Análise termodinâmica de
projetos de cogeração na
indústria açucareira e a
sua relação com a
eficiência em caldeiras
Prof. Electo Eduardo Silva Lora
[email protected]
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
O Núcleo de Excelência
em Geração Termelétrica
e Distribuída
Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída
Instituto de Engenharia Mecânica
Universidade Federal de Itajubá
Alguns números do
NEST (1998 – 2006)







35 pesquisadores deles 7 doutores.
6 novos laboratórios.
Projeto e testes de 3 prototipos (MS, TV, MTG).
80 cursos de extensao, mais de 1500 alumnos.
22 dissertações de mestrado e 4 teses de
doutorado defendidas. (17 e 11 em andamento)
8 projetos de P&D concluídos e 14 em
andamento.
19 artigos publicados em revistas internacionais.
LINHAS DE ATUAÇÃO
I - GERAÇÃO TERMELÉTRICA E COGERAÇÃO
Estudos de viabilidade técnico-econômica de sistemas com
turbinas a vapor, turbinas a gás e/ou motores de combustão
interna.
II - TECNOLOGIAS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Avaliação teórico-experimental e projeto de microturbinas a
gás, motores Stirling e células a combustível
III - USO ENERGÉTICO DA BIOMASSA
Estudos avançados sobre a gaseificação, combustão e
geração de energia elétrica a partir da biomassa. Estudos de
disponibilidade de recursos e viabilidade econômica e
ambiental;
IV
BIO-METANIZAÇÃO
RESÍDUOS
DE
Avaliação teórico experimental da
geração e uso energético de
biogás obtido a partir da vinhaça
e de aterros sanitários
V - REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO
Avaliação teórico-experimental de sistemas microturbina a
gás / chiller de absorção;
VI - TURBINAS A GÁS E A VAPOR
Análise de desempenho de turbinas a
gás e a vapor no ponto e fora do
ponto de projeto. Comportamento
operacional;
VII - MODELAGEM E DIAGNÓSTICO DE PROCESSOS TÉRMICOS
Otimização da operação e manutenção de unidades
energéticas.
Modelagens
de
esquemas
térmicos
em
simuladores.
Avaliação
exergo-econômica
de
ciclos
combinados;
VIII - ASPECTOS AMBIENTAIS DO
USO DA ENERGIA
Medição da concentração de
particulados e poluentes gasosos
nos sistemas de combustão e
gaseificação
de
biomassa.
Dimensionamento e seleção de
separadores
de
particulados.
Análise
do
ciclo
de
vida.
Dispersão de contaminantes;
Gasificación de biomasa
Motores Stirling
Células SOFC
Microturbinas de gas
Ciclo a vapor 80 kWe
Simulador para entrenamiento
de operadores
de centrales termoeléctricas
Laboratório de simulación de
sistemas y procesos térmicos
TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN DEL NEST
EN EL SECTOR AZUCARERO
• Análisis termodinamico y exergo-economico de
sistemas de cogeneración.
• Optimización de programas de diversificación.
• Elaboración de programas para cálculos de proyecto
en calderas.
• Elaboración de programas para la selección de
tecnologias de control de la contaminación
atmosférica.
• Modelación de la producción de biogas por
biodigestion anaerobica de las vinãzas y uso
energético de este combustible.
• Análisis del ciclo de vida de diferentes productos
(electricidad excedente, vinazas, biodiesel).
• Oportunidades de las nuevas tecnologias (obtención
de etanol por hidrólisis del bagazo, biocombustíveis,
BIG/GT, células a combustible).
O NEST na internet
www.nest.unifei.edu.br
PUBLICAÇÔES
DO NEST
SERVIÇOS
CURSOS
BOLETIM NEST
BIOMASSA
BIOMASSA E MITIGAÇÃO DO EFEITO ESTUFA
2003
2050
Fundamentos de la
cogeneración
INTRODUCCIÓN A LA COGERACIÓN
Sistemas de cogeneracion son aquellos en
que
se realiza, simultaneamente, y en
secuencia, la generación de energia elétrica o
mecánica y de energia térmica (calor de
proceso y/o frio), a partir de la quema de un
combustible, tal como los derivados de
petróleo, gas natural, carbón mineral o
biomasa.
SISTEMA DE COGENERACIÓN
SISTEMAS DE COGENERACIÓN
Topping
Bootoming
Fundamentos de la cogeneración
Generación
convencional
Cogeneracion
Comb
83
Comb
C. Termica
42%
electricidad
35
calor
61
Caldera
90%
55
Electricity
35%
100
Heat
55%
Total
144
Total
100
Economia energia =
(144 - 100)
= 30%
144
Cogeneracion
1000
CO2-emisiones
100
% eficiencia
800
80
600
60
400
40
200
20
0
% efficiency
CO2-emission (kg/MWh)
La mejor solución para la reducción de CO2
0
A
B
C
A Turbina de vapor con caldera a
carbón
B C. Termica moderna a carbón
con T.L
C Gasificación de carbon / turbina
a vapor
D
E
F
D Ciclo combinado moderno a gas
natural (CCGT)
E Cogeneración con carbón mineral
F Cogeneración con gas natural
Potencial de cogeneración
Cogeneración en la
indústria azucarera
Principales países productores de azucar de caña
Potencial global de cogeneración
a partir de la caña de azúcar
Proceso de cogeneración con bagazo de caña
Histórico de la cogeneración en la indústria
de azúcar y álcohol en Brasil
Indicadores de eficiencia energética de un central
azucarero
Cvapor- Consumo específico de vapor en el proceso,
expresado en kg de vapor consumidos en el proceso de fabricación por
cada tonelada de caña molida (kg/tc). Otra forma de expresar el consumo
de vapor es como “por ciento de vapor en caña”.
Ig.bruto.- Índice específico de generación de
electricidad bruto, expresado en kWh de electricidad bruta,
incluyendo el consumo propio del central, por tonelada de caña molida
(kWh/tc).
Ig.exc.- Índice específico de generación de
electricidad excedente, expresado en kWh de electricidad
excedente (no es considerado el consumo propio del central) por tonelada
de caña molida (kWh/tc).
Ig.v- Índice de generación de vapor- representa los
quilogramos de vapor generados en la caldera por cada kg de bagazo
utilizado como combustible (kg de vapor / kg de bagazo).
-central azucarero típico- 550 kgv/tc,
20 kWh/tc de electricidad.
- fábricas modernas - 350 kgv/tc y 50
kWh/tc (50 TWh elect. excedente en el
mundo).
-centrales de Hawai- 60 kWh/tc(valor
medio), algunos 100 kWh/tc o más.
Tecnologias de cogeneración en
la industria de azúcar y álcohol



Ciclo a vapor con turbina de contrapresión
(convencional y más difundido)
Ciclo a vapor con turbina de condensación
extraccion con altos parámetros del vapor (4080 bars) (tecnologia comercial moderna y eficiente)
Ciclo combinado con gasificacion del bagazo y
ciclo combinado con TG e TV (tecnologia BIG-GT
en etapa de demonstración)
CICLO A VAPOR


Capacidade até 50 MW
Parâmetros: até 120 bars
: até 580 oC
Principais Fabricantes:
HPB
Dedini
Equipalcool
Caldema
TGM, NG metalurgica, Siemens
Esquema de cogeneración
con turbina de contrapresión
P = 2,1 MPa
T = 300 oC
Bagaço
Umidade = 50 %
(base úmida)
TV ( geração elétrica):
Vazão = 43,9 t/h
W = 3,4 MW
TV ( acionamento
mecânico):
Vazão = 60 t/h
W = 3,6 MW
P = 0,25 MPa
PROCESSO DE
FABRICAÇÃO
Esquema de cogeneración con turbina
de condensación con extracciones
P = 8,0 MPa
o
T = 450 C
Bagaço
Umidade = 50 %
(base úmida)
TV ( extração/condensação):
W = 16,7 MW
TV ( acionamento
mecânico):
Vazão = 55,4 t/h
W = 3,6 MW
44,6 t/h
P = 0,25 MPa
PROCESSO DE
FABRICAÇÃO
21,86 t/h
Caldeira APU-70-7GI-PSE
para bagaço de caña fabricada
pela empresa CALDEMA
Equipamentos Industriais
Ltda.
HPB
Esquema simplificado de un sistema BIG/BT
Balance de energia de sistemas TCE y BIG/GT
Resultados de la comparación
de los sistemas BIG GT y TEC
El costo de
generación
Inversiones necesárias para la reducción
del consumo de vapor en proceso
Análisis termodinámica
(exergo-económica) de
sistemas de cogeneración en
la industria de azucar y
alcohol
Datos y parametros del central analizado










4.320.000 toneladas de cana;
300.000 toneladas de açúcar;
112.000 metros cúbicos de álcool (anidro+hidradato).
bagaço disponível: 280 t/h;
consumo de vapor de processo: 540 kgv/tc a 2,47 bar
(abs.) e 128°C;
parâmetros de vapor na refinaria: 11 bar (abs.) @ 180°C ;
consumo de eletricidade: 13.000 kW (13,00 kWh/tc);
consumo de energia mecânica (moendas, etc): 17.000 kW
(17,00 kWh/tc);
excedente gerado: 30.000 kW (30,00 kWh/tc) a 13,8 kV;
produtividade industrial: 69,44 kg de açúcar por tc; 25,93
litros de álcool por tc;


O modelo exergoeconômico nada mais é do que
um sistema de equações que representa
matematicamente a estrutura produtiva. O
objetivo principal deste sistema é a
determinação dos custos unitários dos
produtos, permitindo ainda obter os custos
intermediários e todo o processo de formação de
custos na planta.
Para a construção do modelo exergoeconômico
são necessários conhecer os custos de
investimento, operação e manutenção de cada
unidade real da estrutura produtiva, o custo do
combustível e as exergias de cada fluxo
intermediário.
Descripción del Sistema de Cogeración del
central Colombo
Capacidade de Produção
2003/04
Produção de Álcool [m3]
Produção de Açúcar [sacas 50
kg]
Cana Moída [tc/h]
Total dias da Safra / F.U [%]
112.000
6.000.000
1000
210 / 85
Dados Energéticos do Processo
Consumo de Vapor do Processo [kgv/tc]
540
Consumo de Bagaço [ton/h]
240
PCI do bagaço [kJ/kg.K]
7500
Umidade Relativa do Bagaço [%]
51
Bagaço % Cana
28,00
Potência Instalada [MW]
55,00
Potência Operante [MW]
43,00
Consumo de Energia Elétrica [kWh/tc]
13,00
Consumo de Trabalho Mecânico [kWh/tc]
17,00
Potência Excedente [MW]
30,00
Maximización da Generación de Potencia
Quatro Cenários propostos para comparação e avaliação dos
resultados
Caso
Base
Caldeira: 22 bar (abs) @ 300°C
SIM
Caldeira: 33 bar (abs) @ 320°C
SIM
Caldeira: 63 bar (abs) @ 480°C
SIM
B1
B2
SIM
SIM
Caldeira: 82 bar (abs) @ 520°C
TVCP Contra-Pressão 40 MW
SIM
TVCP Contra-Pressão 15 MW
SIM
TVCE Extração/Condensação 100
MW
Consumo de vapor 540 kgv/tc
Consumo de vapor 480 kgv/tc
SIM
SIM
SIM
SIM
C1
C2
SIM
SIM
SIM
SIM
SIM
SIM
SIM
Indicadores de la Eficiencia Termodinámica del
Sistema de Cogeneración
W  Qu
 FUE (eficiência de primeira lei): FUE 
mcomb .PCI
 FESR (taxa de econômia de combustível): FESR 
 ηexerg (eficiência exergética):  exerg 
 Qu

  cald
(W  B p )
Bf
 Ie.exced.m (índice de eletricidade excedente): I e.exced .m 
Fonte: (Horlock, 1987)
  W 
  
  (mcomb .PCI )

  TH 
 Qu   W 

  



 cald   TH 
Wexced
tc
Resumen de los Critérios de Desempeño
Cenário
FUE
[%]
FESR
[%]
ηexerg
[%]
Ie.exced.m
[kWh/tc]
Atual
82,20
13,73
22,69
30,00
B1
80,73
18,28
25,85
71,81
B2
78,16
16,74
25,01
73,81
C1
82,07
20,78
27,19
83,61
C2
79,53
19,37
26,35
85,60
A Primeira Lei leva a um resultado “confuso”
Sobrevalorização da Energia Térmica
Esquema actual del central estudiado
Escenário B
Escenário C
Evaluación exergoeconómica
Estrutura Física
Unidade
Produtiva
Insumo (I)
Produto
(P)
G.V
Bbagaço
B1-B12
B+M.E
B8
B12-B11
T.G
B1-B2-B5-B9
B7
Tandem
B2-B4
B3
Processo
m5.(b5-b10)+m4(b4-b10)
B14
Base para a construção
da Estrutura Produtiva
da planta.
Estrutura Productiva
Bagaço
En. Elétrica
En. Mecânica
Produto → Insumo
Unidades
Equações
G.V
C1.B1 = ZG.V+Ccomb.
J1
C3.B3 – (C2.B2+C1.B1) = 0
B
C2.B2 – C6.B6a = ZB
S1
C4.(B4a+B4b+B4c) – C3.B3 = 0
T.G.C.E
C5.B5 – C4.B4a = ZT.G.C.E
S3
C6.(B6a+B6b+B6c) – C5.B5 = 0
Tandem
C7.B7 – C4.B4b = Ztandem
S2
C8.B8 – C4.B4c = 0
Calor Processo
Todo Insumo que entra na
planta reflete nos custos finais
dos produtos
A Exergoeconomia permite
RATEAR / acompanhar o
processo de FORMAÇÃO
dos custos !!
Ambiente Económico
- Custos dos Equipamentos: trabalhamos com custos reais adquiridos
por empresas, fornecedores de equipamentos da usina.
- Custos Diretos: instalação, tubulações, instrumentação e controle, obras
civis, equipamentos elétricos e materiais, O&M.
Determinados através de valores percentuais em
relação ao preço de aquisição do equipamento
- Anuidade: j=15% a.a , N=10 anos
- Custo Total
Representación Matricial
[Yi] . {Yc} = {Ye} → [Yi]-1. {Ye} = {Yc}
 B1
 B
 1
 0

 0
 0

 0
 0

 0
0
 B2
B2
0
0
0
0
0
0
B3
0
 B3
0
0
0
0
0
0
0
B4 a  B4b  B4 c
 B4 a
0
 B4b
 B4 c
0
0
0
0
B5
 B5
0
0
0
0
 B6 a
0
0
B6 a  B6b  B6 c
0
0
0
0
0
0
0
0
B7
0
0   c1   Z G.V  Ccomb. 

0  c2  
0



0   c3  
ZB
   

0  c4  
0

*





0
c5
ZT .G.C .E 
   

0   c6  
0





0
c
Z tan dem 
  7 

B8   c8  
0

[Yi] . {Yk} = {Ye} → [Yi]-1. {Ye} = {Yk}
 B1
 B
 1
 0

 0
 0

 0
 0

 0
0
 B2
B2
0
0
0
0
0
0
B3
0
 B3
0
0
0
0
0
0
0
B4 a  B4b  B4 c
 B4 a
0
 B4b
 B4 c
0
0
0
0
B5
 B5
0
0
0
0
 B6 a
0
0
B6 a  B6b  B6 c
0
0
0
0
0
0
0
0
B7
0
0   k1  Qce 
 
0   k2   0 
0   k3   0 
    
0   k4   0 
*

0   k5   0 
    
0   k6   0 
0   k7   0 
    
B8   k8   0 
k = B* / B
Custo específico da energia produzida
[R$/MWh]
Costo exergético de la energía, R$/MWh
100
85,52
80,88
83,19
80,86
83,16
80
64,24
54,07
60
53,98
53,93
53,97
40
22,78
19,76
19,07
21,05
20,34
20
0
A
B1
B2
C1
C2
Cenários analisados
Energia Elétrica Gerada
Energia Mecânica Produzida
Calor Processo
Diagramas de Sankey
Esquema A
Energia Elétrica Gerada
8,60%
Pot. Mecânica Turbomoendas
3,40%
Esquema C2
Calor Processo
70,20%
Energia Elétrica Gerada
17,42%
Perdas Redutores Vel. +
Geradores
3,0%
Pot. Mecânica Turbomoendas
3,00%
Calor Processo
59,11%
Condensado
0,20%
turbomoendas
turbogeradores
Perdas
Redutoras
0,60%
Perdas
Caldeira
14,0%
Perdas Redutores Vel. +
Geradores
2,0%
caldeira
Bagaço 100%
turbomoendas
Perdas
Condensador
8,14%
turbogeradores
Perdas
Caldeira
10,0%
caldeira
Bagaço 100%
Condensado
0,33%
Conclusões específicas: “Usina Colombo”



Caso Base: custo monetário da energia elétrica gerada,
energia mecânica produzida e calor de processo foram
de 64,24 R$/MWh, 85,52 R$/MWh e 3,81 R$/Tonv,
respectivamente.
O custo exergético unitário e o custo monetário da
energia elétrica gerada no turbogerador I (4,25), (55,63
R$/MWh) é menor que no turbogerador II (6,82), (68,98
R$/MWh).
Detectou-se que na instalação atual da usina o
equipamento menos eficiente é a
turbobomba do
sistema de baixa pressão.


A modificação das turbinas de acionamento do Tandem
III de simples para múltiplos-estágios levou numa
redução considerável nos valores do custo unitário da
potência mecânica produzida.
Cenário C1 “82 bar (abs.) @ 520°C com TVCE”
apresentou o valor mais elevado para a taxa de
economia de combustível 20,78% e a maior eficiência
exergética 27,19%, com menor custo da energia
elétrica gerada (53,93 R$/MWh).
La cogeneración y la
electrificación de los molinos
Dados básicos dos sistemas de cogeração das
usinas avaliadas
Usina A
Usina B
Usina C
Capacidade de Moagem [ton/h]
375
900
900
Geração de Vapor [ton/h] 1
190
157; 324
180; 300
22 @ 300
43 @ 400;
22 @ 305
66 @ 520;
43 @ 400
3
1; 4
1; 2
Consumo de Vapor de Processo [ton/h] 1
190
445; 31
354; 19
Pressão Vapor Processo [bar abs] 1
2,3
2,5; 22
2,5; 22
Produção de Eletricidade [MW] 2
5,10 / 0,00
24,40 / 1,05
58,50 / 32,50
Produção de Trabalho Mecânico [MW] 2
4,90 / 0,00
16,00 / 0,00
12,28 / 0,98
Exportação de Eletricidade [MW] 2
0,00 / 0,00
11,09 / 0,00
42,40 / 28,00
Consumo de Bagaço [ton/h] 2
83 / 0
210 / 12
227 / 67
Acionamento do Preparo e Extração 3
TSE
Parte TSE e
TME
CP
CP
Parâmetros do Vapor [bar abs @ C] 1
Número de Caldeiras 1
Turbinas para Produção de Eletricidade
1,4
Parte TSE,
TME e ME
TCES; CP
Configuraciones del central A





Para a Usina A foram consideradas as seguintes
configurações alternativas:
AE – Eletrificação, geração de vapor em 22 bar
abs, instalação de TCES de 19 MW;
AMP – Eletrificação, geração de vapor em 22; 38
bar abs, instalação de TCES de 22,5 MW;
AAP – Eletrificação, geração de vapor em 66 bar
abs, instalação de TCES de 36,5 MW;
AEAP – Eletrificação, geração de vapor em 82
bar abs, instalação de TCES de 40 MW.
Configuración AB – Central A caso base
Configuración AEAP – Central A
electrificado / altos parámetros de vapor
Eficiencia de la generación de potencia
mecánica para la variante A
Ig.exc.- Índice específico de generación de
electricidad excedente para la variante A
Balanço de Energia (Diagrama de Sankey)
da Usina A com configuração AB e AAP.
Comentários sobre los diagramas de Sankey

A implementação da eletrificação das
moendas juntamente com os parâmetros
de alto vapor de cogeração conduzem a
um aumento na energia elétrica disponível.
O fluxo D vai de 2,98 unidades no caso AB
até 16,15 unidades no caso AAP.
Tasa interna de retorno para las variantes analizadas
Eficiencia en calderas en
sistemas de cogeneración
Forced draft fan
Superheater
Furnace
Secondary air heater II
Drum
Main bank
Secondary air heater I
Primary air heater III
Primary air heater II
Economizer
Primary air heater I
Forced draft fan
Forced draft fan
Induced draft fan
Relación entre la eficiencia de la caldera
y la temperatura de los gases de escape
Temperatura óptima de los gases de escape
en calderas para centrales con cogeración
(I)


(II)
Abordaje I (precio del bagazo 30 R$/t) : 155 oC
Abordaje II (precio de la eletricidad): 120-130 oC
Impactos ambientales de la
cogeneración en la industria
de azucar y alcohol
Impactos ambientales: NOx
NOx [ppm]
200
180
160
140
120
100
y = 39,096Ln(x) + 189,09
R2 = 0,5546
80
60
40
20
Excesso de ar
0
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Impactos ambientales: dispersión NOx
Impactos ambientales:
Comparacion con las normas NOx
Abordagem 2 (NO2 = fj . NOx)
1400
1200
Concentração (mg/m3)
1000
800
NOx
NO2
600
Seqüê
ncia1
400
Padrão CONAMA [3]
Padrão OMS [4]
200
0
0
5000
10000
15000
Distância (m)
20000
25000
CONCLUSIONES



El costo de generación disminuye con el aumento de la
capacidad de molienda del central, presenta un mínimo para un
valor del consumo de vapor de 450 kg/tc y varia muy poco al
pasar la presión del vapor de 60 para 80 bars.
La metodologia de análisis exergo-economica permite la
determinación de los costos del vapor, trabajo mecánico y
electricidad. Los menores valores observados fueron 53.93,
83.15 y 20.34 R$/MWh respectivamente,
Existe un potencial técnico significativo de expansión de la
generación en el setor de azucar y alcohol através de la
eletrificación de los molinos en conjunto con turbinas de
condensación con extracciones en el rango de parámetros 66
bar / 520 ºC y 82 bar / 540 ºC.
CONCLUSIONES

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
La implementación de la eletrificación debe ser realizada
simultaneamente con la instalación de turbinas de
extracción/condensación (Mayor eficiencia de generación TCE y uso de la energia – motores elétricos).
La comercialización de los créditos de carbono contribuye con
aproximadamente el 10% del valor obtenido por la venta de
eletricidad y entre 15 - 80% de la tasa interna de retorno de
la inversión.
En aplicaciones de cogeneración la temperatura optima de los
gases de escape en calderas debe estar en el rango de 120130 oC, lo que corrresponde a una eficiencia de 88-89 %.
La emisión de óxidos de nitrógeno en calderas para bagazo
depende principalmente del exceso de aire, factor este que
puede ser utilizado para la prevencion de la formación de los
mesmos.