A proposta de redução do consumo de vapor considerada nesse trabalho direciona para duas ações principais, que envolve, 1 – a substituição dos sistemas do acionamento mecânico por turbinas nas etapas de preparo e moagem de cana, por motores elétricos; 2 – a possível redução do consumo de vapor no processo de destilação.
1. Eletrificação dos sistemas de preparo e moagem de cana
A maximização da produção de energia elétrica nas usinas sucroalcooleiras requer sistemas com maior eficiência: menor consumo de vapor no processo produtivo e maior disponibilidade para a geração de potência elétrica. O processo de eletrificação dos sistemas de preparo e moagem tem como propósito reduzir o consumo de vapor, substituindo os acionamentos convencionais com turbinas a vapor por motores elétricos.
Os sistemas de preparo de cana é composto por um nivelador, um picador de facas e um desfibrador, o sistema de moagem normalmente é composto de um conjunto de 4 a 7 ternos de moenda, o consumo médio de energia desse sistema é de cerca de 15 kWh t-1 cana. O acionamento
Este vapor supre a demanda de energia térmica no processo de produção, aquecimento, pré- evaporação, destilação) e também do processo de produção de açúcar em usinas anexas. Bombas centrífugas de grande porte, como as bombas de alimentação de água das caldeiras, como também outras bombas de processo são acionadas por turbinas de contrapressão.
Como apresentado no capítulo anterior, o maior consumo de energia em uma usina típica é devido aos acionamentos mecânicos. Em um sistema de cogeração equilibrado o vapor de escape dos acionamentos é suficiente para atender o processo de produção.
As turbinas de contrapressão são amplamente utilizadas em sistemas de cogeração tradicionais, onde a pressão de saída do vapor é controlada para garantir as demandas do processo produtivo (Woodruff et al., 2005). No processo termodinâmico desenvolvido no ciclo Rankine para geração de potência, a expansão de vapor na turbina produz trabalho em uma primeira fase, em seguida o vapor extraído pelo escape da turbina fornece o calor remanescente ao processo, até seu menor nível energético. O calor e trabalho produzidos dependem fundamentalmente das condições de entrada do vapor na turbina e da eficiência isentrópica da turbina.
Os sistemas de acionamentos nas usinas típicas caracteriza-se pela dispersão de um grande número de turbinas de pequeno porte, apresentando baixas eficiências de conversão. No geral as turbinas utilizadas nessas operações apresentam eficiência isentrópica da ordem de 55% (Ensinas,
2007) e assim, um elevado consumo do vapor gerado é destinado a essa etapa. Turbinas de Extração e Condensação
As turbinas de extração e condensação são utilizadas em plantas de cogeração onde a prioridade é maximizar a geração de eletricidade, com produção independente de potência e de calor fornecido ao processo consumidor. O vapor alimentado à turbina é expandido até a pressão de condensação, produzindo trabalho. Parte deste vapor é extraído da turbina no ponto onde a pressão atende à condição da demanda de vapor de processo. As turbinas de condensação devem ser consideradas em situações onde seja necessário gerar determinada quantidade de trabalho, independentemente da condição de operação do consumidor de vapor acoplado ao sistema de cogeração, incluindo os períodos em que este esteja fora de operação. (SILVA, 2004).
De maneira diferente do que ocorre nos sistemas com turbinas de contrapressão, é possível controlar o trabalho gerado regulando a vazão admitida na máquina, mantendo as condições do vapor enviado ao processo praticamente constantes, uma vez que a extração possui um controle independente (Pistore, 2004).
cerca de 85% (Woodruff et al. 2005) e a eficiência global das plantas que utilizam turbinas de condensação é da ordem de 30%.
Na saída das turbinas de condensação o vapor apresenta pressão inferior à pressão atmosférica e é conduzido para um condensador para o seu reaproveitamento como líquido condensado na alimentação de água do ciclo.
Acionamentos por motores elétricos
O acionamento de moendas e bombas pode ser realizado por motores elétricos de indução que convertem a energia elétrica fornecida em energia mecânica para acionamentos. As principais vantagens da utilização de motores elétricos, são a alta eficiência de conversão da energia elétrica em mecânica (97% – 98%), o maior controle da variação da velocidade através do uso de inversor de frequência, a operação em alto torque e baixa rotação e a eliminação de redutor de alta rotação
(Siemens, 2007).
O inversor de frequência é uma fonte retificadora da tensão da rede elétrica, para redução das oscilações e modulação do sinal de saída da tensão. Além de alternativa para o controle a velocidade de motores de indução trifásicos, ele possibilita manter o torque do motor constante ao longo de toda a faixa de velocidades, desde aproximadamente 0 até o seu valor nominal (Pistore,
2004). Essa é uma característica importante para acionamentos de máquinas que exigem alto torque
em baixas rotações, como as moendas e picadores.
A alimentação elétrica dos acionamentos funciona de acordo com o sistema de distribuição das usinas, sendo mais comum o uso de transformadores para média e baixa tensão. Os motores de média tensão, entre 13,8 – 4,16 kV, são utilizados em situações com alta potência envolvida, enquanto motores de baixa tensão (até 690V) são aplicados em casos de acionamentos com velocidades variáveis. No caso do acionamento dos dispositivos do preparo e moagem, a alternativa mais apropriada seria o emprego de motores trifásicos de média tensão (Pistore, 2004).
As eficiências típicas para os equipamentos elétricos do acionamento podem ser definidas de acordo com o nível de tensão aplicada. Assim a eficiência de sistemas com motores de baixa tensão opera em torno de 91%, e sistemas que operam com motores de média tensão correspondem a 94%
(Siemens, 2004).
2. Possível redução do consumo de vapor na etapa de destilação.
A redução do consumo de vapor no processo produtivo de etanol é fundamental para o aumento da eficiência na geração de excedentes de energia elétrica. Essa condição poderia ser
atingida através da redução do consumo específico de vapor na destilaria e ações como o aumento do número de estágios de regeneração no processo. Como foi demonstrado no capítulo anterior, o consumo de vapor na destilação representa 45,7% da demanda de energia em uma usina típica.
A proposta de melhoria na destilação considera a redução do consumo de vapor em etapas dos processos de desidratação, concentração e destilação para obtenção do etanol.
Em estudos realizados por Ensinas (2007) para redução da demanda de vapor no processo através da integração térmica, um processo foi simulado com substituição do sistema de destilação convencional por um sistema de destilação dupla pressão para a produção de etanol hidratado, reduzindo o consumo específico de vapor de 1,81 kg L-1 de etanol para 1,33 kg L-1 de etanol.
Os processos de desidratação do etanol utilizados na indústria sucroalcooleira podem ser melhorados através de novas tecnologias e integração térmica. Os métodos de desidratação azeotrópica com cicloexano é amplamente utilizado na indústria sucroalcooleira, porém com alto consumo de vapor, cerca de 1,6 kg L-1 de etanol, perdas consideráveis de cicloexano, contaminando o etanol anidro e ainda perdas de etanol por arrasto da fase vapor (Wolf Maciel, 2008).
Estudos realizados com diferentes processos de desidratação extrativa indicaram algumas vantagens da utilização de monoetilenoglicol, dentre elas, baixas taxas de escoamento de vapor e colunas com dimensões proporcionalmente a sua capacidade, porém parte da energia requerida ocorre na forma de vapor de alta pressão (Meirelles, 2006).
A utilização de destilação extrativa com monoetilenoglicol apresenta um maior custo inicial de investimento em relação a planta com cicloexano, porém seu consumo de vapor varia entre 0,7 a 0,8 kg L-1 de etanol. Cerca de 50% desse total deverá ser fornecido sob a forma de vapor de alta pressão entre 9 e 10 bar (Finguerut et al. 2008)
Outros processos de desidratação tem sido estudados e utilizados. No sistema de peneiras moleculares, o consumo específico de vapor é de 2,5 kg L-1 de etanol para colunas de destilação e retificação (Rein, 2007).
O processo de separação por membranas para desidratação do etanol tem sido estudado por diversos autores (Dias, 2008), e processos de hiperfiltração, pervaporação e a permeação gás/vapor tem sido propostos como métodos mais eficientes para maior economia de energia para a produção de etanol anidro (Kumar et al. 2010).
Assim, espera-se que o consumo de vapor na destilação possa ser reduzido cerca de 40%, dos valores típicos de cerca de 2,5 kg L-1 de etanol para cerca de 1,5 kg L-1 de etanol. No caso do etanol anidro o consumo adicional para retificação pode ser reduzido de 1,6 kg L-1 de etanol para cerca de 0,8 kg L-1 de etanol, ou seja, cerca de 50%.