A simulação do ciclo térmico de uma usina convencional considera a configuração C1 com geração de vapor a 22 bar e temperatura de 320 °C. A configuração avaliada considera uma unidade que opera gerando vapor a partir do uso de bagaço e palha de cana no período de safra. Foi considerado o aproveitamento de 85% do bagaço para geração de vapor no ciclo térmico convencional. A configuração que simula o sistema convencional de cogeração considera que o acionamento do sistema de preparo, moagem e bombeamento seja realizado por turbinas a vapor de contrapressão, sendo o consumo de eletricidade da planta industrial de 12,5 kWh por tonelada de cana.
A avaliação da configuração convencional tem como objetivo avaliar a geração de vapor obtida pela queima do bagaço de cana e o índice de geração de energia elétrica, diante do fluxo de vapor imposto nas etapas de preparo e moagem e o fluxo de extração para o processo produtivo. Os estados termodinâmicos na saída do processo e do desaerador foram impostos, como também o
índice de recuperação do vapor condensado e a reposição de água para alimentação da caldeira. A configuração analisada utiliza turbinas de contrapressão no acionamento do gerador e elétrico, com disponibilidade de 85% do bagaço de cana para geração de vapor e um consumo de vapor de processo de 335 kg t-1 de cana. Os parâmetros utilizados na configuração são apresentados na Tabela 5.7.
Tabela 5.7. Parâmetros para simulação das configurações dos sistemas convencionais analisados.
Parâmetros C1
Capacidade moagem – [t/h] 500
Disponibilidade de bagaço de cana – (%) 85
Pressão do vapor – [bar] 22
Temperatura do vapor – [°C] 320
Consumo de vapor no processo – [kg/t.cana] 335,0
Pressão vapor de processo – [bar] 2,5
Eficiência da Caldeira – [%] 85
Eficiência de turbinas acionamento de moendas – [%] 55
Eficiência da turbina gerador elétrico – [%] 70
Eficiência no bombeamento – [%] 45
Consumo de eletricidade autossuficiência – [kWh/t.cana] 12,5
A configuração C1 corresponde a um sistema de cogeração típico e considera o uso de turbinas de contrapressão nos acionamentos de preparo de cana, moagem e no gerador elétrico. Os resultados obtidos na simulação para a análise do potencial de geração elétrica das configurações foram, o fluxo total de vapor gerado, o fluxo de vapor de extração, e seu estado termodinâmico, a potência elétrica produzida e o índice de eletricidade excedente gerado. Os resultados para a configuração da usina convencional, são apresentados na Tabela 5.8.
Tabela 5.8. Resultados da simulação – Usina típica configuração C1 com vapor gerado a 22bar – 320 ºC.
Parâmetros C1 Unidade
Fluxo de vapor gerado 240,6 [t/h]
Índice vapor gerado 481,2 [kg/t.cana]
Temperatura vapor extração 135,4 [°C]
Título do vapor de processo 99,4 [%]
Potência elétrica gerada 7,93 [MW]
Índice de geração elétrica 15,87 [kWh/t.cana]
Os resultados obtidos indicam que o fluxo vapor gerado com a energia contida em 85% do bagaço de cana é compatível com os índices de consumo convencionais das usinas, sendo sua produção é capaz de suprir simultaneamente a demanda de vapor para manter produção de açúcar e etanol. O resultado da extração a 2,5 bar apresentou um vapor com temperatura de 135 °C levemente superaquecido, e um título de 99,4% na saída da turbina.
Devido às restrições impostas na entrada de dados do programa, o resultado obtido para a parcela do fluxo de vapor desviado para o aquecimento da água no desaerador representa cerca de 7 % do vapor total gerado. Os resultados são influenciados pelas condições impostas para o processo como a temperatura do vapor condensado na saída do processo foi mantida em 90 ºC, e percentual de 85% vapor condensado seja recuperado como água de alimentação da caldeira. A pressão do fluxo de água na saída do desaerador foi definida em 1,5 bar, e a temperatura em 105 ºC.
O resultado da capacidade de geração elétrica na usina típica simulada apresentou índice de geração de 15,87 kWh t-1 cana que atende à demanda de autoconsumo, mas com baixo índice de geração excedente de 3,4 kWh t-1 cana que não apresenta patamar favorável para comercialização. Devido ao elevado consumo de vapor no acionamento mecânico, o fluxo de vapor para geração potência elétrica é limitado, apenas 34% do vapor gerado é destinado à geração de eletricidade, e além da utilização de turbinas de contra pressão com baixa eficiência para essa geração.
As usinas convencionais de produção de etanol apresentam grande potencial de aumento da eficiência a partir do melhor aproveitamento da energia dos resíduos (bagaço e palha de cana). Diversos outros estudos têm analisado e propostos novos sistemas e maior integração energética para a redução do consumo de energia no processo e maior eficiência energética (Dias et al., 2011;
Morandin et al., 2011; Ensinas et al., 2007). As eficiências de conversão para a produção de
trabalho são baixas devido à utilização de turbinas de pequeno porte. No processo de produção, a destilação é um grande consumidor de energia térmica, apresentando potencial de melhoria do consumo de vapor.
6 PROPOSTA DE MELHORIA NO CONSUMO E GERAÇÃO DE
ENERGIA EM USINA DE CAPACIDADE MÉDIA
No Capítulo 4 foi analisado o consumo e a geração de energia em uma usina típica padrão no Brasil. Os resultados indicaram baixa eficiência e alto consumo de vapor e baixa capacidade de geração de energia excedente.
Neste capítulo, são propostas melhorias no processo e no ciclo térmico visando a maximização da produção de energia elétrica excedente em uma planta de produção de etanol, considerando o aproveitamento da palha da cana e do sorgo biomassa como combustível na geração de vapor.
Assim o estudo concentra em duas análises: a redução do consumo de vapor no processo de produção de etanol e a melhoria da eficiência do ciclo térmico na geração de potência. Além disso, é proposto uma solução para geração de energia na entressafra através do aproveitamento do sorgo biomassa como combustível na geração de vapor.