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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
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
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.
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
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
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;
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;
Gasificación de biomasa Células SOFC
Motores StirlingMicroturbinas de gas
Ciclo a vapor 80 kWeSimulador para entrenamiento
de operadoresde centrales termoeléctricas
Laboratório de simulación de sistemas y procesos térmicos
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).
O NEST na internet
www.nest.unifei.edu.br
PUBLICAÇÔES
DO NEST
SERVIÇOS
CURSOS
BOLETIM NEST
BIOMASSA
BIOMASSA E MITIGAÇÃO DO EFEITO ESTUFA
2003 2050
Fundamentos de la cogeneración
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.
SISTEMA DE COGENERACIÓN
SISTEMAS DE COGENERACIÓN
Topping
Bootoming
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
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
Potencial de cogeneración
Cogeneración en la indústria azucarera
Principales países productores de azucar de caña
Potencial global de cogeneracióna partir de la caña de azúcar
Proceso de cogeneración con bagazo de caña
Histórico de la cogeneración en la indústriade azúcar y álcohol en Brasil
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).
-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.
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)
CICLO A VAPOR
Capacidade até 50 MW
Parâmetros: até 120 bars
: até 580 oC
Principais Fabricantes:
HPB
Dedini
Equipalcool
Caldema
TGM, NG metalurgica, Siemens
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
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
Caldeira APU-70-7GI-PSEpara bagaço de caña fabricada
pela empresa CALDEMA
Equipamentos Industriais
Ltda.
HPB
Esquema simplificado de un sistema BIG/BT
Balance de energia de sistemas TCE y BIG/GT
Resultados de la comparación de los sistemas BIG GT y TEC
El costo de generación
Inversiones necesárias para la reduccióndel consumo de vapor en proceso
Análisis termodinámica (exergo-económica) de
sistemas de cogeneración en la industria de azucar y
alcohol
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;
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.
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
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
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 ..
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
Esquema actual del central estudiado
Escenário B
Escenário C
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.
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
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
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
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
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
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$/MWh).
Detectou-se que na instalação atual da usina oequipamento menos eficiente é a turbobomba dosistema de baixa pressão.
A modificação das turbinas de acionamento do TandemIII de simples para múltiplos-estágios levou numaredução considerável nos valores do custo unitário dapotência mecânica produzida.
Cenário C1 “82 bar (abs.) @ 520°C com TVCE”apresentou o valor mais elevado para a taxa deeconomia de combustível 20,78% e a maior eficiênciaexergética 27,19%, com menor custo da energiaelétrica gerada (53,93 R$/MWh).
La cogeneración y la electrificación de los molinos
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
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.
Configuración AB – Central A caso base
Configuración AEAP – Central A electrificado / altos parámetros de vapor
Eficiencia de la generación de potencia
mecánica para la variante A
Ig.exc.- Índice específico de generación de
electricidad excedente para la variante A
Balanço de Energia (Diagrama de Sankey)
da Usina A com configuração AB e AAP.
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.
Tasa interna de retorno para las variantes analizadas
Eficiencia en calderas en sistemas de cogeneración
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
Relación entre la eficiencia de la caldera
y la temperatura de los gases de escape
Temperatura óptima de los gases de escape en calderas para centrales con cogeración
Abordaje I (precio del bagazo 30 R$/t) : 155 oC
Abordaje II (precio de la eletricidad): 120-130 oC
(I) (II)
Impactos ambientales de la cogeneración en la industria
de azucar y alcohol
y = 39,096Ln(x) + 189,09
R2 = 0,5546
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
Excesso de ar
NOx [ppm]
Impactos ambientales: NOx
Impactos ambientales: dispersión NOx
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 5000 10000 15000 20000 25000
Distância (m)
Co
nce
ntr
açã
o (m
g/m
3)
NOx
NO2
Seqüê
ncia1
Padrão CONAMA [3]
Padrão OMS [4]
Abordagem 2 (NO2 = fj . NOx)
Impactos ambientales: Comparacion con las normas NOx
CONCLUSIONES
El costo de generación disminuye con el aumento de la capacidad de molienda del central, presenta un mínimo para un valor del consumo de vapor de 450 kg/tc y varia muy poco al pasar la presión del vapor de 60 para 80 bars.
La metodologia de análisis exergo-economica permite la determinación de los costos del vapor, trabajo mecánico y electricidad. Los menores valores observados fueron 53.93, 83.15 y 20.34 R$/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.
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.