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Análise termodinâmica de
projetos de cogeração na
indústria açucareira e a
sua relação com a
eficiência em caldeiras
Prof. Electo Eduardo Silva [email protected]
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
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O Núcleo de Excelência
em Geração Termelétrica
e Distribuída
Instituto de Engenharia Mecânica
Universidade Federal de Itajubá
Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída
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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.
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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
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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 DE
RESÍDUOS
Avaliação teórico experimental da
geração e uso energético de
biogás obtido a partir da vinhaça
e de aterros sanitários
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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;
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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;
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Gasificación de biomasa Células SOFC
Motores StirlingMicroturbinas de gas
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Ciclo a vapor 80 kWeSimulador para entrenamiento
de operadoresde centrales termoeléctricas
Laboratório de simulación de sistemas y procesos térmicos
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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).
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O NEST na internet
www.nest.unifei.edu.br
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PUBLICAÇÔES
DO NEST
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SERVIÇOS
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CURSOS
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BOLETIM NEST
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BIOMASSA
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BIOMASSA E MITIGAÇÃO DO EFEITO ESTUFA
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2003 2050
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Fundamentos de la cogeneración
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INTRODUCCIÓN A LA COGERACIÓN
Sistemas de cogeneracion son aquellos enque se realiza, simultaneamente, y ensecuencia, la generación de energia elétrica omecánica y de energia térmica (calor deproceso y/o frio), a partir de la quema de uncombustible, tal como los derivados depetróleo, gas natural, carbón mineral obiomasa.
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SISTEMA DE COGENERACIÓN
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SISTEMAS DE COGENERACIÓN
Topping
Bootoming
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Fundamentos de la cogeneración
C. Termica42%
Caldera90%
Generaciónconvencional Cogeneracion
Electricity35%
Heat
55%
100
Comb
Total
100
Economia energia = (144 - 100)144
= 30%
35
55
electricidad
calor
83
61
Comb
Total
144
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CogeneracionLa mejor solución para la reducción de CO2
A B C D E F
% eficiencia
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 Ciclo combinado moderno a gas natural (CCGT)
E Cogeneración con carbón mineral
F Cogeneración con gas natural
0
20
40
60
80
100
% e
ffic
ien
cy
0
200
400
600
800
1000
CO
2-e
mis
sio
n (
kg
/MW
h)
CO2-emisiones
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Potencial de cogeneración
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Cogeneración en la indústria azucarera
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Principales países productores de azucar de caña
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Potencial global de cogeneracióna partir de la caña de azúcar
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Proceso de cogeneración con bagazo de caña
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Histórico de la cogeneración en la indústriade azúcar y álcohol en Brasil
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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).
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-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.
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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 (40-80 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)
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CICLO A VAPOR
Capacidade até 50 MW
Parâmetros: até 120 bars
: até 580 oC
Principais Fabricantes:
HPB
Dedini
Equipalcool
Caldema
TGM, NG metalurgica, Siemens
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P = 0,25 MPa
TV ( geração elétrica): Vazão = 43,9 t/h W = 3,4 MW
TV ( acionamento mecânico): Vazão = 60 t/h W = 3,6 MW
P = 2,1 MPa T = 300 o C
Bagaço Umidade = 50 % (base úmida)
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
Esquema de cogeneración con turbina de contrapresión
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21,86 t/h 44,6 t/h
P = 0,25 MPa
TV ( extração/condensação):
W = 16,7 MW
TV ( acionamento
mecânico):
Vazão = 55,4 t/h
W = 3,6 MW
P = 8,0 MPa
T = 450 o C
Bagaço
Umidade = 50 %
(base úmida)
PROCESSO DE
FABRICAÇÃO
Esquema de cogeneración con turbinade condensación con extracciones
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Caldeira APU-70-7GI-PSEpara bagaço de caña fabricada
pela empresa CALDEMA
Equipamentos Industriais
Ltda.
HPB
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Esquema simplificado de un sistema BIG/BT
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Balance de energia de sistemas TCE y BIG/GT
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Resultados de la comparación de los sistemas BIG GT y TEC
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El costo de generación
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Inversiones necesárias para la reduccióndel consumo de vapor en proceso
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Análisis termodinámica (exergo-económica) de
sistemas de cogeneración en la industria de azucar y
alcohol
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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;
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O modelo exergoeconômico nada mais é do queum sistema de equações que representamatematicamente a estrutura produtiva. Oobjetivo principal deste sistema é adeterminação dos custos unitários dosprodutos, permitindo ainda obter os custosintermediários e todo o processo de formação decustos na planta.
Para a construção do modelo exergoeconômicosão necessários conhecer os custos deinvestimento, operação e manutenção de cadaunidade real da estrutura produtiva, o custo docombustível e as exergias de cada fluxointermediário.
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Descripción del Sistema de Cogeración del central Colombo
Capacidade de Produção 2003/04
Produção de Álcool [m3] 112.000
Produção de Açúcar [sacas 50
kg]6.000.000
Cana Moída [tc/h] 1000
Total dias da Safra / F.U [%] 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
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Caso Base
B1 B2 C1 C2
Caldeira: 22 bar (abs) @ 300°C SIM
Caldeira: 33 bar (abs) @ 320°C SIM
Caldeira: 63 bar (abs) @ 480°C SIM SIM SIM
Caldeira: 82 bar (abs) @ 520°C SIM SIM
TVCP Contra-Pressão 40 MW SIM
TVCP Contra-Pressão 15 MW SIM
TVCE Extração/Condensação 100 MW
SIM SIM SIM SIM
Consumo de vapor 540 kgv/tc SIM SIM SIM
Consumo de vapor 480 kgv/tc SIM SIM
Maximización da Generación de PotenciaQuatro Cenários propostos para comparação e avaliação dos
resultados
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Indicadores de la Eficiencia Termodinámica del Sistema de Cogeneración
FUE (eficiência de primeira lei):
Fonte: (Horlock, 1987)
PCIm
QWFUE
comb
u
.
FESR (taxa de econômia de combustível):
THcald
u
comb
THcald
u
WQ
PCImWQ
FESR
).(
f
p
exergB
BW )( ηexerg (eficiência exergética):
Ie.exced.m (índice de eletricidade excedente):tc
WI exced
mexcede ..
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Resumen de los Critérios de Desempeño
CenárioFUE[%]
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
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Esquema actual del central estudiado
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Escenário B
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Escenário C
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Evaluación exergoeconómica
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
Estrutura Física
Base para a construção
da Estrutura Produtiva
da planta.
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Estrutura Productiva
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
A Exergoeconomia permite
RATEAR / acompanhar o
processo de FORMAÇÃO
dos custos !!
Produto → Insumo
BagaçoEn. Elétrica
En. Mecânica
Calor Processo
Todo Insumo que entra na
planta reflete nos custos finais
dos produtos
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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.
- Anuidade: j=15% a.a , N=10 anos
- Custo Total
Determinados através de valores percentuais em
relação ao preço de aquisição do equipamento
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Representación Matricial
1 1 . .
1 2 3 2
2 6 3
3 4 4 4 4
4 5 5 . .
5 6 6 6 6
4 7 7
4 8 8
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0*
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
G V comb
a B
a b c
a T G
a b c
b
c
B c Z C
B B B c
B B c Z
B B B B c
B B c Z
B B B B c
B B c
B B c
.
tan
0
0
C E
demZ
[Yi] . {Yc} = {Ye} → [Yi]-1. {Ye} = {Yc}
1 1
1 2 3 2
2 6 3
3 4 4 4 4
4 5 5
5 6 6 6 6
4 7 7
4 8 8
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0*
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
e
c
a
a b c
a
a b c
b
c
B k Q
B B B k
B B k
B B B B k
B B k
B B B B k
B B k
B B k
[Yi] . {Yk} = {Ye} → [Yi]-1. {Ye} = {Yk}
k = B* / B
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Costo exergético de la energía, R$/MWh
64,24
54,07 53,98 53,93 53,97
85,5280,88 80,86
83,19 83,16
22,7819,07 19,76 20,34 21,05
0
20
40
60
80
100
A B1 B2 C1 C2
Cenários analisados
Cu
sto
esp
ecíf
ico
da e
nerg
ia p
rod
uzid
a
[R$/M
Wh
]
Energia Elétrica Gerada Energia Mecânica Produzida Calor Processo
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Bagaço 100%
Perdas
Caldeira
14,0%
Perdas Redutores Vel. +
Geradores
3,0%
Energia Elétrica Gerada
8,60%
Pot. Mecânica Turbomoendas
3,40%
Calor Processo
70,20%
Condensado
0,20%
Perdas
Redutoras
0,60%
caldeira
turbogeradores
turbomoendas
Bagaço 100%
Perdas
Caldeira
10,0%
Perdas Redutores Vel. +
Geradores
2,0%
Energia Elétrica Gerada
17,42%
Pot. Mecânica Turbomoendas
3,00%
Calor Processo
59,11%
Condensado
0,33%
caldeira
turbogeradores
turbomoendasPerdas
Condensador
8,14%
Esquema A
Esquema C2
Diagramas de Sankey
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Conclusões específicas: “Usina Colombo”
Caso Base: custo monetário da energia elétrica gerada,energia mecânica produzida e calor de processo foramde 64,24 R$/MWh, 85,52 R$/MWh e 3,81 R$/Tonv,respectivamente.
O custo exergético unitário e o custo monetário daenergia elétrica gerada no turbogerador I (4,25), (55,63R$/MWh) é menor que no turbogerador II (6,82), (68,98R$/MWh).
Detectou-se que na instalação atual da usina oequipamento menos eficiente é a turbobomba dosistema de baixa pressão.
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A modificação das turbinas de acionamento do TandemIII de simples para múltiplos-estágios levou numaredução considerável nos valores do custo unitário dapotência mecânica produzida.
Cenário C1 “82 bar (abs.) @ 520°C com TVCE”apresentou o valor mais elevado para a taxa deeconomia de combustível 20,78% e a maior eficiênciaexergética 27,19%, com menor custo da energiaelétrica gerada (53,93 R$/MWh).
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La cogeneración y la electrificación de los molinos
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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
Parâmetros do Vapor [bar abs @ C] 1 22 @ 30043 @ 400;
22 @ 305
66 @ 520;
43 @ 400
Número de Caldeiras 1 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 TSEParte TSE e
TME
Parte TSE,
TME e ME
Turbinas para Produção de Eletricidade 1,4 CP CP TCES; CP
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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.
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Configuración AB – Central A caso base
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Configuración AEAP – Central A electrificado / altos parámetros de vapor
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Eficiencia de la generación de potencia
mecánica para la variante A
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Ig.exc.- Índice específico de generación de
electricidad excedente para la variante A
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Balanço de Energia (Diagrama de Sankey)
da Usina A com configuração AB e AAP.
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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.
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Tasa interna de retorno para las variantes analizadas
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Eficiencia en calderas en sistemas de cogeneración
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Drum
Furnace
Primary air heater IIIEconomizer
Superheater
Secondary air heater I
Primary air heater II
Primary air heater I
Forced draft fan
Forced draft fan
Induced draft fan
Forced draft fan
Secondary air heater II
Main bank
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Relación entre la eficiencia de la caldera
y la temperatura de los gases de escape
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Temperatura óptima de los gases de escape en calderas para centrales con cogeración
Abordaje I (precio del bagazo 30 R$/t) : 155 oC
Abordaje II (precio de la eletricidad): 120-130 oC
(I) (II)
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Impactos ambientales de la cogeneración en la industria
de azucar y alcohol
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y = 39,096Ln(x) + 189,09
R2 = 0,5546
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
Excesso de ar
NOx [ppm]
Impactos ambientales: NOx
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Impactos ambientales: dispersión NOx
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0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 5000 10000 15000 20000 25000
Distância (m)
Co
nce
ntr
açã
o (m
g/m
3)
NOx
NO2
Seqüê
ncia1
Padrão CONAMA [3]
Padrão OMS [4]
Abordagem 2 (NO2 = fj . NOx)
Impactos ambientales: Comparacion con las normas NOx
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CONCLUSIONES
El costo de generación disminuye con el aumento de la capacidad de molienda del central, presenta un mínimo para un valor del consumo de vapor de 450 kg/tc y varia muy poco al pasar la presión del vapor de 60 para 80 bars.
La metodologia de análisis exergo-economica permite la determinación de los costos del vapor, trabajo mecánico y electricidad. Los menores valores observados fueron 53.93, 83.15 y 20.34 R$/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.
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CONCLUSIONES
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 120-130 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.
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