controle de particulados

Silva E., Controle da Poluio do Ar na Indstria Aucareira

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6- TECNOLOGIAS PARA O CONTROLE DE PARTICULADOS EM CALDEIRAS A BAGAO: EXPERINCIAS DE OPERAO 6.1- MulticiclonesSegundo Allan & Fitzgerald (1972) na indstria aucareira da frica do Sul predominava naquela poca separadores do tipo multiciclone com clulas de aproximadamente 300 mm de dimetro. A eficincia de separao com os selos de descarga em bom estado e sem fugas internas era de aproximadamente 70 %. Na indstria Australiana o dimetro das clulas varia na faixa de 152-250 mm (Ford, 1989). Os separadores ciclnicos geralmente esto localizados antes dos ventiladores de tiragem induzida. Isto permite evitar o intenso desgaste erosivo ocasionado pela ao da cinza voltil nas ps dos mesmos. Assim, os separadores operam sob presses negativas, pois as imperfeies nos selos e unies soldadas provocam infiltraes de ar que afetam consideravelmente seu rendimento. Uma infiltrao de ar de 5 % pode duplicar a concentrao de particulados sada do separador (Ford, 1989). A extrao de 10-15 % do volume total de gs diretamente do silo de descarga do multiciclone aumenta a eficincia do mesmo, pois diminui o fenmeno de "re-entrada" das partculas mais finas de cinzas no fluxo de gs j limpo. A Figura 6.1 mostra o esquema de um separador multiciclnico instalado numa caldeira a bagao (Suyoto e Mochtar, 1995). A concentrao de particulados na sada est na faixa de 400-500 mg/Nm3 para uma eficincia mdia de 94,6 % (com a extrao de 10 % do volume de gs diretamente do silo). Tambm tm tido aplicao industrial separadores multiciclnicos com clulas tipo fluxo axial. Campanari (1995) com base na experincia do Centro de Tecnologia da COPERSUCAR (Brasil) sustenta que a densidade relativamente baixa da cinza e da fuligem do bagao exigem um projeto especfico dos multiciclones de alta eficincia com velocidade de entrada de gs menor que a aceitada nos projetos convencionais. A concentrao de cinzas no gs sada do 3 separador multiciclnico desenvolvido pela COPERSUCAR de 450 mg/Nm . As Figuras 6.2 e 6.3 mostram a instalao de multiciclones para caldeiras bagaceiras fabricada pela Equipalcool. O dimetro de cada ciclone est entre 0,7-1,0 m e a eficincia do multiciclone de aproximadamente 80 %. Atualmente os multiciclones so utilizados principalmente como uma etapa preliminar ao precipitador eletrosttico. A separao das partculas de maior dimetro antes do precipitador diminui a possibilidade de incndio no mesmo.

6.2- Lavadores de gsA Figura 6.4 mostra esquemas dos tipos de lavadores de gs mais utilizados na indstria aucareira (Allan, 1981). Experincias realizadas na frica do Sul permitiram 3 obter nveis de emisso de at 80 mg/Nm . Uma rea aberta de 23 % da bandeja com orifcios de 12 mm garante uma alta eficincia de separao. Flood et al. (1974) obtiveram nos testes realizados em vrios lavadores de gs eficincias superiores a 97 %. Geralmente, os lavadores de gs e os precipitadores eletrostticos constituem as nicas tecnologias que permitem cumprir com os valores normalizados de emisses limites permissveis.


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Figura 6.1- Separador multiciclnico instalado em caldeira para bagao (Suyoto & Mochtar, 1995).

Figura 6.2- Separador multiciclnico fabricado pela Equipalcool (Etapa de montagem)


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Figura 6.3 - Separador multiciclnico fabricado pela Equipalcool (Operao). A Figura 6.5 mostra um esquema de um lavador de gs tipo torre de nebulizao desenvolvido pelo Centro de Tecnologia da COPERSUCAR no Brasil (Cardoso e Macedo, 1982). Suas caractersticas principais so: queda de temperatura do gs t = 140-160 oC, queda de presso p= 35-50 mm de coluna de H2O, relao lquido/gs 3 3 QL/QG = 2 L/m e concentrao de particulados sada de 130 mg/Nm (COPERSUCAR, 1993). Atualmente trabalham na reduo da relao QL/QG (Campanari, 1995). Este tipo de lavador de gs junto com o decantador para uma caldeira de 120 t/h, tem um custo de US$ 270.103. J um sistema de multiciclones COPERSUCAR custa US$ 120.103 (Campanari, 1997). Os tcnicos da COPERSUCAR propem a criao de um circuito fechado para a gua dos lavadores de gs utilizando decantadores. Este sistema se caracteriza por uma reduo significativa do consumo de gua. O tratamento da gua inclui uma purga peridica utilizada na fertirrigao. As Figuras 6.6 e 6.7 mostram o sistema lavador de gases-decantador e os detalhes construtivos do decantador, respectivamente. Assumindo uma concentrao de cinzas nos gases de escape da caldeira de 5000 3 mg/Nm a concentrao final esperada com a instalao de diferentes sistemas de limpeza de gs a seguinte (Allan, 1981): Com separadores ciclnicos em duas etapas, uma velocidade de entrada do gs relativamente baixa e uma queda de presso de 50 mm de coluna de gua - 630 mg/ 3 Nm ; Com um separador ciclnico de mxima eficincia com extrao de gs do silo de 3 descarga e uma queda de presso de 100 mm de coluna de gua - 300 mg/Nm ; Com um lavador de gs de uma etapa e uma queda de presso de 125 mm de coluna de gua - 80-100 mg/Nm3.


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a)

b)

c)

a) Lavador de bandeja perfurada irrigada, b) Lavador de impulsor centrfugo fixo, c) Lavador tipo Venturi de "garganta inundada". Figura 6.4- Lavadores de gs mais utilizados na indstria aucareira (Allan, 1981).

Figura 6.5- Lavador de gs tipo torre de nebulizao desenvolvido pelo Centro de Tecnologia da COPERSUCAR (Cardoso & Macedo, 1982).


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Figura 6.6- Sistema lavador de gs-decantador (COPERSUCAR, 1993). V-1- Retentor de fuligem, V-2- Caixa de coleta de gua, S-1- Separador de fuligem, M-1- Moega, B-1- Bombas centrfugas, FCV- Vlvula de controle de fluxo, L-1Indicador de nvel, FE- Orifcio de restrio, P1-1- Manovacumetro, P1-2Manmetro.

Figura 6.7- Decantador para a gua do lavador de gs (COPERSUCAR, 1993).


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A Figura 6.8 ilustra as possveis variantes tecnolgicas para a separao de particulados em caldeiras a bagao. A disposio de um lavador de gs de bandeja perfurada, em relao aos ventiladores de tiragem induzida, numa caldeira de 150 t/h que queima bagao e carvo mostrada na Figura 6.9 ( Moor, 1985).5000 mg/Nm3

300 mg/Nm3

a) Multiciclone

5000 mg/Nm3

100 mg/Nm3

b) Lavador

5000 mg/Nm3

50 mg/Nm3

c) Precipitador eletrosttico 5000 mg/Nm3 50 mg/Nm3

d) Multiciclone + precipitador eletrosttico

Figura 6.8- Variantes tecnolgicas do processo de controle de particulados em caldeiras a bagao.


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Um lavador de gs custa aproximadamente a metade de um precipitador eletrosttico. Se for adicionado o custo do sistema de tratamento de efluentes (decantador, filtro de banda ao vcuo, bombas, etc) o custo aproximadamente o mesmo. Se o tratamento da gua utilizada for realizado no solo (por irrigao) o lavador de gs custar menos (Magsiner, 1996).

6.3- Precipitadores eletrostticosNa usina aucareira de Okeelanta perto de South Bay, na Flrida foi construda uma planta de cogerao de 70 MW que entrou em operao comercial em 1995. O controle de particulados realizado por precipitadores eletrostticos de trs campos em srie, fabricados pela ABB Environmental Systems e projetados para uma emisso final de 46 mg/kWh de particulados (McIlvaine, 1996). O precipitador utiliza coletores de descarga tipo espiral e a eficincia com bagao de 99,21 % (ABB, 1994). Nas caldeiras que queimam biomassa o alto contedo de coque nas cinzas faz com que o risco de incndio, com conseqentes danos ao precipitador, seja grande. A fim de controlar este fenmeno nos precipitadores de Okeelanta o projeto teve trs importantes modificaes (McIlvaine, 1996): O ventilador de tiragem induzida foi localizado antes do precipitador, a fim de assegurar que a unidade opere com presso positiva, o que reduz o risco de infiltraes de ar que pode propiciar a combusto; A remoo de cinzas dos silos realizada de maneira contnua por meio de roscas transportadoras, a fim de evitar a acumulao das mesmas; A frequncia de acionamento dos martelos de limpeza foi aumentada a fim de manter as placas coletoras livres de material potencialmente combustvel.

Figura 6.9- Disposio de um lavador de gs de bandeja perfurada em relao aos exaustores em uma caldeira de 150 t/h para bagao e carvo (Moor, 1985).


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As caldeiras desta planta de cogerao esto equipadas com sistemas de remoo de xidos de nitrognio por reduo no cataltica (injeo de NH3). A Figura 6.10 mostra as dimenses externas de um filtro eletrosttico num projeto desenvolvido pela ABB do Brasil para uma caldeira de 80 t/h operando com bagao de cana. O custo do sistema oscila entre $ 1,3-1,6 106 em dependncia da existncia ou no das facilidades de gruas para a elevao, assim como da experincia do pessoal local (Gaioto, 1997). A usina de acar de Bois-Rouge nas Ilhas Reunio possuem uma planta de cogerao de 60 MW (duas unidades de 30 MW). O sistema de remoo de particulados constitudo por um multiciclone, seguido de um precipitador eletrosttico. Com uma concentrao de particulados de 3000 mg/Nm3 na sada da caldeira, este sistema permite reduzir as emisses em at 100 mg/Nm3 quando a planta trabalha com bagao, e at 50 mg/Nm3 quando trabalha com carvo mineral (Robert, 1994). Nesta planta o precipitador eletrosttico tem somente 2 campos, o que no impede cumprir as normas de emisso (Magsiner, 1996). Segundo Grass & Jenkins (1994) a quantidade de campos geradores define a eficincia de remoo, assim para partculas de 1m com 1 campo a eficincia de aproximadamente 90 %, com dois, 97 % e com 3, ao redor de 99 %.

Figura 6.10- Dimenses externas de um precipitador eletrosttico para uma caldeira de 80 t/h operando com bagao de cana (Cortesia da ABB do Brasil). Existe uma evidente relao entre a concentrao de particulados na sada do precipitador e a rea especfica de coletores (m2 de coletores / m3/s de gs). A Figura 6.11 mostra esta dependncia para o caso de uma caldeira de leito fluidizado que utiliza biomassa como combustvel (Gaiotto, 1997).

6.4- Filtros de mangasNo existem referncias em relao utilizao de filtros de mangas para o controle de particulados em caldeiras a bagao, por causa do perigo de incndio. Estas


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caldeira caracterizam-se pelo arraste de grande quantidade de partculas incandescentes que podem constituir a causa de incndios nos filtros. Especialistas da ABB do Brasil consideram que com a implementao de sistemas de cogerao de grande capacidade deve-se passar combusto do bagao em caldeiras de leito fluidizado, sistemas com maior eficincia de combusto. Assim se excluiria o arraste de partculas incandescentes, e seria factvel a utilizao de filtros de mangas. Este o caso do Estado da Califrnia nos Estados Unidos onde 20 % das caldeiras que queimam biomassa utilizam filtros de mangas. A fim de diminuir os perigos de incndios limita-se a temperatura de operao (temperatura dos gases) a 290 oC e a relao ar/pano a 0,010,02 m/s.

Figura 6.11- Dependncia entre as emisses depois de um precipitador eletrosttico e a rea especfica de coletores para o caso de uma caldeira de leito fluidizado queimando biomassa (Gaiotto, 1997). REFERNCIAS ABB Environmental Systems Division, Proposal for electrostatic precipitator Okeelanta Cogeneration Project. 1994. ALLAN, G. N., A progress review of air pollution control in the South African sugar industry from 1972 to 1981. PROCEEDINGS OF THE SOUTH AFRICAN SUGAR TECHNOLOGISTSASSOCIATION 55 ANNUAL CONGRESS, pp. 3742, June, 1981. ALLAN, G. N. AND FITZGERALD, J. R., Air pollution control for bagasse fired boilers. PROCEEDINGS OF THE SOUTH AFRICAN SUGAR TECHNOLOGISTS ASSOCIATION 46 ANNUAL CONGRESS, pp. 79-91, June, 1972. BERNARD, R., Bois-Rouge power plant operates succesfully with bagasse and coal. INTERNATIONAL CANE ENERGY NEWS, July, pp. 3-4, 1994.


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7-

COGERAO, AMBIENTE

EFICINCIA

ENERGTICA

E

MEIO

7.1- IntroduoQuando se fala da poluio do ar na indstria sucroalcooleira pensa-se sempre na emisso de particulados, xidos de nitrognio e outros poluentes, como a propsito foi feito at aqui neste livro. Porm no podemos esquecer de outro problema de maior gravidade como o efeito estufa, em cuja soluo a indstria aucareira pode ter uma contribuio importante como produtora de combustveis lquidos e eletricidade de origem renovvel. Alm disso a substituio de combustveis e eletricidade de origem fssil por similares oriundos da cana-de-acar contribui para a reduo lquida das emisses de CO2 e outros poluentes. Assim o aspecto energtico da cana-de-acar alm de ter uma importncia econmica indiscutvel, apresenta tambm vantagens ambientais que devem ser consideradas. A fim de nos introduzir nesta problemtica analisemos primeiramente os aspectos tecnolgicos e econmicos da gerao de eletricidade no setor sucroalcooleiro, prtica conhecida como "cogerao". Num sentido mais rigoroso o termo cogerao define a "produo" simultnea de calor e eletricidade a partir de um mesmo combustvel, com a utilizao seqencial do calor de escape, e no somente a produo de excedentes de eletricidade a serem comercializados no mercado. Segundo dados de Herrera (1999), existem no mundo 70 pases produtores de cana-de-acar, com uma rea plantada de 12,7 milhes de hectares. A gerao de eletricidade com tecnologias modernas e um ndice de eletricidade excedente de 50 kWh por tonelada de cana representaria, para Amrica Latina e o Caribe, cerca de 2,07 1010 kWh. A cana-de-acar deve ser vista, de uma maneira integral como fonte de alimentos humano e animal, energia, fertilizantes e alguns outros subprodutos. Esta a variedade agronmica de maior eficincia no processo de fotossntese, utilizando 2-3 % da radiao solar incidente na produo de biomassa vegetal (Braun, 1994). O contedo global de energia nos resduos da cana-de-acar (bagao e palha) de 7,7 EJ (Braun, 1994), sendo o consumo total de energia comercial no mundo de aproximadamente 330 EJ. A comparao do custo de energia de outros tipos de biomassa, tais como, o eucalipto cujo valor de US$ 2,2 por GJ como valor mdio para o Brasil (Silva & Horta, 1998) com o custo do bagao e da palha de cana cujos valores oscilam entre US$ 0,28-1,68 por GJ e US$ 0,95-2,21 por GJ, respectivamente (Braun, 1994), permite classificar o bagao como biomassa de baixo custo, tornando rentvel a gerao de eletricidade com tecnologias de baixa eficincia durante a safra. Os indicadores mais importantes da eficincia energtica de uma usina de acar so: Consumo especfico de vapor no processo, expresso em kg de vapor Cvaporutilizados no processo de fabricao por cada tonelada de cana moda (kg/tc). Outra forma de expressar o consumo especfico de vapor como porcentagem de vapor em cana; Ig.bruto.- ndice especfico de gerao bruta de eletricidade, expresso em kWh de eletricidade bruta, incluindo o consumo prprio da usina, por tonelada de cana moda (kWh/tc);


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Ig.exc.-

Ig.v-

ndice especfico de gerao de eletricidade excedente, expresso em kWh de eletricidade excedente (no considerado o consumo prprio da usina) por tonelada de cana moda (kWh/tc); ndice de gerao de vapor- representa as quilogramas de vapor gerados na caldeira por cada kg de bagao utilizado como combustvel (kg de vapor/kg de bagao).

Kinoshita (1999) prope introduzir como ndice "integral" para usinas de acar cru a quantidade de energia lquida gerada por tonelada de fibra na cana. Neste caso os componentes energticos importados ou exportados da usina de acar (bagao, resduos, vapor, combustveis etc.) devem ser expressos em unidades equivalentes de eletricidade. Como vantagens deste ndice temos que considerar o consumo de combustveis ou de eletricidade importada, alm das diferenas no teor de fibra entre diferentes variedades de cana. No Brasil o teor de fibra na cana pode variar desde valores de 12,5 at 22,9 %, correspondendo os maiores valores as chamadas variedades de cana com alta biomassa (COPERSUCAR, 1999). Uma usina de acar tpica consome 550 kg de vapor por tonelada de cana moda, gerando 20 kWh/tc de eletricidade. Nas usinas modernas estes indicadores so de 350 kg/tc e 50 kWh/tc respectivamente. Em nvel mundial esta eficincia significaria uma gerao excedente de eletricidade de 50 TWh (Kinoshita, 1991). Nas Ilhas do Hava e Maurcio tem-se desenvolvido com sucesso programas para o acrscimo da gerao de eletricidade a partir da cana-de-acar. As usinas do Hava geram, em mdia, 60 kWh/tc, e algumas 100 kWh/tc ou mais. Isto foi conseguido pela implementao de um programa de modernizao que permitiu a operao das plantas de cogerao nas usinas de acar com parmetros de vapor de 50 bars e 400 oC (Kinoshita, 1991). Aplicando a primeira e a segunda leis da termodinmica a uma usina de acar, fica claro que, a obteno de altos ndices de gerao de eletricidade bruta possvel com a reduo do consumo de vapor no processo, e com a introduo de tecnologias de gerao de eletricidade de maior eficincia (Figura 7.1). No podemos esquecer, neste contexto, que a eficincia da gerao de vapor expressa como o ndice de gerao de vapor Ig.v. tambm um parmetro determinante (Figura 7.2).

Figura 7.1- Relao entre o ndice de gerao bruta de eletricidade Ig.bruto e o consumo de vapor em processo Cvapor para diferentes tecnologias de cogerao em usinas de acar.


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Figura 7.2- Relao entre o ndice de gerao bruta de eletricidade , o consumo especfico de vapor e o ndice de gerao de vapor nas caldeiras. A energia eltrica excedente gerada nas usinas de acar precisa ser vendida s concessionrias e chegar ao consumidor final. Vrios fatores tm incidido negativamente na compra e comercializao da eletricidade gerada nas usinas pelas concessionrias: Carncia de polticas energticas no passado que estimulem a gerao descentralizada de excedentes eltricos; Existncia de um monoplio estatal no setor eltrico; Ausncia de participao da iniciativa privada no mercado energtico; Tarifas de venda de eletricidade excessivamente baixas no remunerando adequadamente os autoprodutores; Falta de incentivos fiscais e financeiros para a gerao independente de eletricidade; Sazonalidade da colheita da cana-de-acar e dificuldades para garantir a gerao durante todo o ano. Atualmente em vrios pases observa-se a tendncia de incentivar a cogerao na indstria aucareira. Tem se reportado estudos e avanos neste sentido no Brasil, ndia , Tailndia, Costa Rica, Jamaica, Guatemala, Honduras, etc. No Brasil existe a expectativa de que sejam definidos preos competitivos para a venda de eletricidade s concessionrias recentemente privatizadas. O governo do Estado de So Paulo aprovou em setembro deste ano preos de compra da eletricidade gerada nas usinas de acar de 80 R$/MWh como uma medida para a reativao do Programa Brasileiro de lcool Combustvel PROLCOOL.


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Esta perspectiva est levando criao de joint ventures entre instituies bancarias e usinas de acar com o objetivo de se investir no acrscimo da capacidade de gerao e de se entrar no mercado de eletricidade. Um exemplo o acordo firmado entre o Banco Bradesco e algumas usinas de acar. Outro projeto considera a construo de uma termeltrica a bagao, sendo o combustvel fornecido por vrias usinas de acar.

7.2- Cogerao com tecnologias convencionais (ciclos de vapor).Atualmente existem dois tipos de tecnologias comerciais para a cogerao em usinas de acar: com turbinas de contrapresso e com turbinas de condensao/extrao. Vejamos o princpio de operao e as principais caractersticas tcnicas destes sistemas. Instalaes com turbinas de contrapresso. a tecnologia de gerao de eletricidade mais difundida nas usinas de acar do Brasil (Figura 7.3). Neste esquema a turbina de gerao eltrica no possui condensador e o vapor de exausto utilizado para suprir as necessidades de calor do processo, junto ao vapor de exausto das turbinas de acionamento mecnico de moendas, bombas e outros equipamentos. A principal desvantagem deste sistema a pouca flexibilidade em relao a variao de carga (porquanto a potncia eltrica fica determinada pelo consumo de vapor em processo) e a limitao tcnico-econmica em relao a implementao de altos parmetros de vapor.

Figura 7.3- Esquema do sistema de cogerao com turbina de contrapresso (TCP) para uma usina de acar de 200 tc/h de capacidade.


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Instalaes com turbinas de condensao extrao. As turbinas de condensao/extrao com altos parmetros do vapor (Figura 7.4) permitem, alm de um ndice mais alto de gerao de eletricidade excedente e menores custos especficos, uma maior flexibilidade entre os processos de produo de eletricidade e calor (Albert - Thenet, 1991). Nestes sistemas o vapor para as turbinas de acionamento mecnico a 2,1 MPa e o vapor para processo a 0,15 MPa so obtidos a partir de extraes na turbina. O vapor de exausto vai para um condensador, o que permite "separar" o fornecimento da carga trmica para processo da gerao de eletricidade. Ainda persiste a dvida com relao ao custo da eletricidade e eficincia de gerao de eletricidade e calor, quando se utilizam combustveis complementares durante o perodo de entressafra. Os esquemas das Figuras 7.3 e 7.4 correspondem a uma usina de 200 tc/h de capacidade de moagem, sendo que os parmetros de operao para as duas tecnologias analisadas so apresentados na Tabela 7.1. A Tabela 7.2 apresenta os indicadores tcnico-econmicos mais importantes dos dois sistemas.

Figura 7.4- Esquema do sistema de cogerao com turbina de condensao com duas extraes (TCE) para uma usina de acar de 200 tc/h de capacidade.


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Tabela 7.1- Parmetros de operao dos sistemas de cogerao TCP e TCE. Turbina de Contrapresso TCP 2,1 300 0,25 18 11 520 Turbina de Condensa o TCE 8,0 450 2,1 0,25 0,02 18 11 500

Parmetro

Unidade

Presso do vapor na sada da caldeira MPa o Temperatura do vapor na sada da caldeira C a Presso do vapor na 1 extrao MPa Presso do vapor na 2a extrao (presso MPa de processo) Presso no condensador MPa Consumo de energia para acionamento kWh/tc mecnico Consumo de eletricidade na usina kWh/tc Consumo de vapor para processo kg/tc

Tabela 7.2- Indicadores tcnico-econmicos dos sistemas de cogerao TCP e TCE (com presso do vapor de 8,0 MPa). Potncia Sistema de instalada cogerao (MWe) TCP TCE-80 3,4 17,2 ndice de eletricidade Investimento especfico excedente (R$/kWe) kWh/t cana kWh/t acar -0,35 -2,92 3911,88 68,53 571,05 1626,89

7.3- Cogerao com tecnologias avanadas (gaseificao de bagao e turbinas a gs)Uma quantidade considervel de eletricidade poderia ser gerada utilizando-se tecnologias avanadas de alta eficincia de converso. Neste sentido a tecnologia integrada de gaseificao e turbinas a gs (Biomass Integrated Gasifier Gas Turbine, BIG/GT) muito atrativa para sua implementao em usinas de acar com baixo consumo de vapor. A tecnologia BIG/GT est em fase de testes em vrios projetos na Europa e nos Estados Unidos. A Figura 7.5 mostra um esquema simplificado de um sistema tipo BIG/GT. Neste sistema inclui-se um gaseificador de bagao, equipamento que transforma o bagao num gs de baixo poder calorfico a partir do processo de converso a alta temperatura. Este gs combustvel contm particulados, alcatro, metais alcalinos e outros compostos que poderiam afetar a operao da turbina a gs. Assim, antes da introduo do gs combustvel na cmara de combusto da turbina este precisa passar por um filtro de limpeza. Os gases de exausto da turbina a gs possuem uma temperatura de aproximadamente 500 oC, e ainda podem constituir uma fonte de calor para a gerao de vapor numa caldeira recuperativa, que poderia ser utilizado num ciclo com turbina de vapor. Assim temos no ciclo combinado gs/vapor: uma seo superior com um ciclo Brayton de turbina a gs (I), e uma seo inferior, que utiliza como fonte o calor rejeitado pelo ciclo Brayton, constitudo por um ciclo Rankine com turbina de vapor (II). Esta caracterstica de aproveitamento (converso) do calor "em cascata" faz


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com que este ciclo combinado tenha uma eficincia maior que os ciclos convencionais de vapor. Na literatura tcnica o esquema de ciclo combinado com gaseificao de biomassa chamado de ciclo BIG/CC. Caso se precise vapor de processo, bastaria realizar uma extrao da turbina de vapor. Teramos ento um sistema BIG/GT com cogerao. Durante a gaseificao o objetivo principal a converso da biomassa em um gs combustvel, atravs de sua oxidao parcial a temperaturas elevadas. Este gs, conhecido como gs pobre ou producer gas, um energtico intermedirio, e poder ser empregado mais adiante em outro processo de converso, a fim de gerar calor ou potncia mecnica, adequando-se a sistemas em que a biomassa slida no possvel de ser utilizada. Basicamente o contedo mdio dos compostos combustveis no gs resultante da biomassa , para o CO entre 10 e 15%, para o H2 entre 15 e 20% e para o CH4 entre 3 e 5%.Filtro para a limpeza de gases Gaseificador Biomassa CICLO BRAYTON Cmara de combusto

I

Compressor

Turbina a gs

Turbina de vapor

CICLO RANKINE Condensador

Caldeira recuperativa

Processo Tecnolgico

II Figura 7.5- Esquema simplificado de um sistema BIG/GT. Os gaseificadores de leito fluidizado so considerados mais convenientes para aplicaes em sistemas BIG/GT, devido a sua alta flexibilidade em relao ao combustvel (permitem utilizar combustveis de baixa densidade com granulometria fina, como o caso da maioria dos resduos agroindustriais), e pela facilidade de se utilizar dados obtidos em instalaes piloto para o projeto de equipamentos em escala industrial. Os sistemas pressurizados permitem dispor de instalaes mais compactas, ainda que o sistema de alimentao da biomassa seja mais complicado. Segundo a empresa Studsvik, as vantagens da alta presso so mais evidentes para instalaes de potncia 50-80 MWe (Blackadder et al., 1993). Na atualidade, esto em fase demonstrativa vrios sistemas de gaseificao em leito fluidizado para aplicaes em grande escala ( esquematizados nas Figuras 7.6 a 7.9). A Tabela 7.3 mostra um resumo dos parmetros de operao e eficincia destes sistemas e de outros projetos relacionados com a gaseificao de biomassa em leito fluidizado.


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Descrio dos sistemas modernos de gaseificao em leito fluidizado: Gaseificador atmosfrico da TPS (Figura 7.6) Este sistema foi selecionado para o Projeto SIGAME, uma planta de ciclo combinado de 30 MW de potncia que se constroi no Estado da Bahia, no Brasil. O combustvel a ser utilizado madeira de plantaes de eucalipto. Como aspecto distinto deste sistema temos o reator de craqueamento do alcatro presente nos gases com dolomita. A empresa Lurgi tem desenvolvido um sistema semelhante. Gaseificador de leito fluidizado circulante pressurizado da Alhstrom/Bioflow (Figura 7.7). o sistema utilizado na planta de Varnamo, na Sucia. Gaseificador de leito borbulhante pressurizado do Institute of Gas Technology IGT, com o nome comercial de RENUGAS.(Figura 7.8) Este tipo de gaseificador est sendo avaliado em um projeto nas Ilhas do Hava, utilizando bagao de cana como combustvel. A empresa Enviropower tem comprado esta tecnologia. Gaseificador atmosfrico de aquecimento indireto dos Laboratrios Battelle Columbus (Figura 7.9). Est sendo utilizado no projeto Vermont, em Burlington. Apresenta como vantagem a obteno de um gs de maior poder calorfico (como agente de gaseificao utiliza-se vapor, o que evita o efeito de diluio do nitrognio do ar). Esta particularidade permite operar uma turbina a gs convencional sem grandes modificaes construtivas.

Figura 7.6- Gaseificador de biomassa da TPS.


133

Figura 7.7- Gaseificador de biomassa desenvolvido pela Alhstrom (Bioflow).

Figura 7.8- Gaseificador de biomassa do IGT RENUGAS.


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Figura 7.9- Gaseificador de biomassa dos Laboratrios Battelle Columbus. Tabela 7.3- Parmetros de operao e eficincia em projetos demonstrativos de gaseificao de biomassa em leito fluidizado circulante. EmpresaAlhstrom/ Bioflow TPS Lurgi Studsvik1 IGT/ RENUGAS2 BCL3 Omnifuel4

Agente de gaseificaoar ar ar ar ar + vapor vapor ar

Cap.MWt 18 65 16 20 20 40 23

Presso de operaoMPa 2,40 0,18 0,10 2,07 0,17 0,1

Temp. do leitoo

PCI gsMJ/Nm3 5,00 7,0 - 8,5 4,3 - 4,8 13,2 4,99

Eficincia do gaseificador% 82-83 43 94-96 -

C

950-1000 800 800-900 830 760

1. 2. 3. 4.

Foram gaseificados pellets de lixo. A relao vapor/biomassa - 0,32. A relao vapor/biomassa- 0,45. O gaseificador da Omnifuel de leito fluidizado convencional.

Atualmente, na Europa e nos Estados Unidos, esto em construo vrias plantas demonstrativas, durante a operao das quais pensa-se em resolver os problemas de operao ainda existentes. Os parmetros principais, equipamentos utilizados, custos e etapa de realizao destes projetos so apresentados nas Tabelas 7.4 e 7.5 (Benackers & Maniatis, 1996). Na ausncia de parmetros reais de operao de plantas BIG/GT a escala industrial tem-se trabalhado muito na modelagem destes sistemas, utilizando as tecnologias de gaseificao, limpeza de gs e turbinas, j disponveis.


135

Tabela 7.4- Projetos BIG / GT da Comunidade Europia (Beenackers & Maniatis,1996). DadosNome e localizao Tipos de biomassa Gaseificador Parmetros de operao (gaseificador) Turbina a gs Potncia eltrica Eficincia de gerao de eletricidade

Unidades -

Projetos BIOFLOW, ARBRE, BYOCICLE, ENERGY Aire Valley, TBD, FARM, Di Varnamo, Gr-Bretanha Dinamarca Cascina, Itlia Suciamadeira TPSatmosfrico circulante 850-900/1,5 madeira e sorgo Carbona OYLeito fluidizado pressurizado 850-950/22 madeira e sorgo Lurgi- Leito fluidizado circulante atmosfrico 800/1,4 resduos de madeira Alhstrom Leito fluidizado pressurizado 950-1.000/22

-

o

C/atm

EGT/Typhoon EGT/Typhoon EGT/Typhoon EGT/Typhoon MWe % 8,0 30,6 7,2 39,9 11,9 33,0 6,3 32,0

Tabela 7.5- Projetos BIG/GT nos Estados Unidos (Beenackers & Maniatis, 1996). DadosNome e localizao Tipos de biomassa Gaseificador Potncia eltrica Eficincia de gerao de eletricidade

UnidadesMWe %

ProjetosBGF, Hava Bagao de cana IGT- Renugas, leito fluidizado pressurizado 5,0 30-35 Vermont, Burlington Madeira BCL- Atmosfrico de aquecimento indireto 15,0 -

Em julho de 1991 foi iniciado no Brasil o projeto Wood Biomass Project/Sistema Integrado de Gaseificao de Madeira para a Produo de Eletricidade (WBP / SIGAME), com o objetivo de demostrar a viabilidade da gerao comercial de eletricidade a partir da madeira (eucalipto), com a tecnologia BIG/GT, empregando uma turbina a gs GE (LM 2500) e gaseificador com leito fluidizado da TPS, comentado anteriormente. Este projeto financiado pelo Global Environmental Fund (GEF) do Banco Mundial, e a capacidade prevista da planta de 32 MW, com uma eficincia de 43 % (calculada com base no poder calorfico inferior). Atualmente tal unidade est em fase de implantao, e suas caractersticas principais esto apresentadas na Tabela 7.6 (Carpentieri, 1997).


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Tabela 7.6- Dados principais do projeto WBP-SIGAME Dados Capacidade Eficincia Consumo de combustvel Investimento especfico Investimento total Trmino de montagem Operao em demonstrao at Valor 32 MW 43% 0,75 t/MWh 2.560 US$/kW US$ 110 milhes 2002 2005

A tecnologia BIG/GT no tem sido implementada ainda em usinas de acar. Vrias simulaes tem sido realizadas por diferentes autores, e na Austrlia e no Brasil cogita-se a construo de uma planta piloto de 3-5 MWe de potncia a fim de aproximar a chegada desta tecnologia ao seu estgio comercial. Um avano interessante foi a realizao de testes de gaseificao de bagao pela TPS como parte do projeto "BRA/96/G31 Gerao de Energia por biomassa: bagao de cana e resduos" que est sendo desenvolvido pelo Centro de Tecnologia COPERSUCAR. Hobson & Dixon (1998) realizaram um estudo sobre a possibilidade de implementar sistemas BIG/GT nas condies das usinas de acar australianas. O esquema trmico analisado mostrado na Figura 7.10. As concluses principais da modelagem foram: Para um consumo especfico de vapor de 520 kg/tc (52 % de vapor em cana) a energia dos gases de escape da turbina no suficiente para gerar o vapor de processo. Para este nvel de consumo de vapor 70 % do bagao deve ser desviado do gaseificador e alimentado diretamente nos geradores de vapor; A reduo do consumo de vapor de 520 kg/tc a 400 kg/tc, aumenta a potncia disponvel do sistema BIG/GT de 88 a 148 MW. Uma reduo adicional no consumo de vapor at 320 kg/tc conduz ao acrscimo moderado da potncia at 153 MW. Na mesma faixa de valores analisados, um sistema de vapor convencional aumenta a potncia disponvel desde 37 at 43 MW (Figura 7.11); A eficincia de gerao anual utilizando a tecnologia BIG/GT com a recuperao da palha de cana (37 %) quase 4 vezes maior que com a melhor tecnologia atualmente disponvel.

Turn (1998) apresenta os resultados de um estudo considerando a inplementao de um sistema BIG/GT na usina de acar Okelele Sugar Company em Hava, com uma capacidade de moAGEM de 120 tc/h e um consumo de vapor de 420 kg/tc. A potncia lquida da turbina de gs de 18,8 MWe, correspondendo 4,5 MWe ao ciclo de vapor de 41 bar de presso. No perodo de entressafra o sistema BIG/GT opera como uma central termeltrica de 25,4 MWe e 28,5 % de eficincia utilizando um combustvel auxiliar. Outro estudo considera a utilizao de turbinas a gs com injeo de vapor (tipo Steam Injected Gas Turbine, STIG) e foi realizado utilizando dados tcnicos da usina de acar Monimusk localizada na Jamaica (Larson et al., 1987). Como resultado obtevese um potencial de gerao de eletricidade excedente de 220 kWh/tc com uma reduo no consumo de vapor no processo de at 300 kg/tc.


137

Um interessante estudo comparativo com diferentes opes de cogerao para a indstria aucareira foi realizado por Walter (1996).

Figura 7.10- Esquema de um sistema BIG/GT acoplado ao esquema trmico de uma usina de acar (Hobson e Dixon, 1998).

Figura 7.11- Resultados da simulao da implementao de um sistema BIG/GT numa usina Australiana de 600 tc/h de capacidade (Hobson & Dixon, 1998).


138

7.4-Consumo de vapor no processoTanto no caso de turbinas de condensao/extrao como no de sistemas avanados BIG/GT importante reduzir o consumo de vapor no processo de fabricao, a fim de gerar mais eletricidade. No caso do sistema BIG/GT esta uma condio necessria, pois caracteriza-se por uma pequena produo de vapor. Sendo que o consumo de vapor influi, consideravelmente, sobre o ndice de gerao excedente, importante conhecer quais so os valores mnimos possveis de atingir utilizando diferentes tecnologias e qual o investimento correspondente. Geralmente, a proposta de tecnologia de alta eficincia inclui um sistema de evaporao com cinco ou seis estgios (efeitos), aquecedores de caldo por condensado ou regenerativos, substituio parcial ou total dos evaporadores convencionais por evaporadores de pelcula descendente (Figura 7.12), tachos contnuos (Figura 7.13) e outras tecnologias de alta eficincia energtica. A Tabela 7.7 resume os resultados de algumas publicaes sobre esta temtica. Observa-se que o menor valor de consumo de vapor obtido foi de 258 kg de vapor/tc. Com relao aos custos da reduo do consumo de vapor um estudo realizado pelo Centro de Tecnologia COPERSUCAR para uma usina de 300 tc/h mostra um valor de US$ 3,5 106 para atingir 340 kg vapor/tc e de US$ 7 106 para 280 kg vapor/tc.

7.5- Cogerao e diversificaoA cogerao um componente importante em qualquer programa de diversificao produtiva na indstria sucroalcooleira. Estes programas podem incluir tambm a produo de alimento animal, compensados, furfural e outros subprodutos. Na Figura 7.14 destaca-se a importncia econmica da implementao de tecnologias avanadas de cogerao no setor aucareiro. Observa-se, porm, que para a capacidade de moenda considerada durante os clculos, no se tem uma vantagem substancial quando se passa de 4,2 a 6,0 e 8,0 MPa de presso de operao das caldeiras. Considerando o investimento realizado e as quantidades de eletricidade excedentes, a variante com 6,0 MPa de presso resulta ser a mais conveniente.

Figura 7.12- Esquema de um evaporador de pelcula descendente (Bhagat, 1996).


139

Figura 7.13- Esquema de um tacho contnuo (Jourmet, 1997). Tabela 7.7 Valores mnimos do consumo de vapor em processo na indstria de acar e lcool obtidos como resultado da modelagem de diferentes variantes de sistemas de alta eficincia. Consumo de vapor kg/tc 295 Comentrios sobre a tecnologia e parmetros assumidos nos clculos.

Referncias

270

258

280

Evaporador de 6 efeitos, usina totalmente eletrificada, Chang et al., presso de 80 bar e turbina de extrao/condensao. 1999 Wunch & Quntuplo efeito com dois evaporadores de pelcula Arramdescendente (4o e 5o estgios), parmetros do vapor 8,5 MPa Waganoff, e 525 oC, acionamento das moendas com vapor. 1999 Quntuplo efeito com evaporadores de pelcula descendente, aquecedores de caldo por condensado e tacho contnuos. Ogden et al., Clculos realizados em base da usina de acar Monimusk na 1990 Jamaica, 175 tc/h. Usina de acar com destilaria anexa. Quntuplo efeito. Extrao de vapor do 1o, 2o, 3o e 4o efeitos para o aquecimento do caldo. Trocadores de calor regenerativos CTC, 1998 caldo/vinhaa e caldo/caldo. Agitao mecnica nos tachos. Tecnologia Flystel e peneiras moleculares na destilaria. Extrao de vapor desde o 5o efeito para os tacho.


140

16

Lucro Bruto , U S$/tc

14 12 10 8 6 4 2 0

TCP

TCE - 40

TCE - 60

TCE - 80

BIG GT

Custo de Gerao, US$/tc

Lucro Lquido, US$/tc

TCE-40, TCE-60 e TCE-80 Turbinas de condensao/extrao com presso do vapor de 4,0, 6,0 e 8,0 MPa respectivamente. Figura 7.14 - Lucro bruto e lquido por tonelada de cana moda para diferentes tecnologias de cogerao e um preo de venda da eletricidade de 44,9 US$/MWh. Um aspecto interessante o significado econmico da implementao de tecnologias mais eficientes. Assim com a tecnologia BIG/GT, que se caracteriza por um custo de investimento maior, e portanto, por um custo maior de gerao da eletricidade (referindo-se as toneladas de cana moda), pode-se obter um lucro lquido maior. A Figura 7.15 mostra os componentes do lucro lquido especfico (por tonelada de cana moda) para uma usina no diversificada, isto , que produz s acar e lcool e para duas variantes de diversificao com diferentes tecnologias de cogerao. Estes dados foram obtidos com base em uma usina de 150 tc/hora operando nas condies do Brasil. Os lucros lquidos especficos correspondentes a engorda de gado e ao lcool so pequenos se comparados com aqueles correspondentes ao acar e melao. J os lucros da venda de eletricidade excedente so considerveis (Figura 7.15). No entanto, deve-se salientar que para a alternativa com turbina de extrao/condensao, ainda com altos parmetros de vapor, o acar continua sendo o produto que proporciona maiores lucros. Na alternativa de diversificao com a implementao de um sistema BIG/GT, devido s caractersticas do mesmo de gerar grandes excedentes de eletricidade, esse produto passa a ter o maior peso na distribuio do lucro especfico. Observa-se que para o contexto analisado, a diversificao poderia chegar a duplicar o lucro lquido especfico, aumentando a atratividade do negcio e oferecendo enormes vantagens sociais e ambientais. Para realizar os clculos que geraram as Figura 7.15 considerou-se o seguinte: O peso inicial mdio do novilho Nelore para engorda em confinamento de 300 kg;


141

No Brasil o perodo da seca, caracterizado pela escassez de gros e forragens, coincide com o perodo de safra, o que possibilita a instalao de um "BOITEL" (alojamento temporrio para o gado) dentro da prpria usina, onde o gado confinado por um perodo pagando uma diria por novilho at que estejam prontos para o abate, depois de 5 meses aproximadamente; A rao utilizada para a engorda est composta por 18,83 % de bagao hidrolizado, 5,19 % de levedura torula e 2,59 % de melao, que possui tambm 61,13 % de silagem de milho, 6,89 % de polpa ctrica peletizada, 4,82 % de farelo de soja e 0,55 % de calcreo calctico.

12

Lucro total, US$/tc

10 8 6 4 2 0 No diversificado TCP Diversificado TEC - 2 Diversificado BIG GT

Lucro Lucro Lucro Lucro

lquido lquido lquido lquido

pelo engorde do gado bovino pela venda de lcool pela venda de acar e melao pela venda de eletricidade

Figura 7.15 - Lucro lquido total e por produtos para uma usina de 150 tc/h de capacidade sem a diversificao e assumindo que a diversificao foi implementada.

7.6 O problema do combustvel auxiliar para a entressafraExistem vrias opes para o fornecimento de combustvel auxiliar no perodo de entressafra, algumas j aplicadas em alguns pases e outras em etapa de estudo. Em geral as possveis variantes so: Os resduos agrcolas de cana, que incluem as folhas e pontas, alm da palha; O carvo mineral; O gs natural; A madeira de florestas energticas. A opo do carvo mineral aplicada nas Ilhas Maurcio e na frica do Sul, onde se desenvolveu a tecnologia para a queima alternada de bagao e carvo mineral nas caldeiras. A possibilidade de se utilizar a madeira de eucalipto proveniente de


142

florestas energticas, como combustvel em usinas de acar na poca de entressafra, foi analisada por Van den Broek & Van Wijk (1997) para as condies tpicas da Nicargua. Estes autores fazem uma anlise tcnico-econmica comparando a madeira de eucalipto e o Diesel para gerao de energia eltrica. Para um custo energtico do eucalipto de US$ 1,3 por GJ, o custo de gerao resulta em US$ 0,04 por kWh, ou seja US$ 0,015 por kWh menor que o custo ao se utilizar o diesel. Com relao ao resduos agrcolas da cana torna-se necessrio apontar alguns aspectos: Quantidade disponvel: De acordo com COPERSUCAR (1999), para cada tonelada de cana colhida manualmente, 0,14 toneladas (Base seca) de pontas e folhas ficam no campo. As folhas exercem um papel importante na manuteno da umidade e fertilidade do solo. Como resultado de experincias realizadas em Porto Rico, determinou-se que 30 a 50% da palha suficiente para conservar a fertilidade do solo. Por outro lado considera-se que 50% da palha suficiente para manter a gerao eltrica fora de safra em uma usina moderna. As quantidades de palha coletada nos testes realizados em diferentes pases foram (USAID, 1989): Repblica Dominicana - 12,0 t/ha; Costa Rica - 11,0 t/ha; Tailndia - 13,6 t/ha; Filipinas - 10,0 t/ha; Cuba - 4,0 a 7,0 t/ha em base seca (Aguilar et al., 1996). Brasil 14,4 t/ha, equivalente a 140 kg de resduo seco por tonelada de cana (COPERSUCAR, 1999).

Caractersticas tcnicas da palha de cana e de suas cinzas: A Tabela 7.8 apresenta as caractersticas tcnicas da palha de cana-de-acar (poder calorfico inferior, umidade e contedo de cinzas) segundo diferentes autores. Tabela 7.8- Caractersticas tcnicas da palha e do bagao de cana. Contedo Poder calorfico inferior Umidade de cinzas (PCI - base seca), MJ/t 1 15,62 7,80 30,38** 9,40 2 12,48 25,30 7,00 3 15,88 7,20 4 15,86 13,20 5* 14,80 50,00 6,00 *Dados do bagao de cana para comparao; **- 30,38 o contedo de umidade inicial, a partir do mantm-se mais ou menos constante em torno de 7,8 %. Referncias Alvarez et al. (1986) Aguilar et al. (1996) Arias et al. (1992) Armas & Rubio (1990) Magasiner (1996) quinto corte a umidade

Na Tabela 7.9, tem-se a composio qumica das cinzas da palha de cana e, para comparao, so mostrados, tambm, os dados correspondentes cinza do bagao da cana.


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Tabela 7.9- Composio qumica das cinzas da palha e cana-de-acar (Arias et al., 1992) Componentes qumicos da cinza Combustvel SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 K2O Na2O Palha de cana 64,71 4,21 13,77 6,22 1,37 6,87 1,00 Bagao 67,52 3,50 7,60 3,50 8,95 3,75 2,17 Custo de colheita e enfardamento (USAID, 1989): Repblica Dominicana (Usina Romana) - US$ 7.10 por tonelada; Filipinas - US$ 18.00 por tonelada; Jamaica (Usina Monymusk) - US$ 8.47-10.44 por tonelada; Costa Rica (Usina El Viejo) - US$ 11.80 por tonelada; Tailndia (Usina Nong Yai) - US$ 16.00 por tonelada.

P2O5 0,27 1,70

SO3 0,01 0,03

O custo neste caso depende consideravelmente da quantidade total de palha coletada, sendo menor quanto maior for a mesma. Os indicadores tcnico-econmicos de diferentes sistemas de cogerao e o custo de gerao nos perodos de safra e de entressafra so apresentados na Tabela 7.10. No foi assumido um custo zero para o bagao, ele foi realmente considerado um resduo de baixo custo (R$ 5 por tonelada), o que fica mais perto da realidade. Alm disso, para o perodo de entressafra, no se determinou o custo da eletricidade gerada com combustveis auxiliares para o sistema TCP pois no existem consumidores de calor e, desta forma, no justificaria gerar energia eltrica por este sistema. Este o fato da baixa flexibilidade dos sistemas TCP, descrito anteriormente. A disponibilidade de gs natural no Estado de So Paulo permite considerar a possibilidade de utilizao deste combustvel na poca de entressafra. A faixa de variao de preos dos combustveis foi determinada a partir de dados obtidos na literatura, a fim de realizar um estudo de sensibilidade O carvo mineral no foi considerado tendo em vista problemas ambientais (grandes emisses de SO2, particulados, etc.). Finalmente para a avaliao tcnico-econmica dos sistemas de cogerao operando na entressafra foram selecionados como combustveis complementares a palha de cana, o eucalipto e o gs natural. Os resultados da Tabela 7.10 mostram que o eucalipto cultivado e a palha so os combustveis complementares com menores custos de gerao. O gs natural constitui uma opo confivel, considerando os investimentos atuais e sua utilizao em grande escala. O custos atuais do eucalipto comprado inviabilizam seu uso como combustvel complementar em sistemas com turbinas de condensao. A Figura 7.16 mostra os custos de gerao para trs valores de preo dos combustveis complementares e a 7.17 o valor do custo de gerao considerando os preos mdios atuais de cada combustvel no mercado.


144

Tabela 7.10- Custos de gerao de eletricidade e calor dos sistemas de cogerao para os perodos de safra e entressafra. O preo do combustvel est expressado em R$/t e o custo de gerao em 10-3 R$/kWh. Custo em safra 141,0 47,0 Custo de gerao perodo de entressafra Preo Preo Preo gs Preo palha eucalipto eucalipto natural comprado cultivado25,2 36,0 46,8 44,4 51,5 57,7 26,9 51,7 47,6 67,3 62,1 77,4 18,6 44,0 26,8 50,6 35,2 119 171 221 56,9 50,6 59,9 69,2

Sistema de cogerao

TCP TCE-80

Custo de Eletricidade GeradaR$/KWh0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Bagao Palha de cana Eucalipto* Eucalipto** Gs Natural

*Comprada ** Cultivada

Figura 7.16- Custos da eletricidade gerada pelo sistema com turbina de condensao/extrao no perodo de safra e de entressafra para trs preos comerciais de cada um dos combustveis.

7.7- Critrios de eficincia em sistemas de cogerao.Para o clculo da eficincia de cogerao propem-se diferentes expresses na literatura (Horlock, 1997), que pretendem considerar a eficincia integral de gerao de eletricidade e calor, segundo diferentes critrios de avaliao destes produtos: Fator de utilizao de energia (FUE)FUE = W + Qu F

(7.1)


145

Eficincia trmica artificial (A) W = A Q F u cald R$/KWh0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Bagao Safra Palha F.S Eucalipto* F.S Eucalipto** F.S Gs Natural F.S.

(7.2)

Custo da eletricidade Gerada

* Comprado ** Cultivado

Figura 7.17- Custo da eletricidade gerada pelo sistema com turbina de condensao no perodo de safra e na entressafra para os preos de mercado dos diferentes combustveis. Taxa de economia da energia do combustvel (FESR)

Qu W + F 0,35 FESR= cald Qu W + 0,35 cald Eficincia exergtica (E) E = Eficincia de cogerao (CG)CG = W + E H + (Qu E H ) F

(7.3)

W + EH F

(7.4)

(7.5)

WQucaldFEH

potncia mecnica total, (kW); potncia trmica, (kW); eficincia da caldeira; potncia do combustvel, (kW); taxa de exergia do calor, (kW); - constante, valor entre 0 e 1.


146

Os dois primeiros critrios so convencionais e no introduzem diferenas qualitativas entre a potncia e o calor. Considera-se que a taxa de economia de energia do combustvel um dos melhores indicadores baseados na primeira lei, pois determina a economia de combustvel inerente a cogerao, em comparao com a gerao convencional de calor e energia por separado. Os critrios 4 e 5 utilizam-se do conceito de exergia para destacar a diferena de qualidade do trabalho e do calor, sendo portanto uma medida mais real da eficincia do processo de cogerao. Os resultados dos clculos das eficincias dos sistemas de cogerao considerados, segundo os critrios mostrados acima, so apresentados na Tabela 7.11. De acordo com todos os critrios, com a exeo do FUE, o sistema TCE-80 apresenta uma maior eficincia. notvel o fato de que para este sistema a taxa de economia de combustvel FESR muito maior, assim como a eficincia artificial. Tabela 7.11- Eficincia dos sistemas de cogerao segundo diferentes critrios (Carpio, et al., 1999). Sistemas de cogeraoTCP

TCE-80

FUE 73,0 67,0

Eficincia, % FESR E A 3,0 42,0 22,0 9,0 45,0 28,0

CG 28,0 33,0

7.8- Cogerao e meio ambienteComparemos as emisses especficas de CO2 e de outros contaminantes para diferentes tecnologias de cogerao na indstria aucareira, com os valores correspondentes para o caso da gerao de eletricidade numa central termeltrica que utiliza combustveis fsseis. A Tabela 7.12 indica os parmetros principais das tecnologias de cogerao analisadas: TEC-40, TEC-60 e TEC-80- turbinas de condensao/extrao com 40, 60 e 80 bar de presso; BIG/GT- Ciclo combinado com gaseificao do bagao e turbinas a gs. Tabla 7.12- Caractersticas das tecnologias de cogerao de eletricidade a partir da biomassa canavieira (capacidade da usina de acar: 300 tc/h e eucalipto cultivado como combustvel complementar) (Silva et al., 1999). Custo de ndice de eletricidade Investimento Parmetros do * ** Tecnologia excedente/gerada especfico , gerao, vapor, MPa/oC kWh/tc US$/kWe US$/kWh TCE-40 72,78/83,78 886,80 0,032 4,2/ 400 TCE-60 81,10/92,10 865,20 0,030 6,0/450 TCE-80 86,30/97,2 867,7 0,097 8,0/450 BIG/GT 162,0/217,0 1700,0 0,033 8,0/450 *Consumo especfico de vapor 300 kg/tc; **- Considera o investimento para a reduo do consumo de vapor no processo.


147

Figura 7.18- Emisses lquidas especficas de CO2 durante a gerao de eletricidade utilizando combustveis fosseis e bagao de cana (Silva, et al., 1999). Os clculos das emisses lquidas especficas de CO2 (Figura 7.18) e das emisses especficas de SO2, NOx e particulados (Tabela 7.13) foram realizados com base nos seguintes dados: As emisses especficas de CO2 para gs natural, leo combustvel e carvo betuminoso (base energia trmica) so 0,19; 0,29 e 0,4 kgCO2/kWtrmico respectivamente (Hein, 1995); A eficincia da central termeltrica que opera com combustvel fssil foi assumida em 36 %; O teor de enxofre no carvo betuminoso e no leo combustvel foi assumido em 1,9 %;

Tabela 7.13- Emisses especficas de SO2, NOx e particulados durante a gerao de eletricidade a partir do bagao de cana e combustveis fsseis utilizando diferentes tecnologias (Silva, et al., 1999). Emisses especficas* (g/kWh) Tipo de combustvel e SO2 NOx Particulados tecnologia Carvo betuminoso 24,26 / 0,72 3,69 302,52 / 1,51 leo combustvel 7,92 / 0,23 1,76 0,29 Gs natural 0 1,07 0,02 Bagao TCE-40 0 3,77 22,29 / 1,86 Bagao TCE-60 0 3,49 20,62 / 0,49 Bagao TCE-80 0 3,30 19,47 / 0,47 Bagao BIG/GT 0 1,38 8,16 / 0,19 *Sem equipamentos de controle/com equipamentos de controle.


148

Os fatores de emisso de SO2 e NOx durante a queima de combustveis fsseis foram tomados de EPA (1995) e os correspondentes a emisso de particulados de Philips et al. (1998). Os fatores correspondentes ao bagao de cana foram tomados de EPA (1995). Os dados da Tabela 7.13 mostram que a gerao de eletricidade a partir da biomassa canavieira, utilizando tecnologias BIG/GT, tem efeitos ambientais muito menores do que quando se utiliza carvo mineral ou leo combustvel. S o gs natural consegue competir com a biomassa neste sentido. Vejamos para o caso especfico do Brasil, qual poderia ser a contribuio da eletricidade gerada a partir do bagao de cana. Durante os clculos assumiu-se que o acrscimo da produo de acar seria de 0,8 % por ano e a de lcool de 4,5 %. Assim no ano 2025 a quantidade de cana colhida seria de 346,6 milhes de toneladas. O potencial termodinmico de cogerao correspondente apresentado na Tabela 7.14. O aumento da potncia instalada no sistema eltrico brasileiro at o ano 2025 deve ser de aproximadamente 80 GW, vemos assim que 23,4 % deste valor pode ser em princpio obtido a partir da biomassa canavieira. Tabela 7.14- Prognstico do potencial termodinmico de cogerao no setor de acar e lcool do Brasil no ano 2025 com a implementao de diferentes tecnologias de cogerao (Silva, et al., 1999). Potencial termodinmico de cogerao no Brasil com bagao de cana, GW 5,46 5,90 6,25 11,14 Potencial termodinmico de cogerao no Brasil com a recuperao do 50 % da palha, GW 9,16 9,91 10,49 18,7

Tecnologia TCE-40 TCE-60 TCE-80 BIG/GT

A modernizao da base energtica da indstria aucareira exigir enormes investimentos, o que difcil de imaginar no atual momento de crise dos pases em desenvolvimento. As possveis fontes de recursos financeiros poderiam ser: Fundos internacionais para o desenvolvimento; Recursos de empresas petroleiras e energticas na procura de novas oportunidades de negcios; Recursos provenientes de taxas sobre a emisso de poluentes quando se utilizam combustveis fsseis; Emprstimos de bancos internacionais; Iniciativa privada; Fundos provenientes dos compromissos impostos pelo Protocolo de Kyoto (CDM- Clean Development Mechanism); Sustentabilidade financeira do setor.

Os nveis atuais de emisso de poluentes na agroindstria aucareira, alm de serem menores que em outros setores industriais, podem ser reduzidos com as tecnologias de preveno e controle existentes, at atingir os nveis exigidos nas normas vigentes.


149

A introduo de tecnologias avanadas de cogerao na indstria aucareira permitiria gerar quantidades considerveis de eletricidade com um impacto ambiental muito menor que o resultante da gerao de eletricidade a partir de combustveis fsseis. Um dos aspectos importantes para se alcanar uma produo mais limpa seria uma alta eficincia no uso da energia no processo de fabricao de acar. Produo mais limpa e eficincia podem fazer com que a indstria aucareira retome a sua importncia econmica e possa constituir a base do desenvolvimento sustentvel das regies e pases onde a cana-de-acar cultivada.

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153

8- Exemplo de Clculo 8.1 Dados gerais

Para uma caldeira de bagao de 80 t/h de capacidade realizar o projeto dos seguintes equipamentos de controle de particulados: Multiciclones Lavador de gs tipo torre de nebulizao Lavador de gs tipo Venturi Precipitador eletrosttico Em cada caso calcular os parmetros construtivos ou de dimensionamento, a eficincia, e o custo de investimento. Os dados da caldeira so: Temperatura do vapor superaquecido Presso do vapor superaquecido Temperatura da gua de alimentao Umidade do bagao Teor de sacarose no bagao Temperatura dos gases de exausto Excesso de ar nos gases de exausto Concentrao de cinzas nos gases Eficincia da caldeira Granulometria tpica das cinzas mais finas: 300 C 20 kg/cm2 101 C 48,6 % Az = 1,7 % 220 C 45 % 10000 mg/Nm3 0,85

100 Rango, m 25 35 45 55 65 75 85 95 100 Dimetro medio, m 3 4 7,5 15 Fraccin msica % 7 7,5 13 16 12 8 7 3 2 5 2 2 17

8.2 Clculo da vazo total de gasesDetermina-se a partir da composio elementar do bagao e do excesso de ar . Primeiramente calculamos o consumo de bagao e logo o volume de gases produzido pela combusto de 1 kg de combustvel. O produto destas grandezas a vazo total de gases - Composio elementar de referncia do bagao Carbono 23,58 % Hidrognio 3,02 % Enxofre 0,17 % Oxignio 21,74 % Nitrognio 0,1 % Cinzas 1,79 % Umidade 49,6 %


154

Clculo do calor absorvido pela gua na caldeira: mvs = 0,22 kg/s o 80 t/h hvs = 2987,85 kJ/kg em funo da presso e da temperatura do vapor. haa = 421,0 kJ/kg em funo da temperatura da gua de alimentao. Q U = m VS (h VS h aa ) Qu = 5,705.104 kW Clculo do consumo de bagao: O poder calorfico pode ser determinado a partir do teor de umidade e sacarose pela seguinte equao: S% = 1 W% = 48,6 b = 0,85

PCI = 17991 49 S% 200,8 W %PCI = 8,149.103 kJ/kg Conhecidos o calor absorvido pela gua de alimentao, o PCI e a eficincia da caldeira, a vazo consumida de bagao pode ser determinado pela equao:

CC =

QU PCI b

Cc = 8,234 kg/s Clculo do Volume de gases produzido pela queima de 1 kg de bagao. Deve-se recalcular a composio elementar para o valor real de umidade 48,6 %: W% = 48,6 % Az% = 1,7 %

f=

100 W % 100

f = 0,514

C = f 44,8 H = f 5,35 O = f 39,5 N = f 0,38


155

S = f 0,01 A = f 9,79C = 23,027 % H = 2,75 % 0 = 20,329 % N = 0,195 % S = 5,14.10-3 % A = 5,032 % T = C + H + O + N + S + A + 48,6 T = 99,938 % Clculo do volume de ar terico necessrio para a combusto de 1 kg de combustvel: Va = 0,089 (C + 0,375 S) + 0,26 H 0,033 O Va = 2,101 m3/kg VRo 2 = 0,01866 (C + 0,375 S) VRo2 = 0,43 m3/kg VN = 0,79 Va + 0,008 N VN = 1,662 m3/kg

VH 2O = 0,111 H + 0,0124 W + 0,0161 Va VH2O = 0,942 m3/kg Finalmente o volume de gases tericos calcula-se como:Vg0 = VN + VRo 2 + VH 2O

Vg0 = 3,033 m3/kg

O coeficiente de excesso de ar na sada da caldeira : = 1,45 O volume real considera as infiltraes de ar e o excesso de ar.Vg = Vg0 + 1,0161 ( 1) Va3 Vg = 3,994 m /kg

A vazo total de gases calculada multiplicando Vgr pela vazo de combustvel C, posteriormente deve-se fazer a sua correo para a temperatura de sada dos gases. Fg = Vg C c


156

Fg = 32,887 m3/sFg 220 = Fg Fg 220 Q= 220 + 273 273

= 59,39 m3/sFg 220

8.3 Projeto de multiciclonesSelecionamos para o clculo um ciclone de alta eficincia tipo Swift da Tabela 5.7. Tomamos os parmetros de dimensionamento: Ka = 0,44 Kb = 0,21 Ks = 0,5 Kde = 0,4 KH = 3,9 Kh = 1,4 KB = 0,4 Q = Vazo de gs, m3/s Ut1= Velocidade de entrada do gs no ciclone, m/s p = Queda de presso, kPa Tg = Temperatura dos Gases oC = Viscosidade, kg/m.s f = Densidade do gs, kg/m3 p= Densidade da partcula, kg/m3 Primeira tentativa: Ut1 = 18 m/s Ka = 0,44 Kb = 0,21a= Q Ka U t1 K b

a = 2,629 m

a Ka D = 5,976 m D=


157

evidente que o valor do dimetro D muito grande. Passamos a considerar um multiciclone b = D Kb b = 1,255 m Para uma segunda tentativa utilizaremos um sistema de multiciclones com 650 ciclones, de 25 cm de dimetro cada. Nc = 650 Q Qi = Nc Di = 0,25 m Qi = 0,091 m3/s a = Di K a a = 0,11 m U t1 = Qi K a Kb a2

b = Di K b b = 0,052 Ut1 = 15,822 m/s Deve-se variar tanto o nmero de ciclones, assim como o valor de seu dimetro at achar um conjunto que permita obter uma velocidade de entrada de aproximadamente 18 m/s que o valor recomendado. Para calcular a velocidade de salto do ciclone Usa, deve-se achar o valor da viscosidade cinemtica e a densidade dos gases de exausto temperatura de sada do gs.Para o uso desta frmula, deve-se utilizar todas as unidades no sistema internacional. = 2,628.10-5 kg/(ms) g = 9,81 m/s2 p = 1597,04 kg/m3 b = 0,0518 m g = 0,7256 kg/m3 D = 0,249 m


158

b 0, 4 1 3 g p 2 D U s = 5,3078 1 D 0,067 (U t1 ) 3 2 3 g 1 b D Us = 16,192 m/s O resultado obtido em m/s. necessrio tambm realizar a verificao do projeto atendendo a velocidade Usa.U t1 = 0,98 < 1,25 Us

Clculo da eficincia do ciclone: D = 0,25 m Tg = 493 K K = 699,2n = 0,67 D

(

0 ,14

Tg 1 283

)

0,3

+1

n = 0,471 g = 0,0000263 kg/(ms) p = 1900 kg/Nm3 N= 1 n +1

N = 0,68 K Qi n +1 p M = 2 3 D 18 g 3 M = 6,778.10 Calculemos a eficincia por fraes: J = 0,..., 12N Ef (d p ) = 1 exp M d p 100

[

(

)]


159

100

90

Ef dp

j

80

70

60 0

5 5 10 dp j

1 10

4

Figura 8.1- Relao entre a eficincia por fraes e o dimetro das partculas.

A eficincia total:

Ef = Ef d p j w jj

( )

Ef = 95,487 % Clculo da queda de presso: Nh = 9,24 2,2 (30,48) p = 8,611 cm de la columna de H2O3

p =

f

1000 5,12 U 21 N h t

Clculo do custo do multiciclone: S = 7000 N c a b + 72 N c S = 1,319.105 US$ Custo incluindo a montagem: S t 90 = 2 S St90 = 2,638.105 US$

Atualizao do custo, $USEsta avaliao do custo foi realizada em base a dados de 1990. A fim de atualizar estes resultados os multiplicaremos pela relao do ndice de custo de equipamento segundo Marshall & Swift para os anos 1997 e 1990: que so: 1071,7 e 915,1, sendo a relao = 1,17


160

S t 97 = 1,17 S t 90 St97 = 3,086.105 US$

8.4 Projeto de um lavador de gs tipo torre de nebulizaoDados adicionais: Relao lquido/gs = 1L/m3 Dimetro mdio das gotas da gua = 200 m Temperatura mdia no lavador = 80 oC Velocidade do gs = 0,4 m/s Carga de particulados na entrada = 10000 g/Nm3 A composio granulomtrica e a vazo de gases so iguais as do item 8.3. A velocidade do gs na torre; vg 1 m/s Corrigido temperatura de 80 oC. Q = Fg

(273 + 80)273

r=

Q vg

r = 4,348 m O dimetro do lavador de 8,7 m Clculo da velocidade terminal das gotas de gua Ut: Dd = 0,001 m d = 1000 kg/m3 g = 9,81 m/s2 Tg = 150 C, temperatura media g = 0,836 kg/m3 g = 0,000024 kg/(ms)d 3 f d g d 3 g 4 4 Ga = 1,898.10 Ga =

G b = ln(G a ) Gb = 2,144

1

3

= 3,194 + 2,153 G b 0,238 G 2 + 0,01068 G 3 b b = 0,433


161

RC = e RC = 3,664 4 RC g g g Ut = 2 3 g Ut = 1,181 m/s Clculo da eficincia de captura das partculas por cada gota de gua: K p (d p ) = d 2 vg p p 9 g Dd2

( )

3

Kp d (K p ) = K + 0,7 p

QL/QG = 0,001 m3/m3 Z = 1, ..., 15 Q 0 , 75 L U t Zd QG Dd 2 U t vg

Ef (d , Z) = 1 e

(

)

Dependncia entre a eficincia e a altura de contato lquido/gs: (Ef , w ) = Ef d K p d p j , Z w jj

( ( ( )) )1

0,95

( Ef, w ) 0,90,85

0,8

0

5 Z

10

15

Figura 8.2- Eficincia de separao da torre de nebulizao com relao ao comprimento zona de contato (Z).

Durante o projeto de torres de nebulizao vai-se variando Z at atingir a eficincia de projeto.


162

Clculo do Custo do Lavador de Gases: O custo da torre de lavagem, para esta vazo de gases de US$ 30000 considerando que o material de construo da torre ao 304 inoxidvel multiplicamos o custo por 1,9 e obtemos $US 57000.

8.5 Clculo da eficincia de um lavador de gases tipo Venturi.Dados: Relao lquido/gs QL/QG = 0,001 m3/m3 Velocidade na garganta do Venturi Vgarg = 120 m/s Clculo do dimetro das gotas de gua (pela equao de Nukiyama Tanasawa). Produto do fracionamento do lquido na garganta do Venturi. d = 1000 kg/m3 = 0,072 N/m d = 0,001 kg/(ms) p = 1900 kg/m3 g = 0,000024 kg/(ms) d 585000 + 53207681 Dd = d d Vg arg D d = 70 m 0 , 45

Q L Q G

1, 5

f = 0,31 (recomendado por Calvert) K p (d p ) = d 2 Vg arg p p 9 g Dd

Pti =

1 Kp

K p f + 0,7 0,49 + 0,7 K p f + 1,4 ln 0,7 + K f 0,7 p

QL d D d Pti 2 QG Ef (K p ) = 1 exp 55 g


163

0.985

Ef(Kp(dp))

0.980

0.975

0.970

0.965 3 4 7.5 15 25 35 45 dp(j) 55 65 75 85 95 100

Figura 8.3- Eficincia por fraes com relao ao dimetro da partcula.

(Ef , w ) = Ef K p (d p )j w jj

(

)

(Ef, w) = 99,36 A eficincia total 99,36

8.6 Dimensionamento de um precipitador eletrostticoSero calculados, a rea total de coletores e o custo do precipitador, para uma eficincia de 99,5% e uma concentrao de partculas na entrada de 10000 mg/Nm3 e na sada 50 mg/Nm3. A partir da eficincia de 99,5%, na Tabela 5.8 tomamos a velocidade efetiva de migrao das partculas no campo magntico, considerando que a cinza do bagao no tem tendncia ao efeito de coroa inversa. Numa primeira aproximao tomamos o valor de 0,093 m/s correspondente ao carvo betuminoso. = 0,995 Vp = 0,093 Q = Fg220AC = Q ln(1 ) VpQ. ln( 1 Vp )

Ac

Ac = 3,384.103 m2


164

Clculo do custo: Aep = 4551 Bep = 0,6276 EC = a ep A Cepb

EC = 7,467.105 US$ Para calcular o custo do equipamento j instalado, preciso multiplicar por 2.24.

C = 2,24 EC C = 1,673.106 US$. Custo em dlares de 1990Atualizando o custo para 1997 C a = 1,17 C Ca = 1,957.106 US$

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