CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PIRACICABA – FATEC
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS
BALANÇO ENERGÉTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE
PLANEJAMENTO DA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR
NA REGIÃO DE CHARQUEADA – SP
ADERBAL ALMEIDA ROCHA
ARIEL TON
ESEQUIEL MICHELIN
PIRACICABA – SP
JUNHO/2011
ADERBAL ALMEIDA ROCHA
ARIEL TON
ESEQUIEL MICHELIN
BALANÇO ENERGÉTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE
PLANEJAMENTO DA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR
NA REGIÃO DE CHARQUEADA – SP
Trabalho de Graduação apresentado à Banca
Examinadora como requisito parcial para à obtenção do
título de Tecnólogo em Biocombustíveis.
Orientador: Prof. Dr. Fábio César da Silva.
PIRACICABA – SP
JUNHO/2011
AUTORIZAMOS A DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE. Rocha, Aderbal Almeida; Ton, Ariel; Michelin, Esequiel Balanço energético de um engenho para fins de planejamento da produção de açúcar na região de Charqueada – SP / Aderbal Almeida Rocha; Ariel Ton e Esequiel Michelin; orientador Fábio César da Silva. Piracicaba, 2011 51 p. Trabalho de Graduação (Graduação – Tecnologia) – Faculdade de Tecnologia de Piracicaba – Centro Estadual de Educação Tecnológica “Paula Souza”. 1. Vapor 2. Energia Elétrica 3. Silva, Fábio César – orientador I Titulo FOLHA DE APROVAÇÃO
Dr. FÁBIO CÉSAR DA SILVA
Orientador e Presidente da Banca
_________________________________________________________________
Dr. Hermas Amaral Germek
Fatec Piracicaba
Dra. Márcia Nalesso Costa Harder
Fatec Piracicaba
AGRADECIMENTOS
Agradecemos á Deus, por nos abençoar, conduzir e iluminar em todos os
momentos.
As nossas famílias pela força e apoio.
À Faculdade de Tecnologia de Piracicaba – Fatec, por possibilitar as condições e
meios para obtenção de nossos conhecimentos.
Ao professor Dr. Fábio César da Silva pela orientação, críticas e sugestões.
Ao professor Dr. Fernando de Lima Camargo pelas valiosas sugestões e coorientação deste trabalho.
Ao Engenho Granelli & Filhos Ltda., em especial ao sócio proprietário Sr. José
Granelli e a Tecnóloga Tânia Martins do laboratório de análises, por permitir o
desenvolvimento de nosso trabalho e pelas informações disponibilizadas.
A NG Metalúrgica Ltda., em especial aos Engenheiros Matheus Franhani e Rodrigo
Degaspari, pela colaboração e disponibilidade do software para os cálculos de
eficiência das turbinas.
Ao Engenheiro Murilo Vilela pelo apoio prestado nos cálculos das simulações para a
indústria de açúcar.
A todos que colaboraram direta ou indiretamente com este trabalho.
"Há homens que lutam um dia e são bons.
Há outros que lutam um ano e são melhores.
Há os que lutam muitos anos e são muito bons.
Porém, há os que lutam toda a vida.
Esses são os imprescindíveis."
(Bertolt Brecht)
RESUMO
Nas usinas de açúcar e álcool o bagaço da cana-de-açúcar é usado como
combustível para caldeiras, gerando vapor para turbinas que pode se transformar
em acionamento de equipamentos de preparo e extração do caldo, aquecimento
e/ou eletricidade. O fator de maior importância no planejamento do setor
sucroenergético é a sazonidade da produção, ou seja, a safra de cana-de-açúcar
coincidir com os períodos de pouca chuva e quando os rios estão com seus níveis
baixos. O objetivo deste trabalho foi determinar a eficiência das turbinas á vapor e
qualificar o processo com as boas práticas de operação dos processos de produção
do Engenho Granelli, no município de Charqueada no Estado de São Paulo, pois o
empresário pretende num futuro próximo instalar uma fábrica de açúcar. Os
parâmetros foram obtidos nos painéis dos equipamentos e posteriormente calculouse a eficiência das turbinas. Verificou-se que o vapor gerado e as condições
operacionais da indústria são suficientes para suprir as necessidades dos processos
atuais (etanol hidratado, aguardente e xarope). No entanto, não é suficiente para
funcionar uma fábrica de açúcar, devido a limitações da caldeira e turbogerador. Na
seqüência procedeu-se a simulação para uma fábrica de açúcar, considerando a
aquisição de uma nova caldeira e turbogerador.
Palavras-chave: Vapor, energia, bagaço de cana-de-açúcar, eficiência e turbinas.
ABSTRACT
In the sugar and alcohol industry the sugar cane bagasse is used like fuel for the
boilers, generating steam for the turbine they can be transformed into drive in
equipment preparation and juice extraction, .The most important factor for the alcohol
sector is the ripe of the production, the sugar´s harvest coincide with the little rain´s
periods and when the rivers are in their lower levels. The aim of this study was to
determinate the efficiency of the steam turbines and qualify the process the good
operating practices and calculate the mass balance of the producing process of the
Engenho Granelli, on Charqueada municipality, Sao Paulo State, because the
entrepreneur in the near future intends to install a sugar factory. The parameters
were obtained at the equipment´s panels them calculated the turbine’s efficiency. It
was 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 sugar
factory, due to limitations of the turbo generator. Following proceeded to the
simulation for a sugar factory, considering the purchase of a new boiler and
turbogenerator
Key-words: Steam, energy, sugar cane bagasse-cane, steam, efficiency and
turbines.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Características físico-químicas dos açúcares cristal e VHP..................................28
Tabela 2. Características das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli..............................30
Tabela 3. Resultados do desempenho das turbinas do Engenho Granelli............................35
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Evolução brasileira da produção de cana-de-açúcar (MAPA, 2010)......................15
Figura 2. Geração de bagaço e alimentação das caldeiras (CTC, 2011)..............................19
Figura 3. Transporte de bagaço do pátio 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. Diferença de cor dos açúcares cristal e VHP (CANAH, 2011)...............................27
Figura 9. Preços médios do açúcar VHP exportado (US$/sc 50 kg) no Estado
de São Paulo (MAPA, 2010)...................................................................................................28
Figura 10. Evolução da produção Brasileira de açúcar (MAPA, 2010)..................................29
Figura 11. Caldeira e turbogerador, Engenho Granelli..........................................................31
Figura 12. Turbina da bomba d’água e painel de equipamentos, Engenho Granelli.............31
Figura 13. Recepção e preparo da cana-de-açúcar no Engenho Granelli............................31
Figura 14. Fluxograma geral dos processos de fabricação do Engenho Granelli.................32
Figura 15. Eficiência dos equipamentos no uso de vapor.....................................................36
Figura 16. Simulação do balanço geral para a produção de açúcar e etanol hidratado........38
Figura 17. Simulação do balanço vapor para a produção de açúcar e etanol hidratado.......39
LISTA DE APÊNDICES
Apêndice A – Croqui de produção e consumo de vapor do Engenho Granelli.....................44
Apêndice B – Resultado dos cálculos para a turbina do DEFIBRADOR,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................45
Apêndice C – Resultado dos cálculos para a turbina do PICADOR,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................46
Apêndice D – Resultado dos cálculos para a turbina do 30 TERNO DE MOENDA,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................47
Apêndice E – Resultado dos cálculos para a turbina do EXAUSTOR,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1...................................................48
Apêndice F – Resultado dos cálculos para a turbina da BOMBA,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. .................................................49
Apêndice G – Resultado dos cálculos para a turbina do GERADOR,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. .................................................50
Apêndice H – Declaração de utilização e divulgação de dados do
Engenho Granelli....................................................................................................................51
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
0
Bx.: Grau brix
CONAB: Companhia Nacional de Abastecimento
CTC: Centro Tecnologia Canavieira
ha: hectare
HP: Horse Power
J: Joule
kg: quilograma
kgf: quilograma força
MAPA: Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
PCI: Poder Calorífico Inferior
PCS: Poder Calorífico Superior
RPM: rotação por minuto
t: tonelada
T-S: Temperatura e Entalpia
tv/h: tonelada de vapor por hora
UNICA: União da Indústria Canavieira
VHP: Very High Polarization
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS...............................................................................................9
LISTA DE FIGURAS..............................................................................................10
LISTA DE APÊNDICES.........................................................................................11
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS................................................................12
1. INTRODUÇÃO...................................................................................................13
2. REVISÃO DE LITERATURA.............................................................................15
2.1. Cana-de-açúcar..........................................................................................15
2.2. Bagaço da cana-de-açúcar.........................................................................17
2.3. Caldeira.......................................................................................................21
2.4. Turbina........................................................................................................22
2.5. Balanço de energia.....................................................................................23
2.6. Açúcar VHP – Very High Polarization........................................................27
3. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................30
3.1. Local do estudo...........................................................................................30
3.2. Coleta de dados..........................................................................................30
3.3. Medidas......................................................................................................32
3.4. Cálculo de eficiência das turbinas..............................................................33
3.5. Simulação da fábrica de açúcar VHP.........................................................33
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................35
4.1. Análise do desempenho atual.........................................................................35
4.2. Simulação da implantação de fábrica de açúcar VHP.....................................37
5. CONCLUSÕES.................................................................................................40
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................41
APÊNDICES..........................................................................................................43
13
1. INTRODUÇÃO
Há um milhão de anos, a população primitiva não era superior a meio milhão
de indivíduos, o que permitia à natureza a sua resiliência dos recursos empregados
neste período. Quando havia ameaça de colapso, as populações buscavam outras
regiões e de maneira geral não havia preocupações com a capacidade de suporte
do meio, isto é, as condições naturais de regeneração dos recursos (GOLDEMBERG
e LUCON, 2008).
Com a revolução industrial, o crescimento expressivo da população e
consequente aumento do consumo de energia, novas fontes de energia primária
foram exploradas além da lenha, hidráulica, carvão mineral, petróleo, urânio e mais
recentemente, a biomassa.
No setor sucroenergético a biomassa advinda da cana-de-açúcar tem papel
fundamental no processo de produção de vapor, geração de energia elétrica, seja
para suprir as necessidades dos processos agroindustriais e/ou geração de
excedentes de bagaço para o consumo externo as unidade produtoras.
O Engenho Granelli é uma empresa familiar situada á Fazenda São Benedito,
Bairro Paraisolândia, município de Charqueada, Estado de São Paulo, iniciou suas
atividades em 1991 com a produção de cachaça, em 2001 começou a produzir
etanol hidratado e a partir de 2006 a fabricação de xarope concentrado.
Na safra 2010/2011, o Engenho Granelli, processou 254.130 toneladas de
cana, produzindo 4.000 m3 de cachaça, 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 bagaço de cana-deaçúcar em caldeiras aquatubulares. Na safra 2010/2011 empregou 280 pessoas
14
diretamente, sendo 60 na indústria e 220 no campo, em três turnos de 8 horas. A
cana processada é 50 % própria 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 produção de 32
toneladas de vapor por hora nos parâmetros descritos nominais de trabalho:
temperatura de 320 0C e pressão interna 22 kgf cm-2.
O Engenho Granelli está estudando a implantação de uma fábrica de açúcar
VHP, pois o xarope produzido atualmente é vendido como matéria prima para a
indústria alimentícia, o mesmo será destinado á produção de açúcar VHP, que
possui maior valor agregado, além de aumentar a diversidade de produtos
fabricados pela unidade e aproveitando a infra-estrutura existente.
A implantação da fábrica de açúcar terá relevância sócio-ambiental
significativas, principalmente na geração de novos postos de trabalho e, se
constatado excedente de energia térmica, a mesma poderá ser utilizada para a
produção de energia elétrica, favorecendo a matriz energética regional e nacional.
O tema do trabalho foi escolhido devido ao interesse dos acadêmicos em
aprimorar seus conhecimentos nesta área e com intuito da integração escolaempresa, o que possibilita aplicar os conhecimentos adquiridos durante o curso de
Tecnologia em Biocombustíveis e ao interesse da unidade produtora, ampliar suas
instalações para a produção de açúcar VHP.
O objetivo deste trabalho foi determinar a eficiência das turbinas á vapor e
qualificar o processo com as boas práticas de operação e simular o consumo de
vapor com a implantação de uma fábrica de açúcar no Engenho Granelli. Portanto,
este estudo servirá de parâmetro para a aquisição de nova caldeira e/ou
tuborgerador ou manter os mesmos com melhores condições de operacionais.
15
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Cana-de-açúcar
A lavoura de cana-de-açúcar continua em expansão no Brasil, Figura 1
(MAPA, 2010). Os maiores índices de aumento de área cultivada ocorrem em São
Paulo, Mato Grosso do Sul, Goiás e Minas Gerais. Nestes Estados, além do
aumento da área cultivada, outras novas usinas entraram em funcionamento na
safra passada, ficando assim distribuídas: três no estado de Minas Gerais, duas em
São Paulo, duas em Goiás e uma nos Estados de Mato Grosso, Mato Grosso o Sul e
Rio de Janeiro. A Produtividade da cana destas usinas é superior as demais, o que
em parte compensam a baixa produtividade que deve ocorrer no estado de São
Paulo. Neste ano, está prevista a entrada em funcionamento de cinco novas
unidades de produção (CONAB, 2011).
Figura 1. Evolução da produção brasileira de cana-de-açúcar (MAPA, 2010).
Quanto ao aspecto agronômico, a cultura da cana-de-açúcar apresenta neste
primeiro levantamento, um desenvolvimento aquém do que aconteceu na safra
passada, em conseqüência do clima adverso ocorrido a partir do mês de abril até
novembro de 2010, com chuvas escassas em toda a região Centro-Oeste e Sudeste.
16
Este comportamento do clima prejudicou a brotação e o desenvolvimento da cana,
tanto nas áreas colhidas como nas áreas de renovação e expansão, mas, favoreceu
a colheita da safra passada, encurtando o período da safra. A conclusão 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 moída não sobrando
praticamente nada (cana bisada) para moer este ano, diferente do que aconteceu na
safra anterior quando o excesso de chuva no período de colheita fez com que
sobrasse muita cana que foi moída na safra seguinte. Após o período seco, as
chuvas
aconteceram
com
freqüência
e
intensidade
satisfatória
para
o
desenvolvimento dos canaviais, o que está recuperando em parte, a produtividade.
No domínio de muitas unidades, o excesso de umidade dificultou a implantação de
novos canaviais, e o plantio ultrapassou o período ideal, podendo trazer
conseqüências na produção futura. Na safra anterior foi a falta de umidade que
prejudicou o plantio que se estendeu por todo o ano, além de necessitar de irrigação
para provocar o brotamento das mudas (propágulos) (CONAB, 2011).
A cana-de-açúcar é cultivada no sistema convencional, em solos bem
preparados com revolvimento de 20 a 30 centímetros. Mudas (propágulos)
provenientes de canaviais de 12 a 18 meses, livres de pragas e doenças que após
recebimento de tratamento preventivo com fungicida e inseticida, são colocadas em
sulcos em formato de cunha ou trapezoidal, dependendo do tipo de solo, com trinta
centímetros de profundidade e cobertas com 5 a 10 centímetros de terra. A
densidade usada é de 12 a 18 gemas por metro linear e a distância entre sulcos de
1,20 metro, para facilitar a operação de colheita. O consumo de mudas por hectare é
de 15 toneladas, em média. Quando o plantio é mecanizado, o consumo de cana
(muda) aumenta consideravelmente, chegando a ultrapassar 20 toneladas (ÚNICA,
2011).
A área cultivada com cana-de-açúcar que será colhida na safra 2011/2012 e
destinada à atividade sucroalcooleira está estimada em 8.442,8 mil hectares,
distribuídos em todos estados produtores. O Estado de São 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), Goiás com 7,97% (673,38 mil hectares), Paraná com
17
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 áreas são menores, mas, com bons
índices de produtividade (CONAB, 2011).
2.2. Bagaço da cana-de-açúcar
O bagaço é um resíduo fibroso resultante do processo de extração do caldo
da cana de açúcar. A composição do bagaço depende do sistema de colheita da
cana-de-açúcar, que pode ser tanto cana queimada como mecanizada (cana crua).
Conforme Delgado & Cesar (1977) a composição média do bagaço é:
9 47 % de celulose
9 25 % de hemicelulose
9 21 % de lignina
9 7 % outros
A celulose é um polímero com mais de 10.000 moléculas de glicose que estão
ligadas em uma estrutura cristalina que fornece suporte estrutural às plantas. É
encontrada em matérias-primas de biomassa na forma de lignocelulose (DELGADO
& CESAR, 1977).
A hemicelulose também é constituída de açúcares unidos em cadeias longas,
que geralmente apresentam 5 (cinco) açúcares: a arabinose, galactose, glicose,
manose e xilose. A hemicelulose é considerada um material amorfo e é parcialmente
fermentável (DELGADO & CESAR, 1977).
A lignina é também é considerada um polímero de fenil-propanóides que pode
ser visto como um carvão imaturo. Não é fermentável e possui rendimentos
razoáveis. Fornece estrutura e mobilidade aos vegetais aproveitando a rigidez da
celulose. A lignina é formada pela remoção da água das moléculas de açúcar para
criar estruturas aromáticas. Existem diversos monômeros de lignina, suas
características dependem da natureza da fonte (DELGADO & CESAR, 1977).
18
O poder calorífico para combustíveis sólidos é internacionalmente aceita em
quilo Joule por quilograma (kJ kg-1) ou mega Joule 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 calorífico do bagaço pode
variar de acordo com sua composição físico-química, condições da matéria-prima,
variedade, estágio de maturação, preparo da cana, condições de trabalho, sistemas
de colheita, sistemas de extração do caldo (moenda ou difusor), quantidade de
impurezas vegetais e minerais (CTC, 2011).
Poder Calorífico Superior (PCS) é determinado quando o calor latente de
vaporização da água formada pela reação de combustão durante a queima do
combustível com o ar seco e o Poder Calorífico Inferior (PCI) é o resultado do PCS
menos o calor latente formado pela água durante a combustão, ou seja, a água
gerada pelos produtos de combustão na forma de vapor (DELGADO & CESAR,
1977).
A partir de 1990, com a auto-suficiência em produção de energia, as usinas
buscaram melhorar a eficiência de combustão e o emprego de técnicas e
equipamentos adequados para fazer com que metade do bagaço produzido por elas
fosse utilizado para gerar a energia capaz de manter a usina em funcionamento sem
a comercialização do excedente (TATEYAMA, 2008). A partir de 2001, algumas
usinas começaram a trabalhar com a produção excedente de energia e assim gerar
uma nova fonte de renda, comercializadas em concessionárias locais, com o
investimento em substituição de equipamentos com maior eficiência (CTC, 2011).
A substituição de caldeiras e turbogeradores por modelos mais novos e
eficientes permite a operação de vapor vivo superiores (maior pressão e
temperatura), com redução no consumo de vapor na termelétrica. Atualmente, os
projetos vêm sendo feitos com a utilização de turbinas de condensação, fazendo
com que parte da usina trabalhe com a coogerção e parte trabalhe como uma
termelétrica movida à biomassa da cana, ou seja, bagaço e palha. Isso faz com que
a usina opere além do período de safra (CTC, 2011).
19
Para que isso ocorra, é necessário um estoque de bagaço no período de
safra, para que o mesmo possa ser utilizado posteriormente. Por possuir baixa
massa específica (higroscópico e de fácil deterioração), o bagaço deve ser
armazenado com alguns cuidados (CTC, 2011).
O sistema de alimentação de bagaço para cadeiras pode ocorrer de duas
maneiras, do setor de extração do caldo direto para a caldeira e na falta da matéria
prima, pode-se fazer o retorno do material armazenado no pátio, Figura 2.
Figura 2. Geração de bagaço e alimentação das caldeiras (CTC, 2011).
O processo mais utilizado pelas usinas é o transporte de bagaço que sai do setor
de extração do caldo direto para as caldeiras, e o excedente segue para o pátio de
bagaço. Certa quantidade de bagaço é mantida em recirculação no sistema para suprir
qualquer deficiência na moagem. De acordo com CTC (2011) a quantidade de bagaço
pode variar entre 10 % e 40 % do bagaço consumido pelas caldeiras.
20
Quando ocorrem interrupções na moagem, o bagaço retorna do pátio para as
caldeiras, através do dosador de retorno alimentado por tratores portadores de correia,
Figura 3, (HUGOT, 1977; apud CTC, 2011).
Figura 3. Transporte de bagaço do pátio para a caldeira (CTC, 2011).
Todo o bagaço gerado pelo setor de extração é direcionado ao pátio de
armazenagem, e depois segue para a caldeira. A característica deste sistema é a
independência da moenda e/ou difusor, pois qualquer que seja o funcionamento destes
equipamentos, as caldeiras recebem o bagaço do pátio. De acordo com CTC (2011) o
sistema pode ser uma forma interessante de operação no armazenamento de bagaço
de maneira automatizada, tanto na entrada como na saída de bagaço do armazém.
Caso haja necessidade de uma máquina para operação no retorno do bagaço, este
sistema pode tornar-se mais oneroso, devido o manuseio de grandes quantidades de
bagaço. No entanto, este sistema aumenta o risco de deterioração do bagaço, pelo
maior tempo de manuseio e retorno do mesmo.
A alimentação de biomassa das caldeiras pode ser afetada devido á variação de
bagaço gerado pelas moendas ou difusores, impactando a produção e pressão de
vapor. Devido a isso, a recirculação de bagaço torna-se importante para evitar estas
instabilidades e manter o funcionamento dos equipamentos de geração de vapor
21
continua e estável (CTC, 2011), mas requer boas condições de armazenagem, em
pátios bem dimensionados.
2.3. Caldeira
Caldeira é o nome popular dado aos equipamento gerados de vapor, cuja
aplicação tem sido ampla no meio industrial e também na geração de energia
elétrica na chamadas centrais termelétricas. Portanto, as atividades que necessitam
de vapor para o seu funcionamento, em particular, vapor de água pela sua
abundância, têm como componente essencial para sua geração, a caldeira. Esse
equipamento, por operar com pressões acima da pressão atmosférica, sendo na
grande parte das aplicações industriais até 20 vezes maior e nas aplicações para a
produção de energia elétrica de 60 a 100 vezes maior, podendo alcançar valores de
até 250 vezes mais, constitui um risco eminente na sua operação (ALTAFINI, 2002).
A evolução das caldeiras proporcionou mudanças nas matérias-primas
utilizadas para sua confecção e na sua estrutura de funcionamento, atualmente as
caldeiras são basicamente de dois tipos: fogotubulares e aquatubulares (DELGADO
& CESAR, 1977).
Nas caldeiras fogotubulares seu funcionamento se baseia no principio de que
os gases de combustão (gases quentes) passam do lado de dentro de tubos
trocando calor com a parte externa do tubo, cercada por água. Esse processo
fornece quantidade limitada de energia (calor) para água, pois a superfície de
aquecimento é pequena, tornando a produção de vapor baixa assim como seu
rendimento (ALTAFINI, 2002).
Para tornar a produção de vapor maior, foram desenvolvidas as caldeiras
aquatubulares, Seu funcionamento é o inverso das caldeiras fogotubulares, pois no
interior dos tubos, ao invés dos gases de combustão, ficam a água e do lado exterior
os gases de combustão, com isso a superfície de contato é maior, possibilitando
uma maior produção de vapor e uma pressão de operação maior, tomando o
rendimento da caldeira mais eficiente. Por seu maior rendimento e pressão, as
22
caldeiras aquatubular de biomassa são 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 aplicação dos balanços de
massa e energia, Figura 4.
Figura 4. Esquema do volume de controle da caldeira (EL-WAKIL, 1984).
o
o
o
o
m1 = m 2
o
Q F + m1 h1 − m 2 h2 = 0
o
Em que:
m = vazões mássicas nas fronteiras do volume de controle
o
Q F = taxa líquida de calor trocado
h = valores de entalpia específica do fluido nestas fronteiras
2.4. Turbina
A turbina a vapor transforma a energia térmica em mecânica para
posteriormente transformá-la em energia elétrica e o vapor de escape segue para o
23
processo. Segue abaixo o volume de controle da turbina de contrapressão seguido
dos balanços de massa e de energia, Figura 5 (EL-WAKIL, 1984).
.
Figura 5. Esquema do volume de controle da turbina (EL-WAKIL, 1984).
o
o
m3 = m 4 o
o
o
m 3 h3 − m 4 h4 = W tc
o
Em que:
m = vazões mássicas nas fronteiras do volume de controle
o
Q F = taxa líquida de calor trocado
h = valores de entalpia específica do fluido nestas fronteiras
o
W tc = Potência de eixo líquida.
Os outros equipamentos dos ciclos, bombas e o desaerador, são usados a
mesma metodologia para encontrar o volume de controle.
2.5. Balanço de energia
O balanço de energia por sua vez, é uma exposição sistemática dos fluxos e
transformações de energia em um sistema. A base teórica para um balanço
24
energético é a primeira lei da termodinâmica segundo a qual a energia não pode ser
criada ou destruída, apenas modificada em forma. As fontes de energia ou ondas de
energia são, portanto, as entradas e saídas do sistema em observação (SILVEIRA
NETO et al, 2010).
A avaliação do desempenho das instalações de turbinas e seus elementos
são realizados por um sistema de rendimento absoluto e relativo (com relação a
turbina ideal). O ciclo Rankine opera predominantemente na região de saturação do
fluido de trabalho (normalmente água), que circula conforme o esquema da Figura 6
(EL-WAKIL, 1984).
Figura 6. Esquema do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984).
O ciclo ideal é composto pelos processos de bombeamento isoentrópico (1-2),
aquecimento isobárico na caldeira (2-3), expansão isoentrópica na turbina (3-4) e
25
troca de calor isobárica no condensador (4-1). Sua representação num diagrama
Temperatura vs Entropia pode ser vista na Figura 6 (EL-WAKIL, 1984).
O rendimento térmico é um dos principais índices de desempenho
(performance) da instalação de turbinas. O diagrama T-S do ciclo, Figura 7, faz uma
aproximação deste diagrama com o diagrama T-S do ciclo de Carnot. Desde modo,
o rendimento calorífico é, em essência, a fração do calor fornecido ao ciclo
energético que se transforma em trabalho mecânico na turbina, e o seu valor é
aproximadamente igual ao rendimento térmico (LORA & NASCIMENTO, 2004).
Figura 7. Diagrama T-S do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984).
Com maiores pressões na saída da bomba levam a maior temperatura de
saturação e, portanto, aumento na eficiência do ciclo. Mas há também outras
26
modificações que podem ser feitas visando melhoria no rendimento (EL-WAKIL,
1984).
Os sistemas de vapor são de grande importância industrial em processos que
necessitam de uma fonte de energia térmica. O vapor de água como vetor de
transporte de energia térmica traz vantagens significativas, que explicam sua
disseminação, pois a água é uma substância facilmente disponível, pouco agressiva
quimicamente e com grande capacidade de transportar energia. Na geração e na
utilização do vapor ocorrem mudanças de fase, tanto na vaporização quanto na
condensação, que causam grandes variações de volume, resultando em elevado
coeficiente de transferência térmica, que, somado à alta densidade energética (calor
latente) do vapor, produz elevadas taxas de transferência de calor por unidade de
área. Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante baixo preço
(dependendo do combustível), alta densidade energética e elevada taxa de
transferência de energia (LORA & NASCIMENTO, 2004).
A avaliação da eficiência do processo de produção de vapor, tanto para
acompanhamento ou para estudo comparativo é de suma importância para avaliar o
seu desempenho e detectar falhas e pontos de estrangulamentos no sistema
(LOPES & BORGES, 2009).
A eficiência térmica ou o rendimento total que pode ser obtido na caldeira do
tipo aquotubular é de 80 % a 85 % ou maiores em caldeiras com superaquecedores,
economizadores e aquecedores de ar. A maior eficiência dos geradores
aquotubulares deve-se à disposição mais racional da superfície de aquecimento,
que favorece a transmissão do calor desenvolvido na fornalha e, especialmente, à
adoção de superaquecedores de vapor, aquecedores e economizadores. Estes
equipamentos permitem recuperar grande parte do calor residual dos gases quentes
da combustão, que passam pela chaminé, diminuindo a temperatura final destes
(CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, 2005).
27
2.6. Açúcar VHP – Very High Polarization
Desenvolvido em 1993, o Açúcar VHP é destinado ao mercado externo.
Trata-se de um açúcar bruto, que permite aos clientes transformá-lo em diferentes
tipos de açúcar para o consumo (RAÍZEN, 2011).
O açúcar VHP consiste num açúcar utilizado como matéria-prima para
outros processos, também em cuja fabricação o tratamento do caldo é mínimo ou
nenhum e cuja massa cozida sofreu lavagem reduzida durante a centrifugação
(SIAMIG, 2011).
O açúcar cristal é obtido por processo de cristalização controlada, a partir de
caldo de cana-de-açúcar tratado, possui cristais finos, regulares e com alto brilho
sendo especialmente indicado para processos alimentícios e outros fins. O açúcar
VHP é destinado principalmente ao mercado externo, trata-se de um açúcar cru (raw
sugar), que permite aos clientes transformá-lo (refinar) em diferentes tipos de açúcar
para o consumo industrial, Figura 8 (CANAH, 2011). As principais características
físico-químicas dos açúcares cristal e VHP estão descritas na Tabela 1.
Figura 8. Diferença de cor dos açúcares cristal e VHP (CANAH, 2011).
28
Tabela 1. Características físico-químicas dos açúcares cristal e VHP.
Especificação do açúcar
Parâmetros
Método
Unidade
Tipo 1
Tipo 2
Tipo 3
Tipo 4
VHP
Polarização
ICUMSA
0
Z mín.
99,7
99,7
99,6
< 99,6
< 99,3
Cinzas
ICUMSA
% Max.
0,05
0,07
0,15
> 0,15
-
Cor
ICUMSA
UI Max.
100
150
200
> 200
> 580
Sulfito
Fermentec
ppm Max.
10
10
20
> 20
-
Pontos pretos
Copersucar
N0 máx.
10
15
20
> 20
-
Resíduos insolúveis
Copersucar
1-10
0,5
0,6
0,8
> 09
-
% Max.
0-60
0-60
> 60
> 60
-
% Min.
40-100
40-100
< 40
< 40
-
Malha 30
Granulometria
Copersucar
Malha 60
Umidade
ICUMSA
% Máx.
0,05
0,05
0,07
> 0,07
0,14
Dextrana
ICUMSA
ppm Max.
100
100
> 100
> 100
-
Fermentec
% Máx.
0,05
0,05
> 0,05
> 0,05
-
Açúcares Redutores
ICUMSA – International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis.
Fonte: CANAH (2011).
De acordo com Canah (2011) em 2010, o mercado de açúcar foi marcado por
fortes altas de preços, tanto no mercado doméstico como no internacional, uma das
principais causas das reações expressivas foi a redução dos estoques mundiais, que
têm baixado desde 2008, quando houve déficit expressivo. No ano seguinte, um
novo déficit agravou a situação dos estoques e os preços internacionais começaram
a reagir com altas acentuadas, Figura 9.
Figura 9. Preços médios do açúcar VHP exportado (US$/sc 50 kg), no estado de
São Paulo (MAPA, 2010).
29
Em resposta aos preços favoráveis os produtores vem aumentando a
produção de açúcar a cada ano, Figura 10. De acordo com Canah (2011) a
expectativa era de que, em 2010, o mercado voltasse a ter algum equilíbrio entre
oferta e demanda, em termos agregados. No entanto, quebra de safra em paises
produtores importantes (India) por fatores climáticos (excesso de chuva em alguns
casos e estiagem em outros) trouxe de volta a instabilidade. Outros fatores, não
menos importantes, que agitaram os preços foram as condições macroeconômicas
que provocaram oscilação do dólar, levando investidores a alternar sua participação
no mercado e acarretando incremento geral nos preços de commodities, não apenas
do açúcar.
Figura 10. Evolução da produção brasileira de açúcar (MAPA, 2011).
30
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Local do estudo
O Engenho Granelli localiza-se no município de Charqueada, estado de São
Paulo, à Fazenda São Benedito s/n, zona Rural, Paraisolândia, cuja razão social é
José Granelli & Filhos Ltda., Indústria de aguardente, xarope e etanol hidratado.
3.2. Coleta de dados
Os equipamentos movidos a vapor no Engenho Granelli são os de preparo da
cana (desfibrador e picador), 30 terno de moenda, exaustor e gerador, a coleta de
dados dos parâmetros para o balanço de vapor foi realizada pela leitura direta no
painel de equipamentos (Figura 12), com três leituras para cada parâmetro, das
turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli, Tabela 2 e algumas ilustrações dos
equipamentos estão apresentadas nas Figuras 11 a 13.
Tabela 2. Características das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli.
Turbina
Marca
Modelo
Potência – HP
Desfibrador
Dedini
140 CE
315
Picador
Dedini
140 CE
288
30 terno de moeda
Equipe
-
650
Bomba
Dedini
55 CESP
200
Exaustor
Dedini
140 CE
650
Gerador
Turbimaq
800 ME
1600
Fonte: Os autores (2011)
Alguns dos parâmetros utilizados no balanço de energético foram obtidos por
meio de entrevista pessoal em parte com o proprietário do Engenho, Sr. José
Granelli e a responsável pelo laboratório, Tecnóloga em Produção Sucroalcooleira
Sra. Tânia Martins.
31
Figura 11. Caldeira e turbogerador, Engenho Granelli (Os autores, 2011).
Figura 12. Turbina da bomba d’água e painel de equipamentos, Engenho Granelli (Os
autores, 2011).
Figura 13. Recepção e preparo da cana-de-açúcar no Engenho Granelli (Os autores, 2011).
32
3.3. Medidas
As variáveis necessárias aos cálculos do balanço de energia, o mapeamento
do processo e a análise do fluxo de energia da unidade produtora foram efetuados
“in loco” e com os dados fornecidos pelo laboratório do Engenho Granelli (Figura 14).
Figura 14.
Fluxograma geral dos processos de fabricação do Engenho Granelli (Os
autores, 2011).
33
3.4. Cálculo de eficiência das turbinas
O cálculo da eficiência das turbinas de simples estágio (picador, desfibrador,
0
3 terno de moenda, bomba de alimentação da caldeira e exaustor) foi utilizado o
software TVG1, desenvolvido pela NG metalúrgica e, para a turbina multiestágio
(turbogerador) utilizou-se o software TMOD, baseado no trabalho descrito por Lora &
Nascimento (2004).
3.5. Simulação da fábrica de açúcar VHP
A simulação da fábrica de açúcar VHP foi baseada par a seguinte capacidade
produtiva:
9 Etanol hidratado = 100 m3/dia
9 Aguardente = 70 m3/dia
9 Açúcar VHP = 150.000 kg/dia
9 Xarope (650 Bx.) = 20 t/h
Os parâmetros técnicos de desempenho e qualidade da matéria-prima foram
os seguintes:
9 Moagem = 190 TCH
9 Eficiência da extração = 96 %
9 Pol da cana = 15,6 %
9 Fibra da cana = 12,00%
9 Pureza da cana = 85,5%
9 Atr = 143,77
9 1 moenda de 54" x 48" + 4 moendas 54" x 26"):
9 Dias de safra = 200 dias
9 Açúcar VHP de 2 MC (massa cozida)
9 Processo - Moagem:
- pol no bagaço = 2,62%
- embebição % cana = 28%
- fibra do bagaço 45,11%
- Art mosto= 15,21
34
- ART not xarope = 62,02
- litro alcool por atr = 85,00
- kg de Açucar por atr = 177,08
- litro de álcool produzido 83,17 / TC
- litro de aguardente produzido 173,27 / TC
- kg de aç produzido por atr 139,19
- kg de aç no xarope 589,22
- Rendimento industrial anual 84,55
A simulação do consumo de vapor, com implantação da fábrica de açúcar, foi
feito por engenheiro da Dedini S/A Indústria de Base, com software de uso restrito
da empresa.
35
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Análise do desempenho atual
Os resultados da leitura, média de três repetições, dos parâmetros de
desempenho das turbinas estão apresentados na Tabela 3.
Tabela 3. Resultados do desempenho das turbinas do Engenho Granelli.
Equipamento acionado*
Descrição
Picador
Desfibrador
30 terno da
moeda
Bomba
Gerador
288
315
162
200
1600
Pressão de admissão, kgf cm-2 g-1
–
–
18
21
20
Pressão da camara 1, kgf cm-2 g-1
12,0
13 – 24
12
–
18
Pressão da camara 2, kgf cm-2 g-1
–
–
–
–
12 – 15
Pressão da camara 3, kgf cm-2 g-1
–
–
–
–
0,8
1,8
1,8
2,1
1,5
1,6 – 1,9
–
–
4,2
–
2,1
1,5
1,3
0,8
–
1,5
6000
6500
7800
3500
4000
Potência, HP
Pressão de escape, kgf cm-2 g-1
Pressão óleo regulagem, kgf cm-2 g-1
Pressão óleo mancal – kgf cm-2 g-1
Rotação – RPM
Fonte: Os autores (2011)
* Média de três repetições.
A turbina do exaustor não foi possível mensurar os dados de desempenho,
pois a mesma não possuía painel de instrumentos, a sua eficiência foi estimada,
pelo software TVG1, com base no balanço de consumo de vapor dos equipamentos
alimentados pelo vapor gerado pela caldeira.
O rendimento da turbina do gerador está dentro do esperado, pois de acordo
com Lora e Nascimeto (2004), para unidades de turbina a vapor modernas de
centrais termelétricas, o rendimento térmico ou calorífico pode alcançar 60 % e que
36
devido os diferentes componentes dessas instalações, ocorrem diversas perdas que,
naturalmente, diminuem o rendimento da transformação do calor em trabalho
mecânico ou eletricidade, Figura 8.
As turbinas do preparo (picador e desfibrador), moenda e bomba da caldeira
apresentaram eficiência adequada, Figura 15, conforme estudo de consumo de
vapor em turbinas (STAB, 2005).
Figura 15. Eficiência dos equipamentos no uso de vapor (Os autores).
O terceiro terno da moeda não foi eletrificado devido á limitação do gerador,
conforme relato do proprietário, que foi feito um estudo e a melhor opção foi manter
este a vapor. Essa eletrificação proporciona as seguintes vantagens (TATEYAMA,
2008):
9 Reduz o consumo de vapor no processo de moagem, substituindo turbinas
a vapor por acionamentos e motores elétricos de alta eficiência.
9 Garante maior produtividade, extraindo maior quantidade de caldo com o
mesmo terno;
37
9 Oferece maior controle do processo, pela flexibilidade no controle de
velocidade da moenda;
9 Permite a operação remota, reduzindo riscos com acidentes.
O vapor produzido atualmente é suficiente para operacionalizar todos os
processos, no entanto, no pico de safra, eventualmente há falta de vapor, devido á
limitação da eficiência da caldeira, pois a mesma tem capacidade de 40 toneladas
hora, mas sua eficiência é por volta de 80 %.
Uma alternativa para aumentar o rendimento da caldeira é baixar a umidade
do bagaço utilizando secador de bagaço, pois o bagaço que é queimado na caldeira
tem aproximadamente 48 % de umidade, ou seja, quando esse entra na caldeira em
forma de combustível antes de fornecer sua energia, subtrai calor do sistema para
realização a evaporação da água e só depois de seco realiza a combustão liberando
energia térmica para a caldeira. No entanto, é necessário avaliar o custo/benefício
desta operação.
O monitoramento constante do valor da temperatura do vapor de escape das
turbinas é uma indicação valiosa do consumo específico das máquinas e a partir
desta pode-se tomar as providências necessárias para otimizá-la.
4.2. Simulação da implantação da fábrica de açúcar VHP
Com a implantação da unidade de produção de açúcar VHP e os demais
processos haverá consumo de 71 toneladas de vapor por hora (tv/h), distribuídos da
seguinte forma:
9 Xarope = 28 tv/h
9 Açúcar = 23 tv/h
9 Etanol + aguardente = 20 tv/h
38
O fluxograma da simulação, para produção de açúcar VHP e etanol hidratado,
foi estruturado conforme a Figura 16 e o consumo de vapor nos processos, com a
colaboração do Engenheiro Murilo Vilela, encontra-se na Figura 17.
Portanto, a estrutura atual de geração de vapor não suportará a implantação
da fabrica de açúcar 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. Simulação do balanço geral para produção de açúcar e etanol hidratado (Engº
Murilo Vilela, 2011).
39
Água
contaminada
Água não
contaminada
Figura 17. Simulação do balanço de vapor para produção de açúcar e hidratado (Engº
Murilo Vilela, 2011).
.
O tarbalho desenvolvido na simulação da unidade de produção de açúcar tem
carater acadêmico, pois para se ter uma avaliação mais detalhada, desta planta de
fabricação de açúcar, é necessário avaliar os fatores com os equipamentos
existentes e a forma de operação da uniddade do engenho em questão. Outra
questão observada ao longo da elaboração deste trabalho é a ausência de sistema
de regeneração térmica, com o objetivo de melhorar a eficiência térmica do
processo, diminuindo consequentemente o consumo de vapor.
40
5. CONCLUSÕES
A quantidade de vapor e energia produzida é adequada aos processos atuais
do Engenho Granelli, mas não é suficiente para implantar a fábrica de açúcar VHP.
Para implantar fábrica de açúcar é necessário adquirir uma nova caldeira e
um novo turbogerador.
41
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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do Sul – Departamento de Mecânica, 2002.
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Rio de Janeiro: Eletrobrás, FUPAI/EFFICIENTIA , 2005.
CONAB – Companhia Nacional de Abastecimento Acompanhamento de safra
brasileira: cana-de-açúcar, primeiro levantamento, maio/2011. Brasília: Conab,
2011.
CTC – Centro de Tecnologia Canavieira Bagaço e palha de cana para fins
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Disponível no site: http://www.ctcanavieira.com.br/site/index.php?option=
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DELGADO, A.A.; CESAR, M.A.A. Elementos de engenharia e tecnologia do
açúcar de cana. Piracicaba: USP/Esalq, 1977.
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GOLDEMBERG, J.; LUCON, O. Energia, meio ambiente e desenvolvimento. 3a
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HUGOT, E. Manual da engenharia açucareira. São Paulo: Mestre Jou, 1977.
LOPES, C.H.; BORGES, M.T.M.R. Introdução à tecnologia agroindustrial. São
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42
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TATEYAMA, E.K. Soluções para Aumentar Eficiência e Produtividade da Usina.
Usina de inovações, 2008. Disponivel no site: www.siemens.com.br/ <acesso
maio/2011>
43
APÊNDICES
44
Apêndice A – Croqui da produção e consumo de vapor do Engenho Granelli.
45
Apêndice B – Resultado dos cálculos para a turbina do DESFIBRADOR, obtidos
pelo processamento dos dados no software TVG1.
46
Apêndice C – Resultado dos cálculos para a turbina do PICADOR, obtidos pelo
processamento dos dados no software TVG1.
47
Apêndice D – Resultado dos cálculos para a turbina do 30 TERNO DA MOENDA,
obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1.
48
Apêndice E – Resultado dos cálculos para a turbina do EXAUSTOR, obtidos
pelo processamento dos dados no software TVG1.
49
Apêndice F – Resultado dos cálculos para a turbina da BOMBA, obtidos pelo
processamento dos dados no software TVG1.
50
Apêndice G – Resultado dos cálculos para a turbina do GERADOR, obtidos pelo
processamento dos dados no software TMOD.
51
Apêndice H –
Declaração de utilização e divulgação de dados do Engenho
Granelli.