Análise termodinâmica de projetos de cogeração na ... - Electo Eduardo Silva.pdf · Análise...

Análise termodinâmica de

projetos de cogeração na

indústria açucareira e a

sua relação com a

eficiência em caldeiras

Prof. Electo Eduardo Silva Loraelecto@unifei.edu.br

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

O Núcleo de Excelência

em Geração Termelétrica

e Distribuída

Instituto de Engenharia Mecânica

Universidade Federal de Itajubá

Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída

Alguns números do

NEST (1998 – 2006)

35 pesquisadores deles 7 doutores.

6 novos laboratórios.

Projeto e testes de 3 prototipos (MS, TV, MTG).

80 cursos de extensao, mais de 1500 alumnos.

22 dissertações de mestrado e 4 teses de doutorado defendidas. (17 e 11 em andamento)

8 projetos de P&D concluídos e 14 em andamento.

19 artigos publicados em revistas internacionais.

LINHAS DE ATUAÇÃO

I - GERAÇÃO TERMELÉTRICA E COGERAÇÃO

Estudos de viabilidade técnico-econômica de sistemas com

turbinas a vapor, turbinas a gás e/ou motores de combustão

interna.

II - TECNOLOGIAS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Avaliação teórico-experimental e projeto de microturbinas a

gás, motores Stirling e células a combustível

III - USO ENERGÉTICO DA BIOMASSA

Estudos avançados sobre a gaseificação, combustão e

geração de energia elétrica a partir da biomassa. Estudos de

disponibilidade de recursos e viabilidade econômica e

ambiental;

IV - BIO-METANIZAÇÃO DE

RESÍDUOS

Avaliação teórico experimental da

geração e uso energético de

biogás obtido a partir da vinhaça

e de aterros sanitários

V - REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO

Avaliação teórico-experimental de sistemas microturbina a

gás / chiller de absorção;

VI - TURBINAS A GÁS E A VAPOR

Análise de desempenho de turbinas a

gás e a vapor no ponto e fora do

ponto de projeto. Comportamento

operacional;

VII - MODELAGEM E DIAGNÓSTICO DE PROCESSOS TÉRMICOS

Otimização da operação e manutenção de unidades

energéticas. Modelagens de esquemas térmicos em

simuladores. Avaliação exergo-econômica de ciclos

combinados;

VIII - ASPECTOS AMBIENTAIS DO

USO DA ENERGIA

Medição da concentração de

particulados e poluentes gasosos

nos sistemas de combustão e

gaseificação de biomassa.

Dimensionamento e seleção de

separadores de particulados.

Análise do ciclo de vida.

Dispersão de contaminantes;

Gasificación de biomasa Células SOFC

Motores StirlingMicroturbinas de gas

Ciclo a vapor 80 kWeSimulador para entrenamiento

de operadoresde centrales termoeléctricas

Laboratório de simulación de sistemas y procesos térmicos

TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN DEL NEST EN EL SECTOR AZUCARERO

• Análisis termodinamico y exergo-economico de

sistemas de cogeneración.

• Optimización de programas de diversificación.

• Elaboración de programas para cálculos de proyecto

en calderas.

• Elaboración de programas para la selección de

tecnologias de control de la contaminación

atmosférica.

• Modelación de la producción de biogas por

biodigestion anaerobica de las vinãzas y uso

energético de este combustible.

• Análisis del ciclo de vida de diferentes productos

(electricidad excedente, vinazas, biodiesel).

• Oportunidades de las nuevas tecnologias (obtención

de etanol por hidrólisis del bagazo, biocombustíveis,

BIG/GT, células a combustible).

O NEST na internet

www.nest.unifei.edu.br

PUBLICAÇÔES

DO NEST

SERVIÇOS

CURSOS

BOLETIM NEST

BIOMASSA

BIOMASSA E MITIGAÇÃO DO EFEITO ESTUFA

2003 2050

Fundamentos de la cogeneración

INTRODUCCIÓN A LA COGERACIÓN

Sistemas de cogeneracion son aquellos enque se realiza, simultaneamente, y ensecuencia, la generación de energia elétrica omecánica y de energia térmica (calor deproceso y/o frio), a partir de la quema de uncombustible, tal como los derivados depetróleo, gas natural, carbón mineral obiomasa.

SISTEMA DE COGENERACIÓN

SISTEMAS DE COGENERACIÓN

Topping

Bootoming

Fundamentos de la cogeneración

C. Termica42%

Caldera90%

Generaciónconvencional Cogeneracion

Electricity35%

Heat

55%

100

Comb

Total

100

Economia energia = (144 - 100)144

= 30%

35

55

electricidad

calor

83

61

Comb

Total

144

CogeneracionLa mejor solución para la reducción de CO2

A B C D E F

% eficiencia

A Turbina de vapor con caldera a carbón

B C. Termica moderna a carbón con T.L

C Gasificación de carbon / turbina a vapor

D Ciclo combinado moderno a gas natural (CCGT)

E Cogeneración con carbón mineral

F Cogeneración con gas natural

0

20

40

60

80

100

% e

ffic

ien

cy

0

200

400

600

800

1000

CO

2-e

mis

sio

n (

kg

/MW

h)

CO2-emisiones

Potencial de cogeneración

Cogeneración en la indústria azucarera

Principales países productores de azucar de caña

Potencial global de cogeneracióna partir de la caña de azúcar

Proceso de cogeneración con bagazo de caña

Histórico de la cogeneración en la indústriade azúcar y álcohol en Brasil

Indicadores de eficiencia energética de un central

azucarero

Cvapor- Consumo específico de vapor en el proceso,

expresado en kg de vapor consumidos en el proceso de fabricación por

cada tonelada de caña molida (kg/tc). Otra forma de expresar el consumo

de vapor es como “por ciento de vapor en caña”.

Ig.bruto.- Índice específico de generación de

electricidad bruto, expresado en kWh de electricidad bruta,

incluyendo el consumo propio del central, por tonelada de caña molida

(kWh/tc).

Ig.exc.- Índice específico de generación de

electricidad excedente, expresado en kWh de electricidad

excedente (no es considerado el consumo propio del central) por tonelada

de caña molida (kWh/tc).

Ig.v- Índice de generación de vapor- representa los

quilogramos de vapor generados en la caldera por cada kg de bagazo

utilizado como combustible (kg de vapor / kg de bagazo).

-central azucarero típico- 550 kgv/tc,

20 kWh/tc de electricidad.

- fábricas modernas - 350 kgv/tc y 50

kWh/tc (50 TWh elect. excedente en el

mundo).

-centrales de Hawai- 60 kWh/tc(valor

medio), algunos 100 kWh/tc o más.

Tecnologias de cogeneración en la industria de azúcar y álcohol

Ciclo a vapor con turbina de contrapresión(convencional y más difundido)

Ciclo a vapor con turbina de condensación extraccion con altos parámetros del vapor (40-80 bars) (tecnologia comercial moderna y eficiente)

Ciclo combinado con gasificacion del bagazo y ciclo combinado con TG e TV (tecnologia BIG-GT en etapa de demonstración)

CICLO A VAPOR

Capacidade até 50 MW

Parâmetros: até 120 bars

: até 580 oC

Principais Fabricantes:

HPB

Dedini

Equipalcool

Caldema

TGM, NG metalurgica, Siemens

P = 0,25 MPa

TV ( geração elétrica): Vazão = 43,9 t/h W = 3,4 MW

TV ( acionamento mecânico): Vazão = 60 t/h W = 3,6 MW

P = 2,1 MPa T = 300 o C

Bagaço Umidade = 50 % (base úmida)

PROCESSO DE FABRICAÇÃO

Esquema de cogeneración con turbina de contrapresión

21,86 t/h 44,6 t/h

P = 0,25 MPa

TV ( extração/condensação):

W = 16,7 MW

TV ( acionamento

mecânico):

Vazão = 55,4 t/h

W = 3,6 MW

P = 8,0 MPa

T = 450 o C

Bagaço

Umidade = 50 %

(base úmida)

PROCESSO DE

FABRICAÇÃO

Esquema de cogeneración con turbinade condensación con extracciones

Caldeira APU-70-7GI-PSEpara bagaço de caña fabricada

pela empresa CALDEMA

Equipamentos Industriais

Ltda.

HPB

Esquema simplificado de un sistema BIG/BT

Balance de energia de sistemas TCE y BIG/GT

Resultados de la comparación de los sistemas BIG GT y TEC

El costo de generación

Inversiones necesárias para la reduccióndel consumo de vapor en proceso

Análisis termodinámica (exergo-económica) de

sistemas de cogeneración en la industria de azucar y

alcohol

Datos y parametros del central analizado

4.320.000 toneladas de cana;

300.000 toneladas de açúcar;

112.000 metros cúbicos de álcool (anidro+hidradato).

bagaço disponível: 280 t/h;

consumo de vapor de processo: 540 kgv/tc a 2,47 bar (abs.) e 128°C;

parâmetros de vapor na refinaria: 11 bar (abs.) @ 180°C ;

consumo de eletricidade: 13.000 kW (13,00 kWh/tc);

consumo de energia mecânica (moendas, etc): 17.000 kW (17,00 kWh/tc);

excedente gerado: 30.000 kW (30,00 kWh/tc) a 13,8 kV;

produtividade industrial: 69,44 kg de açúcar por tc; 25,93 litros de álcool por tc;

O modelo exergoeconômico nada mais é do queum sistema de equações que representamatematicamente a estrutura produtiva. Oobjetivo principal deste sistema é adeterminação dos custos unitários dosprodutos, permitindo ainda obter os custosintermediários e todo o processo de formação decustos na planta.

Para a construção do modelo exergoeconômicosão necessários conhecer os custos deinvestimento, operação e manutenção de cadaunidade real da estrutura produtiva, o custo docombustível e as exergias de cada fluxointermediário.

Descripción del Sistema de Cogeración del central Colombo

Capacidade de Produção 2003/04

Produção de Álcool [m3] 112.000

Produção de Açúcar [sacas 50

kg]6.000.000

Cana Moída [tc/h] 1000

Total dias da Safra / F.U [%] 210 / 85

Dados Energéticos do Processo

Consumo de Vapor do Processo [kgv/tc] 540

Consumo de Bagaço [ton/h] 240

PCI do bagaço [kJ/kg.K] 7500

Umidade Relativa do Bagaço [%] 51

Bagaço % Cana 28,00

Potência Instalada [MW] 55,00

Potência Operante [MW] 43,00

Consumo de Energia Elétrica [kWh/tc] 13,00

Consumo de Trabalho Mecânico [kWh/tc] 17,00

Potência Excedente [MW] 30,00

Caso Base

B1 B2 C1 C2

Caldeira: 22 bar (abs) @ 300°C SIM

Caldeira: 33 bar (abs) @ 320°C SIM

Caldeira: 63 bar (abs) @ 480°C SIM SIM SIM

Caldeira: 82 bar (abs) @ 520°C SIM SIM

TVCP Contra-Pressão 40 MW SIM

TVCP Contra-Pressão 15 MW SIM

TVCE Extração/Condensação 100 MW

SIM SIM SIM SIM

Consumo de vapor 540 kgv/tc SIM SIM SIM

Consumo de vapor 480 kgv/tc SIM SIM

Maximización da Generación de PotenciaQuatro Cenários propostos para comparação e avaliação dos

resultados

Indicadores de la Eficiencia Termodinámica del Sistema de Cogeneración

FUE (eficiência de primeira lei):

Fonte: (Horlock, 1987)

PCIm

QWFUE

comb

u

.

FESR (taxa de econômia de combustível):

THcald

u

comb

THcald

u

WQ

PCImWQ

FESR

).(

f

p

exergB

BW )( ηexerg (eficiência exergética):

Ie.exced.m (índice de eletricidade excedente):tc

WI exced

mexcede ..

Resumen de los Critérios de Desempeño

CenárioFUE[%]

FESR[%]

ηexerg

[%]Ie.exced.m

[kWh/tc]

Atual 82,20 13,73 22,69 30,00

B1 80,73 18,28 25,85 71,81

B2 78,16 16,74 25,01 73,81

C1 82,07 20,78 27,19 83,61

C2 79,53 19,37 26,35 85,60

A Primeira Lei leva a um resultado “confuso”

Sobrevalorização da Energia Térmica

Esquema actual del central estudiado

Escenário B

Escenário C

Evaluación exergoeconómica

Unidade Produtiva

Insumo (I)Produto

(P)

G.V Bbagaço B1-B12

B+M.E B8 B12-B11

T.G B1-B2-B5-B9 B7

Tandem B2-B4 B3

Processo m5.(b5-b10)+m4(b4-b10) B14

Estrutura Física

Base para a construção

da Estrutura Produtiva

da planta.

Estrutura Productiva

Unidades Equações

G.V C1.B1 = ZG.V+Ccomb.

J1 C3.B3 – (C2.B2+C1.B1) = 0

B C2.B2 – C6.B6a = ZB

S1 C4.(B4a+B4b+B4c) – C3.B3 = 0

T.G.C.E C5.B5 – C4.B4a = ZT.G.C.E

S3 C6.(B6a+B6b+B6c) – C5.B5 = 0

Tandem C7.B7 – C4.B4b = Ztandem

S2 C8.B8 – C4.B4c = 0

A Exergoeconomia permite

RATEAR / acompanhar o

processo de FORMAÇÃO

dos custos !!

Produto → Insumo

BagaçoEn. Elétrica

En. Mecânica

Calor Processo

Todo Insumo que entra na

planta reflete nos custos finais

dos produtos

Ambiente Económico

- Custos dos Equipamentos: trabalhamos com custos reais adquiridos

por empresas, fornecedores de equipamentos da usina.

- Custos Diretos: instalação, tubulações, instrumentação e controle, obras

civis, equipamentos elétricos e materiais, O&M.

- Anuidade: j=15% a.a , N=10 anos

- Custo Total

Determinados através de valores percentuais em

relação ao preço de aquisição do equipamento

Representación Matricial

1 1 . .

1 2 3 2

2 6 3

3 4 4 4 4

4 5 5 . .

5 6 6 6 6

4 7 7

4 8 8

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0*

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

G V comb

a B

a b c

a T G

a b c

b

c

B c Z C

B B B c

B B c Z

B B B B c

B B c Z

B B B B c

B B c

B B c

.

tan

0

0

C E

demZ

[Yi] . {Yc} = {Ye} → [Yi]-1. {Ye} = {Yc}

1 1

1 2 3 2

2 6 3

3 4 4 4 4

4 5 5

5 6 6 6 6

4 7 7

4 8 8

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0*

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

e

c

a

a b c

a

a b c

b

c

B k Q

B B B k

B B k

B B B B k

B B k

B B B B k

B B k

B B k

[Yi] . {Yk} = {Ye} → [Yi]-1. {Ye} = {Yk}

k = B* / B

Costo exergético de la energía, R$/MWh

64,24

54,07 53,98 53,93 53,97

85,5280,88 80,86

83,19 83,16

22,7819,07 19,76 20,34 21,05

0

20

40

60

80

100

A B1 B2 C1 C2

Cenários analisados

Cu

sto

esp

ecíf

ico

da e

nerg

ia p

rod

uzid

a

[R$/M

Wh

]

Energia Elétrica Gerada Energia Mecânica Produzida Calor Processo

Bagaço 100%

Perdas

Caldeira

14,0%

Perdas Redutores Vel. +

Geradores

3,0%

Energia Elétrica Gerada

8,60%

Pot. Mecânica Turbomoendas

3,40%

Calor Processo

70,20%

Condensado

0,20%

Perdas

Redutoras

0,60%

caldeira

turbogeradores

turbomoendas

Bagaço 100%

Perdas

Caldeira

10,0%

Perdas Redutores Vel. +

Geradores

2,0%

Energia Elétrica Gerada

17,42%

Pot. Mecânica Turbomoendas

3,00%

Calor Processo

59,11%

Condensado

0,33%

caldeira

turbogeradores

turbomoendasPerdas

Condensador

8,14%

Esquema A

Esquema C2

Diagramas de Sankey

Conclusões específicas: “Usina Colombo”

Caso Base: custo monetário da energia elétrica gerada,energia mecânica produzida e calor de processo foramde 64,24 R$/MWh, 85,52 R$/MWh e 3,81 R$/Tonv,respectivamente.

O custo exergético unitário e o custo monetário daenergia elétrica gerada no turbogerador I (4,25), (55,63R$/MWh) é menor que no turbogerador II (6,82), (68,98R$/MWh).

Detectou-se que na instalação atual da usina oequipamento menos eficiente é a turbobomba dosistema de baixa pressão.

A modificação das turbinas de acionamento do TandemIII de simples para múltiplos-estágios levou numaredução considerável nos valores do custo unitário dapotência mecânica produzida.

Cenário C1 “82 bar (abs.) @ 520°C com TVCE”apresentou o valor mais elevado para a taxa deeconomia de combustível 20,78% e a maior eficiênciaexergética 27,19%, com menor custo da energiaelétrica gerada (53,93 R$/MWh).

La cogeneración y la electrificación de los molinos

Dados básicos dos sistemas de cogeração das

usinas avaliadas

Usina A Usina B Usina C

Capacidade de Moagem [ton/h] 375 900 900

Geração de Vapor [ton/h] 1 190 157; 324 180; 300

Parâmetros do Vapor [bar abs @ C] 1 22 @ 30043 @ 400;

22 @ 305

66 @ 520;

43 @ 400

Número de Caldeiras 1 3 1; 4 1; 2

Consumo de Vapor de Processo [ton/h] 1 190 445; 31 354; 19

Pressão Vapor Processo [bar abs] 1 2,3 2,5; 22 2,5; 22

Produção de Eletricidade [MW] 2 5,10 / 0,00 24,40 / 1,05 58,50 / 32,50

Produção de Trabalho Mecânico [MW] 2 4,90 / 0,00 16,00 / 0,00 12,28 / 0,98

Exportação de Eletricidade [MW] 2 0,00 / 0,00 11,09 / 0,00 42,40 / 28,00

Consumo de Bagaço [ton/h] 2 83 / 0 210 / 12 227 / 67

Acionamento do Preparo e Extração 3 TSEParte TSE e

TME

Parte TSE,

TME e ME

Turbinas para Produção de Eletricidade 1,4 CP CP TCES; CP

Configuraciones del central A

Para a Usina A foram consideradas as seguintes configurações alternativas:

AE – Eletrificação, geração de vapor em 22 bar abs, instalação de TCES de 19 MW;

AMP – Eletrificação, geração de vapor em 22; 38 bar abs, instalação de TCES de 22,5 MW;

AAP – Eletrificação, geração de vapor em 66 bar abs, instalação de TCES de 36,5 MW;

AEAP – Eletrificação, geração de vapor em 82 bar abs, instalação de TCES de 40 MW.

Configuración AB – Central A caso base

Configuración AEAP – Central A electrificado / altos parámetros de vapor

Eficiencia de la generación de potencia

mecánica para la variante A

Ig.exc.- Índice específico de generación de

electricidad excedente para la variante A

Balanço de Energia (Diagrama de Sankey)

da Usina A com configuração AB e AAP.

Comentários sobre los diagramas de Sankey

A implementação da eletrificação das moendas juntamente com os parâmetros de alto vapor de cogeração conduzem a um aumento na energia elétrica disponível. O fluxo D vai de 2,98 unidades no caso AB até 16,15 unidades no caso AAP.

Tasa interna de retorno para las variantes analizadas

Eficiencia en calderas en sistemas de cogeneración

Drum

Furnace

Primary air heater IIIEconomizer

Superheater

Secondary air heater I

Primary air heater II

Primary air heater I

Forced draft fan

Forced draft fan

Induced draft fan

Forced draft fan

Secondary air heater II

Main bank

Relación entre la eficiencia de la caldera

y la temperatura de los gases de escape

Temperatura óptima de los gases de escape en calderas para centrales con cogeración

Abordaje I (precio del bagazo 30 R$/t) : 155 oC

Abordaje II (precio de la eletricidad): 120-130 oC

(I) (II)

Impactos ambientales de la cogeneración en la industria

de azucar y alcohol

y = 39,096Ln(x) + 189,09

R2 = 0,5546

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

Excesso de ar

NOx [ppm]

Impactos ambientales: NOx

Impactos ambientales: dispersión NOx

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5000 10000 15000 20000 25000

Distância (m)

Co

nce

ntr

açã

o (m

g/m

3)

NOx

NO2

Seqüê

ncia1

Padrão CONAMA [3]

Padrão OMS [4]

Abordagem 2 (NO2 = fj . NOx)

Impactos ambientales: Comparacion con las normas NOx

CONCLUSIONES

El costo de generación disminuye con el aumento de la capacidad de molienda del central, presenta un mínimo para un valor del consumo de vapor de 450 kg/tc y varia muy poco al pasar la presión del vapor de 60 para 80 bars.

La metodologia de análisis exergo-economica permite la determinación de los costos del vapor, trabajo mecánico y electricidad. Los menores valores observados fueron 53.93, 83.15 y 20.34 R$/MWh respectivamente,

Existe un potencial técnico significativo de expansión de la generación en el setor de azucar y alcohol através de la eletrificación de los molinos en conjunto con turbinas de condensación con extracciones en el rango de parámetros 66 bar / 520 ºC y 82 bar / 540 ºC.

CONCLUSIONES

La implementación de la eletrificación debe ser realizada simultaneamente con la instalación de turbinas de extracción/condensación (Mayor eficiencia de generación -TCE y uso de la energia – motores elétricos).

La comercialización de los créditos de carbono contribuye con aproximadamente el 10% del valor obtenido por la venta de eletricidad y entre 15 - 80% de la tasa interna de retorno de la inversión.

En aplicaciones de cogeneración la temperatura optima de los gases de escape en calderas debe estar en el rango de 120-130 oC, lo que corrresponde a una eficiencia de 88-89 %.

La emisión de óxidos de nitrógeno en calderas para bagazo depende principalmente del exceso de aire, factor este que puede ser utilizado para la prevencion de la formación de los mesmos.