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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 s

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