Propostas de esquemas termicos de cogeracão para usinas sucroalcooleiras, influência de parâmetros determinantes na produção de potência (página 2)

Diminuir a dependência do exterior de necessidades de combustível refinado.

Potencial aumento da capacidade de exportação pela demanda crescente de etanol como combustível.

Cria una alternativa ao uso da lenha, do carvão vegetal e do gás liquefeito como combustível doméstico, pelo que contribui a preservação de recursos naturais.

Podem utilizar-se estes projetos para a Recuperação de Espaços Degradados

Aumento da captação de recetas públicas.

A principal novidade do estudo são os esquemas térmicos propostos e a otimização do sistema de aquecimento regenerativo da água de alimentar, para sistemas de cogeração Sucroenergética, que ainda não são utilizados e nem propostos na literatura que conhecemos para este tipo de agro – produção, alem do estudo mediante simulação da influencia de diversos fatores na potencia que é possível gerar nas turbinas de extração condensação, incluídas nos esquemas de produção dos CAISE. Se valora a influencia do reaquecimento intermédio na potencia produzida com altos parâmetros do vapor, esquema este não utilizado ainda nos CAISE. Uma outra novidade é a análise das condições agroclimáticas – meteorológicas, para a implantação da cana-de-açúcar em Angola, e a incidência destas condições no comportamento das tecnologias energéticas.

Metodologia de trabalho.

• Pesquisa documental.

• Pesquisa por entrevista.

• Elaboração de modelos matemáticos.

• Aplicação de modelo matemático para análises de variantes de esquema energético e da influência de parâmetros determinantes da potência instalada. Simulação.

• Tratamento dos dados, procura da influência dos diversos fatores sobre a potência gerada, por medio da cogeração.

• Analises dos resultados.

PALABRAS CHAVES: Industria Sucroenergética, Sucroalcooléira. Agroindústria açucareira. Cogeração. Cana energética. Resíduos agroindustriais. Agricultura de precisão. Biomassa. Esquema energético. Impacto ambiental. Sustentabilidade.

A biomassa é una alternativa e uma fonte de energia global.

As tendências mundiais no uso de energia, o câmbio climático, e as necessidades em seguridade energética poem de releve a necessidade de fazer uma rápida transição, a um sistema de energia baixa em carbono, sustentável, eficiente e ambientalmente amigável. A procura de alternativas energéticas que integrem os recursos locais renováveis é uma das principais preocupações dos governos, científicos e empresários de todo o mundo. As virtudes que fazem da biomassa uma alternativa energética real são muitas: . É a quarta maior fonte de energia conhecida ate a data na Terra, depois do carvão, petróleo e o gás natural e um dos recursos mais comuns e estendidos no mundo. . É a única renovável que pode substituir aos combustíveis fósseis em todos os mercados energéticos, porque permite produzir calor, eletricidade e biocarburantes líquidos. . Tem vantagem respeito a outras energias renováveis porque és regulável no tempo e pode funcionar todas e cada uma das horas do ano. . É a energia renovável más barata de produzir (115 US$/MWh segundo EIA, 2009) e que melhores benefícios ambientais proporciona si se utiliza de forma sustentável. A biomassa é atualmente o maior contribuinte global de energia renovável e seu futuro desenvolvimento, si se faz gestão de forma sustentável, proporcionaria: . Maior contribuição no fornecimento de energia mundial primaria. . Reduções significativas das emissões de gases de efeito invernadoiro. . Melhoras na segurança energética e a balança comercial dos países, mediante a substituição de importações de combustíveis fósseis por biomassa doméstica. . Oportunidades para o desenvolvimento económico e social em comunidades rurais. . Melhora em a eficiência dos processos energéticos.

Do ponto de vista do Aproveitamento energético, os tipos de básicos de matéria vegetal (biomassa), de acordo com a sua composição química, são:

Sacarídeos (C11, H22 O11)

Cana de açúcar, calde do sorgo sacarino, beterraba, etc.

Amiláceos (C6 H10 O3)

Mandioca, milho, batata, grãos de sorgo, etc.

Triglicéridos (Óleos vegetais)

Cocos de dendê, copaíba, amendoim, soja, algodão, mamona, abacate, etc.

Lignocelulósicos:

Tronco e galhos de arvores, gramíneas, rejeitos florestais, bagaço de cana, casca de arroz, etc.

Potencial produtivo da cana-de-açúcar.

Na indústria açucareira, ao igual que nas de alimentos, petroquímica, café, soja, milho e outras, como empresas de produção continua, aparecem diversos produtos derivados ou gerados a partir de uma mesma matéria-prima, normalmente classificados como coprodutos o subprodutos. As indústrias de processos que geram várias produções conjuntas de uma matéria-prima podem classificar-se em três categorias principais (Brunstein, 1994):

P1. Conjunto de produtos principais.

P2. Conjunto de produtos secundários.

P3. Conjunto de subprodutos.

Já os residuais são matérias que restam do processo de produção, possuem em geral potencial contaminante e requerem tratamento, muitas vezes podem ser convertidos em produtos úteis.

Potencialidades de produção de alguns produtos por tonelada de cana moída.

• Bagaço 270 -280 kg/tc.

• Etanol 86 litros/tc. (Balance com açúcar)

• Energia Eléctrica mais de 120 kWh/tc.

• Torta de filtro o cachaça 30 - 35 kg/tc.

• Açúcar 120 -140 kg/tc. (Balance com etanol)

• Biogas de la vinhaça 11.8 m³/tc (Produção 100% etanol)

• Agua 350 – 500 litros/tc.

• Mel Final 30 kg/tc.

• Palha e colmos (RAC) 330 kg/tc. (Resíduos Agrícolas Canavieiros)

• Cinzas do bagaço 7 kg/tc.

Outras potencialidades a partir de 1 tonelada de bagaço:

• 0.26 ton de tabuleiros de partículas.

• 0.18 ton de tabuleiros de fibra.

• 0.1 ton de Fulfural. (Utilizado para refinação de óleos lubrificantes, nylon e resinas).

• Mais de 450 kWh de energia eléctrica.

• Polpa para fabricação de papel

Potencialidades a partir de 1 tonelada de mel final:

• 230 litros de Rom.

• 330 kg de ácido cítrico.

• 0.24 m³ de álcool.

• 130 kg de butanol + 60 kg de acetona + 10 kg de etanol.

• 250 kg de levedura padeira.

• 250 kg de levedura alimento animal (50 % de proteína crua)

• 220 kg de Monosodio – Glutamato (MSG) (Intensificador de temperos) Muito valorizado.

A cana-de-açúcar possuem um grande potencial energético, que ainda não ha sido explorado a sua máxima capacidade. Esto sucede porque ate agora os CAISE, são concebidos como fábricas de açúcar – álcool – eletricidade simultaneamente e não ha projectos em que o objetivo seja obter, o máximo de energia sim produção de açúcar. O fato de prever a produção simultânea de açúcar e álcool limita a otimização desde as perspectivas da máxima produção de energia. Neste trabalho, o CAISE é especialmente pensado para a transformação da energia térmica em eletricidade com tecnologias conhecidas e utilizadas em CTE, mas não se empregam em fábricas de acucar.

Balanco de energia na produção Sucroenergética.

Uma das principais características da produção de energia, utilizando a cana-de-açúcar é seu incomparável balanço positivo de energia gasta na produção e a energia gerada com seus produtos. Diversos autores hão realizado trabalho de este tipo e ainda que diferem nos resultados em todos os casos sim exceção, o resultado é positivo.

Tabela # 1 Consumo de petróleo equivalente (kg), na produção de cana. (2)

Insumo Agrícola	Consumo por tonelada de cana
Combustível Operações agrícolas e coleta Transporte	0.72 kg/tc
	0.836 kg/tc
Subtotal	1.5556 kg/tc
Fertilizantes	0.16 kg/tc
Calcário	0.168 kg/tc
Herbicida	0.269 kg/tc
Inseticidas	0.019 kg/tc
Mudas	0.138 kg/tc
Subtotal	2.1959 kg/tc
Equipamentos	0.7911 kg/tc
Total	4.5426 kg/tc

Nesta análise se tomam como parâmetros de cálculos os seguintes:

Poder calorífico do petróleo equivalente: 41190 kJ/kg

Poder calorífico do Bagaço: 7650 kJ/kg

Tabela # 2 Consumo de combustível equivalente petróleo na produção de etanol (2)
Produtos químicos e lubrificantes		0.1757 kg/tc
Edificações		0.2580 kg/tc
Equipo pesados		0.3130 kg/tc
Equipo ligeiros		0.3560 kg/tc
Total		1.1027 kg/tc

A continuação apresentamos o total do consumo de combustível equivalente e a geração, em esta tabela foi modificada a produção de energia do bagaço do etanol por ser superiores em nosso trabalho, também foi incorporada a produção de biogas.

Tabela # 3 Uso e geração de energia na agricultura e a indústria (2)
Sector		Insumo	Geração
Sector Agrícola		4.5426 kg/tc
Sector Industrial		1.1027 kg/tc
Álcool (69 kg/tc)			44.957 kg/tc
Bagaço (50 % umidade)			25.634 kg/tc
Biogas (11.3 m³/tc)			6.068 kg/tc
Total		5.5453	76.659
Geração/consumo		13.82

Nos cálculos se fizeram as suposições seguintes:

PCI do Bagaço: 7637 kJ/kg.

Sobrante de bagaço: 52 %.

PCI do Biogas: 22500 kJ/m³.

PCI do etanol: 27300 kJ/kg

Composição química do etanol:

Conhecida desde o início do século XX, a cogeração teve um impulso quando do primeiro impacto no preço do petróleo, foi estudada quando do segundo impacto e, efetivamente, incrementada a partir da década de 1980, suas potencialidades ainda são muito grande sendo uma das principais reservas para elevar a eficiência energética para processos industriais e domésticos.A cogeração surge como tecnologia cada vez mais importante, pois, garante maior aproveitamento da energia disponível no combustível e consiste, simplesmente, na produção combinada de calor e trabalho mecânico e/ou eletricidade, a partir de uma mesma fonte primária de energia, destinando-se ambos ao consumo interno ou de terceiros e minimizando, desta forma, as perdas associadas a segunda lei da Termodinâmica.

Os primeiros sistemas de cogeração foram utilizadas para aproveitar a energia dos gases de escape das chaminés para produzir energia mecânica através de turbinas eólicas, localizadas nos condutos de escape dos fornos e caldeiras.

Os usuários de sistema são instalações onde há necessidade simultânea e contínua de calor e/ou eletricidade e/ou frio e com período de funcionamento de, pelo menos, 4500 horas por ano, existem usinas termelétricas, chamadas de calorificação destinadas a comercialização e fornecimento tanto do calor, como da eletricidade a terceiros. Estas características encontram-se, frequentemente, nas indústrias elétrica, indústrias Sucroenergética, metalúrgica, química, petroquímica, produção de gases, de papel e celulose, alimentícia, de bebidas, na farmacêutica, cosméticos, têxtil, cerâmica, entre outras. Contudo, no setor terciário, a cogeração ou a trigeração está resultando ser uma solução adequada e atrativa para hotéis, hospitais, centros esportivos ou comerciais, edifícios de escritórios, hipermercados, campus universitário, aeroportos, e outros.

No Canadá, China, Alemanha, Estados Unidos o percentual de energia cogerada varia entre 8 e 11 %. A Holanda tem 20%, a Dinamarca 27,5% e a Rússia 30% de eletricidade proveniente de centrais de cogeração. (3)

Análise termodinâmico dos esquemas térmicos de cogeração propostos. Influencia dos parâmetros determinantes.

Para a análise das variantes e soluções dos esquemas térmicos se tomaram recomendações de 4, 5, 6 e 7, algumas das principais são:

• A umidade do vapor final na turbina não deve ultrapassar o 15 %, e dizer o título deve ser maior de 0.85. Esta limitação, está condicionada pela erosão nas últimas etapas provocadas pela umidade do vapor, que se separam do fluxo de vapor.

• Os valores pares das temperaturas iniciais e a pressão inicial, que correspondem a umidade final dada do vapor na turbina (13 %) (Sim reaquecimento intermedio), se chamam parâmetros iniciais conjugados.

• Os parâmetros iniciais conjugados do vapor que correspondem a umidade final do vapor de 13 % e ao rendimento interno medio da turbina de 85 %, são:

T0 (°C)	P0 (MPa)	I0 (kJ/kg)
600	20.0	3538
570	18.0	3500
515	12.0	34420
480	9.0	3350
450	7.0	3300
410	5.0	3220
300	2.0	3030

• O reaquecimento intermedio do vapor normalmente se pratica em turbinas com potência superior a 100 MW. A temperatura de reaquecimento intermedio se elege igual aproximadamente a temperatura inicial do vapor vivo.

• Para o reaquecimento intermedia monoetâpico do vapor, pode-se recomendar a relação seguinte entre as pressões inicial e de reaquecimento intermedio:

Pri = (0.15 – 0.2) po

• O processo de aquecimento regenerativo consiste na utilização do vapor das extrações da turbina para o aquecimento do condensado que alimenta as caldeiras. Pode ser interpretado como um processo de cogeração interna. Seu efeito principal resulta da diminuição das perdas de calor no condensador da turbina.

• Para centrais termelétricas com altos parâmetros do vapor taa = (150 – 170) °C. Para usinas com altos parâmetros do vapor taa = (225 – 275) °C.

• A medida que aumenta o número de aquecedores e de extrações regenerativas, o valor da entalpia da água de alimentação ao qual corresponde o máximo de eficiência do turbo grupo aumenta.

• Número típico de regeneradores em função da capacidade de geração elétrica:

Capacidade da Usina MW	Número típico de Aquecedores
0 - 50	3 – 5
50 – 100	5 – 6
100 – 200	5 – 7
Mais de 200	6 - 8

Fonte: Drbal 1996.

• O coeficiente energético de aquecimento regenerativo, Areg, expressa a relação entre o trabalho realizado na turbina pelo vapor da extração e o trabalho realizado pelo vapor que chega ao condensador:

Areg =

• Quanto maior o coeficiente Areg, maior será o efeito do aquecimento regenerativo da agua de alimentar a caldeira, no acréscimo da eficiência da usina termelétrica.

• Para cada número de aquecedores existe um valor da taa ao que corresponde a maior eficiência do sistema regenerativo e que coincide com o maior valor de Areg.

• Para unidades com baixos e médios parâmetros do vapor, o aquecimento nos aquecedores se reparte de maneira igual nos aquecedores.

• Para unidades com altos parâmetros do vapor vivo, o aquecimento costuma a repartir-se em forma de progressão geométrica com coeficiente m;

= .. = m

• O desaerador pode ser localizado em varias partes do esquema de acordo com a sua classificação em:

Denominação		Pressão (MPa)		Tsat (°C)	Observações
De vácuo		0.0075 – 0.005		40 - 80	Precisa ejetores
Atmosféricos		0.12		104	Levemente pressurizados
Alta Pressão		0.6 – 0.78		158 - 167	Usados em usinas com p0 = 10 MPa

• Os aquecedores localizados antes o desaerador de alta pressão são denominados de baixa pressão, e os localizados posterior ao mesmo se chamam de alta pressão, e a distribuição de temperaturas se realiza de maneira separada para aquecedores de alta e aquecedores de baixa pressão.

Métodos de avaliação de sistemas de cogeração

Existe uma variedade grande de métodos de avaliação do desempenho dos sistemas de cogeração. A principal dificuldade a hora de avaliar estes sistemas, esta em que a energia primaria, se utiliza para ser transformada em energias de uso final de qualidades diferentes, por exemplo energia eléctrica e vapor para o processo, no caso das fabricas de açúcar e/ou etanol, o que dificulta significativamente comparar sistemas de cogeração com esquemas térmicos diferentes e diferentes relação entre a produção de calor e potencia mecânica e / ou elétrica. No caso da produção Sucroenergética isto e ainda mais complicado já que o calor e um consumo na produção e a energia elétrica excedente e um produto dessa produção.

A avaliação da efetividade de uma planta de cogeração basado na primeira lei da termodinâmica o Lei de Conservação da Energia

O factor de utilizacao da energía se designa por FUE, considera a equivalencia entre o trabalho e o calor como produtos:

FUE =

Aquí: Ef _ Energía disponivel por o combustivel, kJ/s.

Qdis = Ef = B x PCI

B _ consumo de combustivel, kg/s.

PCI _ Poder Calorífico Inferior do combustive, kJ/kg.

Qp = Dex (iex – icon) = kJ/s

Se a energia eléctrica e/ou a mecânica (W), e o calor para o processo (Qp), foram produzidas de maneira separada, num gerador de vapor e uma central eléctrica convencional a energia disponível fornecida será:

Qcs = Efs = +

gv _ é a eficiência dum gerador de vapor convencional. (Assumida neste trabalho igual a 80 %).

O índice de poupança de energia na cogeração será:

ESI =

?gv: Eficiência de referência da conversão direta em calor.

?e: Eficiência de referência de um ciclo de potência.

Considerando as seguintes eficiências de referência:

Para a conversão direta em calor, (?gv), 80%.

Para ciclos convencionais de potência (?e):

• Com potência instalada na faixa de 20 a 50 MW: 40%.

• Com potência instalada na faixa de 5 a 20 MW: 35%.

• Com potência instalada na faixa de 1 a 5 MW: 30%.

Índice de economía energética:

IEE = 1 – ESI

Segundo esta equação IEE, deve ser menor que 1, quanto menor melhor será o índice de desempenho.

As informações a seguir poderão, nos serve para realizar alguns cálculos e comparações.

Um índice que nos parece mais adequado para a análise convertemos o calor consumido no processo, em energia eléctrica equivalente (Qp x ?e) e calcular o índice de eficiência na produção de energia elétrica equivalente:

EEE =

Índice de combustível dedicado a produção de potência (FCP):

Eficiência na geração de potência ?NE:

?NE =

Indices de aproveitamento do Bagaco.

Produção específica de energia eléctrica para exportação PEP (kWh/tc):

Este e um índice que indica o grau de aproveitamento do bagaço na produção de potência para exportação a rede.

Carateristicas dos sistemas tradicionais de cogeracao sucroenergetica.

Tabela # 4. Características dos sistemas tradicionais de cogeração Sucroenergética. (84)

Temperatura de operação (°C)	280 - 350
Pressão de operação (MPa)	2 - 3
Produção de vapor (kg/tc)	350 - 500
Produção de eletricidade (kWh/tc)	15 - 25
Eficiência Térmica (%)	20 - 25
Limite de potência (MW)	25

Alternativas de mudanças simuladas no trabalho para o aumento da produção de energia Eléctrica por Ton de cana nos CAISE.

• 1. Aumentos do parâmetros iniciais (Pressão e Temperatura na entrada da turbina).

• 2. Uso de reaquecimento intermedio com turbinas de contrapressão.

• 3. Uso de sistema regenerativo com turbina de contrapressão.

• 4. Uso de turbinas de extracção - condensação simples.

• 5. Uso de reaquecimento intermedio com turbina de extracção - condensação.

• 6. Uso de sistema regenerativo com turbina de extracção - condensação.

Alternativas de parámetros iníciales del Vapor.

Uma das decisões más importante nos projectos de produção de energia está relacionado com os parâmetros iniciais do vapor, este aspecto tem uma incidência direta na eficiência da usina eléctrica e no custo da instalação.

A temperatura e pressão de condensação são parâmetros que dependem das condições ambientais naturais, já que qualquer motor térmico tem um sumideiro de calor a baixa temperatura e esse sumideiro é o meio ambiente, a temperatura de condensação e por tanto a pressão depende da temperatura ambiente.

tcon = tamb + ?tag + dt °C

tcon _ Temperatura de condensação, °C.

?tag = tag2 – tag1, diferencia de temperatura da agua de esfriamento entrada e saída do condensador, °C.

dt _ diferencia média de temperatura entre o vapor que condensa e a água de esfriamento, está entre 3 – 10 °C, dependendo de fatores estruturais, de exploração e de regime da turbina.

Assim a temperatura de condensação se pode eleger aproximadamente como: tcon = tamb + 13 °C.

Da tabela anterior se pode deduzir que na medida que é menor a pressão de condensação, ha um aumento do salto térmico disponível e pelo tanto da potencia gerada por kg/s de fluxo de vapor. Este fato deve chamar a atenção sobre uno dos efeitos más negativos do aquecimento global, que provocara una diminuição da eficiência de todos os motores térmicos, ao aumentar a temperatura do sumideiro de calor, isto a nível global tem um efeito tremendamente negativo, pois aumenta o consumo de combustíveis e as emissões de gases contaminantes.

Neste trabalho se faz uma análise também da seleção dos parâmetros do vapor para as necessidades térmicas (de aquecimento), já que os mesmos também influenciam no processo de expansão na turbina e as quantidades de vapor usados para este fim, pelo que tem influência na produção potencial de energia elétrica.

A tabela a continuação mostra como se comporta o salto térmico disponível da turbina para dois níveis diferentes de pressão do vapor na entrada da turbina e vários níveis de temperatura, se evidencia como e possível aumentar a produção de potência com o aumento dos parâmetros iniciais (Pressão e temperatura). É bom lembrar que este dependência não e linear, devido a que a mudança dos parâmetro iniciais muda os parâmetros no escape da turbina, muda o rendimento interno (isentrópico) ao mudar a umidade do vapor nas ultimas etapas de expansão.

Tabela # 5. Salto térmico disponível em função dos parâmetros iniciais.

Pcon = 10 kPa

P0 (MPa)	T0 (°C)	I (kJ/kg)	Icon kJ/kg)	H0 (kJ/kg)
5.0	450	3320	2200	1120
5.0	400	3200	2131	1069
5.0	350	3070	2040	1030
5.0	300	2930	2000	930
10.0	550	3505	2169	1336
10.0	500	3385	2108	1277
10.0	450	3250	2046	1204
10.0	400	3100	1990	1110

Figura # 1. Mudança do salto térmico disponível para diversas temperatura e pressão.

Analise dos esquemas térmicos de cogeração.

1. Cogeração com turbinas de contrapressao:

Primeiramente se realizarão cálculos para o sistema tradicional de contrapressão (2.6 MPa, 350 °C), que servirão como referência de comparação com os demais sistemas e esquemas propostos.

 

Figura # 2. Processo de expansão para turbina de contrapressão.

Tabela # 6. Cogeraçao com turbinas de contrapressao e diferentes capacidades de processamento horaria de cana.

CIV (tv/tc)		Wª (%)	?ri	t0 (°C)	P0 (MPa)		Hi (kJ/kg)
350		35	0.80	350	2.6		410
Mh (tc/h)		150		250		350		450		650	800
Do (kgv/s)		14.6		24.3		34.0		43.8		63.2	77.8
NE0 (kJ/s)		5806		9664		13522		17419		25135	30941
CIV (tv/tc)		Wª (%)	?ri	t0 (°C)	P0 (MPa)		Hi (kJ/kg)
350		35	0.80	525	10		750
Mh (tc/h)		150		250		350		450		650	800
Do (kgv/s)		14.6		24.3		34.0		43.8		63.2	77.8
NE (kJ/s)		10622		17678		24735		31865		45978	56600
?NE (kJ/s)		+ 4816		+ 8014		+ 11213		+ 14446		+ 20843	+ 25659

O aumento de potência constitui 82.9 %, com o aumento dos parâmetros do vapor desde 350 °C, e 2.6 MPa, ate 525 °C e 10 MPa.

Figura 3. Dependência entre a potencia da capacidade de moenda. (Linha azul 525 ºc e 10 MPa, linha vermelha 325 ºC e 2.6 MPa).

A tabela a seguir mostra, como muda a potencia da turbina de contrapressão com diversas temperaturas e pressões utilizados como parâmetros conjugados, proposto para CAISE, e o consumo adicional de potencia da bomba de alimentar em comparação a um sistema com pressão de 2.1 MPa.

A importância e significação do aumento dos parâmetros iniciais e também muito maior na medida que a capacidade de moenda cresce, pelo que neste caso também uma escala maior de processamento de cana será mais beneficiada pelos altos parâmetros do vapor, que a moenda de pequena escala.

Tabela # 7. Cogeração com turbinas de cotrapressão para os diferentes parametros conjugados na entrada da turbina. Os parametros da primeira fila foram considerados constantes (CIV, ?ri, D/B, Mh e D0).

CIV (tv/tc)		Wª (%)		?ri	D/B (kgv/kgb)			Mh (tc/h)		D0 (kg/s)
350		35		0.80	3.08			800		77.8
P0 (MPa) T0 (°C)			P0	T0	P0	T0	P0	T0	P0	To	P0	T0	P0	T0
P0 (MPa) T0 (°C)			2.6	350	4.3	400	6.5	450	8.5	500	10	525	12	550
I0 (kJ/kg)			3100		3210		3300		3390		3450		3480
Hi (kJ/kg)			410		510		600		690		750		780
NEP (kW)			30941		38488		45280		52072		56600		58863
IPE = NE/Mh			38.68		48.11		52.85		65.09		70.75		73.58
FUE			0.771		0.799		0.824		0.849		0.866		0.874
?NBom (kWh)			45.8		201		403		577		723		906
?P0 = P0 – 2.1			0.5		2.2		4.4		6.4		7.9		9.9

Nestes cálculos Qp = 177462 kJ/s e Qdis = 270305 kJ/s.

Consumo de bagaço: B = 25.3 kg/s

Bagaço sobrante Bex = 20.9 kg/s (35 % Wª)

Como pode ver-se o aumento do consumo de potência da bomba com o aumento da pressão do vapor vivo e muito pequeno com relação a incremento da potência que é possível gerar, o consumo de potência na bomba de alimentar para 2.1 MPa e taa = 104 °C, atinge os 200 kWh. O aumento da potencia gerada é 83 %, enquanto o aumento do consumo de potencia no bombeio e de 10 %.

Figura #8. Dependencia entre o aumento de consumo de potência da bomba de alimentar e o aumento da pressão do vapor na entrada da turbina.

?Nbom = 91.36 ?P0 – 0.63

1.1 Esquema térmico com turbina de contrapressão pura e desareador atmosférico.

Figura # 9. Esquema de contrapressão puro, com desareador atmosférico.

Figura # 10 Processo de expansão para turbina de contrapressão, 525 °C e 10 MPa.

Tabela # 8 Turbina de contrapressão pura. (TCPP) (Mh = 550 tc/h)(525 °C, 10.0 MPa), para diversos consumos internos de vapor (calor).

CIV (kgv/tc)	600	550	500	450	400	350	300	250
D0 (kg/s)	91.7	84.03	76.39	68.75	61.11	53.47	45.83	38.2
NEP(kW)	66712	61132	55574	50016	44458	38899	33341	27791
Nexp (kWh)	60662	55082	49524	43966	38408	32849	27291	21741
kWh/tc	110	100	90	80	70	60	50	40
B (kg/s)	24.58	22.53	20.48	18.4	16.38	14.34	12.29	10.24
FUE	0.883	0.833	0.883	0.884	0.883	0.883	0.883	0.883
Bex (tb/h)	10.5	17.9	25.3	32.6	40.0	47.5	54.8	62.1

Nesta tabela o indice de produçao especifica de energia electrica kWh/tc, e calculado em base a cana processada por hora Mh = 550 tc/h.

Figura # 11. Dependência entre a Produção especifica de energia elétrica e o consumo de vapor em necessidades internas, para turbinas de contrapressão.

NECP = 0.2 CIV – 10 (kWh/tc)

Como era de prever para turbinas de contrapressão a potência tem uma dependência direta do consumo de vapor nas necessidades internas, se considerarmos a moenda total, encontramos uma situação aparentemente contraditória em que a maior consumo interno de vapor melhor produção específica de energia (kWh/tc), mas aqui deve-se considerar o excedente de bagaço (Bex), para determinar exatamente em cada caso as toneladas de cana efetivas utilizadas para a produção de energia elétrica.

1.2 Esquema regenerativo com turbina de contrapressão.

Foi desenvolvido uma análise que resulto em conclusões importantes das potencialidades, de conseguir maiores produções de potência nos blocos energéticos de contrapressão, auxiliando-nos do aquecimento regenerativo, o que permite a expansão parcialmente na turbina, de uma maior quantidade de vapor que a estritamente necessária para o processo de produção de etanol.

Os dados de partida para estes cálculos foram:

Pressão do vapor vivo: 10 MPa.

Temperatura do vapor vivo: 525 °C.

Capacidade horaria de processamento de cana (Mh): 800 tc/h.

Consumo de vapor no processo de etanol (CIV): 350 kgv/tc.

Rendimento relativo interno da turbina (?ri): 83 %.

Rendimento eletromecânico (?em): 97 %.

Umidade do bagaço (Wª): 35 %.

Pressão no escape da turbina (pe): 0.2 MPa. (Vapor saturado).

Partindo para este estudo do consumo de vapor em processo, DP = CIV x Mh/3600

DP = 350 x 800/ 3600 = 77.8 kg/s.

Se usaram as seguintes series de temperaturas:

• 1. 100 – 127 – 165 (°C) (2 Aquecedores regenerativos)

• 2. 100 – 127 – 165 – 200 (°C) (3 Aquecedores regenerativos)

• 3. 100 – 127 – 165 – 215 (°C) (3 Aquecedores regenerativos)

• 4. 100 – 127 – 165 – 215 – 250 (°C) (4 Aquecedores regenerativos)

• 5. 100 – 127 – 165 – 215 – 275 (°C) (4 Aquecedores regenerativos)

Figura # 12. Esquema térmico com turbina de contrapressão e aquecimento regenerativo da água de alimentar a caldeira com desareador de alta pressão (três aquecedores, incluindo o desareador).

Figura # 13. Esquema térmico com turbina de contrapressão e aquecimento regenerativo da água de alimentar a caldeira com desareador de alta pressão (três aquecedores, incluindo o desareador).

Para todas as variantes teremos a saída do desareador 87.7 kg/s e 165 °C (691 kJ/kg)

Figura # 14. Esquema térmico com turbina de contrapressão e aquecimento regenerativo da água de alimentar a caldeira com desareador de alta pressão (Quatro aquecedores, desareador incluso).

Legenda:

GV _ Gerador de vapor.

CAP _ Cilindro de alta pressão da turbina.

CBP _ Cilindro de baixa pressão da turbina.

GE _ Gerador eléctrico.

A _ Aquecedores regenerativos de mistura.

D _ Desareador.

Tabela # 9. Resultados do esquema térmico regenerativo com turbinas de contrapressão para diferentes temperatura de aquecimento da agua de alimentar a caldeira:

t0 (°C)	P0 (MPa)	Pesc MPa	Wª (%)	Taa (°C)	?ri (%)	?ge (%)	?gv (%)	Qp kJ/s	Eficiência Padrão ?e(%) ?g(%)		Mh Tc/h
525	10.0	0.2	35	250	83	97	87	177462	30	0.82	800
Taa (°C)				104		165		200		215		250		275		300
Iaa (kJ/kg)				436		691		838		901		1048		1152		1257
D0/B35(kgv/kgb)				3.08		3.37		3.56		3.65		3.87		4.04		4.24
B35 (kgb/s)				25.3		26.0		26.3		26.3		26.5		26.7		27.7
Bexc (tb/h)				75.4		72		71.6		71.6		70.9		70.2		66.6
NE (kW)				56600		62660		65091		65508		66814		67140		66332
?NE (kW)				-		6060		8491		8908		10214		10540		9732
FUE				0.866		0.864		0.863		0.865		0.863		0.857		0.823
Nex (kW)				47800		53860		56291		56708		58014		58340		57532
IPE (kWh/tc)				109		120		124		125		126		126		120
				-		71.99		94.28		96.39		103.48		101.96		90.31
				-		665		623		607		569		544		521
Areg				-		0.1082		0.1513		0.1587		0.1819		0.1874		0.1733

Figura # 15. Dependência da Energia Exportada com relação a temperatura de água de alimentar em contrapressão.

A potência cresce de maneira muito pronunciada ate que a temperatura da agua de alimentar atige os 275 °C, a partir deste limite cresce muito lentamente, chega a descer a temperaturas maiores, este resultado é coincidente com estudos para Centrais Termelétrica de condensação. Consegue-se significativos sobrantes de bagaço, mais este decrece com o aumento da temperatura da agua de alimentar esto se explica pela necessidade de maior produção de vapor que consume a turbina para manter o fornecimento de vapor de escape a processo.

Figura # 16. Gráfico da dependência do Índice de produção de Energia da temperatura de agua de alimentar.

Se consegue ver no gráfico que o valor máximo do Índice de Produção de Energia (IPE = 126), foi atingido para o valor da temperatura de agua de alimentar (taa) de 275 °C.

1.3 Esquema de contrapressão com sistema regenerativo (taa = 250°C) para diferentes humidades do bagaço.

Condições de partida:

t0 (°C)	P0 (MPa)	Taa °C	CPNP kWh	CIV Kgv/tc	?ri (%)	?ge (%)	?gv (%)	Qp kJ/s	Eficiência Padrão ?e(%) ?g(%)			Mh Tc/h
525	10.0	250	8800	350	83	97	87	177462	30	0.82		800

Resultados dos cálculos:

Tabela # 10 Comportamento da potência e índices de eficiência em função da umidade do bagaço com esquema de contrapressão.

Wª (%)		50	40	35	30	25	20	10	0
D/B (kg/kg)		2.77	3.50	3.87	4.23	4.60	4.97	5.71	6.44
D0max (kg/s)		166.2	175.0	178.8	181.5	184.0	186.9	190.1	193.2
D0 (kg/s)		102.5	102.5	102.5	102.5	102.5	102.5	102.5	102.5
NEP(kW)		66814	66814	66814	66814	66814	66814	66814	66814
Nexp (kWh)		58014	58014	58014	58014	58014	58014	58014	58014
PEB (kg/s)		60.0	50.0	46.2	42.9	40.0	37.6	33.3	30.0
B (kg/s)		37.0	29.3	26.5	24.2	22.3	20.6	18.0	15.9
FUE		0.864	0.863	0.863	0.863	0.862	0.864	0.862	0.864
Bex (tb/h)		83	74.5	71.0	67.3	63.7	61.0	55.2	50.8

Conclusões:

• 1. A importância e significação do aumento dos parâmetros iniciais e também muito maior na medida que a capacidade de moenda cresce, pelo que neste caso também uma escala maior de processamento de cana será mais beneficiada pelos altos parâmetros do vapor, que a moenda de pequena escala.

• 2. Propomos a aplicação de altos parâmetros do vapor (t = 525 °C y P= 10.0 MPa), sistemas de cogeração com sistema de Turbina de extração condensação, sistema de regeneração, ou reaquecimento intermedio do vapor, para a obtenção de altos índices de Geração de eletricidade por ton de cana em alguns casos superior a 170 kWh/tc.

• 3. O aumento do consumo de potência da bomba com o aumento da pressão do vapor vivo e muito pequeno com relação a incremento da potência que é possível gerar, o consumo de potência na bomba de alimentar para 2.1 MPa e taa = 104 °C, atinge os 200 kWh. O aumento da potencia gerada é 83 %, enquanto o aumento do consumo de potencia no bombeio é de 10 %.

• 4. Para turbinas de contrapressão a potência tem uma dependência direta do consumo de vapor nas necessidades internas, se considerarmos a moenda total, encontramos uma situação aparentemente contraditória em que a maior consumo interno de vapor melhor produção específica de energia (kWh/tc), mas aqui deve-se considerar o excedente de bagaço (Bex), para determinar exatamente em cada caso as toneladas de cana efetivas utilizadas para a produção de energia elétrica.

• 5. A potência cresce de maneira muito pronunciada até que a temperatura da água de alimentar atinge os 250 °C, a partir deste limite cresce muito lentamente, deve chegar a descer a temperaturas maiores, este resultado é coincidente com estudos para Centrais Termelétrica de condensação.

• 6. Se consegue ver no gráfico que o valor máximo do Índice de Produção de Energia (IPE = 126), foi atingido para o valor da temperatura de água de alimentar (taa) de 275 °C.

• 7. O índice de Poupança de Energia atinge o máximo valor para a taa = 275 °C, também coincidente com o resultado da procura bibliográfica Areg cresce significativamente ate o valor de eficiência mais alto. A partir do valor de taa = 275 °C, acontece uma queda deste índice de eficiência do sistema regenerativo.

• 8. A relação entre a potência gerada pela turbina de contrapressão é função linear do consumo de vapor (calor) do processo, essa relação e direta. Quando aumenta o consumo de vapor aumenta a potencia que e possível gerar na turbina.

Nex = 0.132 (CIV) – 6.049 (MW)

CIV _ Consumo especifica de vapor nas necessidades internas, kgv/tc.

Neste caso dadas as condições de contorno para a qual foram obtidos os resultados desta tabela, cada kgv/tc, representa mais de 130 kWh, de energia eléctrica.

Bibliografia

• 1. José Goldemberg; Oswaldo Lucon. Energia e meio ambiente no Brasil.

• 2. Balanço de energia na produção de cana de açúcar e álcool nas Usinas Cooperadas: 1996. Tomado de: http://ftp.met.gov.br/clima/comunic_old/coperal5.htm

• 3. Aspectos gerais da cogeração. Revista ALCOOLbrás - Nº 100 - Ano VIII - Março/2006

• 4. http://www.biocarburante.com/biocombustibles-transgenicos/

• 5. Rizhkin. V. Ya. Centrales Termoeléctricas. Parte I e Parte II. Editorial Mir. Moscú. 1979.

• 6. Rivero San Martin, Eduardo, Laert Srapionovich, Serguei Asshotovich. Aumento de la efetividad de las Centrales Termoelectricas. Ed. Universidad de Camaguey. Cuba. 1989.

• 7. Silva Lora, Electo Eduardo. Marco Antonio Rosa do Nascimento. Geração termelétrica. Planeamento, Projecto e Operação. Ed. Interciencia. Volumes 1 e 2. Rio de Janeiro. Brasil. 2004.

Nota: Este é o primeiro dos artículos que tencionamos publicar, no próximo queremos expor os resultados da simulação de variantes de esquemas térmicos com turbinas de extracção - condensação.

Anexo

Nomenclatura:

A

At _ Área total disponível

Arot _ Área para rotação do cultivo.

Arc _ Área para renovação do canavial.

Acr _ Área para caminhos e ruas.

Acp _ Área para cana processo (soca)

Areg _ coeficiente de eficiência de utilização do vapor das tomas regenerativas.

B

B _ Consumo de combustível.

B25 _ Produção Consumo de bagaço com 25 % de umidade, kg/s.

B35 _ Idem ao anterior com 35 % de umidade, kg/s.

B50 _ Idem ao anterior com 50 % de umidade, kg/s.

Bdh _ Bagaço disponível por hora.

Bex _ Bagaço excedente, tb/h.

C

CC _ Custo do combustível, US$.

CD _ Custo de depreciação.

CDisp _ Cana disponível.

CEL _ Consumo especifica de lubrificantes.

CIP _ Custo Índice de produção.

CIV _ Consumo Interno de Vapor, kgv/tc.

CO _ Custo de operação.

COR _ Carga orgânica, kg DQO/dia.

CM _ Custo de Manutenção.

D

Dcon _ Fluxo de vapor ao condensador, kg/s.

Dex _ Consumo de vapor em processo.

Disp _ Calor disponível.

Do _ Fluxo de vapor a turbina.

Dz _ Dias de safra.

G

GEB _ Calor disponível a partir do biogás.

GT _ Geração de energia elétrica durante toda a vida útil.

H

Ho _ Salto Térmico Disponível.

Hi _ Salto Térmico Utilizado.

I

I _ Custo de Investimento

I _ Entalpia.

Icon _ Entalpia do vapor no condensador, kJ/kg

Iti _ Entalpia do vapor na extração de vapor # i, kJ/kg.

I0 _ Entalpia do vapor entrada turbina, kJ/kg.

IPV _ Índice de produção de vapor.

IEE _ Índice de Poupança de Energia.

IPE _ Índice de Produção de Energia, kWh/tc.

K

kgvap: Quilogramas de vapor.

kgbag: Quilogramas de bagaço.

L

M

Md _ Moenda Diária.(Cana processada diária)

Mh _ Moenda Horaria. (Cana processada por hora), tc/h.

N

NE _ Potencia Eléctrica Produzida.

NEex _ Potencia Eléctrica para exportação a rede pública.

Ne _ Potencia eléctrica efectiva.

Ni _ Potencia Interna.

P

Pa – Produtividade Agrícola, tc/ha.

PB _ Produção de biogas, Nm³/dia.

P0 _ Pressão do vapor vivo, MPa.

Pcon _ Pressão no condensador da turbina, KPa.

PCI _ Poder Calorífico Inferior, kJ/kg

Q

Qgv _ Calor absorvido pelo vapor agua na caldeira, kJ/s.

Qdis _ Calor disponível na caldeira, kJ/s.

Qitur _ Calor consumido pela turbina, kJ/s.

q _ Calor transferido ou absorbido, kJ/kg.

T

taa _ Temperatura da agua de alimentar a caldeira, °C.

Tc _ toneladas de cana

Tce _ Ton de cana efetivas para a produção de energia Eléctrica, tc/h (Turbinas de contrapressão).

Tb _ toneladas de bagaço.

T0 _ Temperatura do vapor vivo, °C.

W

Wª _ umidade da massa aproveitável do combustível, %.

Y

Y _ Valor de referência para a venda de energia.

Yi _ Coeficiente de trabalho incompleto do vapor.

 

Autor:

Ph.D. Eduardo Rivero San Martin

eduardo.sanmartin[arroba]isptec.co.ao

Instituto Superior Politécnico de Tecnologia e Ciências. ISPTEC. Republica de Angola.