balanço de usina

7/29/2019 balano de usina

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CENTRO ESTADUAL DE EDUCAO TECNOLGICA PAULA SOUZA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PIRACICABA FATEC

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTVEIS

BALANO ENERGTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE

PLANEJAMENTO DA PRODUO DE ACAR

NA REGIO DE CHARQUEADA SP

ADERBAL ALMEIDA ROCHA

ARIEL TON

ESEQUIEL MICHELIN

PIRACICABA SPJUNHO/2011


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ADERBAL ALMEIDA ROCHA

ARIEL TON

ESEQUIEL MICHELIN

BALANO ENERGTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE

PLANEJAMENTO DA PRODUO DE ACAR

NA REGIO DE CHARQUEADA SP

Trabalho de Graduao apresentado BancaExaminadora como requisito parcial para obteno dottulo de Tecnlogo em Biocombustveis.

Orientador: Prof. Dr. Fbio Csar da Silva.

PIRACICABA SPJUNHO/2011


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AUTORIZAMOS A DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONALOUELETRNICO,PARAFINSDEESTUDOEPESQUISA,DESDEQUECITADAAFONTE.

Rocha,AderbalAlmeida; Ton, Ariel;Michelin,EsequielBalanoenergticodeumengenhoparafinsdeplanejamentodaproduodeacarnaregio

deCharqueadaSP / AderbalAlmeidaRocha;ArielToneEsequielMichelin;orientadorFbioCsardaSilva.Piracicaba,201151p.

TrabalhodeGraduao(GraduaoTecnologia)FaculdadedeTecnologiadePiracicabaCentroEstadualdeEducaoTecnolgicaPaulaSouza.

1. Vapor 2.EnergiaEltrica 3.Silva,FbioCsarorientador ITitulo


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FOLHA DE APROVAO

Dr. FBIO CSAR DA SILVA

Orientador e Presidente da Banca

_________________________________________________________________

Dr. Hermas Amaral Germek

Fatec Piracicaba

Dra. Mrcia Nalesso Costa Harder

Fatec Piracicaba


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AGRADECIMENTOS

Agradecemos Deus, por nos abenoar, conduzir e iluminar em todos os

momentos.

As nossas famlias pela fora e apoio.

Faculdade de Tecnologia de Piracicaba Fatec, por possibilitar as condies e

meios para obteno de nossos conhecimentos.

Ao professor Dr. Fbio Csar da Silva pela orientao, crticas e sugestes.

Ao professor Dr. Fernando de Lima Camargo pelas valiosas sugestes e co-

orientao deste trabalho.

Ao Engenho Granelli & Filhos Ltda., em especial ao scio proprietrio Sr. J os

Granelli e a Tecnloga Tnia Martins do laboratrio de anlises, por permitir odesenvolvimento de nosso trabalho e pelas informaes disponibilizadas.

A NG Metalrgica Ltda., em especial aos Engenheiros Matheus Franhani e Rodrigo

Degaspari, pela colaborao e disponibilidade do software para os clculos de

eficincia das turbinas.

Ao Engenheiro Murilo Vilela pelo apoio prestado nos clculos das simulaes para a

indstria de acar.

A todos que colaboraram direta ou indiretamente com este trabalho.


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"H homens que lutam um dia e so bons.

H outros que lutam um ano e so melhores.

H os que lutam muitos anos e so muito bons.

Porm, h os que lutam toda a vida.

Esses so os imprescindveis."

(Bertolt Brecht)


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RESUMO

Nas usinas de acar e lcool o bagao da cana-de-acar usado comocombustvel para caldeiras, gerando vapor para turbinas que pode se transformarem acionamento de equipamentos de preparo e extrao do caldo, aquecimentoe/ou eletricidade. O fator de maior importncia no planejamento do setorsucroenergtico a sazonidade da produo, ou seja, a safra de cana-de-acarcoincidir com os perodos de pouca chuva e quando os rios esto com seus nveisbaixos. O objetivo deste trabalho foi determinar a eficincia das turbinas vapor equalificar o processo com as boas prticas de operao dos processos de produodo Engenho Granelli, no municpio de Charqueada no Estado de So Paulo, pois oempresrio pretende num futuro prximo instalar uma fbrica de acar. Osparmetros foram obtidos nos painis dos equipamentos e posteriormente calculou-se a eficincia das turbinas. Verificou-se que o vapor gerado e as condiesoperacionais da indstria so suficientes para suprir as necessidades dos processosatuais (etanol hidratado, aguardente e xarope). No entanto, no suficiente parafuncionar uma fbrica de acar, devido a limitaes da caldeira e turbogerador. Naseqncia procedeu-se a simulao para uma fbrica de acar, considerando aaquisio de uma nova caldeira e turbogerador.

Palavras-chave: Vapor, energia, bagao de cana-de-acar, eficincia e turbinas.


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ABSTRACT

In the sugar and alcohol industry the sugar cane bagasse is used like fuel for theboilers, generating steam for the turbine they can be transformed into drive inequipment preparation and juice extraction, .The most important factor for the alcoholsector is the ripe of the production, the sugar s harvest coincide with the little rainsperiods and when the rivers are in their lower levels. The aim of this study was todeterminate the efficiency of the steam turbines and qualify the process the goodoperating practices and calculate the mass balance of the producing process of theEngenho Granelli, on Charqueada municipality, Sao Paulo State, because theentrepreneur in the near future intends to install a sugar factory. The parameterswere obtained at the equipment s panels them calculated the turbines efficiency. Itwas found that steam generated is sufficient to meet the needs of current processes(hydrous ethanol, brandy and syrup) however, is not sufficient to operate a sugarfactory, due to limitations of the turbo generator. Following proceeded to thesimulation for a sugar factory, considering the purchase of a new boiler andturbogenerator

Key-words: Steam, energy, sugar cane bagasse-cane, steam, efficiency andturbines.


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Caractersticas fsico-qumicas dos acares cristal e VHP..................................28

Tabela 2. Caractersticas das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli..............................30

Tabela 3. Resultados do desempenho das turbinas do Engenho Granelli............................35


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Evoluo brasileira da produo de cana-de-acar (MAPA, 2010)......................15

Figura 2. Gerao de bagao e alimentao das caldeiras (CTC, 2011)..............................19

Figura 3.Transporte de bagao do ptio para a caldeira (CTC, 2011).................................20

Figura 4. Esquema do volume de controle da caldeira (EL-WAKIL, 1984)..........................22

Figura 5. Esquema do volume de controle da turbina...........................................................23

Figura 6. Esquema do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984).......................................................24

Figura 7. Diagrama T-S do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984)................................................25

Figura 8. Diferena de cor dos acares cristal e VHP (CANAH, 2011)...............................27

Figura 9. Preos mdios do acar VHP exportado (US$/sc 50 kg) no Estadode So Paulo (MAPA, 2010)...................................................................................................28

Figura 10. Evoluo da produo Brasileira de acar (MAPA, 2010)..................................29

Figura 11. Caldeira e turbogerador, Engenho Granelli..........................................................31

Figura 12. Turbina da bomba dgua e painel de equipamentos, Engenho Granelli.............31

Figura 13. Recepo e preparo da cana-de-acar no Engenho Granelli............................31

Figura 14. Fluxograma geral dos processos de fabricao do Engenho Granelli.................32

Figura 15. Eficincia dos equipamentos no uso de vapor.....................................................36

Figura 16. Simulao do balano geral para a produo de acar e etanol hidratado........38

Figura 17. Simulao do balano vapor para a produo de acar e etanol hidratado.......39


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LISTA DE APNDICES

Apnd ice A Croqui de produo e consumo de vapor do Engenho Granelli.....................44

Apnd ice B Resultado dos clculos para a turbina do DEFIBRADOR,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................45

Apnd ice C Resultado dos clculos para a turbina do PICADOR,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................46

Apnd ice D Resultado dos clculos para a turbina do 30TERNO DE MOENDA,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................47

Apnd ice E Resultado dos clculos para a turbina do EXAUSTOR,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................48

Apnd ice F Resultado dos clculos para a turbina da BOMBA,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. .................................................49

Apndice G Resultado dos clculos para a turbina do GERADOR,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. .................................................50

Apnd ice H Declarao de utilizao e divulgao de dados doEngenho Granelli....................................................................................................................51


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

0 Bx.: Grau brix

CONAB: Companhia Nacional de Abastecimento

CTC: Centro Tecnologia Canavieira

ha: hectare

HP: Horse Power

J : J oule

kg: quilograma

kgf: quilograma fora

MAPA: Ministrio da Agricultura, Pecuria e Abastecimento

PCI: Poder Calorfico Inferior

PCS: Poder Calorfico Superior

RPM: rotao por minuto

t: tonelada

T-S: Temperatura e Entalpia

tv/h: tonelada de vapor por hora

UNICA: Unio da Indstria Canavieira

VHP: Very High Polarization


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SUMRIO

LISTA DE TABELAS...............................................................................................9

LISTA DE FIGURAS..............................................................................................10

LISTA DE APNDICES.........................................................................................11

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS................................................................12

1. INTRODUO...................................................................................................13

2. REVISO DE LITERATURA.............................................................................15

2.1. Cana-de-acar..........................................................................................15

2.2. Bagao da cana-de-acar.........................................................................17

2.3. Caldeira.......................................................................................................21

2.4. Turbina........................................................................................................22

2.5. Balano de energia.....................................................................................23

2.6. Acar VHP Very High Polarization........................................................27

3. MATERIAIS E MTODOS.................................................................................30

3.1. Local do estudo...........................................................................................30

3.2. Coleta de dados..........................................................................................30

3.3. Medidas......................................................................................................32

3.4. Clculo de eficincia das turbinas..............................................................33

3.5. Simulao da fbrica de acar VHP.........................................................33

4. RESULTADOS E DISCUSSO........................................................................35

4.1. Anlise do desempenho atual.........................................................................35

4.2. Simulao da implantao de fbrica de acar VHP.....................................37

5. CONCLUSES.................................................................................................40

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................41

APNDICES..........................................................................................................43


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1. INTRODUO

H um milho de anos, a populao primitiva no era superior a meio milho

de indivduos, o que permitia natureza a sua resilincia dos recursos empregados

neste perodo. Quando havia ameaa de colapso, as populaes buscavam outras

regies e de maneira geral no havia preocupaes com a capacidade de suporte

do meio, isto , as condies naturais de regenerao dos recursos (GOLDEMBERG

e LUCON, 2008).

Com a revoluo industrial, o crescimento expressivo da populao e

consequente aumento do consumo de energia, novas fontes de energia primria

foram exploradas alm da lenha, hidrulica, carvo mineral, petrleo, urnio e mais

recentemente, a biomassa.

No setor sucroenergtico a biomassa advinda da cana-de-acar tem papel

fundamental no processo de produo de vapor, gerao de energia eltrica, seja

para suprir as necessidades dos processos agroindustriais e/ou gerao de

excedentes de bagao para o consumo externo as unidade produtoras.

O Engenho Granelli uma empresa familiar situada Fazenda So Benedito,

Bairro Paraisolndia, municpio de Charqueada, Estado de So Paulo, iniciou suas

atividades em 1991 com a produo de cachaa, em 2001 comeou a produzir

etanol hidratado e a partir de 2006 a fabricao de xarope concentrado.

Na safra 2010/2011, o Engenho Granelli, processou 254.130 toneladas de

cana, produzindo 4.000 m3 de cachaa, 178 m3 de etanol hidratado e 55.000 m3

xarope concentrado (650 Bx). A cana processada cerca de 20 % foi colhida

mecanicamente (cana crua) e o restante foi colheita manual com queima. O

Engenho utiliza toda sua energia proveniente da queima do bagao de cana-de-acar em caldeiras aquatubulares. Na safra 2010/2011 empregou 280 pessoas


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diretamente, sendo 60 na indstria e 220 no campo, em trs turnos de 8 horas. A

cana processada 50 % prpria e 50 % de fornecedores, abrangendo raio de 20 km

do Engenho.

O Engenho possui uma caldeira em funcionamento de 40 toneladas de vapor

por hora de capacidade, classe aquatubular, operando com a produo de 32

toneladas de vapor por hora nos parmetros descritos nominais de trabalho:

temperatura de 320 0C e presso interna 22 kgf cm-2.

O Engenho Granelli est estudando a implantao de uma fbrica de acar

VHP, pois o xarope produzido atualmente vendido como matria prima para a

indstria alimentcia, o mesmo ser destinado produo de acar VHP, que

possui maior valor agregado, alm de aumentar a diversidade de produtos

fabricados pela unidade e aproveitando a infra-estrutura existente.

A implantao da fbrica de acar ter relevncia scio-ambiental

significativas, principalmente na gerao de novos postos de trabalho e, se

constatado excedente de energia trmica, a mesma poder ser utilizada para a

produo de energia eltrica, favorecendo a matriz energtica regional e nacional.

O tema do trabalho foi escolhido devido ao interesse dos acadmicos em

aprimorar seus conhecimentos nesta rea e com intuito da integrao escola-

empresa, o que possibilita aplicar os conhecimentos adquiridos durante o curso de

Tecnologia em Biocombustveis e ao interesse da unidade produtora, ampliar suas

instalaes para a produo de acar VHP.

O objetivo deste trabalho foi determinar a eficincia das turbinas vapor equalificar o processo com as boas prticas de operao e simular o consumo de

vapor com a implantao de uma fbrica de acar no Engenho Granelli. Portanto,

este estudo servir de parmetro para a aquisio de nova caldeira e/ou

tuborgerador ou manter os mesmos com melhores condies de operacionais.


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2. REVISO DE LITERATURA

2.1. Cana-de-acar

A lavoura de cana-de-acar continua em expanso no Brasil, Figura 1

(MAPA, 2010). Os maiores ndices de aumento de rea cultivada ocorrem em So

Paulo, Mato Grosso do Sul, Gois e Minas Gerais. Nestes Estados, alm do

aumento da rea cultivada, outras novas usinas entraram em funcionamento na

safra passada, ficando assim distribudas: trs no estado de Minas Gerais, duas em

So Paulo, duas em Gois e uma nos Estados de Mato Grosso, Mato Grosso o Sul e

Rio de J aneiro. A Produtividade da cana destas usinas superior as demais, o que

em parte compensam a baixa produtividade que deve ocorrer no estado de So

Paulo. Neste ano, est prevista a entrada em funcionamento de cinco novas

unidades de produo (CONAB, 2011).

Figura 1. Evoluo da produo brasileira de cana-de-acar (MAPA, 2010).

Quanto ao aspecto agronmico, a cultura da cana-de-acar apresenta neste

primeiro levantamento, um desenvolvimento aqum do que aconteceu na safra

passada, em conseqncia do clima adverso ocorrido a partir do ms de abril at

novembro de 2010, com chuvas escassas em toda a regio Centro-Oeste e Sudeste.


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Este comportamento do clima prejudicou a brotao e o desenvolvimento da cana,

tanto nas reas colhidas como nas reas de renovao e expanso, mas, favoreceu

a colheita da safra passada, encurtando o perodo da safra. A concluso da colheita

na maioria das usinas, deve acontecer na primeira quinzena de novembro, com isso

a cana que estava em ponto de corte foi totalmente moda no sobrando

praticamente nada (cana bisada) para moer este ano, diferente do que aconteceu na

safra anterior quando o excesso de chuva no perodo de colheita fez com que

sobrasse muita cana que foi moda na safra seguinte. Aps o perodo seco, as

chuvas aconteceram com freqncia e intensidade satisfatria para o

desenvolvimento dos canaviais, o que est recuperando em parte, a produtividade.

No domnio de muitas unidades, o excesso de umidade dificultou a implantao de

novos canaviais, e o plantio ultrapassou o perodo ideal, podendo trazer

conseqncias na produo futura. Na safra anterior foi a falta de umidade que

prejudicou o plantio que se estendeu por todo o ano, alm de necessitar de irrigao

para provocar o brotamento das mudas (propgulos) (CONAB, 2011).

A cana-de-acar cultivada no sistema convencional, em solos bem

preparados com revolvimento de 20 a 30 centmetros. Mudas (propgulos)provenientes de canaviais de 12 a 18 meses, livres de pragas e doenas que aps

recebimento de tratamento preventivo com fungicida e inseticida, so colocadas em

sulcos em formato de cunha ou trapezoidal, dependendo do tipo de solo, com trinta

centmetros de profundidade e cobertas com 5 a 10 centmetros de terra. A

densidade usada de 12 a 18 gemas por metro linear e a distncia entre sulcos de

1,20 metro, para facilitar a operao de colheita. O consumo de mudas por hectare

de 15 toneladas, em mdia. Quando o plantio mecanizado, o consumo de cana(muda) aumenta consideravelmente, chegando a ultrapassar 20 toneladas (NICA,

2011).

A rea cultivada com cana-de-acar que ser colhida na safra 2011/2012 e

destinada atividade sucroalcooleira est estimada em 8.442,8 mil hectares,

distribudos em todos estados produtores. O Estado de So Paulo continua sendo o

maior produtor com 52,8% (4.458,31 mil hectares), seguido por Minas Gerais com

8,77% (740,15 mil hectares), Gois com 7,97% (673,38 mil hectares), Paran com


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7,33% (619,36 mil hectares), Mato Grosso do Sul com 5,69% (480,86 mil hectares),

Alagoas com 5,34% (450,75 mil hectares), e Pernambuco com 3,84% (324,03 mil

hectares). Nos demais Estados produtores as reas so menores, mas, com bons

ndices de produtividade (CONAB, 2011).

2.2. Bagao da cana-de-acar

O bagao um resduo fibroso resultante do processo de extrao do caldo

da cana de acar. A composio do bagao depende do sistema de colheita da

cana-de-acar, que pode ser tanto cana queimada como mecanizada (cana crua).

Conforme Delgado & Cesar (1977) a composio mdia do bagao :

9 47 % de celulose9 25 % de hemicelulose9 21 % de lignina9 7 % outros

A celulose um polmero com mais de 10.000 molculas de glicose que esto

ligadas em uma estrutura cristalina que fornece suporte estrutural s plantas. encontrada em matrias-primas de biomassa na forma de lignocelulose (DELGADO

& CESAR, 1977).

A hemicelulose tambm constituda de acares unidos em cadeias longas,

que geralmente apresentam 5 (cinco) acares: a arabinose, galactose, glicose,

manose e xilose. A hemicelulose considerada um material amorfo e parcialmente

fermentvel (DELGADO & CESAR, 1977).

A lignina tambm considerada um polmero de fenil-propanides que pode

ser visto como um carvo imaturo. No fermentvel e possui rendimentos

razoveis. Fornece estrutura e mobilidade aos vegetais aproveitando a rigidez da

celulose. A lignina formada pela remoo da gua das molculas de acar para

criar estruturas aromticas. Existem diversos monmeros de lignina, suas

caractersticas dependem da natureza da fonte (DELGADO & CESAR, 1977).


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O poder calorfico para combustveis slidos internacionalmente aceita em

quilo J oule por quilograma (kJ kg-1) ou mega J oule por quilograma (MJ kg-1). O setor

sucroalcooleiro geralmente utiliza a unidade quilocalorias por quilogramas (kcal kg-1),

sendo que 1,0 kcal kg-1 equivale a 4,85 kJ kg-1. O poder calorfico do bagao pode

variar de acordo com sua composio fsico-qumica, condies da matria-prima,

variedade, estgio de maturao, preparo da cana, condies de trabalho, sistemas

de colheita, sistemas de extrao do caldo (moenda ou difusor), quantidade de

impurezas vegetais e minerais (CTC, 2011).

Poder Calorfico Superior (PCS) determinado quando o calor latente de

vaporizao da gua formada pela reao de combusto durante a queima docombustvel com o ar seco e o Poder Calorfico Inferior (PCI) o resultado do PCS

menos o calor latente formado pela gua durante a combusto, ou seja, a gua

gerada pelos produtos de combusto na forma de vapor (DELGADO & CESAR,

1977).

A partir de 1990, com a auto-suficincia em produo de energia, as usinas

buscaram melhorar a eficincia de combusto e o emprego de tcnicas e

equipamentos adequados para fazer com que metade do bagao produzido por elas

fosse utilizado para gerar a energia capaz de manter a usina em funcionamento sem

a comercializao do excedente (TATEYAMA, 2008). A partir de 2001, algumas

usinas comearam a trabalhar com a produo excedente de energia e assim gerar

uma nova fonte de renda, comercializadas em concessionrias locais, com o

investimento em substituio de equipamentos com maior eficincia (CTC, 2011).

A substituio de caldeiras e turbogeradores por modelos mais novos eeficientes permite a operao de vapor vivo superiores (maior presso e

temperatura), com reduo no consumo de vapor na termeltrica. Atualmente, os

projetos vm sendo feitos com a utilizao de turbinas de condensao, fazendo

com que parte da usina trabalhe com a coogero e parte trabalhe como uma

termeltrica movida biomassa da cana, ou seja, bagao e palha. Isso faz com que

a usina opere alm do perodo de safra (CTC, 2011).


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Para que isso ocorra, necessrio um estoque de bagao no perodo de

safra, para que o mesmo possa ser utilizado posteriormente. Por possuir baixa

massa especfica (higroscpico e de fcil deteriorao), o bagao deve ser

armazenado com alguns cuidados (CTC, 2011).

O sistema de alimentao de bagao para cadeiras pode ocorrer de duas

maneiras, do setor de extrao do caldo direto para a caldeira e na falta da matria

prima, pode-se fazer o retorno do material armazenado no ptio, Figura 2.

Figura 2. Gerao de bagao e alimentao das caldeiras (CTC, 2011).

O processo mais utilizado pelas usinas o transporte de bagao que sai do setor

de extrao do caldo direto para as caldeiras, e o excedente segue para o ptio de

bagao. Certa quantidade de bagao mantida em recirculao no sistema para suprir

qualquer deficincia na moagem. De acordo com CTC (2011) a quantidade de bagao

pode variar entre 10 % e 40 % do bagao consumido pelas caldeiras.


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Quando ocorrem interrupes na moagem, o bagao retorna do ptio para as

caldeiras, atravs do dosador de retorno alimentado por tratores portadores de correia,

Figura 3, (HUGOT, 1977; apudCTC, 2011).

Figura 3. Transporte de bagao do ptio para a caldeira (CTC, 2011).

Todo o bagao gerado pelo setor de extrao direcionado ao ptio de

armazenagem, e depois segue para a caldeira. A caracterstica deste sistema a

independncia da moenda e/ou difusor, pois qualquer que seja o funcionamento destes

equipamentos, as caldeiras recebem o bagao do ptio. De acordo com CTC (2011) o

sistema pode ser uma forma interessante de operao no armazenamento de bagao

de maneira automatizada, tanto na entrada como na sada de bagao do armazm.

Caso haja necessidade de uma mquina para operao no retorno do bagao, estesistema pode tornar-se mais oneroso, devido o manuseio de grandes quantidades de

bagao. No entanto, este sistema aumenta o risco de deteriorao do bagao, pelo

maior tempo de manuseio e retorno do mesmo.

A alimentao de biomassa das caldeiras pode ser afetada devido variao de

bagao gerado pelas moendas ou difusores, impactando a produo e presso de

vapor. Devido a isso, a recirculao de bagao torna-se importante para evitar estas

instabilidades e manter o funcionamento dos equipamentos de gerao de vapor


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21

continua e estvel (CTC, 2011), mas requer boas condies de armazenagem, em

ptios bem dimensionados.

2.3. Caldeira

Caldeira o nome popular dado aos equipamento gerados de vapor, cuja

aplicao tem sido ampla no meio industrial e tambm na gerao de energia

eltrica na chamadas centrais termeltricas. Portanto, as atividades que necessitam

de vapor para o seu funcionamento, em particular, vapor de gua pela sua

abundncia, tm como componente essencial para sua gerao, a caldeira. Esse

equipamento, por operar com presses acima da presso atmosfrica, sendo na

grande parte das aplicaes industriais at 20 vezes maior e nas aplicaes para a

produo de energia eltrica de 60 a 100 vezes maior, podendo alcanar valores de

at 250 vezes mais, constitui um risco eminente na sua operao (ALTAFINI, 2002).

A evoluo das caldeiras proporcionou mudanas nas matrias-primas

utilizadas para sua confeco e na sua estrutura de funcionamento, atualmente ascaldeiras so basicamente de dois tipos: fogotubulares e aquatubulares (DELGADO

& CESAR, 1977).

Nas caldeiras fogotubulares seu funcionamento se baseia no principio de que

os gases de combusto (gases quentes) passam do lado de dentro de tubos

trocando calor com a parte externa do tubo, cercada por gua. Esse processo

fornece quantidade limitada de energia (calor) para gua, pois a superfcie de

aquecimento pequena, tornando a produo de vapor baixa assim como seurendimento (ALTAFINI, 2002).

Para tornar a produo de vapor maior, foram desenvolvidas as caldeiras

aquatubulares, Seu funcionamento o inverso das caldeiras fogotubulares, pois no

interior dos tubos, ao invs dos gases de combusto, ficam a gua e do lado exterior

os gases de combusto, com isso a superfcie de contato maior, possibilitando

uma maior produo de vapor e uma presso de operao maior, tomando o

rendimento da caldeira mais eficiente. Por seu maior rendimento e presso, as


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22

caldeiras aquatubular de biomassa so as mais utilizadas no setor sucroalcooleiro

(ALTAFINI, 2002).

A caldeira queima biomassa gerando vapor superaquecido. De acordo com

El-Wakil (1984), o esquema de controle da caldeira para a aplicao dos balanos de

massa e energia, Figura 4.

Figura 4. Esquema do volume de controle da caldeira (EL-WAKIL, 1984).

21

oo

mm =

02211=+ hmhmQ

oo

F

o

Em que: = vazes mssicas nas fronteiras do volume de controleo

m

= taxa lquida de calor trocadoFo

Q

= valores de entalpia especfica do fluido nestas fronteirash

2.4. Turbina

A turbina a vapor transforma a energia trmica em mecnica para

posteriormente transform-la em energia eltrica e o vapor de escape segue para o


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23

processo. Segue abaixo o volume de controle da turbina de contrapresso seguido

dos balanos de massa e de energia, Figura 5 (EL-WAKIL, 1984).

.

Figura 5. Esquema do volume de controle da turbina (EL-WAKIL, 1984).

43

oo

mm =

tc

ooo

Whmhm = 4433

Em que: = vazes mssicas nas fronteiras do volume de controleo

m

= taxa lquida de calor trocadoFo

Q

= valores de entalpia especfica do fluido nestas fronteirash

tc

o

W = Potncia de eixo lquida.

Os outros equipamentos dos ciclos, bombas e o desaerador, so usados a

mesma metodologia para encontrar o volume de controle.

2.5. Balano de energia

O balano de energia por sua vez, uma exposio sistemtica dos fluxos e

transformaes de energia em um sistema. A base terica para um balano


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24

energtico a primeira lei da termodinmica segundo a qual a energia no pode ser

criada ou destruda, apenas modificada em forma. As fontes de energia ou ondas de

energia so, portanto, as entradas e sadas do sistema em observao (SILVEIRA

NETO et al, 2010).

A avaliao do desempenho das instalaes de turbinas e seus elementos

so realizados por um sistema de rendimento absoluto e relativo (com relao a

turbina ideal). O ciclo Rankine opera predominantemente na regio de saturao do

fluido de trabalho (normalmente gua), que circula conforme o esquema da Figura 6

(EL-WAKIL, 1984).

Figura 6. Esquema do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984).

O ciclo ideal composto pelos processos de bombeamento isoentrpico (1-2),

aquecimento isobrico na caldeira (2-3), expanso isoentrpica na turbina (3-4) e


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troca de calor isobrica no condensador (4-1). Sua representao num diagrama

Temperatura vs Entropia pode ser vista na Figura 6 (EL-WAKIL, 1984).

O rendimento trmico um dos principais ndices de desempenho

(performance) da instalao de turbinas. O diagrama T-S do ciclo, Figura 7, faz uma

aproximao deste diagrama com o diagrama T-S do ciclo de Carnot. Desde modo,

o rendimento calorfico , em essncia, a frao do calor fornecido ao ciclo

energtico que se transforma em trabalho mecnico na turbina, e o seu valor

aproximadamente igual ao rendimento trmico (LORA & NASCIMENTO, 2004).

Figura 7. Diagrama T-S do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984).

Com maiores presses na sada da bomba levam a maior temperatura de

saturao e, portanto, aumento na eficincia do ciclo. Mas h tambm outras


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modificaes que podem ser feitas visando melhoria no rendimento (EL-WAKIL,

1984).

Os sistemas de vapor so de grande importncia industrial em processos que

necessitam de uma fonte de energia trmica. O vapor de gua como vetor de

transporte de energia trmica traz vantagens significativas, que explicam sua

disseminao, pois a gua uma substncia facilmente disponvel, pouco agressiva

quimicamente e com grande capacidade de transportar energia. Na gerao e na

utilizao do vapor ocorrem mudanas de fase, tanto na vaporizao quanto na

condensao, que causam grandes variaes de volume, resultando em elevado

coeficiente de transferncia trmica, que, somado alta densidade energtica (calorlatente) do vapor, produz elevadas taxas de transferncia de calor por unidade de

rea. Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante baixo preo

(dependendo do combustvel), alta densidade energtica e elevada taxa de

transferncia de energia (LORA & NASCIMENTO, 2004).

A avaliao da eficincia do processo de produo de vapor, tanto para

acompanhamento ou para estudo comparativo de suma importncia para avaliar o

seu desempenho e detectar falhas e pontos de estrangulamentos no sistema

(LOPES & BORGES, 2009).

A eficincia trmica ou o rendimento total que pode ser obtido na caldeira do

tipo aquotubular de 80 % a 85 % ou maiores em caldeiras com superaquecedores,

economizadores e aquecedores de ar. A maior eficincia dos geradores

aquotubulares deve-se disposio mais racional da superfcie de aquecimento,

que favorece a transmisso do calor desenvolvido na fornalha e, especialmente, adoo de superaquecedores de vapor, aquecedores e economizadores. Estes

equipamentos permitem recuperar grande parte do calor residual dos gases quentes

da combusto, que passam pela chamin, diminuindo a temperatura final destes

(CENTRAIS ELTRICAS BRASILEIRAS, 2005).


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2.6. Acar VHP Very High Polarization

Desenvolvido em 1993, o Acar VHP destinado ao mercado externo.

Trata-se de um acar bruto, que permite aos clientes transform-lo em diferentes

tipos de acar para o consumo (RAZEN, 2011).

O acar VHP consiste num acar utilizado como matria-prima para

outros processos, tambm em cuja fabricao o tratamento do caldo mnimo ou

nenhum e cuja massa cozida sofreu lavagem reduzida durante a centrifugao

(SIAMIG, 2011).

O acar cristal obtido por processo de cristalizao controlada, a partir de

caldo de cana-de-acar tratado, possui cristais finos, regulares e com alto brilho

sendo especialmente indicado para processos alimentcios e outros fins. O acar

VHP destinado principalmente ao mercado externo, trata-se de um acar cru (raw

sugar), que permite aos clientes transform-lo (refinar) em diferentes tipos de acar

para o consumo industrial, Figura 8 (CANAH, 2011). As principais caractersticas

fsico-qumicas dos acares cristal e VHP esto descritas na Tabela 1.

Figura 8. Diferena de cor dos acares cristal e VHP (CANAH, 2011).
http://www.canah/http://www.canah/


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Tabela 1. Caractersticas fsico-qumicas dos acares cristal e VHP.

Parmetros Mtodo UnidadeEspecificao do acar

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 VHP

Polarizao ICUMSA 0Z mn. 99,7 99,7 99,6 200 >580

Sulfito Fermentec ppm Max. 10 10 20 >20 -

Pontos pretos Copersucar N0 mx. 10 15 20 >20 -

Resduos insolveis Copersucar 1-10 0,5 0,6 0,8 >09 -

GranulometriaMalha 30

Copersucar% Max. 0-60 0-60 >60 >60 -

Malha 60 % Min. 40-100 40-100 100 >100 -

Acares Redutores Fermentec % Mx. 0,05 0,05 >0,05 >0,05 -

ICUMSA International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis.

Fonte: CANAH (2011).

De acordo com Canah (2011) em 2010, o mercado de acar foi marcado porfortes altas de preos, tanto no mercado domstico como no internacional, uma das

principais causas das reaes expressivas foi a reduo dos estoques mundiais, que

tm baixado desde 2008, quando houve dficit expressivo. No ano seguinte, um

novo dficit agravou a situao dos estoques e os preos internacionais comearam

a reagir com altas acentuadas, Figura 9.

Figura 9. Preos mdios do acar VHP exportado (US$/sc 50 kg), no estado deSo Paulo (MAPA, 2010).


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Em resposta aos preos favorveis os produtores vem aumentando a

produo de acar a cada ano, Figura 10. De acordo com Canah (2011) a

expectativa era de que, em 2010, o mercado voltasse a ter algum equilbrio entre

oferta e demanda, em termos agregados. No entanto, quebra de safra em paises

produtores importantes (India) por fatores climticos (excesso de chuva em alguns

casos e estiagem em outros) trouxe de volta a instabilidade. Outros fatores, no

menos importantes, que agitaram os preos foram as condies macroeconmicas

que provocaram oscilao do dlar, levando investidores a alternar sua participao

no mercado e acarretando incremento geral nos preos de commodities, no apenas

do acar.

Figura 10. Evoluo da produo brasileira de acar (MAPA, 2011).


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3. MATERIAIS E MTODOS

3.1. Local do estudo

O Engenho Granelli localiza-se no municpio de Charqueada, estado de So

Paulo, Fazenda So Benedito s/n, zona Rural, Paraisolndia, cuja razo social

J os Granelli & Filhos Ltda., Indstria de aguardente, xarope e etanol hidratado.

3.2. Coleta de dados

Os equipamentos movidos a vapor no Engenho Granelli so os de preparo da

cana (desfibrador e picador), 30 terno de moenda, exaustor e gerador, a coleta de

dados dos parmetros para o balano de vapor foi realizada pela leitura direta no

painel de equipamentos (Figura 12), com trs leituras para cada parmetro, das

turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli, Tabela 2 e algumas ilustraes dos

equipamentos esto apresentadas nas Figuras 11 a 13.

Tabela 2. Caractersticas das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli.

Turbina Marca Modelo Potncia HP

Desfibrador Dedini 140 CE 315

Picador Dedini 140 CE 288

30 terno de moeda Equipe - 650

Bomba Dedini 55 CESP 200Exaustor Dedini 140 CE 650

Gerador Turbimaq 800 ME 1600

Fonte: Os autores (2011)

Alguns dos parmetros utilizados no balano de energtico foram obtidos por

meio de entrevista pessoal em parte com o proprietrio do Engenho, Sr. J os

Granelli e a responsvel pelo laboratrio, Tecnloga em Produo SucroalcooleiraSra. Tnia Martins.


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Figura 11. Caldeira e turbogerador, Engenho Granelli (Os autores, 2011).

Figura 12. Turbina da bomba dgua e painel de equipamentos, Engenho Granelli (Osautores, 2011).

Figura 13. Recepo e preparo da cana-de-acar no Engenho Granelli (Os autores, 2011).


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3.3. Medidas

As variveis necessrias aos clculos do balano de energia, o mapeamento

do processo e a anlise do fluxo de energia da unidade produtora foram efetuados

in locoe com os dados fornecidos pelo laboratrio do Engenho Granelli (Figura 14).

Figura 14. Fluxograma geral dos processos de fabricao do Engenho Granelli (Osautores, 2011).


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3.4. Clculo de efic incia das turbinas

O clculo da eficincia das turbinas de simples estgio (picador, desfibrador,

30 terno de moenda, bomba de alimentao da caldeira e exaustor) foi utilizado o

software TVG1, desenvolvido pela NG metalrgica e, para a turbina multiestgio

(turbogerador) utilizou-se o software TMOD, baseado no trabalho descrito por Lora &

Nascimento (2004).

3.5. Simulao da fbrica de acar VHP

A simulao da fbrica de acar VHP foi baseada par a seguinte capacidade

produtiva:

9 Etanol hidratado = 100 m3/dia9 Aguardente = 70 m3/dia9 Acar VHP = 150.000 kg/dia9 Xarope (650 Bx.) = 20 t/h

Os parmetros tcnicos de desempenho e qualidade da matria-prima foram

os seguintes:

9 Moagem = 190 TCH9 Eficincia da extrao = 96 %9 Pol da cana = 15,6 %9 Fibra da cana = 12,00%9 Pureza da cana = 85,5%9 Atr = 143,779 1 moenda de 54" x 48" + 4 moendas 54" x 26"):9 Dias de safra = 200 dias9 Acar VHP de 2 MC (massa cozida)9 Processo - Moagem: - pol no bagao = 2,62%

- embebio % cana = 28%

- fibra do bagao 45,11%

- Art mosto= 15,21


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34

- ART not xarope = 62,02

- litro alcool por atr = 85,00

- kg de Aucar por atr = 177,08

- litro de lcool produzido 83,17 / TC

- litro de aguardente produzido 173,27 / TC

- kg de a produzido por atr 139,19

- kg de a no xarope 589,22

- Rendimento industrial anual 84,55

A simulao do consumo de vapor, com implantao da fbrica de acar, foi

feito por engenheiro da Dedini S/A Indstria de Base, com software de uso restrito

da empresa.


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4. RESULTADOS E DISCUSSO

4.1. Anlise do desempenho atual

Os resultados da leitura, mdia de trs repeties, dos parmetros de

desempenho das turbinas esto apresentados na Tabela 3.

Tabela 3. Resultados do desempenho das turbinas do Engenho Granelli.

Descrio

Equipamento acionado*

Picador Desfibrador30terno da

moedaBomba Gerador

Potncia, HP 288 315 162 200 1600

Presso de admisso, kgf cm-2 g-1 18 21 20

Presso da camara 1, kgf cm-2 g-1 12,0 13 24 12 18

Presso da camara 2, kgf cm-2 g-1 12 15

Presso da camara 3, kgf cm-2 g-1 0,8

Presso de escape, kgf cm-2 g-1 1,8 1,8 2,1 1,5 1,6 1,9

Presso leo regulagem, kgf cm-2 g-1 4,2 2,1

Presso leo mancal kgf cm-2 g-1 1,5 1,3 0,8 1,5

Rotao RPM 6000 6500 7800 3500 4000

Fonte: Os autores (2011) * Mdia de trs repeties.

A turbina do exaustor no foi possvel mensurar os dados de desempenho,

pois a mesma no possua painel de instrumentos, a sua eficincia foi estimada,

pelo software TVG1, com base no balano de consumo de vapor dos equipamentos

alimentados pelo vapor gerado pela caldeira.

O rendimento da turbina do gerador est dentro do esperado, pois de acordo

com Lora e Nascimeto (2004), para unidades de turbina a vapor modernas decentrais termeltricas, o rendimento trmico ou calorfico pode alcanar 60 % e que


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36

devido os diferentes componentes dessas instalaes, ocorrem diversas perdas que,

naturalmente, diminuem o rendimento da transformao do calor em trabalho

mecnico ou eletricidade, Figura 8.

As turbinas do preparo (picador e desfibrador), moenda e bomba da caldeira

apresentaram eficincia adequada, Figura 15, conforme estudo de consumo de

vapor em turbinas (STAB, 2005).

Figura 15. Eficincia dos equipamentos no uso de vapor (Os autores).

O terceiro terno da moeda no foi eletrificado devido limitao do gerador,

conforme relato do proprietrio, que foi feito um estudo e a melhor opo foi manter

este a vapor. Essa eletrificao proporciona as seguintes vantagens (TATEYAMA,

2008):

9 Reduz o consumo de vapor no processo de moagem, substituindo turbinas

a vapor por acionamentos e motores eltricos de alta eficincia.

9 Garante maior produtividade, extraindo maior quantidade de caldo com omesmo terno;


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9 Oferece maior controle do processo, pela flexibilidade no controle de

velocidade da moenda;

9 Permite a operao remota, reduzindo riscos com acidentes.

O vapor produzido atualmente suficiente para operacionalizar todos os

processos, no entanto, no pico de safra, eventualmente h falta de vapor, devido

limitao da eficincia da caldeira, pois a mesma tem capacidade de 40 toneladas

hora, mas sua eficincia por volta de 80 %.

Uma alternativa para aumentar o rendimento da caldeira baixar a umidade

do bagao utilizando secador de bagao, pois o bagao que queimado na caldeiratem aproximadamente 48 % de umidade, ou seja, quando esse entra na caldeira em

forma de combustvel antes de fornecer sua energia, subtrai calor do sistema para

realizao a evaporao da gua e s depois de seco realiza a combusto liberando

energia trmica para a caldeira. No entanto, necessrio avaliar o custo/benefcio

desta operao.

O monitoramento constante do valor da temperatura do vapor de escape das

turbinas uma indicao valiosa do consumo especfico das mquinas e a partir

desta pode-se tomar as providncias necessrias para otimiz-la.

4.2. Simulao da implantao da fbrica de acar VHP

Com a implantao da unidade de produo de acar VHP e os demais

processos haver consumo de 71 toneladas de vapor por hora (tv/h), distribudos daseguinte forma:

9 Xarope = 28 tv/h9 Acar = 23 tv/h9 Etanol + aguardente = 20 tv/h


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O fluxograma da simulao, para produo de acar VHP e etanol hidratado,

foi estruturado conforme a Figura 16 e o consumo de vapor nos processos, com a

colaborao do Engenheiro Murilo Vilela, encontra-se na Figura 17.

Portanto, a estrutura atual de gerao de vapor no suportar a implantao

da fabrica de acar VHP, devendo a mesma ser re-dimensionada para atender a

maior demanda de vapor nos processos, com uma caldeira de 100 tv/h.

Figura 16. Simulao do balano geral para produo de acar e etanol hidratado (EngMurilo Vilela, 2011).


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gua gua nocontaminada contaminada

Figura 17. Simulao do balano de vapor para produo de acar e hidratado (EngMurilo Vilela, 2011).

.

O tarbalho desenvolvido na simulao da unidade de produo de acar tem

carater acadmico, pois para se ter uma avaliao mais detalhada, desta planta de

fabricao de acar, necessrio avaliar os fatores com os equipamentos

existentes e a forma de operao da uniddade do engenho em questo. Outraquesto observada ao longo da elaborao deste trabalho a ausncia de sistema

de regenerao trmica, com o objetivo de melhorar a eficincia trmica do

processo, diminuindo consequentemente o consumo de vapor.


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5. CONCLUSES

A quantidade de vapor e energia produzida adequada aos processos atuais

do Engenho Granelli, mas no suficiente para implantar a fbrica de acar VHP.

Para implantar fbrica de acar necessrio adquirir uma nova caldeira e

um novo turbogerador.


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41

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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APNDICES


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Apndice A Croqui da produo e consumo de vapor do Engenho Granelli.


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45

Apndice B Resultado dos clculos para a turbina do DESFIBRADOR, obtidospelo processamento dos dados no software TVG1.


47/52

46

Apndice C Resultado dos clculos para a turbina do PICADOR, obtidos peloprocessamento dos dados no software TVG1.


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47

Apndice D Resultado dos clculos para a turbina do 30TERNO DA MOENDA,obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1.


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48

Apndice E Resultado dos clculos para a turbina do EXAUSTOR, obtidospelo processamento dos dados no software TVG1.


50/52

49

Apndice F Resultado dos clculos para a turbina da BOMBA, obtidos peloprocessamento dos dados no software TVG1.


51/52

50

Apndice G Resultado dos clculos para a turbina do GERADOR, obtidos peloprocessamento dos dados no software TMOD.


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51

Apndice H Declarao de utilizao e divulgao de dados do EngenhoGranelli.

balanço de usina

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