ANÁLISE TERMODINÂMICA E TERMOECONÔMICA DE UMA ?· global efficiencies, ... das propriedades termodinâmicas…

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ANLISE TERMODINMICA E TERMOECONMICA DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA QUE PRODUZ EXCEDENTE

DE BAGAO PARA COMERCIALIZAO

THALES BRANDO UCHA ANDERSON HENRIQUE BENEDUZZI MARCOS HIDEO DA SILVA MASHIBA CASSIO ROBERTO MACEDO MAIA

RICARDO ALAN VERD RAMOS

NUPLEN - Ncleo de Planejamento Energtico, Gerao e Cogerao de Energia UNESP - Campus de Ilha Solteira - Departamento de Engenharia Mecnica

Av. Brasil, 56 - Caixa Postal 31 - CEP 15385-000 - Ilha Solteira, SP Fone: (18) 3743-1038 - Email: nuplen@dem.feis.unesp.br

Resumo. Este trabalho consiste na anlise termodinmica e termoeconmica de uma planta de cogerao de energia de uma usina sucroalcooleira paulista (Usina Iracema) que privilegia a venda do bagao excedente por estar localizada em uma regio onde a demanda pelas industrias locais intensa. A planta composta por cinco caldeiras que produzem 470 ton/h de vapor a presso de 2,2 MPa e temperatura de 300 C e turbinas de contra-presso de simples estgio para a gerao de energia e acionamento das moendas, picadores desfibradores, bombas e exaustores. Vale destacar que parte deste vapor e da energia gerada atende ainda a demanda de uma empresa associada (OMTEK) que produz cido ribonuclico e o excedente de bagao comercializado. Para tanto, feito um estudo termodinmico, bem como uma criteriosa anlise da viabilidade tcnica e econmica, determinando-se alguns ndices de desempenho, as eficincias globais, bem como os custos de produo de energia eltrica e trmica. Abstract. This work presents an analysis of a cogeneration plant of a sugarcane industry of Sao Paulo State (Iracema) that privileges the commercialization of the bagasse surplus because it is located in a region where the consume of bagasse by the local industries is intense. The plant is composed by five boilers that produce 470 ton/h of steam at pressure of 2,2 MPa and temperature of 300C and back-pressure turbines of simple stage for energy generation and for driving the millings, cutters, shredders, pumps and exhaust fans. Part of the steam generated is also utilized to supply consume of an associated company (OMTEK) that it produces acid ribonucleic and the bagasse excess is commercialized. For this, a thermodynamic study is made, as well as a detailed analysis of the technical and economical viability, determining some performance indexes, the global efficiencies, as well as the costs of production of electric and thermal energy. 1. Introduo Diversos programas governamentais foram implementados recentemente no Brasil para promover a gerao independente e descentralizada de energia, tais como o Programa Prioritrio de Termoeletricidade (PPT) e o Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica (PROINFA), buscando uma maior diversificao da matriz energtica brasileira, hoje ainda baseada na hidroeletricidade e, tambm, para evitar racionamento de energia eltrica, tal como ocorrido em 2001. Nesse sentido, o setor sucroalcooleiro apresenta um grande potencial atravs da cogerao de energia a partir da biomassa da cana, que uma das fontes incentivadas pelo PROINFA, embora ainda exista um grande descontentamento dos empresrios com relao remunerao oferecida para comercializao da energia cogerada por esta fonte. Por esse motivo, algumas usinas no tem se interessado em investir na gerao de excedentes de energia para comercializao, preferindo comercializar o excedente de bagao, principalmente aquelas que se situam em regies onde a demanda por bagao pelas indstrias locais intensa.

Diante deste contexto, o presente trabalho tem por objetivo a realizao de uma anlise termodinmica e termoeconmica de uma planta de cogerao de energia de uma usina sucroalcooleira paulista (Usina Iracema), que privilegia a venda do bagao excedente. 2. Reviso Bibliogrfica Existem diversos livros clssicos sobre anlise de sistemas e cogerao de energia, entre eles podem ser citados: ORLANDO (1991) e KOTAS (1995), mas a seguir sero apresentados resumidamente apenas alguns trabalhos que serviram como referncia para o desenvolvimento do presente trabalho. WALTER (1994) analisou vrias alternativas de gerao eltrica em larga escala e determinadas as principais caractersticas tcnicas de cada sistema, tais como a capacidade de gerao, a produo de energia eltrica, a disponibilidade de excedentes e a demanda de biomassa. BARREDA DEL CAMPO et al. (1998) estudaram o sistema de cogerao de uma usina sucroalcooleira que fornece excedentes de energia para a rede eltrica. Foram calculados, alm das propriedades termodinmicas dos diferentes fluxos do sistema, os balanos de massa, energia e exergia. Alm disso, realizaram uma comparao das eficincias de primeira e segunda lei, mostrando a utilidade desta ltima na avaliao de um sistema real, e como elemento importante para deciso de melhorias das plantas trmicas ao evidenciar os equipamentos de maiores irreversibilidades . LOBO et al. (2002) analisaram duas empresas sucroalcooleiras que usam turbinas de contrapresso para fornecer trabalho, sendo o vapor de contrapresso utilizado como energia trmica de processo. Foi verificado que a empresa que utiliza energia eltrica cogerada, com turbinas maiores para acionar as mquinas, chega a economizar 65 % do bagao gasto para moer uma tonelada de cana quando comprada com a empresa que utiliza vrias turbinas menores e menos eficientes. Os autores concluram que, com o uso mais racional do bagao gerando vapor em temperaturas e presses maiores, obtm-se uma grande economia de bagao, que tanto pode ser comercializado in natura, ou ser usado para cogerao de excedentes de eletricidade. JAGUARIBE et al. (2004) discutiram um caso real de investimento na ampliao do sistema de cogerao de energia em uma indstria sucroalcooleira paraibana considerando o preo sazonal do bagao, os custos de gerao de energia e levando-se em conta um perodo de 10 anos. Com o novo parque de cogerao a indstria se tornou auto-suficiente em energia, dispondo de 21.240 MWh para comercializao, com uma potncia mdia de exportao de 4.000 kW. Todavia, aps a anlise econmica efetuada, verificou-se que a melhor opo seria manter a planta na forma original e vender o bagao a R$ 26,00 por tonelada. Diante, principalmente, do resultado deste ltimo trabalho verifica-se a importncia de uma anlise termodinmica e termoeconmica, motivando assim, a realizao do presente trabalho. 3. Metodologia 3.1 Anlise Energtica A anlise de sistemas e processos pela Primeira Lei da Termodinmica baseia-se na conservao da energia e massa. As equaes que representam os processos so ajustadas para volumes de controle com fluxo de massa em cada subsistema que compe o ciclo, sendo que em regime permanente e desprezando-se as variaes de energia cintica e potencial, resulta (BEJAN, 1988):

0hmhmWQ sseev.c.v.c. =+ &&&& (1) A Segunda Lei da Termodinmica para um volume de controle, considerando o processo em regime permanente, pode ser representada pela seguinte equao:

0smsmT

QS ssee

i

iv.c.,v.c. ger, =+

+ &&

&& (2)

A entropia pode ser usada para prever se um processo qualquer que envolve iteraes de energia pode ocorrer ou, ainda, se os sentidos dos processos de transferncia do calor so possveis. 3.2 Anlise Exergtica A determinao do valor termodinmico de um fluxo em termos do trabalho mecnico que poderia ser extrado dele e as ineficincias e perdas reais dos sistemas energticos vinculam estreitamente a aplicao da Primeira e Segunda Lei da Termodinmica. Em sistemas energticos cujos fluxos operam com parmetros fora das condies do ambiente de referncia, a exergia pode ser entendida como a parte da energia que pode ser transformada em trabalho mecnico de forma reversvel e til, sendo a destruio de exergia o resultado direto das irreversibilidades de um sistema. SZARGUT et al. (1988), KOTAS (1985) e outros autores propem a seguinte relao para o clculo da exergia:

quifist bbb += (3)

onde: a exergia fsica especfica (kJ/kg) e a exergia qumica especfica (kJ/kg). fisb quib A exergia fsica de um fluxo calculada com base num estado de referncia restrito (P0, T0) onde h equilbrio trmico e mecnico com o meio, atravs da seguinte equao:

( ) ( )000fis ssThhb = (4) Para haver equilbrio completo com o meio, o sistema deve estar tambm em equilbrio qumico com ele. O trabalho que pode ser obtido atravs de um processo reversvel que leva o sistema do estado de referncia restrito at o estado de referncia onde h equilbrio completo (estado morto), a exergia qumica. Sendo o potencial qumico de referncia do elemento (T0, P0);

o potencial qumico do elemento na mistura (T0, P0) e a frao do componente na mistura; a exergia qumica pode ser definida por:

i,0

i ix

( ) ii0iqui xb = , (5)

Logo, a exergia total pode ser representada por: )( tb

( ) ( ) ( ) ii0i000t xssThhb += , (6) 3.3 Eficincias Termodinmicas A eficincia termodinmica baseada na primeira lei ( I ) relaciona o trabalho realizado no volume de controle com o trabalho produzido em um processo hipottico isoentrpico desde o mesmo estado de entrada at a mesma presso de sada, atravs da seguinte equao:

iso

v.c.I hm

W

&

&= (7)

Associado ao uso da anlise de exergia, foi desenvolvido o conceito de eficincia determinada a partir do ponto de vista da segunda lei da termodinmica ( II ). Esse conceito envolve a comparao da taxa de transferncia de trabalho real produzido no processo com a variao de exergia avaliada entre o estado real de entrada e o estado real de sada conforme segue:

( )sev.c.

II bbmW

=

&

& (8)

No caso especfico das caldeiras, as eficincias de primeira e segunda lei so calculadas, respectivamente, pelas equaes seguintes; onde PCI o poder calorfico inferior:

combcomb

eessI PCIm

hmhm

&

&& = (9)

combcomb

eessII bm

bmbm

&

&& = (10)

3.4 ndices de Desempenho de Sistemas de Cogerao Na caracterizao dos ndices de desempenho, vrios so os indicadores, sendo uma prtica comum avaliar a eficincia dos sistemas de cogerao atravs da chamada Eficincia de Primeira Lei ou Fator de Utilizao de Energia (FUE). Este parmetro a relao entre a energia trmica ou eletromecnica aproveitada no ciclo e a energia do combustvel gasto para na gerao do vapor, conforme segue:

PCImQW

FUEcomb

U

&

&& += (11)

Deve ser levado em conta que este e outros ndices avaliam quantidade de energia, o que significa que um possvel alto valor do fator de utilizao de energia pode estar associado a um pequeno valor de potncia eltrica produzida em comparao ao calor para processo, significando que o fator FUE pode, em alguns casos, no ser considerado, ou fornecer informao incompleta sob o sistema avaliado. O ndice de Poupana de Energia (IPE) refere-se economia de energia de combustvel obtida por sistemas de cogerao em comparao a plantas convencionais que produzem separadamente energia eltrica e trmica, sendo definido por:

cald_ref

U

term_ref

comb

Q

W

PCImIPE

&&

&

+

= (12)

Onde: eficincia trmica de uma planta de potncia de referncia (adotada 40%) e

a eficincia trmica de caldeiras que produzem apenas vapor saturado (adotada 77%). term_ref

cald_ref Quanto menor o IPE do combustvel, melhor ser o desempenho do sistema tendo como referncia as eficincias adotadas. Logo, a quantidade de Energia a Economizar (EEC), devido cogerao, dada pela equao:

IPE1EEC = (13) O ndice de Gerao de Potncia (IGP) o critrio definido para calcular separadamente a eficincia da gerao de potncia, descontando no insumo de energia aquela utilizada para fins puramente de aquecimento. Sendo a eficincia trmica das caldeiras da unidade, tem-se: cald

caldUcomb /QPCIm

WIGP &&&

= (14)

A efetividade de custo de um sistema de cogerao est diretamente relacionada com a quantidade de potncia eltrica que este possa produzir para uma dada quantidade de calor utilizada no processo. por isso que um critrio importante num sistema de cogerao a Razo Potncia/Calor (RPC):

UQ

WRPC&

&= (15)

3.5 Conceitos Termoeconmicos Na prtica, no sentido de se atingir uma economia efetiva de energia na instalao, trs fatores adicionais devem ser considerados (LOZANO e VALERO, 1993): (i) nem toda irreversibilidade pode ser evitada; (ii) as redues locais na destruio de exergia no so equivalentes; (iii) as oportunidades de economia s podem ser especificadas atravs de um estudo mais detalhado dos mecanismos fundamentais da gerao de entropia. A percepo destas falhas levou ao surgimento de metodologias que relacionam a gerao de irreversibilidade em um equipamento isolado com o restante dos equipamentos, atravs da definio do conceito de custo exergtico. Concomitantemente, conjugam-se as anlises termodinmica e econmica, relacionando-se o custo monetrio e o custo exergtico, em um conjunto de metodologias s quais se denomina Termoeconomia (CERQUEIRA, 1999). A Teoria do Custo Exergtico contabiliza as eficincias e perdas exergticas em cada um dos volumes de controle do sistema (equipamento, conjunto de equipamentos, ou junes e bifurcaes), tendo como resultado o custo exergtico de produo de cada um dos fluxos (portadores de energia). Outro aspecto deste mtodo que a medida do custo de um fluxo do sistema est representada pela exergia contida nele. Em uma anlise do custo exergtico, um custo associado com cada fluxo de exergia. Considerando os fluxos de matria entrando e saindo com taxas associadas de transferncia de exergia ( e ), potncia (W ), taxa de transferncia de exergia associada com a transferncia

de calor ( ), um componente que recebe uma transferncia de calor e gera potncia, como tambm as expresses de taxa de custo, tem-se:

eB& sB& &

QB&

( ) ( ) k

ekeekQkQkkW

skss ZBcBcWcBc &&&&& ++=+ ,,, (16)

As taxas de exergia ( , e ) saindo e entrando no k-simo componente, bem como a

potncia (W ), so calculadas em uma anlise exergtica. O termo obtido, primeiramente, calculando o investimento de capital associado com o k-simo componente e, ento, computando os valores particionados destes custos por unidade de tempo de operao do sistema.

sB& QB& eB&

&kZ&

3.5 Descrio da Planta A planta analisada mostrada na Figura 1, sendo composta por seis caldeiras operando a presso de 2,2 MPa e temperatura de 300 C, com capacidades apresentadas na Tabela 1. O vapor produzido usado para o acionamento de trs turbogeradores, das turbinas de duas moendas, de seis turbobombas e de dois turboexaustores das caldeiras. Parte deste vapor e da energia gerada atende ainda a demanda da empresa associada OMTEK e o excedente de bagao comercializado. Na Tabela 2, so apresentadas informaes gerais da planta da Usina Iracema. A Tabela 3 mostra os parmetros operacionais para os fluxos do sistema apresentado na Figura 1.

Figura 1. Representao da planta analisada da Usina Iracema.

Tabela 1. Capacidade das caldeiras da Usina Iracema.

Caldeiras Capacidade (t/h)

Conterma TV2P (C1) 80 Conterma TV2P (C2) 60 Conterma TV2P (C3) 80 Conterma TV2P (C4) 38 Dedini AE 110 (C5) 100 Dedini AT 150 (C6) 150

Tabela 2. Dados gerais da planta da Usina Iracema.

Parmetros Valores

Horas efetivas de moagem 3.600 h Moagem horria de cana 880,0 t/h Teor de fibra da cana 13 % Teor de fibra do bagao 46 % Relao bagao-vapor 0,52 Consumo de bagao na caldeira C1 36,36 t/h Consumo de bagao na caldeira C2 27,27 t/h Consumo de bagao na caldeira C3 36,36 t/h Consumo de bagao na caldeira C4 0 t/h Consumo de bagao na caldeira C5 45,45 t/h Consumo de bagao na caldeira C6 68,18 t/h Consumo total de bagao 213,6 t/h Produo total de bagao 248,7 t/h Bagao excedente para comercializao 35,1 t/h

Tabela 3. Parmetros operacionais nos pontos principais da planta da Usina Iracema.

Pts m& (t/h) T (oC) P (kPa) Pts m& (t/h) T (oC) P (kPa) Pts m& (t/h) T (oC) P (kPa)1 508 115 250 39 17 300 2.200 77 9 160 250 2 508 115,2 3.100 40 17 155 250 78 136,5 300 2.200 3 80 115,2 3.100 41 196,5 300 2.200 79 9 300 2.200 4 80 300 2.200 42 31,5 300 2.200 80 9 160 250 5 140 115,2 3.100 43 31,5 150 250 81 18 155 250 6 60 115,2 3.100 44 165 300 2.200 82 127,5 300 2.200 7 60 300 2.200 45 50 300 2.200 83 9 300 2.200 8 80 115,2 3.100 46 50 150 250 84 9 160 250 9 80 300 2.200 47 81,5 150 250 85 27 155 250

10 140 300 2.200 48 115 300 2.200 86 118,5 300 2.200 11 220 300 2.200 49 75 300 2.200 87 9 300 2.200 12 38 115,2 3.100 50 75 150 250 88 9 160 250 13 38 300 2.200 51 156,5 150 250 89 36 155 250 14 250 115,2 3.100 52 40 300 2.200 90 109,5 300 2.200 15 100 115,2 3.100 53 9 300 2.200 91 9 300 2.200 16 100 300 2.200 54 9 155 250 92 9 160 250 17 150 115,2 3.100 55 165,5 150,3 250 93 45 155 250 18 150 300 2.200 56 31 300 2.200 94 100,5 300 2.200 19 250 300 2.200 57 11 300 2.200 95 3 300 2.200 20 288 300 2.200 58 11 155 250 96 3 160 250 21 508 300 2.200 59 176,5 150,6 250 97 48 155 250 22 279,5 300 2.200 60 228,5 300 2.200 98 97,5 300 2.200 23 83 300 2.200 61 83 300 2.200 99 106,7 150 250 24 14 300 2.200 62 14 300 2.200 100 166 155 250 25 14 155 250 63 14 155 250 101 390,5 153 250 26 28 155 250 64 69 300 2.200 102 379,1 153 250 27 69 300 2.200 65 20 300 2.200 103 427,3 152,3 250 28 20 300 2.200 66 20 155 250 104 427,3 115 250 29 20 155 250 67 49 300 2.200 105 427,3 115 250 30 68 155 250 68 18 300 2.200 106 11,41 155 250 31 49 300 2.200 69 18 155 250 107 20 300 2.200 32 18 300 2.200 70 31 300 2.200 108 69,33 25 250 33 18 155 250 71 14 300 2.200 109 220 115,2 3.100 34 104 155 250 72 14 155 250 110 288 115,2 3.100 35 31 300 2.200 73 17 300 2.200 111 58,58 152,3 250 36 14 300 2.200 74 17 155 250 112 106,7 150 250 37 14 155 250 75 145,5 300 2.200 113 9.242 25 250 38 132 155 250 76 9 300 2.200

4. Resultados A seguir so apresentados os resultados das anlises termodinmica e termoeconmica e so determinadas as eficincias da primeira e da segunda lei da termodinmica para os equipamentos do sistema de gerao de vapor e energia eltrica. Alm disso, so obtidos a eficincia global e os ndices de desempenho da planta de cogerao baseados na primeira lei da termodinmica. Vale destacar que a resoluo do sistema de equaes resultante foi efetuada utilizando-se o programa EES (Engineering Equation Solver), desenvolvido por KLEIN e ALVARADO (1995), que

permite a determinao das propriedades termodinmicas do sistema, como entalpia e entropia, e possibilita a realizao de clculos de uma maneira simples e eficiente, sem a necessidade de se recorrer a tabelas termodinmicas. 4.1 Resultados Termodinmicos A Tabela 4 mostra as eficincias das caldeiras, sendo que a potncia gerada e as eficincias para as turbinas so mostradas na Tabela 5.

Tabela 4. Eficincias da 1 e da 2 Lei para as caldeiras.

Equipamentos I (%) II (%) Caldeira C1, C2, C3, C4, C5, C6 72,0 9,5

Tabela 5. Potncia gerada e eficincias da 1 e da 2 Lei para as turbinas.

Equipamentos W& (kW) I (%) II (%)

Turbina do Picador (Moendas A e B) 945 55,5 63,0 Turbina do Desfibrador (Moendas A e B) 1.350 55,5 63,0 Turbina dos 1/2 Ternos (Moendas A e B)

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