A Tabela 4.5 apresenta os resultados das análises da composição das cinzas da palha de cana, bagaço e sorgo biomassa, realizadas neste trabalho.
Tabela 4.5. Análise elementar da palha de cana e do bagaço e comparativo com outros autores.
(%) Óxidos Bagaço Palha – Folhas
secas Palha misturada Sorgo biomassa1
SiO2 43,01 73,0 38,0 17,8 Al2O3 7,0 1,2 8,3 1,3 Fe2O3 5,23 0,8 2,7 0,6 Ti3O2 1,56 0,0 0,5 0,0 P2O5 5,82 1,0 5,5 8,9 CaO 12,7 0,83 8,1 4,9 MgO 6,70 4,22 4,6 5,5 Na2O 0,20 0,0 0,0 1,3 K2O 14,1 2,8 20,3 40,4 SO3 1,68 2,6 8,2 3,1 MnO2 0,53 0,5 0,0 1,0 Cloro 0,03 0,5 3,8 14,4 Outros 1,35 0,6 - 0,8 Total 100,0 100,0 100,0 100,0 Cinzas 2,93 6,08 10,36 6,21 1análise – Lnano
As amostras de palha de cana, coletadas diretamente do solo apresentaram um alto teor de cinzas em comparação ao bagaço de cana e as análises da composição das cinzas indicaram altos índices de componentes, como o potássio (K2O), e alto teor de cloro que favorecem a formação dos depósitos de cinzas fundidas em superfícies de transferência de calor, devido sua influência no índice de fusibilidade das cinzas. Para as análises das cinzas das amostras de folhas secas da cana foram encontrados índices de enxofre (S) e potássio (K) muito inferiores aos índices encontrados nas amostras de palha misturada coletada no solo.
O teor de cinzas contido nas amostras de sorgo biomassa foi similar ao encontrado nas amostras de folhas secas de cana, em torno de 6,2% indicando aproximadamente o dobro do teor de cinzas encontrado no bagaço de cana. A análise da composição elementar das cinzas, também, indicou teores de potássio e de cloro muito elevados, com o dobro do teor de potássio encontrado na palha de cana, e ainda um índice de cloro cerca de cinco vezes superior.
O comportamento da temperatura de fusão é determinado pelas propriedades e composição das cinzas, e para a previsão da fusibilidade das cinzas são utilizadas algumas correlações entre a composição química das cinzas do combustível, baseada na análise de componentes básicos e
ácidos encontrados nas cinzas na forma de óxidos e a temperatura de fusão das cinzas.
4.4 .Índices de fusibilidade das cinzas e índices de álcalis
O índice de componentes inorgânicos presentes na composição do combustível se apresenta como um dos principais responsáveis pela formação dos depósitos de cinzas fundidas em superfícies de transferência de calor, devido sua influência no índice de fusibilidade das cinzas.
Os estudos sobre a influência dos componentes minerais na fusibilidade das cinzas indicam uma relação entre a temperatura de fusão das cinzas e a distribuição proporcional entre os constituintes básicos e ácidos. Até anos 1980, muitos pesquisadores investigaram a fusibilidade das cinzas com base na análise de determinados óxidos presentes nas cinzas, entre eles; SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O e K2O. Desde então, várias correlações que associam a química das cinzas com a temperatura de fusão das mesmas foram definidas, a fim de melhorar a confiabilidade de previsão da temperatura de fusão (Bryers, 1995).
A previsão do processo de formação de depósitos ainda produz certa imprecisão, porém é definido que os componentes básicos (B) influenciam na redução da temperatura de fusão, enquanto os componentes ácidos (A) promovem o seu aumento (Pronobis, 2005).
Algumas correlações para a previsão da fusibilidade das cinzas foram propostas entre temperatura de fusão e composição química padronizada. Frequentemente emprega-se uma simples relação entre componentes (B/A), considerando a porcentagem dos óxidos básicos e ácidos constituintes das cinzas. A razão foi proposta por Pronobis, (2005) para combustíveis fósseis com baixo teor de fósforo, pode ser calculada a partir da expressão (I):
(I)
Foram desenvolvidas correlações entre temperatura hemisférica e temperatura de fluidez e R(B/A), para mais de 180 tipos de carvão mineral (Ots e Zelkowski, 2000). Três faixas de valores foram determinadas:
1. Para R(B/A) < 0,75, até o menor R(B/A), a temperatura hemisférica e de fluidez são maiores e, em consequência, o risco de formação de escória diminui muito; para R(B/A) > 0,15 ambas as temperaturas excedem 1600°C.
2. Para R(B/A) = 0,75, ocorrem os menores níveis da temperatura hemisférica e de fluidez (abaixo de 1200°C), aumentando o risco de formação de escória.
R(B / A)=(Fe2O3+CaO +MgO+Na2O+K2O)
3. Para 0,75 < R(B/A) < 2,0, as temperaturas hemisféricas e de fluidez crescem com os valores de R(B/A).
4. Para R(B/A) > 2,0, a dependência não pode ser definida.
Portanto, para valores de R(B/A) < 0,75 os riscos de formação de depósitos devido às cinzas são menores, enquanto para valores de R(B/A) > 0,75 ocorre um aumento da probabilidade de formação de depósitos, indicando que a maior concentração de componentes ácidos aumenta os riscos de formação de depósitos de cinzas fundidas.
Os riscos de formação de escória e de incrustações levaram ao desenvolvimento de indicadores em função da composição dos combustíveis, principalmente em função do teor de alguns componentes inorgânicos. Os índices apresentados na literatura foram desenvolvidos para carvão mineral e têm sido empregados com razoável precisão para a análise da combustão da biomassa (Carvalho, 2011).
Um índice que tem sido empregado com frequência na avaliação de biomassas é o Índice de álcalis, que é utilizado como indicador da formação de escórias e incrustações (Jenkins et al. 1998). Os autores comentam que em função do índice e da escala não ter sido definida especificamente para as biomassas, o índice de álcalis deve ser interpretado como um indicador de tendências, e não como um resultado absoluto.
O índice de álcalis expressa a quantidade de óxidos alcalinos no combustível, por unidade de energia (kg de álcalis/ GJ), sendo definido pela seguinte equação:
(II) I . A=(Ya)×(YK 2O+YNa 2O) HHV
Onde Ya representa a fração em massa de cinzas no combustível, YK2O e YNa2O as frações em
massa de K2O e Na2O presentes nas cinzas e HHV é o poder calorífico superior do combustível. De acordo com Miles et al. (1995) é sugerido que acima de 0,17 kg de álcalis/GJ a formação de incrustação é provável, e que acima de 0,34 kg de álcalis/GJ do combustível, a formação de incrustações é praticamente certa.
Com objetivo de aumentar as informações sobre a tendência de formação de incrustações quando da combustão da palha da cana, foram realizados neste trabalho cálculos de índices de álcalis, para as composições de palha de cana. Os resultados dos indicadores de fusibilidade calculados para diferentes composições de cinzas de bagaço de cana, estão apresentados na Tabela 4.6 como comparativo da tendência de formação de depósitos nas superfícies de troca térmica dos geradores de vapor. Os resultados referentes à palha de cana, separada em folhas secas e palha na
forma integral retirada do solo e também o sorgo biomassa, são apresentados na Tabela 4.7.
Tabela 4.6. Índices de probabilidade de formação de incrustações calculados para o bagaço de cana de acordo com as análises de cinzas.
Parâmetros (2007)Rein, Camargo,1990 al., (1998)Jenkins et Turn et al.,(1997) al., (2001)Gabra et
Manyà and Arauzo, (2008) Bagaço (este trabalho) R(b/a) 0,24 0,66 0,38 0,44 0,24 0,40 0,87 Probabilidade de formação de depósitos
Baixo Baixo Baixo Baixo Baixo Baixo Alta
I.A 0,06 0,47 0,012 0,054 0,22 0,40 0,24
Probabilidade de formação de
depósitos
Baixa Alta Baixa Baixa Provável Alta Provável
O índice R(B/A) calculado para a amostra de bagaço de cana, apresentou divergência em relação à tendência apresentada pelas amostras analisadas por outros autores, indicando que amostra analisada nesse trabalho apresenta tendência alta de formação de depósitos, enquanto as demais amostras apresentaram baixa tendência de formação, ou seja, com índice R(b/a) > 0,75. O índice de álcalis calculado para o bagaço de cana indicou muita divergência na comparação entre os resultados. No caso da amostra de bagaço analisada nesse trabalho foi obtido um valor de 0,24 kg G-1 indicando provável formação de depósitos. No entanto, para a maioria das composições apresentadas na Tabela 2.8, foi identificada baixa tendência.
Tabela 4.7. Índices de probabilidade de formação de incrustações calculados de acordo com as análises de cinzas
Índices e
probabilidade Palha misturada
Palha – folhas
secas Sorgo biomassa Bagaço de cana
R(b/a) 0,76 0,27 2,89 0,87
Probabilidade Alta Baixa Indefinida Alta
I.A 1,20 0,07 1,44 0,24
Probabilidade Alta Baixa Alta Baixa
Os resultados indicam que tanto as folhas secas como o bagaço de cana, apresentam de acordo o indicador I.A, uma baixa tendência de formação de depósitos, porém para o índice R(B/A) o bagaço apresentou um alto risco de formação de depósitos em função do valor estar acima de 0,75. No entanto, a amostra de palha misturada retirada do solo, apresentou uma alta probabilidade de formação de depósitos para ambos os índices. Para o sorgo biomassa a probabilidade de formação de incrustações e depósitos não pode ser definida pelo índice R(B/A), no entanto para o índice de álcalis a formação de depósitos é indicada como provável.
A Tabela 4.8 apresenta os resultados de estudos realizados por Camargo et al., (1990) para uma análise da temperatura de amolecimento de cinzas de bagaço de cana. Pode ser visto que a partir do qual foram tiradas destes dados, cinza de bagaço começa a amolecer a temperaturas inferiores a 1000 ºC. Como esta é a temperatura típica dos gases que saem de câmaras de combustão em caldeiras de bagaço, podem ser esperados incrustações nas superfícies de transferência de calor de caldeiras. De fato, os geradores de vapor bagaço frequentemente usam dispositivos de limpeza conhecidos como sopradores de fuligem.
Tabela 4.8. Resultados das temperaturas de amolecimento das cinzas do bagaço de cana em (°C)
Atmosfera Temperatura inicial Temperatura final
Inerte 915 1130
Oxidante 960 1235
1(Camargo et al., 1990)
Nas investigações em caldeiras que geram vapor a partir de biomassas, foi observado índices de corrosão insignificante nos tubos dos superaquecedores existentes, quando a temperatura do vapor é inferior a 450 ºC. Acima desta temperatura os índices de corrosão aumentam tornando-se severos quando vapor é gerado acima de 520 ºC (Michelsen et al., 1998).
5 ANÁLISE DO ANÁLISE DO CONSUMO E GERAÇÃO DE
ENERGIA EM UMA PLANTA TÍPICA DE PRODUÇÃO DE ETANOL
A análise do consumo e geração de energia foi feita a partir dos dados obtidos em visitas à cinco usinas de produção de etanol a partir da cana-de-açúcar. A partir desses dados foi realizada a identificação das demandas de vapor em um processo típico de produção de etanol através do balanço dos fluxos de massa e energia para uma usina de capacidade média de 500t cana h-1.
Uma estimativa da energia consumida para produção de trabalho mecânico foi feita a partir de índices de trabalho específico requerido para o acionamento de moendas, preparo de cana, turbo bombas e turbo gerador. Foi considerado também as eficiências de conversão, as eficiências isentrópicas das turbinas e eficiências mecânicas de transmissão.
As caldeiras operam exclusivamente a partir da queima do bagaço de cana, o ciclo Rankine tradicional das usinas usa turbinas a vapor de contrapressão, garantindo apenas a autossuficiência elétrica. As turbinas de contrapressão são usadas no acionamento de moendas e no preparo de cana, e acionamento do gerador elétrico. A demanda de vapor do processo é suprida pelo vapor de escape das turbinas que expandem o vapor gerado vapor.