME utilizando 2 efeitos .....................................102

Figura 7.9- Curvas compostas da planta com EME utilizando 3 efeitos .....................................102

Figura 7.10- Curvas compostas da planta com EME utilizando 5efeitos ....................................103

Figura B.1- Representao de um efeito do evaporador mltiplos efeitos ..................................128

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Lista de Tabelas

Tabela 2.1- Correntes trmicas de um processo.............................................................................10

Tabela 2.2- Carga trmica dos intervalos de temperaturas ............................................................12

Tabela 2.3- Propriedades termodinmicas do fluido......................................................................22

Tabela 2.4- Consumo e produo do Ciclo de Carnot...................................................................22Tabela 2.5- Consumo e produo do Ciclo de Carnot...................................................................22

Tabela 2.6- Propriedades termodinmicas do fluido do cicloRankine ..........................................25

Tabela 2.7- Consumo e produo do ciclo Rankine.......................................................................25

Tabela 2.8- Consumo e produo do ciclo Rankine.......................................................................25

Tabela 5.1- Coeficientes de ponderao do trabalho e calor para sistemas de cogerao .............58

Tabela 5.2- Frao mssica dos elementos qumicos do bagao ...................................................59

Tabela 6.1- Moagem da usina ........................................................................................................61

Tabela 6.2- Caldeiras......................................................................................................................62

Tabela 6.3- Turbinas ......................................................................................................................62

Tabela 6.4- Exergias dos sistemas de cogerao............................................................................63

Tabela 6.5- Dados energtico e exergtico do bagao...................................................................63

Tabela 6.6- Consumo de energia e vapor de processo ...................................................................66

Tabela 6.7- Propriedades do vapor de processo.............................................................................67

Tabela 6.8- Fornecimento do vapor de processo............................................................................67

Tabela 6.9- Aquecimento e resfriamento do caldo ........................................................................67

Tabela 6.10- Cozimento .................................................................................................................67

Tabela 6.11- Destilao..................................................................................................................68

Tabela 6.12- Resultados gerais do evaporador de mltiplos efeitos da planta inicial ...................68

Tabela 6.13- Dados do evaporador de mltiplos efeitos da planta inicial .....................................68

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Tabela 6.14- rea do evaporador para planta inicial .....................................................................69

Tabela 6.15- Temperaturas dos trocadores de calor na planta inicial ............................................71

Tabela 6.16- Estimativa das reas dos trocadores de calor na planta inicial .................................71

Tabela 6.17- Resumo das operaes consumindo vapor das turbinas ...........................................71

Tabela 6.18- Consumo de energia e vapor de processo do projeto 2.............................................72

Tabela 6.19- Resultados gerais do EME do projeto 3....................................................................77

Tabela 6.20- Dados do EME do projeto 3......................................................................................77

Tabela 6.21- Estimativa da rea do evaporador necessria para o projeto 3 .................................77

Tabela 6.22- Consumo e disponibilidade de energia trmica de processo no projeto 3 ................78

Tabela 6.23: Propriedades termodinmicas do vapor da caldeira..................................................80


Tabela 6.25- Dados do EME do projeto 4......................................................................................82Tabela 6.26- Estimativa da rea do evaporador necessria para o projeto 4 .................................82


Tabela 6.28.- Temperaturas dos trocadores de calor no projeto 4 .................................................83

Tabela 6.29.- Estimativa das reas dos trocadores de calor no projeto 4.......................................84


Tabela 6.31- Dados do EME do projeto 5......................................................................................86

Tabela 6.32 Estimativa da rea do evaporador necessria para o projeto 5...................................86


Tabela 6.34.- Temperaturas dos trocadores de calor no projeto 5 .................................................87

Tabela 6.35.- Estimativa das reas dos trocadores de calor no projeto 5.......................................87

Tabela 6.36- Exergias dos sistemas de cogerao..........................................................................89

Tabela 6.37- ndices entre exergias dos projetos ...........................................................................90

Tabela 6.38- Resultados comparativos de produo e consumo....................................................90

Tabela 6.39- Resultados comparativos de eficincias trmicas no sistema de cogerao .............91

Tabela 7.1- Resumo do consumo de aquecimento e resfriamento do caldo ..................................93

Tabela 7.2- Consumo do cozimento, destilao e evaporao.......................................................93

Tabela 7.3- Consumo de energia e vapor de processo ...................................................................93

Tabela 7.4- Consumo do EME (Mxima extrao de VV no 1o Efeito)........................................97

Tabela 7.5- Dados do EME (Mxima extrao de VV no 1o Efeito).............................................97

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Tabela 7.6- Estimativa da rea do EME (Mxima extrao de VV no 1o Efeito) .........................97

Tabela 7.7- Temperaturas dos trocadores de calor (Mxima extrao de VV no 1o Efeito) .........97

Tabela 7.8- reas dos trocadores de calor (Mxima extrao de VV no 1 o Efeito) ......................98

Tabela 7.9- Fornecimento de calor para o cozimento e destilao (Mxima extrao 1 o Efeito)..98

Tabela 7.10- Dados de consumo do EME e do processo com as sangrias de vapor vegetal .......100

Tabela 7.11- Dados de consumo do EME e do processo com o nmero de efeitos do EME......104

Tabela 7.12- Dados de consumo do EME e do processo com utilizao dos condensados.........105

Tabela 7.13- Exergias dos sistemas de cogerao........................................................................106

Tabela 7.14- Resultados comparativos de produo e consumo..................................................106

Tabela 7.15- Resultados comparativos de eficincias trmicas no sistema de cogerao ...........107

Tabela A.1- Temperaturas dos trocadores de calor na planta (Extrao de VV at 2o Efeito)...125

Tabela A.2- Estimativa das reas dos trocadores de calor (Extrao de VV at 2 o Efeito).........125Tabela A.3- Fornecimento de calor para o cozimento e destilao(Extrao at 2o Efeito).......126

Tabela A.4- Temperaturas dos trocadores de calor com sangria de VV at o 3 o efeito...............126

Tabela A.5- Estimativa das reas dos trocadores de calor com sangria de VV at o 3 o efeito....126

Tabela A.6- Fornecimento de calor para o cozimento e destilao(Extrao at 3o Efeito).......126

Tabela B.1- Resultados gerais do EME(Mxima extrao de VV no 2o Efeito) ........................133

Tabela B.2- Dados do EME (Mxima extrao de VV no 2o Efeito) ..........................................133

Tabela B.3- Estimativa da rea do evaporador necessria(Extrao de VV no 2o Efeito)..........134

Tabela B.4- Resultados gerais do EME(Extrao de VV no 3o Efeito).....................................134

Tabela B.5- Dados do EME(Mxima extrao de VV no 3o Efeito) ..........................................134

Tabela B.6- Estimativa da rea do evaporador necessria(Extrao de VV no 3o Efeito).........134

Tabela B7- Resultados gerais do EME (1 Efeito)........................................................................135

Tabela B.8- Dados do EME (1 Efeito).........................................................................................135

Tabela B.9- Estimativa da rea do evaporador necessria (1 Efeito)...........................................135

Tabela B.10- Resultados gerais do EME (2 Efeitos) ...................................................................135

Tabela B.11- Dados do EME (2 Efeitos) .....................................................................................135

Tabela B.12- Estimativa da rea do evaporador necessria (2 Efeitos).......................................136

Tabela B.13- Resultados gerais do EME (3 Efeitos) ..................................................................136



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Tabela B.16- Resultados gerais do EME (5 Efeitos) ...................................................................136



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Nomenclatura

Letras Latinas

E Energia [kJ]ex Exergia [kJ]ExQ Exergia associada a transferncia de calor [kJ]h Entalpia [kJ/kg]Iexced.M ndice de energia excedente pela quantidade de cana moda [kWh/tc]Iexced.B ndice de energia excedente em funo do bagao utilizado [kWh/tb]QH Calor fornecido por um reservatrio quente [kJ]QL Calor cedido para um reservatrio frio [kJ]Qp Calor fornecido ao processo [kJ]Wc Trabalho consumido por um compressor [kW]Wt Trabalho produzido por uma turbina [kW]Wliq Trabalho lquido produzido por uma mquina trmica [kW]T Temperaturas [oC]RP/Q Razo potncia/calor para um sistema de cogeraoS Entropia [kJ/kg.oC]

Letras Gregas

Eficincia;I.MT Eficincia energtica para uma mquina trmica;I.CG Eficincia na utilizao do combustvel para um sistema de cogerao;P.CG Eficincia energtica ponderada para um sistema de cogerao;II.MT Eficincia da segunda lei para uma mquina trmica;exCG Eficincia exergtica para um sistema de cogerao; Variao de propriedades;

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Subscritos

0 Referncia ao meio ambiente;H Fluidos quentes;

L Fluidos frios;VC Volume de controle;

Siglas

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica;BIG-GT Biomass Integrated Gasifier/Gas Turbine;CC Curva composta;CEST Condensing-Extraction Steam Turbine;

EME Evaporador de mltiplos efeitos;GCC Grande curva composta;GCCE Grande curva composta exergtica;HENS Heat Exchanger Networks Synthesis;MT Mquina trmica;PCI Poder calorfico inferior;PURPA Public Utility Regulatory Policy Act;SSSP Site Source-Sink Profiles;tb Tonelada de bagao utilizado;tc Tonelada de cana moda;tsi Total site integration;

UMIST University of Manchester Institute of Science & Technology;VE Vapor de escape;VV Vapor vegetal;

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Captulo 1

Introduo

A falta de investimentos no setor eltrico durante a dcada de 90, juntamente com outros

fatores, tais como a ausncia de um adequado planejamento energtico, o aumento da demandano consumo decorrente do crescimento econmico, e problemas de seca, resultou no ano de 2001

na maior crise de energia eltrica do Brasil dos ltimos anos. Alm do racionamento em si,

aqueles fatores confirmaram a necessidade de construo de novas usinas hidreltricas e

termeltricas, bem como apontaram para o aumento da produo de energia eltrica atravs da

cogerao.

No contexto desta ltima, o setor sucro-alcooleiro demonstra um grande potencial de

gerao de energia eltrica, havendo uma tendncia mundial para a utilizao da cogerao nesse

setor, devido a atrativos econmicos e ambientais. Pelo lado econmico, alm do aproveitamento

do bagao resultante da prpria produo como combustvel, a atratividade decorre do fato dos

produtos principais, acar e lcool, requerem energia trmica e permitirem um rateio dos custos

de produo com a eletricidade. Na questo ambiental, embora no Brasil quase a totalidade da

energia eltrica seja gerada com recursos hdricos, sem a emisso de gases poluentes, a cana-de-

acar uma fonte estvel e renovvel de energia. Para a gerao eltrica em usinas trmicas, o

bagao pode produzir eletricidade com impacto ambiental muito menor quando comparado a

outros combustveis, em especial ao carvo mineral e leo combustvel (Lora et al, 2000).

O esquema mais tradicional de funcionamento de uma usina de acar e lcool pode ser

observado na Figura 1.1. A matria-prima principal a cana, que aps ser moda, fornece o caldo

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para a gerao de vapor, o bagao gaseificado para utilizao em turbinas a gs (BIG-GT:

Biomass Integrated Gasifier/Gas Turbine). Nestes dois tipos de ciclos, a vapor e a gs, so

possveis vrios arranjos do conjunto gerao-processo,visando aumentar a oferta de gerao de

energia eltrica, podendo-se inclusive a combinar os dois ciclos (Combined Cycle).

No caso da cogerao, a maximizao da gerao eltrica excedente depende do consumo

de vapor de processo, pois essencial em qualquer forma de gerao de potncia o atendimento

da demanda trmica no processamento do caldo para a produo de acar/lcool. Uma vez que o

vapor de escape da turbina normalmente utilizado para o processo, a melhor integrao trmica

entre ambos tambm pode diferir conforme os nveis de temperatura e presso das utilidades

(vapor) a serem disponibilizadas, de acordo com a tecnologia de gerao de potncia escolhida.

Estabelece-se assim, uma relao de interdependncia entre a gerao de potncia e a integraotrmica, tornando o problema mais complexo pelo fato dos processos de produo de acar e

lcool tambm possurem alternativas internas de integrao, com possibilidades de utilizao do

vapor de escape em diferentes operaes.

Devido importncia do assunto, diversos trabalhos a respeito tm sido realizados com

diferentes enfoques. Alguns estudos so mais especficos nas opes de tecnologias de

cogerao, no potencial das mesmas, e em suas viabilidades econmicas (Coelho,1992;

Walter,1994), enquanto outros se preocupam com a ferramenta ou mtodo de otimizao, como a

programao dinmica, anlise exergtica e termoeconmica (Barreda del Campo, 1997 e 1999;

Fernandez e Nebra, 2002; Paracuellos, 1987; Paz e Cardenas, 1997), e anlise pinch

(Christodoulou, 1992; Higa, 1999). As reas de estudo das usinas tambm so diferentes, j que

para alguns trabalhos o processo de produo o ponto principal a ser analisado (Higa, 1999;

Fernandez e Nebra, 2002), enquanto para outros a nfase est na gerao de potncia (Prieto et al,

2001).

Todas as metodologias acima mencionadas oferecem concluses teis na avaliao de uma

planta de produo de acar e lcool, no sendo objetivo deste trabalho compar-las. O que se

pretende realizar aqui uma investigao sistemtica de como a integrao trmica de uma usina

pode propiciar a otimizao de um sistema de cogerao, isto a maximizao da gerao

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eltrica excedente. Para este fim, a anlise pinch foi selecionada como ferramenta de anlise,

sendo utilizada na avaliao de uma planta base com vistas incluso de melhorias, propostas a

partir dos diagramas de curvas compostas energtica e exergticas da planta. Esta ferramenta tem

apresentado excelentes resultados em estudos deste tipo, mostrando-se eficaz inclusive em

problemas bastante complexos, como o caso de uma planta de refino de petrleo (Rossi e

Bannwart, 1995).

A proposta deste trabalho a realizao de avaliaes energticas em uma planta de

produo de acar e lcool, incluindo tanto a integrao trmica do processo quanto a gerao

de potncia. As primeiras aplicaes da anlise pinch no setor de acar ocorreram a partir de

1984/85 em indstrias europias, via redimensionamentos de projetos visando reduo de

consumo de energia na produo de acar derivado da beterraba (Twaite, Davenport eMacDonald, 1986; Carter e Thompson, 1990; Christodoulou, 1992 e 1996). O mtodo tem sido

utilizado tambm na frica para anlise de processos de produo de acar de cana (Singh,

Riley e Seillier, 1997). Tanto em um caso quanto no outro, utiliza-se a anlise pinch para

avaliao apenas da integrao trmica do processo. Este trabalho pretende contribuir com a

incluso, no somente do processo de consumo trmico, como tambm da gerao de potncia,

analisando a planta completa. Alm disso, o caso especfico brasileiro de produo simultnea de

acar e lcool traz repercursses significativas e interessantes nas recuperaes energticas.

Diversas simulaes e anlises trmicas so realizadas, visando otimizar a produo de

energia eltrica excedente, e procurando a melhor forma de integrao trmica do processo de

produo da usina. Os resultados, considerando diferentes opes de tecnologias de gerao de

potncia e de formas de integrao trmica, so apresentados e discutidos, demonstrando que

melhores ndices de eficincia trmica e de produo de energia eltrica excedente podem ser

obtidos. O trabalho est estruturado da seguinte forma: no captulo 2 faz-se uma breve reviso da

anlise pinch; no captulo 3 so descritas as principais tecnologias de gerao de potncia e

sistemas de cogerao passveis de utilizao no setor sucro alcooleiro; no captulo 4 descreve-se

o processo de produo de acar e lcool; no captulo 5 descreve-se a aplicao da metodologia

proposta, incluindo diferentes formas de avaliao energtica ao caso em estudo e apresenta-se o

correspondente algoritmo; no captulo 6 apresenta-se os resultados das anlises trmicas de

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diferentes projetos para o sistema completo de cogerao; no captulo 7 aborda-se a reduo do

consumo de vapor de processo visando a melhor integrao trmica da planta; e finalmente no

captulo 8 apresenta-se as principais concluses do estudo, com sugestes para trabalhos futuros.

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Captulo 2

Anlise Pinch : uma Reviso

A anlise ou tecnologia pinch, ou ainda mtodo do pinch-point como tambm

conhecido, foi introduzida por Linnhoff et al. (1979) com o objetivo de se obter a melhorintegrao trmica de um processo. Inicialmente os estudos buscavam apenas um timo

energtico (consumo mnimo de utilidades), envolvendo posteriormente as redues das reas de

transferncia de calor e do nmero de equipamentos utilizados, visando o custo timo global de

toda a rede.

Atravs de combinaes de correntes quentes e frias de uma planta trmica, este mtodo

tem sido utilizado com muito sucesso, permitindo identificar as melhores opes de projeto em

redes de trocadores de calor (HENS: Heat Exchanger Networks Synthesis). Segundo Smith

(2000), desde o desenvolvimento do mtodo houve milhares de aplicaes nas mais variadas

indstrias, como petrolferas, petroqumicas, qumicas, siderrgicas, alimentcias, de bebidas, de

suco e de papel. Somente no ano de 2000 havia mais de 500 projetos que utilizavam a anlise

pinch, sendo que em 1997 havia tambm um consrcio apoiando novos desenvolvimentos no

mtodo coordenado pela UMIST (University of Manchester Institute of Science & Technology)

e formado por 16 empresas multinacionais, entre as quais se incluam a ELF-France, Mobil-UK,

Kellogg-USA, etc (Ebrahim e Kawari, 2000).

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2.1 Curvas Compostas (CCs)

A integrao trmica entre duas correntes, quente e fria, de um processo qualquer pode ser

realizada por meio da construo de um diagrama temperatura-entalpia (Figura 2.1). A mxima

recuperao de calor possvel determinada atravs da sobreposio da corrente quente na

corrente fria, na qual uma diferena mnima de temperatura (Tmin), escolhida pelo projetista de

acordo com o custo de capital, limita a aproximao entre as mesmas.

Figura 2.1- Integrao trmica entre duas correntes (quente e fria)

Por conter apenas duas correntes, esta integrao relativamente simples se comparada

com processos mais complexos possuindo um nmero maior de correntes trmicas. Neste ltimo

caso, a anlise pinch pode ser utilizada na orientao da integrao trmica, por meio de

combinaes das correntes quentes e frias da planta. Estas combinaes, conhecidas como curvas

compostas (CCs), so obtidas atravs das somatrias das capacidades trmicas de todas as

correntes quentes e frias do processo. A Figura 2.2a contm curvas individuais de duas correntes

quentes no diagrama temperatura-entalpia, com suas respectivas cargas e capacidades trmicas.

Somando as capacidades trmicas das correntes presentes em cada nvel de temperatura, a CC

resultante descrita na Figura 2.2b, observando-se que as quebras existentes na mesma sempre

correspondem a pontos de incio ou trmino de uma corrente.

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Figura 2.2- a) Correntes trmicas individuais; b) Curva composta (correntes combinadas)

Para um processo contendo tanto correntes quentes, como correntes frias, as CCs do mesmo

podem ser representadas na Figura 2.3. De forma similar integrao trmica entre apenas duas

correntes, o valor da mxima recuperao de calor do processo global obtido do intervalo

sobreposto entre as CCs, sendo tambm possvel determinar as metas dos consumos mnimos de

utilidades quente (QHmin) e fria (QCmin) necessrios ao processo, que so indicados pelos extremos

das curvas.

Figura 2.3- Curvas compostas quente e fria

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Neste caso, a sobreposio entre as curvas compostas tambm limitada por uma diferena

mnima de temperatura (Tmin) imposta pelo projeto de acordo com o custo de capital, sendo uma

restrio para que os fluidos envolvidos possam trocar calor entre si. No Tmin est localizado o

menor ponto de aproximao entre as curvas, conhecido como pinch-point. Em termos de

aplicao, o pinch-point separa o sistema em duas regies, ilustradas na Figura 2.4. Acima do

pinch, a regio denominada sumidouro, pois precisa receber calor adicional para atender a

demanda, e por esta razo, as correntes quentes devem fornecer todo calor possvel para as

correntes frias e no devem ser resfriadas por utilidades externas, e abaixo do pinch, a regio

denominada fonte de calor, pois dispe de mais energia do que necessita, e por este motivo as

correntes frias devem receber calor apenas das correntes quentes, sem receber calor de utilidades

externas. importante observar que no deve haver troca de calor entre estas regies atravs do

pinch, pois qualquer transferncia de calor entre as mesmas implica em aumento, tanto da

necessidade de utilidade quente como da utilidade fria.

Figura 2.4- Separao do sistema nas regies sumidouro e fonte

Baseadas nas explicaes anteriores, as regras bsicas do mtodo com a finalidade de

garantir a maior recuperao de calor so: 1- as utilidades quentes devem ser utilizadas apenas na

regio acima do pinch; 2- as utilidades frias devem ser utilizadas apenas na regio abaixo do

pinch; 3- no deve haver troca de calor entre as regies atravs do pinch. Para o projeto da

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rede de trocadores de calor, o mtodo tambm possui algumas regras que auxiliam a alcanar as

metas estabelecidas e esto descritas no Apndice A.

2.2 Mtodo Tabular (Cascata Trmica)

As curvas compostas so ferramentas para se fazer avaliaes trmicas de forma grfica.

Entretanto, a anlise pinch tambm pode ser realizada por meio de definies de intervalos de

temperaturas, nos quais as correntes quentes e frias envolvidas no processo podem trocar calor

entre si. A composio destes intervalos denominada de cascata trmica, sendo a mesma uma

outra ferramenta para se fazer a anlise pinch de forma alternativa, tambm conhecida como

mtodo tabular (Bannwart, 1995).

Tabela 2.1- Correntes trmicas de um processo

CorrenteTrmica

TipoTinferior[o C]

Tsuperior[o C]

CapacidadeTrmica[kW/o C]

CargaTrmica

[kW]1 Fria 20 135 2,0 2302 Quente 60 170 3,0 3303 Fria 80 140 4,0 2404 Quente 30 150 1,5 1805 Quente 170 170 - 1006 Fria 135 135 - 110

Suponha um processo com as correntes trmicas da Tabela 2.1. Desejando-se fazer uma

integrao trmica do mesmo so definidos os intervalos de temperaturas, nos quais uma corrente

quente pode fornecer calor para uma corrente fria. Para respeitar uma restrio de diferena de

temperatura (Tmin) igual a 10o C, as temperaturas dos intervalos (i) so determinadas somando-

se um valor de Tmin/2 (5o C) para as temperaturas as correntes frias, e subtraindo-se Tmin/2 para

as temperaturas das correntes quentes, conforme a relao abaixo:

i = Tj + Tmin

sendo:

i: intervalo de troca de calor;

i: temperatura do intervalo i;

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j: corrente trmica do processo;

Tj: temperaturas extremas da corrente j;

Com a determinao das temperaturas, estas so dispostas em um diagrama (Figura 2.5) em

ordem decrescente, criando-se os intervalos nos quais as correntes trmicas do processo so

posicionadas em seus respectivos nveis, as correntes quentes com Tmin/2 abaixo da temperatura

original, e as correntes frias com Tmin/2 acima da temperatura original. Para garantir o

cumprimento da 2a lei da termodinmica, uma corrente quente pode fornecer calor apenas dos

intervalos que esto no mesmo nvel ou acima dos intervalos da corrente fria a serem aquecidos,

garantindo o Tmin definido pelo projetista da rede de trocadores.

170Intervalo

165o170

170 1

165o

140 150

2145o

135 3

140o135

135 4

140o5

85o

80 Corrente Fria 655o

60Corrente quente 7

25o20 30

Figura 2.5- Intervalos de temperaturas de correntes quentes e frias

Aps a criao do diagrama, as cargas trmicas so calculadas atravs da somatria das

capacidades trmicas das correntes presentes em cada intervalo. A Tabela 2.2 contm estesvalores, considerando positivo, o sinal das correntes frias, e negativo, o sinal das correntes

quentes. Com os valores numricos da tabela, acrescidos da utilidade quente (QH) e fria (QL), o

diagrama da Figura 2.5 pode ser configurado em intervalos que dispem (negativo) ou

necessitam (positivo) de energia, criando-se a cascata trmica da Figura 2.6.

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Tabela 2.2- Carga trmica dos intervalos de temperaturas

Intervalo(i)

i - i-1CPC CPH

[kW/o C]Hi

[kW]1 0 - 3,0 - 1002 20 - 3,0 - 60

3 5 - 0,5 - 2,54 0 1,5 1105 55 1,5 82,56 30 - 2,5 - 75,07 30 0,5 15

sendo:Hi = (CPC CPH) (i - i-1) + qi, a carga trmica do intervalo;

Hi < 0, significa liberao de energia, e Hi > 0 consumo de energia;

CPC: Capacidade trmica de uma corrente fria presente no intervalo i;

CPH: Capacidade trmica de uma corrente quente presente no intervalo i;

qi: Carga trmica de correntes com temperatura constante, presente no intervalo i.

Utilidade Quente1 = 165

oC QH

H1 = - 1002 = 165

oC

H2 = - 603 = 145

oC

H3 = - 2,54 = 140

oC

H4 = 110

5 = 140oC

H5 = 82,5

6 = 85oC

H6 = -75

7 = 55oC

H7 = 15

8 = 25o

C QCUtilidade Fria

Figura 2.6- Cascata trmica

Para a integrao trmica do processo, sabendo que a transferncia de calor entre as

correntes deve ocorrer apenas das temperaturas mais elevadas para as mais baixas, e supondo que

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o calor fornecido pela utilidade quente seja nulo (QH = 0), o fluxo de calor poderia ser

representado atravs da Figura 2.7.

Utilidade Quente

1 = 165o

C QH = 0H1 = - 100

2 = 165oC 100

H2 = - 603 = 145

oC 160

H3 = - 2,54 = 140

oC 162,5

H4 = 1105 = 140

oC 52,5

H5 = 82,56 = 85

oC -30

H6 = -75

troca de calor

impossvel7 = 55

oC 45

H7 = 158 = 25

oC QC = 30

Utilidade Fria

Figura 2.7- Cascata trmica com troca de calor impossvel

Utilidade Quente

1 = 165

o

CQ

H= 30

H1 = - 1002 = 165

oC 130

H2 = - 603 = 145

oC 190

H3 = - 2,54 = 140

oC 192,5

H4 = 1105 = 140

oC 82,5

H5 = 82,56 = 85

oC 0

H6 = -75

pinch-point

7 = 55oC 75

H7 = 158 = 25

oC QC = 60

Utilidade Fria

Figura 2.8- Cascata trmica com consumo mnimo de energia

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Entretanto, observa-se que a troca de calor 30 kW impossvel, sendo este valor o mnimo

de energia que deve ser fornecido pela utilidade quente. A Figura 2.8 representa a cascata trmica

com o fornecimento mnimo de calor, indicando tambm o pinch-pointno nvel = 85o C, o que

significa 90o C de temperatura nas correntes frias e 80o C nas correntes quentes.

2.3 Grande Curva Composta (GCC)

A alternativa grfica utilizada no mtodo representando a cascata trmica a grande curva

composta (GCC). Esta ferramenta ilustrada na Figura 2.9 combina as curvas compostas quente e

fria em uma nica, sendo realizada tambm atravs da somatria da capacidade trmica das

mesmas em cada nvel de temperatura. Assim como na cascata trmica, para a construo da

GCC, as correntes trmicas do processo so deslocadas no eixo vertical do grfico, considerandoas temperaturas das correntes quentes com Tmin/2 abaixo do valor original e com o sinal

negativo, e as correntes frias temperaturas com Tmin/2 acima dos valores originais e com sinal

positivo. Deslocando a GCC atravs do ponto mnimo da somatria obtida para o valor zero do

eixo horizontal da entalpia, a temperatura deste ponto coincide com o pinch-point.

Figura 2.9- a) Curvas compostas quente e fria; b) Grande curva composta

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Atravs da GCC possvel observar melhor que nos nveis de temperatura acima do

pinch, o processo necessita apenas de utilidade quente, enquanto abaixo do pinch a demanda

por utilidade fria. Alm disso, as reas escuras da ilustrao indicam as regies em que o

processo pode suprir a prpria demanda. Em caso de mais de uma utilidade (utilidades em

mltiplos nveis de temperatura), torna-se possvel a escolha de uma delas com base no nvel de

temperatura mais prximo da demanda, minimizando as irreversibilidades de transferncia de

calor. Neste caso, h tambm o benefcio de que algum trabalho possa ser obtido, como seria o

exemplo da turbina a vapor, capaz de gerar potncia, utilizando a degradao do vapor de alta

presso para o vapor de baixa presso (Singh, Riley e Seiller, 1997).

2.4 Utilizao das Curvas Compostas

Tanto as CCs como a GCC podem ser vistos como balanos energticos em funo da

temperatura. Neste caso, os termos do calor fornecido e recebido pelo processo atravs das

utilidades quentes e frias servem para satisfazer a primeira lei da termodinmica. J em relao

segunda lei da termodinmica, como dito anteriormente, a aproximao entre as curvas serve para

minimizar as irreversibilidades, melhorando o rendimento segundo este conceito.

A Figura 2.10 ilustra a viso global de uma planta industrial, representando

hierarquicamente o projeto do processo, atravs do diagrama de cebola. Normalmente

assumido que se necessita da definio completa do processo interno antes que se possa

projetar a rede de recuperao de calor (HEN), e que necessria aHEN, antes da determinao

do sistema de utilidades. Tanto as CCs fria e quente, quanto a GCC so baseadas no processo

interno da fbrica, e ambas so utilizadas para a iterao da HENe do sistema de utilidades com

o processo interno. As CCs pemitem que o projetista possa prever antecipadamente qual a

recuperao de calor possvel, enquanto a GCC permite que o projetista saiba de antemo quais

utilidades sero necessrias. Desta forma, a GCC efetivamente fornece uma ponte entre o

projeto do processo e o sistema de utilidades, tornando possvel, por exemplo, avaliar de forma

rpida e confivel qual o efeito que mudanas internas de um processo trariam ao sistema de

utilidades (Linnhoff e Dhole, 1993).

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Figura 2.10- Diagrama de cebola (Linnhoff e Dhole, 1993)

2.5 Total Site Integration

A anlise pinch como demonstrada anteriormente trabalha com um nico processo. J o

total site integration introduzido por Dhole e Linnhoff em 1992 amplia esta possibilidade,

permitindo que vrios processos servidos e ligados por um nico sistema central de utilidades

sejam analisados, obtendo-se metas de consumo para combustvel, produo na cogerao, de

emisso de poluentes e de resfriamentos, antes mesmo da existncia do projeto. Estas metas

permitem orientar os projetistas nos mais variados casos, tanto de construo de novas unidades,como em ampliaes, reformulaes e modificaes na indstria (Dhole e Linnhoff, 1992).

O desenvolvimento desta ferramenta tm sido realizado na Universidade de Manchester

(UMIST), tendo a participao de outros institutos de pesquisas e indstrias de vrios pases

como a Frana (Ecole des Mines-ARMINES), Espanha (Universitat Politecnica de Catalunya-

UPC, Barcelona: Courtaulds Espaa S/A-CE), Grcia (Athens: SPEC S/A), Reino Unido

(Hellenic Aspropyrgos Refinery S/A-HAR, Linnhoff March Ltda-LM, Northwich), Eslovquia

(Bratislava: Pulp and Paper Research Institute-PPRI), e Alemanha (TU Hamburg-Harburg-

TUHH). Desta colaborao foram desenvolvidos diversos procedimentos para o planejamento e

estabelecimento de metas, incluindo aspectos como a minimizao do consumo de energia e

gua, custos ambientais e possveis aes regulatrias, impacto econmico de modificaes de

processos, construo de softwares e estudos de casos (Klemes et al, 1997).

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O passo 1, eliminando as reas escuras das GCCs realizado com base que antes da

integrao global da planta, cada processo tambm est bem integrado, buscando a mxima

recuperao de energia interna possvel. Esta medida permite que apenas as partes dos processos

que realmente precisam de utilidade externas, sejam analisadas globalmente com os demais

processos da planta, evitando o aumento excessivo de variveis desnecessrias para a integrao.

J o passo 2, elevando ou abaixando os nveis de temperatura das curvas visam apenas garantir o

Tmin de transferncia de calor. Como na construo de cada GCC as temperaturas j haviam

sido anteriormente elevadas ou abaixadas de acordo com o tipo quente ou frio, para a

determinao das demandas das utilidades, no h neste caso a preocupao grfica de manter a

distncia do Tmin, pois os contatos das curvas de utilidades com os perfis globais obtidos j

consideram este valor.

Figura 2.12- Utilizao dos perfis para determinao das metas para o consumo de

combustvel, carga da turbina, emisses e resfriamentos.

Aps a construo dos perfis (SSSP) possvel estabelecer as metas do consumo de vapor

em vrios nveis de temperatura integrado a um sistema de cogerao. No exemplo da Figura

2.12, as demandas de vapor de mdia presso (MP) para todos os processos so fornecidas pela

turbina atravs de uma extrao intermediria (B), enquanto que para o vapor de baixa presso

(BP), parte gerado pelo prprio processo (D), e o restante fornecido pelo escape da turbina

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(C). Baseado nas demandas de (B) e (C), e sabendo que a turbina deve atender as mesmas,

determina-se atravs de simulaes a gerao primria do vapor da caldeira (A) de alta presso

(AP) e a cogerao (W). O valor de (A) tambm indica a capacidade da caldeira, enquanto o

valor de (E), indica a demanda de utilidade fria para os processos. Atravs da projeo no eixo

horizontal, possvel obter a demanda do combustvel (F), que permite tambm estabelecer a

meta para as emisses de poluentes, quando se conhece o combustvel utilizado.

2.6 Grande Curva Composta Exergtica (GCCE)

As maiores crticas anlise pinch alegam que a mesma aplicvel quando envolve

apenas transferncia de calor, no permitindo a otimizao do sistema em casos envolvendo

tambm a gerao de potncia. Entretanto, a anlise utilizando a grande curva compostaexergtica (GCCE) oferece justamente a possibilidade de se trabalhar com a energia trmica e

mecnica simultaneamente, sendo um avano para a utilizao da anlise pinch.

Embora o mtodo, como explanado anteriormente tenha sido introduzido em 1979,

somente a partir de 1989, a GCCE passou a ser utilizada como ferramenta de anlise (Linnhoff e

Ahmad, 1989), tornando-se ainda mais difundida com a introduo do total site integration. Na

Figura 2.12 foi exemplificado como possvel determinar as metas do sistema de cogerao

atravs de simulaes com a turbina. Entretanto, a GCCE tambm apresentada por Dhole e

Linnhoff (1993) para definio destas metas de cogerao ilustrada na Figura 2.13. Neste

grfico o eixo vertical da temperatura utilizado anteriormente substitudo pelo termo da

eficincia de Carnot(fator de Carnot: 1 T0/T), onde T0 a temperatura ambiente de referncia,

e T so as temperaturas envolvidas nos processos ou turbinas do sistema trmico.

Segundo Kotas (1986), a exergia associada transferncia de calor (ExQ) determinada

pelo mximo trabalho que poderia ser obtido usando o ambiente como um reservatrio de energia

trmica de nvel zero. Assim, para uma taxa de transferncia de calor (Q) em uma determinada

temperatura, a mxima taxa de converso da energia trmica para a realizao de trabalho, seria:

ExQ = Q (1 T0/ T) (2.1)

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Figura 2.13- Carnot x EntalpiaBaseado na equao (2.1), a exergia do calor fornecido a turbina (QH) representada pela

rea 1-2-3-4, enquanto a exergia do calor cedido ao ambiente (QL) pela rea 4-5-6-7. Assim, o

mximo de trabalho que uma mquina trmica pode gerar a diferena entre estas exergias,

limitadas na ilustrao pela rea 1-2-3-7-6-5. J o trabalho real, que a meta da cogerao,

obtido multiplicando esta rea pela eficincia da mquina trmica.

Quando se analisa tambm o processo de produo, os perfis fonte e sumidouro da Figura2.12 so includos no diagrama da Figura 2.13, com o eixo vertical substitudo pelo fator de

Carnot, formando a Figura 2.14. Observa-se que a meta de cogerao pode ser obtida atravs da

sobreposio da curva do vapor de escape sobre a demanda do processo. Nesta ilustrao, o vapor

de mdia presso (MP) e o vapor de baixa presso (BP) so as utilidades fornecidas ao processo.

Para um sistema de cogerao em que todo o vapor utilizado na turbina tambm fornecido ao

processo, pode-se visualizar o potencial de cogerao representado pela rea listrada da figura,

sendo que o valor real obtido multiplicando-se a rea listrada pela eficincia exergtica daturbina.

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Consideremos uma mquina trmica operando segundo o ciclo de Carnot, na qual a

temperatura ambiente de 25o C, o fluxo de massa de 1 kg/s de vapor, e as propriedades

termodinmicas so as da Tabela 2.3. Destes valores, os consumos e produo de calor e potncia

podem ser calculados (Tabela 2.4), resultando no trabalho lquido de 337 kW (Tabela 2.5).

Observa-se na Tabela 2.5, que alm da forma tradicional de determinao do trabalho lquido,

pela diferena do calor fornecido e cedido pela mquina trmica, na ltima linha da tabela o valor

calculado utilizando o fator de Carnot, e refere-se justamente a rea listrada representada na

Figura 2.15, entre o calor fornecido ao ciclo e calor cedido ao ambiente.

Tabela 2.3- Propriedades termodinmicas do fluido

1 2 3 4

Temperatura [oC] 215 215 127 127

Carnot 0,389 0,389 0,2556 0,2556

Entalpia [kJ/kg] 2800 920 2.424 881

Entropia [kJ/kg.oC] 6,323 2,47 6,323 2,47

Tabela 2.4- Consumo e produo do Ciclo de Carnot

QH [kW] QL [kW] Wturbina

[kW]

Wbomba

[kW]1.880 1.543 376 39

Tabela 2.5- Consumo e produo do Ciclo de Carnot

Wlquido [kW]

QH - QL 337

QHH - QLL 337PDFCreate!5

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Figura 2.15: Representao grfica do ciclo Carnot

Quando se analisa apenas o eixo horizontal da Figura 2.15 para (Carnot= 0), verifica-se que

o balano de energia do ciclo est representado no mesmo atravs dos fluxos de calor, o que

permite a obteno do trabalho lquido na mquina trmica. Assim, este grfico torna possvel a

realizao da anlise trmica do ciclo, tanto pela 1a lei da termodinmica, obtida considerando os

aspectos energticos (entalpia), como tambm pela 2a lei da termodinmica, incluindo a

disponibilidade em relao ao meio ambiente (fator de Carnot). Uma vantagem do mesmo em

relao ao simples balano energtico, que desta forma possvel visualizar que o potencial

mximo de gerao se refere apenas a rea do grfico (QHH),e no a todo o calor fornecido ao

ciclo (QH), podendo-se verificar tambm que as irreversibilidades esto associadas no apenas a

quantidade de calor rejeitado pelo ciclo (QL), mas inclui o nvel de temperatura em que isto

ocorre, representado pelo fator de Carnot(L).

2.6.2 Ciclos Reais

Segundo Dhole e Linnhoff (1993), apenas o conhecimento das temperaturas envolvidas nosistema e as ferramentas propostas so suficientes para obter as metas de cogerao, tornando-se

desnecessrias simulaes com a turbina. Entretanto, nos exemplos apresentados pelos autores as

temperaturas de trabalho utilizadas so sempre constantes, diferenciando de um ciclo real de

potncia a vapor, em que a temperatura varia durante o fornecimento de calor (ciclo Rankine).

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Desta forma, na prtica necessrio que as propriedades do ciclo sejam conhecidas para que as

metas sejam estabelecidas.

Utilizando-se os dados das Tabelas 2.6 a 2.8 o grfico do ciclo Rankine pode ser

representado na Figura 2.16-a, com variao da temperatura na gerao do vapor. Entretanto, a

construo da curva pode ser facilitada atravs da temperatura mdia de fornecimento do calor ao

ciclo (THmed), que pode ser calculada com os valores de entropia atravs da equao 2.2, e

utilizada na reconstruo da curva, representada atravs da Figura 2.16-b.

Svc = vc (Q/T)rev (2.2)

THmed = qH/sH = 2.484,9 / (6,75 1,6068) = 483,1 K = 210o C.

Figura 2.16- Representao grfica do ciclo Rankine:

a) temperaturas reais na caldeira b) temperaturas mdiasPDFCreate!5

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Tabela 2.6- Propriedades termodinmicas do fluido do ciclo Rankine

1 A b 2 3 4

Presso [MPa] 2,1 2,1 2,1 2,1 0,25 0,25

Temperatura [oC] 127,56 213,9 213,9 300 127 127

Carnot 0,256 0,388 0,388 0,480 0,2556 0,2556

Entalpia [kJ/kg] 537,1 915,6 2.800 3.022 2.595 535,2

Entropia [kJ/kg.oC] 1,6068 2,461 6,33 6,75 6,75 1,6068

Tabela 2.7- Consumo e produo do ciclo Rankine

QH [kW] QL [kW] Wturbina[kW] Wbomba[kW]

2.484,9 2.059,8 427 1,9

Tabela 2.8- Consumo e produo do ciclo Rankine

Wlquido [kW]

QH - QL 425,1

QHH - QLL 422,9

As reas listradas nos dois grficos da Figura 2.16 so equivalentes, referindo-se ao

potencial de cogerao do sistema. Embora, neste exemplo, o fornecimento de calor ao vapor

(QH), j fosse conhecido atravs do ciclo com fluxo mssico de 1 kg/s, este valor tambm poderia

ser calculado, conhecendo-se apenas o calor rejeitado (QL), as temperaturas envolvidas, e

utilizando a equao 2.3 de definio da escala Kelvin, em que o fluxo de calor proporcional a

temperatura.

QH = QL x TH/TL (2.3)

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2.6.3 Cargas e Demandas Trmicas da Caldeira

A estimativa de fornecimento de calor, ou carga trmica til da gerao de vapor (QH),

torna possvel atravs da equao 2.4, o clculo de demanda total de energia da caldeira (Q T)

quando a eficincia trmica (cald) da mesma conhecida. Este valor permite tambm a

determinao do consumo do combustvel atravs da equao 2.5 e da utilizao do seu poder

calorfico inferior (PCI). Embora estes clculos sejam aproximados, desconsiderando a energia

associada aos fluxos de combustvel e do ar de combusto, os mesmos so satisfatrios para a

maioria das situaes.

cald = QH / QT (2.4)

QT = mcomb PCI (2.5)

Para traar a curva de queima do gs da caldeira, alm da demanda total de energia da

caldeira, delineada no eixo horizontal do grfico, a temperatura adiabtica de chama do gs

(Tadiabtca.) deve ser estimada atravs da equao 2.6 com base na demanda total de energia da

caldeira (QT), temperatura ambiente de referncia (T0), e utilizando um valor mdio do seu calor

especfico (cgs). Como em condies de funcionamento real, h perdas de calor por radiao coma gua, e tambm perdas atravs das paredes, cinza, etc, na prtica a energia disponvel na

fornalha (Qd) menor do que a demanda total de energia da caldeira (QT), diminuindo a

temperatura de chama calculada na equao 2.7. Como o clculo do calor trocado por radiao

bastante complexo, e as perdas pela parede e cinzas tambm so muitas vezes imprecisas, Bazzo

(1992) utiliza ndices associados s mesmas para a correo da energia disponvel na fornalha,

simplificando a obteno dos valores desejados, que ainda so razoveis para as aplicaes que

no exigem muita preciso. Estes ndices so utilizados no trabalho atravs da equao 2.8.

Tadiabtica = T0 + QT / (mgs x cgs) (2.6)

Tadiabtica = T0 + Qd / (mgs x cgs) (2.7)

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Qd = QT prpp (2.8)

Sendo:

pr: ndice de perda de calor por radiao (0,98)

pp: ndice de perdas na parede, cinzas, etc (0,98)

O calor especfico do gs de combusto das equaes 2.5 e 2.6 calculado atravs por meio

da equao 2.9, contendo a somatria do calor especfico (c i) de cada elemento da combusto

multiplicada por sua respectiva frao mssica (xi). Entretanto, como o calor especfico depende

da temperatura de combusto, e esta no conhecida, os clculos no so realizados diretamente,

devendo-se fazer iteraes para a obteno dos mesmos, atravs da admisso de um valor inicial

para o calor especfico.

cgs = (xi ci) (2.9)

As fraes mssicas dos componentes do gs de combusto podem ser determinadas

atravs de clculos estequiomtricos da reao de combusto do combustvel, com seu respectivo

ndice de excesso de ar. J os valores individuais para os calores especficos dos elementos da

combusto podem ser obtidos atravs de tabelas, ou equaes para determinadas faixas de

temperaturas, e so encontradas nas literaturas sobre combusto ou reaes qumicas, devendo-se

tomar os devidos cuidados para que os valores utilizados tenham sempre uma mesma temperatura

de referncia.

2.7 Construo da GCCE

A construo da GCCE pode ser realizada seguindo as explicaes descritas anteriormente,

as quais podem ser resumidas nos seguintes passos:

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1o passo : Construes das CCs e GCC dos processos envolvidos;

2o passo : Construo dos perfis trmicos da planta (SSSP);

3o passo : Determinao das metas de consumo trmico atravs dos perfis;

4o passo : Delineamento das curvas de utilidades quentes e frias na GCCE;

5o passo : Determinao da temperatura mdia de fornecimento do vapor de alta presso;

6o passo : Clculo da carga trmica da caldeira;

7o passo : Delineamento das curvas de utilidades quentes e frias na GCCE;

8o passo : Clculo da demanda de energia do combustvel;

9o passo : Estimativa da temperatura adiabtica de chama dos gases de queima;

10o passo : Delineamento da curva do gs de queima;

11o passo : Determinao das exergias dos fluxos atravs das reas sob cada curva;

12o passo : Clculo do potencial mximo de gerao atravs das diferenas exergticas;

Embora os exemplos citados neste trabalho sejam referentes apenas a ciclos operando com

turbinas a vapor, a GCCE pode ser utilizada tambm em ciclos de turbinas a gs ou combinados.

A vantagem deste tipo de anlise que possvel visualizar em um nico grfico no apenas a

integrao trmica do processo, mas tambm o sistema de potncia, e isto de forma integrada

sendo, portanto, recomendada para avaliao de sistemas de cogerao.

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Captulo 3

Tecnologias de Gerao de Potncia

Como mencionado anteriormente no captulo 1, alm da queima do bagao diretamente em

caldeiras para a gerao de vapor, outra possibilidade que tm sido largamente estudada agaseificao da biomassa para a utilizao em turbinas a gs. Tanto os ciclos a vapor, como os

ciclos de turbinas a gs, ou a mesmo a combinao destes ciclos, possuem diversos arranjos e

tecnologias disponveis. Neste captulo feita uma breve reviso dos mesmos.

3.1 Ciclos de Turbinas a Vapor

Embora as pesquisas de gerao de eletricidade com a utilizao de turbinas a gs baseadas

na gaseificao da biomassa estejam avanando e demonstrem maior potencial, as nicas

tecnologias comerciais utilizadas para a gerao de energia eltrica atravs do bagao da cana,

ainda so baseadas nas turbinas a vapor. Segundo Bowell (1996), as turbinas a vapor podem ser

classificadas da seguinte forma:

Contra-presso: O vapor expandido na turbina sai acima da presso atmosfrica e

utilizado no processo;

Condensao: O vapor sai abaixo da presso atmosfrica e condensa em equipamentos a

vcuo;

Extrao (pass out): Parte do vapor deixa a turbina entre a entrada e a sada, onde um

conjunto de vlvulas regula o fluxo para a seo de exausto, mantendo a extrao na

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presso requerida pelo processo. Pode ser configurada tanto em turbinas de contra-presso

ou de condensao;

Presso mista (pass in): Alm do vapor de alta presso, utiliza vapor de menor presso

entrando na parte baixa da turbina. Usada com caldeiras de dupla presso, ou plantas

combinadas com turbinas a gs ou motores a diesel.

Em usinas de cana de acar, o tipo de turbina universalmente mais utilizado o de contra-

presso, onde o vapor de alta presso se expande e sai com presso entre 0,2 e 0,3 MPa (abs.)

para ser utilizado no processo. Entretanto, mesmo para os ciclos a vapor, este esquema est longe

de apresentar a melhor performance na gerao de potncia excedente, havendo outras

alternativas com maiores potenciais. Bowel (1996) sugere alguns esquemas de cogerao com

turbinas a vapor que visam maximizar a gerao de potncia, apresentando vantagens edesvantagens para os mesmos.

3.1.1 Utilizao de Turbinas de Contra Presso com Condensao Atmosfrica

Neste esquema, a mxima quantidade de vapor pode ser produzida do bagao disponvel,

para utilizao nas turbinas de contra-presso at o nvel de presso requerido pelo processo. O

excedente de vapor descarregado atravs de uma vlvula redutora para o condensador

atmosfrico (Figura 3.1).

Vantagens:

Baixo custo;

Familiaridade dos operadores com os equipamentos;

Aproveita todo o vapor disponvel para a gerao de potncia;

Mesmo se o vapor excedente for insuficiente para o condensador, o sistema ainda vai

funcionar.

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Desvantagem:

Energia entre a presso do processo e a do condensador atmosfrico perdida, e no

convertida em eletricidade.

Figura 3.1- Ciclo com turbinas de contra-presso e utilizao de condensador atmosfrico

3.1.2 Conjunto com Turbinas de Contra Presso e de Condensao

Neste caso, as turbinas de contra-presso fornecem o vapor para o processo, enquanto o

excedente de vapor utilizado em turbinas de condensao. Sistemas eletrnicos garantem o

controle de passagem de vapor com prioridade para o processo (Figura 3.2).

Vantagem:

Aproveita melhor o vapor disponvel para gerao de eletricidade.

Desvantagem:

Alto custo devido ao maior nmero de estgios e tamanho das ps da turbina de

condensao;

Condensadores a vcuo requerem bombas, tubos e torres de resfriamento maiores do que

os condensadores atmosfricos;

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Pouca flexibilidade para colocao ou retirada de operao da turbina de condensao,

devido s perdas de aproximadamente 15% do fluxo durante 30-40 minutos para acionar a

mquina fria (15-20 minutos para mquinas mornas).

Figura 3.2- Ciclo com utilizao de turbinas de contra-presso e condensao

3.1.3 Extrao-Condensao (CEST: Condensing-Extracion Steam Turbine)

Ao invs da combinao de turbinas de contra-presso e condensao, este sistema utiliza

uma nica turbina, na qual pode ocorrer a extrao para o vapor de processo de acordo com a

demanda e o excedente utilizado at a condensao (Figura 3.3-A). Segundo Srivastava (1997),

para a configurao dos turbo-geradores no se deve utilizar a combinao da contra-presso comturbina de condensao, pois o custo maior do que na turbina de extrao-condensao (CEST).

Vantagem:

Aproveita melhor o vapor disponvel para gerao de eletricidade com mais flexibilidade

de operao.PDFCreate!5

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3.1.4 Gerao de Vapor

A utilizao do bagao para gerao de vapor em usinas de acar ocorre desde o sculo

XIX. Primeiramente, apenas para o processo, o vapor substituiu o fogo que era utilizado

diretamente para a concentrao do caldo. Depois, passou a ser utilizado tambm para gerao de

trabalho mecnico em motores a vapor, que foram abandonados posteriormente, sendo

substitudos por turbinas a vapor. Embora haja vrias referncias de pequenas unidades de

gerao eltrica, a queima do bagao com esta finalidade passou a ser significativa apenas no

incio do sculo XX (Kinoshita, 1991).

Os sistemas de gerao de vapor com dupla utilizao, como fonte de calor e para a

produo de potncia, tm sido aprimorados aumentando a capacidade de gerao, os nveis depresso, de temperatura e de eficincia. Em usinas brasileiras, a gerao de vapor ocorre

normalmente entre presses de 1,8 e 2,1 MPa e entre temperaturas de 280 e 310o C, para ser

utilizada nas turbinas de contra-presso. Nesta configurao, embora haja possibilidades de

pequeno excedente de energia para a venda, a produo mdia de potncia praticamente o

mesmo consumo da usina. No caso em que se deseja maximizar a gerao de potncia essencial

que ocorra aumento de presso e temperatura. Alguns valores sugeridos esto na faixa de 3,2

MPa e 360o C, 6,0 MPa e 450o C, 8,0 MPa e 470o C, ou 10,5 MPa e 525o C (Walter, 1994). Para

estes nveis de presso, a gerao de potncia utilizando sistemas CEST pode aumentar para

valores entre 70 e 120 kWh/tc, disponibilizando um excedente de 50-100 kWh/tc para a venda

(Ogden et al, 1990).

Segundo Dixon (1999), a combusto e a gerao de vapor so os processos que requerem

os maiores investimentos em uma usina de acar e, tradicionalmente, o aumento da capacidade

tem sido realizada pela instalao de novas caldeiras que, entretanto, impem um grande e

desproporcional gasto econmico nas usinas. Por esta razo, muitas pesquisas esto dirigidas para

o desenvolvimento dos componentes da caldeira, procurando maximizar a queima do bagao,

melhorar a utilizao do calor radiante no equipamento e aumentar a gerao atravs de novas

tecnologias para os queimadores.

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Em ciclos a vapor, o bagao queimado in natura na caldeira, aps o processo de extrao

do caldo, quando possui em mdia 50% de umidade. Conforme este teor de umidade decresce,

aumenta o poder calorfico do bagao, permitindo maior capacidade na gerao de vapor. Isto

pode ser feito com a utilizao de secadores para o bagao, aproveitando o calor rejeitado pelo

gs da chamin, que se encontra em nveis de temperatura em que isto possvel. Esta medida,

entretanto, deve ser feita observando a relao custo-benefcio, comparando tambm a utilizao

do pr-aquecedor do ar de combusto, economizador para a gua de alimentao, ou sistemas

integrados contendo a utilizao simultnea destes dispositivos da caldeira. De forma geral, a

secagem do bagao traz um maior rendimento energtico do que o pr-aquecimento do ar, mas os

custos so mais elevados. Por esta razo, as analises dos projetos devem ser de forma integrada,

incluindo tanto os aspectos energticos, como os econmicos.

3.2 Ciclos de Potncia com Gaseificao do Bagao e Utilizao de Turbinas a Gs

Conforme mencionado anteriormente, o ciclo de turbina a gs apresenta o maior potencial

de gerao de energia eltrica, e com a utilizao desta tecnologia, as usinas brasileiras tm

condies de produzir entre 2-4 GW, se forem oferecidos incentivos financeiros e ambientais

(Walter e Overend, 1999). Neste caso, ao invs de queimar o bagao diretamente na caldeira para

a gerao de vapor, o bagao gaseificado (combustvel slido oxidado parcialmente para

formar um combustvel gasoso) e queimado em turbinas a gs (BIG-GT: Biomass Integrated

Gasifier/Gas Turbine). Os ciclos podem ser com injeo de vapor (BIG-STIG: Steam Injected

Gas Turbine) ou combinados (BIG-CC: Combined Cycle), e tm sido estudadas a partir do final

dos anos 80 (Ogden et al, 1990, Larson et al, 1990).

3.2.1 Ciclos BIG-CC(Biomass Integrated Gasif ier/Combined Cycle)

Um esquema do ciclo BIG-CC pode ser observado na Figura 3.4. Primeiramente, o bagao

gaseificado utilizando vapor e ar comprimido, passando a seguir para a remoo de partculas,

no controle primrio em um limpador de gases (ciclone), e posteriormente por outro controle

mais refinado, como um filtro de gs, antes de ser queimado em uma cmara de combusto

juntamente com o ar proveniente do compressor. Finalmente, o gs quente resultante da

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Figura 3.5- Ciclo de potncia BIG-STIG (Fonte: adaptado de Ogden et al, 1990)

3.2.3 Dificuldades Tecnolgicas

Os principais problemas mencionados pelos autores para este ciclo so tecnolgicos,

devido a indisponibilidade comercial dos gaseificadores, a dificuldade de alimentao do bagao

no equipamento, e problemas com a limpeza dos gases quentes antes da entrada na cmara de

combusto da turbina. Como o bagao possui muitos resduos alcalinos, esta etapa

indispensvel para a manuteno da cmara de combusto e da turbina a gs. Alm disso, neste

tipo de turbina o consumo de vapor de processo tambm deve estar em nveis bem baixos, como

ser mostrado no captulo posterior.

Para a limpeza dos gases, alm dos ciclones (Figura 3.4 e 3.5) que eliminam os resduos

maiores, na maioria dos ciclos propostos tm sido utilizado filtros cermicos para gases os

quentes. Este recurso ajuda a eliminar resduos menores e podem trabalhar com temperaturas

superiores a 1000o C, como o caso da gaseificao pressurizada (Turn, 1999). Para a eliminao

de agentes alcalinos resultantes da gaseificao da biomassa so utilizados sistemas resfriadores

de gs, que condensam e removem os mesmos antes da entrada nas turbinas. Souza-Santos

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(1999) patenteou um sistema em que os gases gerados nos gaseificadores no so diretamente

utilizados na cmara de combusto, mas fazem um aquecimento indireto do ar atravs de leito

fluidizado (suspenso de alumina na corrente de gs/ar), permitindo que os gases da turbina

tenham uma quantidade muito menor de resduos ou substncias alcalinas. Este sistema,

denominado pelo autor de ABIG/GT (AtmosphericBiomass Integrated Gasifier/Gas Turbine),

trabalha com a gaseificao em presso atmosfrica, diminuindo tambm outra dificuldade para

estes sistemas, que normalmente precisam fazer a alimentao do bagao de forma pressurizada.

No ltimo caso so utilizados dispositivos que operam de forma descontnua, com sistemas de

aberturas e fechamentos na alimentao do bagao, e que auxiliam a vencer os problemas de

gradiente de presso.

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Captulo 4

Tecnologia de Processo

O consumo de vapor de processo na usina um fator de grande influncia na gerao de

potncia, tanto para ciclos a vapor como em ciclos utilizando a tecnologia de gaseificao eturbinas a gs. Para os ciclos a vapor, como o processo normalmente utiliza o vapor na faixa de

presso de 0,25 MPa (abs.), este vapor no pode ser expandido para presses inferiores. Isto

diminui o potencial de gerao em turbinas de condensao ou em CEST, que aproveita melhor a

exergia e produz mais trabalho. Para o caso de ciclos BIG-GT, este um fator determinante para

a viabilidade deste tipo de projeto. Segundo Hobson et al (1999) o consumo mnimo no ciclo

BIG-CC deveria ser de 350 kg/tc, enquanto Ogden (1990) avalia que para o BIG-STIG o

consumo deveria estar situado entre 270 e 300 kg/tc.

Ogden et al (1990) apresenta um grfico com o potencial de gerao de eletricidade em

funo do consumo de vapor de processo (Figura 4.1). Observa-se nesta figura, que tanto para os

ciclos envolvendo tecnologias de turbinas a gs, como para turbinas de extrao-condensao, o

menor consumo de vapor de processo permite uma maior capacidade de gerao de potncia.

Coelho (1992), considera que os investimentos na reduo do consumo de vapor so uma

varivel importante no planejamento da usina, enquanto Bowell (1996), ressalta que essencial a

implementao de medidas de economia de energia, como eliminao de vazamentos de gua,

vapor e condensados e a reduo do consumo de eletricidade ao mnimo. J para Srivastava

(1997), as medidas de conservao de energia no so compulsrias, mas aumentam a viabilidade

das plantas de cogerao, pois aps a determinao do consumo e do investimento em algum tipo

de turbina, esta configurao no poder ser alterada facilmente.

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Figura 4.1- Potencial de produo de eletricidade e vapor em sistema de cogerao com

bagao (Ogden, 1990)

Para uma eficiente integrao do processo de produo, algumas operaes do processo que

so mais significativas em termos de consumo energtico global na planta so apresentadas nas

seesseguintes, descrevendo-se possveis medidas a serem adotadas para a reduo do consumo

de vapor.

4.1 Adio de gua (Embebio) durante a Extrao do Caldo

A extrao do caldo da cana pode ser realizada basicamente de 2 maneiras, atravs das

moendas ou dos difusores. Embora a mais tradicional e utilizada forma seja a moagem, em

determinadas regies a difuso tambm bastante utilizada, como o caso da frica. Alguns

processos alternativos tm sido desenvolvidos, buscando sempre melhores ndices de extrao,

com menores consumos globais para o processo, seja de energia trmica, potncia mecnica ou

de gua.

De forma geral, quanto maior o teor de fibra da cana, maior deve ser o teor de adio da

gua (embebio) durante a extrao do caldo. A maior taxa de embebio permite uma melhor

extrao da sacarose. Na questo de capacidade dos equipamentos e consumo energtico, quanto

maior a quantidade de gua adicionada, necessita-se de uma maior capacidade de tratamento e

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apostila unicamp - calculos açucar e alcool

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