ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-FS01
ANÁLISE TERMOECONÔMICA EM SISTEMAS DE GERAÇÃO DE VAPOR EM USINAS DE
ÁLCOOL E AÇÚCAR
Reinaldo Burcon Junior, Paulo Roberto Ywamoto e Márcio Higa
Universidade Estadual de Maringá, Engenharia Mecânica
CTM - Rua Cantor Raul Seixas, 501, Jd. Ipanema, CEP 87053-240, Maringá, PR
E-mail para correspondência: [email protected]
Introdução
Um dos principais fatores limitantes para a utilização do bagaço e ainda, para a produção excedente de
energia elétrica no setor sucro-alcooleiro, a alta ineficiência das instalações de geração de potência, que
incluem caldeiras e turbinas. No caso da geração de vapor, antigamente o bagaço de cana obtido durante a
extração de caldo para a produção de álcool ou açúcar era tratado como resíduo a ser descartado. Entretanto,
devido às crises energéticas e de petróleo, bem como a redução de gastos com o setor, o mesmo atualmente é
tratado como subproduto, apresentando várias aplicações industriais, tais como a substituição da lenha ou
óleo combustível em fornos, ração animal e fonte combustível para a geração de potência através da cogeração (IPT, 1990).
Objetivos
O objetivo principal deste trabalho foi realizar análises térmicas em geradores de vapor de usinas de
álcool e açúcar, empregando análises exergética e termoeconômica, bem como desenvolver um software
genérico para implementar análises em usinas de álcool e açúcar.
Metodologia
Para o presente trabalho, procurou-se, através de um estudo de caso de uma usina localizada no norte do
Paraná, integrar balanços de massa, energia e exergia, criar uma ferramenta útil para uma avaliação mais
adequada dos sistemas geradores de vapor. Além dos balanços já citados, para que um projeto seja colocado
em execução, é necessário que o mesmo seja viável economicamente. Desta forma, somou-se aos balanços já
citados o balanço termoeconômico, para a obtenção de um quadro completo para uma possível tomada de
decisão. Este tipo de análise também já foi realizado também em sistemas de geração de vapor em outras
usinas no estado de São Paulo (Prieto et al, 2001).
As análises foram realizadas em duas caldeiras existentes na usina que possuem diferentes
desempenhos. Partindo da determinação da temperatura adiabática de chama, foi calculada a vazão
mássica de bagaço para a caldeira, através da Eq. (1). Este resultado serviu como um fator de
comparação para avaliar se a vazão de bagaço na caldeira da usina utilizada como estudo de caso
estava apropriada ou não, onde m representa vazão mássica de bagaço, mvap é a vazão mássica de
vapor da caldeira, he é a entalpia da água de entrada da caldeira, hs é a entalpia do vapor de saída da
caldeira, T é a temperatura adiabática de chama para o bagaço de cana e Tsaida é a temperatura de
saída dos gases de combustão da caldeira.
m = mVAP (hS - hE) / (1,142 (T - TSAIDA))
(1)
Determinou-se ainda a eficiência energética da caldeira, através da Eq. (2), onde ηenerg representa o
rendimento térmico da caldeira e PCIU é o poder calorífico inferior em base úmida para o bagaço de cana, o
qual, para 50% de umidade do bagaço vale aproximadamente 7800 kJ/kg.
ηenerg. = mVAP (hS - hE) / (mBAG PCIU)
(2)
Ainda, foi determinada a eficiência exergética da caldeira, através da Eq. (3) e da Eq. (4), onde Ex
representa a exergia, se e ss representam a entropia de entrada e a de saída, respectivamente, Ex vap é a exergia
do vapor, Exgás é a exergia do gás de combustão, T0 é a temperatura ambiente e ηexerg representa o rendimento
exergético. Foi determinada também a exergia em cada ponto de entrada e saída dos equipamentos geradores
de vapor, utilizando este resultado para uma avaliação da destruição de exergia, através de um balanço de
exergia entre as entradas e as saídas de cada equipamento envolvido na geração de vapor.
Ex = (he-hs)-T0(se-ss)
(3)
εexerg. = Exvap /Exgas
(4)
Por fim, foi atribuído valor monetário ao vapor gerado pela caldeira, bem como à destruição de exergia
nos equipamentos ligados a geração de vapor, através de um balanço termoeconômico, utilizando para isto a
Eq. (5), onde C1 é o custo procurado, Ef1 é a exergia de fluxo que entra no equipamento, Ef é a exergia que
sai do equipamento cf é o custo para a geração do vapor e Zb são os custos gerais com aquisição e
manutenção do equipamento.
(5)
C1 Ef1 = cf Ef + Zb
Resultados
Partindo dos dados da Tab (1), foram obtidos os seguintes resultados, listados na Tab. (2).
Tabela 1-Dados fornecidos pela usina
Caldeira1
Vazão de bagaço [ton./h]
Produção de Vapor [ton./h]
29,2
66
Caldeira2
30,5
64
Tabela 2-Valores Calculados para cada caldeira da usina analisada
Caldeira1
Caldeira2
Excesso de Ar de Combustão [%]
Eficiência Energética [%]
Eficiência Exergética [%]
Custo da Geração de Vapor [R$/kJ.h]
Custo Exergia do Economizador [R$/kJ.h]
Custo Exergia Pré-Aquecedor [R$/kJ.h]
Destruição de Exergia na Caldeira [kJ]
Destruição Exergia Pré-Aquecedor [kJ]
Destruição Exergia Ecomomizador [kJ]
55
65,4
52,6
6,30
6,70
179
86720
62,4
263
66
65,2
51,7
6,31
6,86
184
90588
65,0
383
Conclusão
Utilizando-se de conceitos energéticos, exergéticos e termoeconômicos, este trabalho apresenta
avaliações térmicas realizadas em um sistema de geração de vapor de uma usina de açúcar e álcool
comparando o desempenho de duas caldeiras da usina. Verifica-se que o desempenho energético da caldeira
1 é superior ao da caldeira 2. Um dos principais fatores se deve ao excesso de ar utilizado na caldeira 2, que
é maior do que na caldeira 1, sendo que isto se deve também a integração dos pré-aquecedores destes
equipamentos. Além do maior consumo de maior consumo de bagaço e menor produção de vapor, verifica-se
também a maior destruição de exergia na caldeira 2, resultando no custo exergético maior para este
equipamento.
Referências Bibliográficas
IPT-Institutode Pesquisas Tecnológicas, “Manual de Recomendações – Conservação de Energia na Indústria de Açúcar
e Álcool”, S.P., 1990.
Moran, M. J. Shapiro, H. N., “Princípios Termodinâmicos para Engenharia”, LTC- Livros Técnicos e Científicos S.A.,
Rio de Janeiro, R.J., 2002.
Prieto, M.G.S., Carril, T. P., Nebra, S. A., “Analysis of Exergetic Cost in the Steam Generation of Sugar Mill Plant
Cruz Alta”, XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, Uberlândia, MG, 2001.