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 MecânicaUniversidade 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 ATUAÇÃOI - 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 kWe Simulador para entrenamientode operadores

de 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 proyectoen calderas.

• Elaboración de programas para la selección de tecnologias de control de la contaminaciónatmosférica.

• Modelación de la producción de biogas porbiodigestion anaerobica de las vinãzas y usoenergético de este combustible.

• Análisis del ciclo de vida de diferentes productos(electricidad excedente, vinazas, biodiesel).

• Oportunidades de las nuevas tecnologias (obtenciónde 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 o mecánica y de energia térmica (calor de proceso y/o frio), a partir de la quema de uncombustible, tal como los derivados de petróleo, gas natural, carbón mineral o biomasa.

SISTEMA DE COGENERACIÓN

SISTEMAS DE COGENERACIÓN

Topping

Bootoming

Fundamentos de la cogeneración

C. Termica42%

Caldera90%

Generaciónconvencional Cogeneracion

Electricity35%

Heat55%

100

Comb

Total100

Economia energia = (144 - 100)144 = 30%

35

55

electricidad

calor

83

61

Comb

Total144

CogeneracionLa mejor solución para la reducción de CO2

A B C D E F

% eficiencia

A Turbina de vapor con caldera a carbónB C. Termica moderna a carbóncon T.LC Gasificación de carbon / turbinaa vapor

D Ciclo combinado moderno a gas natural (CCGT)E Cogeneración con carbón mineralF Cogeneración con gas natural

0

20

40

60

80

100

% e

ffici

ency

0

200

400

600

800

1000

CO

2-em

issi

on (k

g/M

Wh) 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(valormedio), 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 condensaciónextraccion 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 MWParâmetros: até 120 bars

: até 580 oCPrincipais Fabricantes:HPBDediniEquipalcoolCaldemaTGM, NG metalurgica, Siemens

P = 0,25 MPa

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

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

P = 2,1 MPaT = 300 oC

Bagaço Umidade = 50 % (base úmida)

PROCESSO DEFABRICAÇÃO

Esquema de cogeneracióncon turbina de contrapresión

21,86 t/h44,6 t/h

P = 0,25 MPa

TV ( extração/condensação): W = 16,7 MW

TV ( acionamentomecânico):Vazão = 55,4 t/hW = 3,6 MW

P = 8,0 MPaT = 450 oC

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 comparaciónde 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 que um sistema de equações que representa matematicamente a estrutura produtiva. O objetivo principal deste sistema é a determinação dos custos unitários dos produtos, permitindo ainda obter os custos intermediários e todo o processo de formação de custos na planta.

Para a construção do modelo exergoeconômicosão necessários conhecer os custos de investimento, operação e manutenção de cada unidade real da estrutura produtiva, o custo do combustível e as exergias de cada fluxo intermediário.

Descripción del Sistema de Cogeración delcentral Colombo

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

1000Cana Moída [tc/h]

6.000.000Produção de Açúcar [sacas 50 kg]

112.000Produção de Álcool [m3]

2003/04Capacidade de Produção

55,00Potência Instalada [MW]

30,00Potência Excedente [MW]

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

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

43,00Potência Operante [MW]

28,00Bagaço % Cana

51Umidade Relativa do Bagaço [%]

7500PCI do bagaço [kJ/kg.K]

240Consumo de Bagaço [ton/h]

540Consumo de Vapor do Processo [kgv/tc]

Dados Energéticos do Processo

SIMSIMConsumo de vapor 480 kgv/tc

SIMSIMSIMConsumo de vapor 540 kgv/tc

SIMSIMSIMSIMTVCE Extração/Condensação 100 MW

SIMTVCP Contra-Pressão 15 MW

SIMTVCP Contra-Pressão 40 MW

SIMSIMCaldeira: 82 bar (abs) @ 520°C

SIMSIMSIMCaldeira: 63 bar (abs) @ 480°C

SIMCaldeira: 33 bar (abs) @ 320°C

SIMCaldeira: 22 bar (abs) @ 300°C

C2C1B2B1Caso Base

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

Indicadores de la Eficiencia Termodinámica delSistema de Cogeneración

FUE (eficiência de primeira lei):

Fonte: (Horlock, 1987)

PCImQWFUE

comb

u

.+

=

FESR (taxa de econômia de combustível):

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

THcald

u

combTHcald

u

WQ

PCImWQ

FESR

ηη

ηη).(

f

pexerg B

BW )( +=ηηexerg (eficiência exergética):

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

WI exced

mexcede =..

Resumen de los Critérios de Desempeño

85,6026,3519,3779,53C2

83,6127,1920,7882,07C1

73,8125,0116,7478,16B2

71,8125,8518,2880,73B1

30,0022,6913,7382,20Atual

Ie.exced.m[kWh/tc]

ηexerg[%]

FESR[%]

FUE[%]Cenário

A Primeira Lei leva a um resultado “confuso”

Sobrevalorização da Energia Térmica

Esquema actual del central estudiado

Escenário B

Escenário C

Evaluación exergoeconómica

B14m5.(b5-b10)+m4(b4-b10)Processo

B3B2-B4Tandem

B7B1-B2-B5-B9T.G

B12-B11B8B+M.E

B1-B12BbagaçoG.V

Produto (P)Insumo (I)Unidade

Produtiva

Estrutura Física

Base para a construção da Estrutura Produtiva

da planta.

Estrutura Productiva

C8.B8 – C4.B4c = 0S2

C7.B7 – C4.B4b = ZtandemTandem

C6.(B6a+B6b+B6c) – C5.B5 = 0S3

C5.B5 – C4.B4a = ZT.G.C.ET.G.C.E

C4.(B4a+B4b+B4c) – C3.B3 = 0S1

C2.B2 – C6.B6a = ZBB

C3.B3 – (C2.B2+C1.B1) = 0J1

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

EquaçõesUnidades

A Exergoeconomia permite RATEAR / acompanhar oprocesso de FORMAÇÃO

dos custos !!

Produto → Insumo

Bagaço En. 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 00 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0

*0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0

G V comb

a B

a b c

a T G

a b c

b

c

B c Z CB B B c

B B c ZB B B B c

B B c ZB B B B c

B B cB 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 00 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0

*0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0

ec

a

a b c

a

a b c

b

c

B k QB B B k

B B kB B B B k

B B kB B B B k

B B kB 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

Cus

to e

spec

ífico

da

ener

gia

prod

uzid

a [R

$/M

Wh]

Energia Elétrica Gerada Energia Mecânica Produzida Calor Processo

Bagaço 100%

PerdasCaldeira14,0%

Perdas Redutores Vel. +Geradores

3,0%

Energia Elétrica Gerada8,60%

Pot. Mecânica Turbomoendas3,40%

Calor Processo70,20%

Condensado0,20%

PerdasRedutoras

0,60%

caldeira

turbogeradoresturbomoendas

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 foram de 64,24 R$/MWh, 85,52 R$/MWh e 3,81 R$/Tonv, respectivamente.

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

• Detectou-se que na instalação atual da usina o equipamento menos eficiente é a turbobomba do sistema de baixa pressão.

• A modificação das turbinas de acionamento do Tandem III de simples para múltiplos-estágios levou numa redução considerável nos valores do custo unitário da potência mecânica produzida.

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

La cogeneración y la electrificación de los molinos

Dados básicos dos sistemas de cogeração das

usinas avaliadas

TCES; CPCPCPTurbinas para Produção de Eletricidade 1,4

Parte TSE, TME e ME

Parte TSE e TMETSEAcionamento do Preparo e Extração 3

227 / 67210 / 1283 / 0Consumo de Bagaço [ton/h] 2

42,40 / 28,0011,09 / 0,000,00 / 0,00Exportação de Eletricidade [MW] 2

12,28 / 0,9816,00 / 0,004,90 / 0,00Produção de Trabalho Mecânico [MW] 2

58,50 / 32,5024,40 / 1,055,10 / 0,00Produção de Eletricidade [MW] 22,5; 222,5; 222,3Pressão Vapor Processo [bar abs] 1354; 19445; 31190Consumo de Vapor de Processo [ton/h] 1

1; 21; 43Número de Caldeiras 1

66 @ 520; 43 @ 400

43 @ 400; 22 @ 30522 @ 300Parâmetros do Vapor [bar abs @ °C] 1

180; 300157; 324190Geração de Vapor [ton/h] 1900900375Capacidade de Moagem [ton/h]

Usina CUsina BUsina A

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

DrumFurnace

Primary air heater IIIEconomizer

Superheater

Secondary air heater I

Primary air heater IIPrimary 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) + 189,09R2 = 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)

Con

cent

raçã

o ( µ

g/m

3 )

NOx

NO2

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.

CONCLUSIONESLa implementación de la eletrificación debe ser realizadasimultaneamente 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 losgases 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 bagazodepende principalmente del exceso de aire, factor este quepuede ser utilizado para la prevencion de la formación de losmesmos.