PG - Paulo Roberto - rev02

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<p>13</p><p>52</p><p>47</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO</p><p>CENTRO TECNOLÓGICO</p><p>DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA</p><p>PROJETO DE GRADUAÇÃO</p><p>PAULO ROBERTO CARNEIRO QUEIROZ</p><p>ANÁLISE TERMODINÂMICA PRELIMINAR DA INTEGRAÇÃO DA GASEIFICAÇÃO DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR EM CICLO COMBINADO EM UMA USINA SUCROALCOOLEIRA</p><p>VITÓRIA</p><p>2015</p><p>PAULO ROBERTO CARNEIRO QUEIROZ</p><p>ANÁLISE TERMODINÂMICA PRELIMINAR DA INTEGRAÇÃO DA GASEIFICAÇÃO DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR EM CICLO COMBINADO EM UMA USINA SUCROALCOOLEIRA</p><p>Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.</p><p>Orientador: José Joaquim Conceição Soares Santos, D. Sc.</p><p>VITÓRIA</p><p>2015</p><p>PAULO ROBERTO CARNEIRO QUEIROZ</p><p>ANÁLISE TERMODINÂMICA PRELIMINAR DA INTEGRAÇÃO DA GASEIFICAÇÃO DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR EM CICLO COMBINADO EM UMA USINA SUCROALCOOLEIRA</p><p>Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.</p><p>Aprovado em 16 de setembro de 2013.</p><p>COMISSÃO EXAMINADORA:</p><p>_________________________________________</p><p>Prof. Dr. José Joaquim Conceição Soares Santos</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO</p><p>Orientador</p><p>_________________________________________</p><p>Prof. Dr. Elias Antônio Dalvi</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO</p><p>Examinador</p><p>_________________________________________</p><p>Prof. Me. Leonardo Rodrigues de Araújo</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO</p><p>Examinador</p><p>Dedico a Deus por ter me dado a força para chegar até aqui e à minha família por todo apoio que me deram para conquista desse importante passo em minha vida.</p><p>AGRADECIMENTOS</p><p>Agradeço primeiramente a Deus, pois sem ele nada posso em minha vida.</p><p>Aos meus pais, que sempre acreditaram em mim e me incentivaram para que eu pudesse tornar este sonho em realidade.</p><p>Ao meu orientador, Professor Dr. José Joaquim Conceição Soares Santos, pelo incentivo, dedicação e apoio, sempre me deu total suporte tirando minhas dúvidas e me direcionando.</p><p>RESUMO</p><p>Este projeto trata de uma avaliação termodinâmica preliminar da viabilidade da integração da gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar em ciclo combinado em uma usina sucroalcooleira. O estudo é realizado visando a repotenciação do ciclo a vapor atual, que utiliza a queima direta do bagaço de cana-de-açúcar em suas caldeiras convencionais de geração de vapor. Boa parte da modelagem é realizada com o auxílio do software AspenONE v8.8. Os principais resultados são de comparação dos índices de desempenho entre a situação atual e a proposta de repotenciação: a eficiência energética e exergética, a potência elétrica adicional gerada pela turbina a gás e a quantidade necessária de bagaço. Os índices mostram que nas condições analisadas talvez ainda não seja viável a implementação de tal proposta de repotenciação.</p><p>Palavras-Chave:</p><p>Repotenciação, Eficiência, Cogeração, Ciclo Combinado, Gaseificação.</p><p>ABSTRACT</p><p>This project is based on the preliminary thermodynamic evaluation of the integration of gasification of sugarcane bagasse in a combined cycle. The steam cycle shown in this paper is a sugar and alcohol plant ( Plant Colombo ), which uses the direct burning of sugarcane bagasse in its steam generation boilers. Will be analyzed , with the help of aspenONE software v8.8, the thermal efficiency of combined cycle integrated gasification to the additional electric power generated by the gas turbine and the available quantity of bagasse generated by the plant will be enough for after its gasification, meet the steam demand.</p><p>Keywords :</p><p>Thermal efficiency , electric power , combined cycle gasification, biomass , bagasse from sugarcane , syngas .</p><p>LISTA DE FIGURAS</p><p>Figura 1 - Gaseificador de leito fixo contracorrente...................................................18</p><p>Figura 2 – Gaseificador de leito fixo concorrente......................................................19</p><p>Figura 3 – Gaseificador de fluxo cruzado..................................................................20</p><p>Figura 4 – Gaseificador de leito fluidizado borbulhante.............................................21</p><p>Figura 5 – Faixas de potência térmica características dos diferentes tipos de gaseificadores............................................................................................................22</p><p>Figura 6 – Configuração do ciclo Rankine básico......................................................24</p><p>Figura 7 – Diagrama T-s do ciclo Rankine.................................................................25</p><p>Figura 8 – Configuração da turbina a gás em regime aberto....................................30</p><p>Figura 9 – Diagrama T-s da turbina a gás.................................................................31</p><p>Figura 10 – Configuração do ciclo combinado...........................................................33</p><p>Figura 11 – Configuração do ciclo combinado com gaseificação integrada..............34</p><p>Figura 12 – Diagrama T-s do ciclo combinado..........................................................35</p><p>Figura 13 – Fluxograma do cenário “B” da dissertação do Marcelo Zampieri...........38</p><p>Figura 14 – Representação esquemática dos fluxos de entrada e saída do volume de controle do gaseificador........................................................................................39</p><p>Figura 15 – Fluxograma da simulação realizada no Aspen Plus...............................40</p><p>Figura 16 – Eficiências vs. razão de ar no processo de gaseificação.......................42</p><p>LISTA DE TABELAS</p><p>Tabela 1 – Vantagens e desvantagens da gaseificação de biomassa em leito fluidizado....................................................................................................................22</p><p>Tabela 2 – Valores para diferentes composições químicas do bagaço de acordo com Hugot (1986)..............................................................................................................44</p><p>Tabela 3 – Dados da vazão mássica de bagaço e seu respectivo poder calorífico inferior e sua exergia específica.................................................................................45</p><p>Tabela 4 – Dados referentes à cogeração do caso estudado....................................45</p><p>Tabela 5 – Resultados obtidos pela simulação realizada no Aspen Plus..................46</p><p>Tabela 6 – Dados referentes às vazões mássicas de bagaço utilizadas no processo de gaseificação..........................................................................................................47</p><p>Tabela 7 – Dados calculados para o ciclo integrado..................................................48</p><p>Sumário</p><p>1	INTRODUÇÃO	12</p><p>1.1	MOTIVAÇÃO	12</p><p>1.2	OBJETIVO	13</p><p>1.3	ESTRUTURA	13</p><p>2	GASEIFICAÇÃO	15</p><p>2.1	PRÍNCIPIOS DE FUNCIONAMENTO DO GASEIFICADOR	15</p><p>2.2	ASPECTOS CINÉTICOS DO PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO	16</p><p>2.3	TIPOS DE GASEIFICADORES	17</p><p>2.3.1	GASEIFICADOR DE LEITO FIXO	17</p><p>2.3.2	GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO	21</p><p>2.3.3	GASEIFICADOR DE LEITO ARRASTADO	22</p><p>2.4	GÁS DE SÍNTESE	22</p><p>3	TECNOLOGIAS UTILIZADAS NAS USINAS SUCROALCOOLEIRAS	24</p><p>3.1	CICLO A VAPOR (RANKINE)	24</p><p>3.1.1	CALDEIRA	27</p><p>3.1.2	TURBINA A VAPOR	27</p><p>3.1.3	CONDENSADOR	28</p><p>3.1.4	BOMBAS	28</p><p>3.1.5	PRÉ-AQUECEDOR E DESAERADOR	28</p><p>3.2	CICLO A GÁS (BRAYTON)	29</p><p>3.3	TURBINAS A GÁS	29</p><p>3.4	CICLO COMBINADO	31</p><p>3.5	GASEIFICAÇÃO INTEGRADA A CICLO COMBINADO	32</p><p>3.6	VANTAGENS DA REPOTENCIAÇÃO	33</p><p>4	ESTUDO DE CASO	36</p><p>4.1	CONFIGURAÇÃO BASE	36</p><p>4.2	SITUAÇÃO PROPOSTA	38</p><p>4.3	SIMULAÇÃO	40</p><p>4.4	METODOLOGIA DE CÁLCULO	41</p><p>5	RESULTADOS	45</p><p>6	ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO	47</p><p>6.1	SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS	48</p><p>7	REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS	49</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>A</p><p>preocupação mundial sobre os níveis de emissões de poluentes, ocasionados por um crescente consumo de combustíveis fósseis para produção de energia e o consequente impacto à base de recursos do planeta e ao clima global, trouxeram à tona o papel das fontes de energia renovável para a construção de um futuro energético mais sustentável.</p><p>Aliado a isso, as discussões, que vem ocorrendo desde a década de 90, sobre a necessidade de garantir o acesso à energia elétrica de qualidade aos pobres nos países em desenvolvimento, vem estimulando reflexões de como alcançar isso sem degradar o meio ambiente.</p><p>Neste sentido, vários organismos e iniciativas internacionais vêm apoiando sistematicamente uma maior penetração de fontes de energia renovável. (LORA, NASCIMENTO, 2004)</p><p>Para isso é necessário substituir a fonte primária fóssil por energia renovável. E entre as renováveis, a biomassa tem um local de destaque no Brasil.</p><p>A biomassa residual já existente em indústrias de açúcar e álcool, papel e celulose, produção de madeira e beneficiamento de arroz. O aumento no custo da energia elétrica tornou mais atraente a utilização do bagaço da cana-de-açúcar para cogeração de energia.</p><p>Como ainda o país está no alvorecer do processo, existe um grande espaço de melhoria tecnológica para maximizar a eficiência da cogeração na cadeia da cana-de-açúcar. (LORA, NASCIMENTO, 2004)</p><p>1.1 MOTIVAÇÃO</p><p>Atualmente, as usinas sucroalcooleiras trabalham com ciclo a vapor. Sabe-se que o ciclo a vapor trabalha com baixa temperatura de adição de calor e muitos trabalhos já foram desenvolvidos afim de melhorar tais condições, como por exemplo o aumento da pressão nas caldeiras.</p><p>Porém sabemos que estas repotenciações limitam-se a viabilidades metalúrgicas, para isso, a utilização de turbinas a gás torna-se atrativo uma vez que aumenta a temperatura de adição de calor em ciclo combinado.</p><p>Em contra partida, as usinas sucroalcooleiras utilizam combustível sólido (bagaço de cana), o que inviabiliza o seu uso como combustível nas turbinas a gás. Sendo assim, torna-se necessário e oportuno o estudo da viabilidade termodinâmica da gaseificação do bagaço para que o gás produzido seja utilizado na turbina a gás.</p><p>1.2 OBJETIVO</p><p>Devido a esta motivação apresentada, este trabalho visa a avaliação termodinâmica da repotenciação do ciclo a vapor atual de uma usina sucroalcooleira, que utiliza a queima direta do bagaço de cana-de-açúcar em suas caldeiras convencionais de geração de vapor, usando a integração da gaseificação em ciclo combinado.</p><p>Especificamente o trabalho visa a comparação dos índices de desempenho entre a situação atual e a proposta de repotenciação: a eficiência energética e exergética, a potência elétrica adicional gerada pela turbina a gás e a quantidade necessária de bagaço a ser gaseificada.</p><p>1.3 ESTRUTURA</p><p>Além deste primeiro capítulo introdutório, este trabalho conta ainda com mais 6 capítulos.</p><p>No capítulo 2 são introduzidos os conceitos envolvendo a gaseificação, os tipos de gaseificadores, o funcionamento de cada tipo e as suas vantagens e desvantagens. Também é abordado o conceito de gás de síntese.</p><p>No capítulo 3 são apresentadas, além do conceito de ciclo de Carnot, as tecnologias mais conhecidas para ciclos termodinâmicos como: ciclo a vapor (Rankine) e seus componentes, ciclo a gás (Brayton), turbinas a gás, ciclos combinados, gaseificação integrada e as vantagens da repotenciação de ciclos termodinâmicos.</p><p>No capítulo 4 é descrito o estudo de caso do ciclo atual e também a proposta da integração de gaseificação ao ciclo já existente e sua simulação, assim como a metodologia de cálculo adotada para a obtenção dos resultados.</p><p>No capítulo 5 são apresentados os resultados deste trabalho, bem como a simulação da turbina a gás e caldeira recuperativa realizada com o auxílio do software Aspen Plus e nos cálculos realizados segundo metodologia adotada.</p><p>No capítulo 6 é realizada, de forma sistemática e comparativa, a análise dos resultados obtidos pelos cálculos realizados e apresentados para a proposta da integração da gaseificação com o caso estudado da cogeração e discussões acerca dos resultados confrontados.</p><p>No capítulo 7 estão as referências bibliográficas utilizadas para a realização deste trabalho.</p><p>GASEIFICAÇÃO</p><p>Entende-se por gaseificação como um processo termoquímico de transformação de um combustível sólido ou líquido em uma mistura de gases chamada de “gás de síntese” de baixo poder calorífico, utilizando-se como matéria prima qualquer tipo de material sólido ou líquido (através da redução de umidade) de origem orgânica. É realizado através da oxidação parcial a temperaturas elevadas (de 800°C a 1100°C) e em pressões atmosféricas ou maiores, podendo chegar até a 33 bar. (LORA, NASCIMENTO, 2004)</p><p>É necessário a utilização de um agente gaseificante, podendo ser o oxigênio puro, vapor d’água ou o próprio ar, devendo estes estarem em quantidades inferiores à estequiométrica (abaixo do limite teórico mínimo para a combustão).</p><p>PRÍNCIPIOS DE FUNCIONAMENTO DO GASEIFICADOR</p><p>O gaseificador é essencialmente um reator químico onde ocorrem diversas reações químicas. Em seu interior a biomassa perde umidade, aquece, sofre pirólise, oxida e se reduz por toda a extensão do reator, saindo do referido equipamento como uma mistura de combustível gasosa e cinzas.</p><p>Os quatro processos típicos que ocorrem dentro do reator são: secagem (da biomassa), pirólise, oxidação e redução.</p><p>Embora existam zonas onde mais de uma reação ocorra, pode-se dizer que dentro do reator existem regiões bem definidas para cada uma das reações mencionadas.</p><p>· Secagem</p><p>A secagem ou retirada da umidade pode ser feita quando a biomassa é introduzida no gaseificador, aproveitando-se a temperatura ali existente, produto da influência dos gases quentes provenientes da combustão parcial. A faixa de temperatura nesta zona varia de 40 a 200ºC. Contudo a operação com biomassa seca é mais eficiente.</p><p>· Pirólise</p><p>A biomassa seca desce da zona de secagem e entra na zona de pirólise onde a faixa de temperatura situa-se entre 315 a 1000ºC.</p><p>O processo de pirólise é caracterizado pela decomposição de matéria orgânica, através do calor e na ausência de oxigênio, onde ocorre uma vaporização de voláteis e fragmentação de partículas sólidas, gerando uma complexa mistura de compostos orgânicos.</p><p>· Oxidação</p><p>A zona de oxidação, ou oxidação parcial, é a responsável por fornecer calor para a zona de pirólise e ainda para a primeira zona de secagem.</p><p>A biomassa e as cinzas resultantes da zona de pirólise seguem de forma descendente para a referida região, denominada também como zona de combustão, onde os resíduos entram em contato com o oxigênio provocando uma oxidação parcial da biomassa e a formação de dióxido de carbono e vapor de água em uma reação exotérmica.</p><p>Nesta região é alcançada uma temperatura que pode estar na faixa de 700 e 2000 ºC.</p><p>· Redução</p><p>Seguindo a etapa de oxidação encontra-se a região de redução, na qual ocorrem reações endotérmicas em uma faixa de temperatura compreendia entre 800 a 1100ºC. Nesta terceira etapa ocorre a gaseificação propriamente dita que inclui as reações heterogêneas e as homogêneas.</p><p>ASPECTOS CINÉTICOS DO PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO</p><p>O processo de gaseificação pode ser descrito comopor um conjunto de reações químicas que ocorrem em diferentes regiões do gaseificador (em reatores de leito fixo) ou simultaneamente em todo o volume do mesmo (em reatores de leito fluidizado). As principais reações químicas de cada uma das etapas são:</p><p>I. Pirólise</p><p>Biomassa + Calor → Coque + Alcatrão + Condensáveis</p><p>II. Oxidação do carbono</p><p>III. Gaseificação</p><p>(Reação de Boudouard)</p><p>(Reação carbono-vapor)</p><p>(Reação de metanização)</p><p>(Reação de shift, água-gás)</p><p>(Reação de shift, água-gás)</p><p>IV. Craqueamento do alcatrão</p><p>V. Oxidaçcão parcial dos produtos da pirólise</p><p>TIPOS DE GASEIFICADORES</p><p>De forma geral, existem três tipos de gaseificadores. Os de leito fixo, de leito</p><p>fluidizado borbulhante ou circulante e de leito arrastado. Podem ser de aquecimento direto ou indireto.</p><p>A classificação dos gaseificadores é baseada na direção do fluxo de biomassa em relação ao agente de gaseificação e na forma de fornecimento de calor ao reator.</p><p>GASEIFICADOR DE LEITO FIXO</p><p>É um tipo de gaseificador que trabalha em regime contínuo, na medida em que o combustível (biomassa) é alimentado e as cinzas retiradas, o leito move-se do topo para o fundo do reator.</p><p>Este tipo de gaseificador também pode ser classificado de acordo com o movimento relativo do fluxo gasoso através do reator, em corrente ascendente ou corrente descendente. E de acordo com a direção do fluxo do combustível a ser transformado (neste caso, a biomassa) e o do gás gerado.</p><p>Sendo assim, o processo de gaseificação em leito fixo pode ser considerado como gaseificação em contracorrente, concorrente e em fluxo cruzado (cross-flow). Em geral, os reatores de leito fixo são eficientes trabalhando com combustíveis de alta densidade e granulometria grossa.</p><p>· Gaseificador de Leito Fixo Contracorrente</p><p>O fluxo de gás gerado escoa em sentido contrário à alimentação de biomassa, a qual é feita pela parte superior do reator. O combustível a ser gaseificado é submetido aos processos de secagem, pirólise, redução e combustão, enquanto os gases gerados são direcionados à saída do reator localizada na parte superior do mesmo.</p><p>As principais vantagens deste tipo de gaseificador são a simplicidade, alta porcentagem de carbono vegetal queimado, troca de calor interno que faz com que a temperatura do gás seja menor, alta eficiência térmica do sistema, tornando-o de grande facilidade para trabalhar com qualquer tipo de carga.</p><p>Figura 1	Estrutura esquemática do gaseificador tipo leito fixo Gaseificador de leito fixo contracorrente. (Forest Industries Division, 1993 e McKendry (Part III), 2002).</p><p>Fonte: Biocombustíveis vol. 1, LORA, 2009</p><p>· Gaseificador de Leito Fixo Concorrente</p><p>O combustível é fornecido pela parte superior e o agente de gaseificação se movimenta em sentido descendente, podendo ser alimentado por dutos localizados nas paredes laterais do reator ou pela parte superior do mesmo.</p><p>A principal vantagem deste tipo de reator é o baixo teor de alcatrão no gás produzido, devido ao craqueamento do mesmo ao passar pelas regiões de alta temperatura do processo. As características construtivas deste tipo de reator têm efeitos adicionais na qualidade do gás devido à possibilidade de uma redução do diâmetro interno na região da zona de combustão, que favorece no craqueamento do alcatrão.</p><p>Figura 2	Estrutura esquemática do gaseificador tipoGaseificador de leito fixo concorrente. (Forest Industries Division, 1993 e McKendry (Part III), 2002).Biocombustíveis vol. 1, LORA, 2009</p><p>· Gaseificador de Fluxo Cruzado</p><p>O combustível é fornecido pela parte superior do reator, enquanto o agente de gaseificação é alimentado na parte inferior por uma das paredes laterais e o gás gerado sai por um duto na parede oposta.</p><p>As zonas de combustão e gaseificação estão próximas à entrada do ar e à saída do gás. As cinzas são removidas pela parte inferior do reator.</p><p>O equipamento possui relativa simplicidade de construção. Porém, o gás gerado apresenta um teor considerável de alcatrão, sendo a produção de energia térmica sua aplicação mais adequada.</p><p>Figura 3	Estrutura esquemática do gaseificador tipo Gaseificador de fluxo cruzado. Biocombustíveis vol. 1, LORA, 2009(Zanzi, 1996).</p><p>GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO</p><p>Este tipo de gaseificador não apresenta zonas diferenciadas de reação como nos reatores de leito fixo.</p><p>Os reatores de leito fluidizado têm um leito isotérmico que opera usualmente em temperaturas na faixa de 700°C a 900°C. Os principais tipos são: de leito borbulhante (bubbling bed) e de leito circulante (circulating bed) e podem ser atmosféricos ou pressurizados (BELGIORNO et alii, 2003; KLEIN, 2002).</p><p>Figura 4	Gaseificador de leito fluidizado borbulhante. (Williams et al., 1989)</p><p>Um reator de leito fluidizado consiste em uma câmara de reação que contém partículas inertes suportadas por uma placa distribuidora e mantidas em suspensão por um fluido que atravessa o reator em sentido ascendente.</p><p>Importante esclarecer que para combustíveis sólidos utilizam-se exclusivamente compostos gasosos como meio fluidizante.</p><p>Para a biomassa, um gaseificador operando em condição de leito fluidizado apresenta vantagens consideráveis, dentre as quais pode-se destacar a alta taxa de conversão de carbono em gás energético devido às elevadas eficiências dos mecanismos de transferência de calor e massa, além da uniformidade de temperatura ao longo do reator.</p><p>As principais vantagens e desvantagens para um sistema de gaseificação em leito fluidizado borbulhante para biomassa se apresentam na Tabela 1.</p><p>Tabela 1	Vantagens e desvantagens da gaseificação de biomassa em leito fluidizado. (Ramírez e Martínez, (2007). Experimentos de gasificación com cascarilla de arroz colombiana em lecho fluidizado. Colección Monografias y Teses, Medellín Editorial Universidad Pontificia Bolivariana., 183 p.</p><p>GASEIFICADOR DE LEITO ARRASTADO</p><p>Para este tipo de gaseificador as partículas de carvão precisam ser muito finas (carvão pulverizado) e são gaseificadas na presença de oxigênio (com muito menos frequência usa-se o ar) em fluxo concorrente.</p><p>A maioria dos carvões podem ser gaseificados neste tipo de equipamento devido a sua elevada temperatura de operação que funde o carvão e as cinzas, além de proporcionar excelente separação das partículas de carvão dentro do leito evitando aglomeração. Em contrapartida, esta elevada temperatura impõe um resfriamento dos gases de saída antes de sua limpeza devido a limitações técnicas destes equipamentos atualmente.</p><p>Figura 54	Faixas de potência térmica características dos diferentes tipos de gaseificadores. Reproduzida com permissão de Altener (2002). The future for biomass pyrolisis and gasification: status, opportunities and policies for Europe.</p><p>GÁS DE SÍNTESE</p><p>Gás de síntese é o nome dado a uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO) que pode ser produzido a partir do gás natural, carvão, petróleo, biomassa e até mesmo a partir de resíduos orgânicos. (LORA, NASCIMENTO, 2004)</p><p>O gás de síntese representa uma fonte potencialmente crescente de combustíveis limpos e também para a síntese de produtos químicos, sendo um combustível importante para a produção de eletricidade isenta de poluentes atmosféricos, tais como óxidos de enxofre (SOx) e óxidos de nitrogênio (NOx) (WENDER, 1996).</p><p>Em usinas sucroalcooleiras, temos o bagaço da cana-de-açúcar como principal resíduo do processo de fabricação do álcool etílico e do açúcar, além da vinhaça e da palha da cana-de-açúcar.</p><p>Já vem sendo empregado há anos a queima direta do bagaço em caldeiras de geração de vapor como combustível principal.</p><p>Além da economia, temosTemos também um impacto minimizado ao utilizar a queima do bagaço, pois emite menores quantidades de CO2 no ambiente se comparado a combustíveis fósseis como os derivados do petróleo.</p><p>Com o advento da gaseificação, passou a tornar-se possível a gaseificação da biomassa gerada nas usinas sucroalcooleiras (bagaço), gerando assim um gás de baixo poder calorífico, chamado gás de síntese.</p><p>Mesmo possuindo baixo poder calorífico quando comparado com o bagaço, a gaseificação tornou possível a aplicação do gás de síntese em turbinas a gás, o que passou a ser utilizado em sistemas integrados de gaseificação com ciclo combinado (BIG-GT).</p><p>TECNOLOGIAS UTILIZADAS NAS USINAS SUCROALCOOLEIRAS</p><p>A indústria sucroalcooleira, durante muitos anos, teve como seu principal objetivo atingir a demanda de vapor para atender as necessidades do processo industrial, limitando-se à autossuficiência no abastecimento elétrico.</p><p>Sistemas mais avançados, como as turbinas de vapor de extração/condensação, são utilizadas com o objetivo de que a instalação tenha excedentes de eletricidade, que viabilizam a operação ao longo do</p><p>ano.</p><p>Este tipo de equipamento permite que a usina opere durante o ano inteiro, pois é possível fechar o fluxo de vapor utilizado nos processos de troca térmica durante a época de safra e aproveitá-lo como energia para movimentação das pás da turbina de condensação na época de entressafra. (ZAMPIERI, 2009)</p><p>CICLO A VAPOR</p><p>Sendo um dos ciclos mais utilizados pelas indústrias e mais estudado, em sua configuração mais simples, temos ele composto por um gerador de vapor (caldeira), uma turbina a vapor (extração/condensação), um condensador e uma bomba, conforme mostra a figura 5.</p><p>Figura 6	Configuração do Ciclo Rankine Básico.</p><p>Fonte: Moran e Shapiro, 2002.</p><p>Os processos do ciclo Rankine Ideal são:</p><p>1-2: Expansão isentrópica do fluido de trabalho na turbina;</p><p>2-3: Rejeição de calor do fluido de trabalho para a vizinhança no condensador a uma pressão constante e inferior à pressão atmosférica;</p><p>3-4: Compressão isentrópica do fluido de trabalho na bomba d’água de alimentação;</p><p>4-1: Fornecimento de calor do gás da combustão para o fluido de trabalho a pressão constante no gerador de vapor.</p><p>Figura 7	Diagrama T-s para um ciclo Rankine.</p><p>Fonte: Moran e Shapiro, 2002.</p><p>O diagrama anterior faz análise de um ciclo Rankine ideal, onde se assume que a expansão na turbina e a compressão na bomba são isentrópicas. A eficiência térmica do ciclo Rankine ideal é definida por:</p><p>Onde é o trabalho líquido realizado e o calor fornecido pela caldeira.</p><p>Sabemos que tanto a expansão na turbina, como a compressão na bomba não são isentrópicas e são tipos de irreversibilidades do ciclo Rankine.</p><p>Outro tipos de irreversibilidades internas no ciclo Rankine real são:</p><p>· Transferência de energia por calor com o meio ambiente;</p><p>· Perda de pressão no condensador, caldeira, tubulações e conexões;</p><p>· Temperatura de saída do condensador inferior à temperatura de saturação.</p><p>Com o objetivo de melhorar a eficiência deste ciclo, algumas modificações adicionais podem ser introduzidas, tais como:</p><p>· Superaquecimento – levar a temperatura que sai da caldeira, de modo que o mesmo chegue à turbina como vapor superaquecido.</p><p>· Reaquecimento – o vapor expande até uma determinada pressão na turbina e retorna para a caldeira para reaquecimento. Em seguida ele vai para uma turbina secundária, de baixa pressão para expandir novamente.</p><p>· Regeneração – o aumento da eficiência é dado a partir do pré-aquecimento da água de alimentação da caldeira. Os equipamentos utilizados para este fim são os aquecedores regenerativos, também chamados de pré-aquecedores.</p><p>Os principais componentes de uma planta de geração de energia elétrica podem ser divididos em cinco subsistemas como descrito a seguir (Silva et al, 2004):</p><p>· Equipamentos de ciclo a vapor: caldeira, turbina a vapor, condensador e bomba d’água de alimentação;</p><p>· Equipamentos de manuseio do combustível e exaustão dos gases à atmosfera;</p><p>· Equipamentos do sistema de resfriamento de água do condensador e reposição de água ao ciclo;</p><p>· Equipamentos do sistema de resfriamento aos sistemas auxiliares;</p><p>· Equipamentos para a conversão de energia mecânica em energia elétrica.</p><p>CALDEIRA</p><p>A caldeira é um gerador de vapor que funciona através da queima de combustíveis. É tido como um conjunto de equipamentos que consiste em transformar água limpa em vapor à pressão acima da pressão atmosférica, numa temperatura igual ou maior que a temperatura de saturação nessa pressão, mediante calor obtido da queima de um combustível.</p><p>Ela pode ser de grelha, de queimadores ou recuperativa, sendo as duas primeiras para a queima de combustíveis líquidos e gasosos e a última para aproveitamento da temperatura de gases de exaustão advindos de outras fontes geradoras de energia térmica.</p><p>TURBINA A VAPOR</p><p>Uma turbina é um dispositivo que desenvolve potência em função da passagem de um gás ou líquido escoando através de uma série de pás colocadas em um eixo que se encontra livre para girar (Moran e Shapiro, 2009).</p><p>A turbina a vapor é uma máquina de conversão, que por sua vez converte a energia térmica armazenada no vapor em energia mecânica.</p><p>Consiste essencialmente em de um rotor apoiado em mancais e de uma carcaça cilíndrica externa. O rotor entra em rotação devido a ação cinética de jatos de vapor que saem de bocais localizados na periferia do cilindro externo e que são dirigidos às palhetas fixadas no rotor.</p><p>Com o propósito de melhorar a eficiência do ciclo a vapor, algumas turbinas a vapor podem sofrer extrações do fluido de trabalho para que o mesmo seja reaquecido ou que ele seja utilizado nos pré-aquecedores para aquecer a água antes de entrar na caldeira. Com o intuito de gerar energia, geradores elétricos são acoplados no eixo das turbinas a vapor.</p><p>CONDENSADOR</p><p>Condensadores são dispositivos utilizados para condensar uma substância de seu estado gasoso para líquido, normalmente resfriando-o.</p><p>Nos ciclos a vapor o condensador é utilizado para condensar o vapor de exaustão que sai da turbina, através da troca de calor com um fluido refrigerante que circula ininterruptamente por tubos internos.</p><p>Na maioria das aplicações industriais, o fluido de refrigeração é a água, podendo existir também condensadores resfriados a ar, que promovem a troca de calor de forma indireta com o auxílio de torres de resfriamento.</p><p>BOMBAS</p><p>Bombas e compressores são equipamentos nos quais realiza-se trabalho sobre a substância em escoamento ao longo dos mesmos, com o objetivo de mudar o estado da substância, geralmente aumentando a pressão e/ou elevação (Moran; Shapiro, 2009)</p><p>É de extrema importância que a substância que irá escoar pela bomba esteja na fase líquida, caso contrário, poderá ocorrer cavitação. Há, em algumas bombas, tolerâncias de até 10% de fase gasosa presente no líquido a ser escoado.</p><p>PRÉ-AQUECEDOR E DESAERADOR</p><p>Pré-aquecedores são trocadores de calor que promovem o aumento da temperatura do condensado através da absorção de energia fornecida pelas extrações feitas na turbina.</p><p>Podem ser fechados, onde não ocorre a mistura do condensado com o vapor, ou abertos, onde existe mistura entre condensado e vapor.</p><p>Por sua vez, o desaerador é um pré-aquecedor aberto e sua principal função, além de pré-aquecer, é eliminar os gases presentes no fluido de trabalho, principalmente O2 e CO2.</p><p>É de suma importância a extração destes gases, pois os mesmos podem causar a corrosão dos equipamentos submetidos a altas temperaturas. Outro ponto importante é que o desaerador deve estar a uma altura mínima acima da bomba que fica após ele para que não ocorra a cavitação.</p><p>CICLO A GÁS</p><p>O ciclo brayton é o ciclo que caracteriza o modelamento de uma turbina a gás. Existem dois tipos: o ciclo Brayton aberto (utilizado na maioria das turbinas a gás) e o ciclo Brayton fechado.</p><p>No que se refere ao ciclo Brayton real, os processos são irreversíveis, isto porque existem quedas de pressão na câmara de combustão e nos trocadores de calor, a compressão e a expansão, nos respectivos compressores e turbina, não são processos isentrópicos, a eficiência dos trocadores de calor são menosres que 100% e os calores específicos dos gases no ciclo variam com a temperatura.</p><p>TURBINAS A GÁS</p><p>Historicamente, muitas foram as tentativas frustradas de se obter um funcionamento satisfatório da turbina a gás (Lora; Nascimento, 2004). Hoje, podemos ver sua utilização em diversos setores, sendo o da aviação como o mais conhecido.</p><p>A turbina a gás é composta basicamente por três equipamentos, um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina. Esta configuração forma um ciclo termodinâmico aberto a gás, cujo modelo ideal chama-se Ciclo Brayton.</p><p>Figura 8	Configuração da turbina a gás em regime aberto</p><p>Fonte: Moran e Shapiro, 2002</p><p>O processo de funcionamento de uma turbina a gás acontece da seguinte forma:</p><p>O ar atmosférico é continuamente arrastado para dentro do compressor; o ar comprimido sai do compressor e é injetado na câmara de combustão juntamente com o combustível, ocorrendo a combustão, o que resulta em gases de combustão a elevada temperatura.</p><p>Estes gases saem da câmara de combustão e se encaminham para a turbina, onde sofrem um processo de expansão, produzindo energia mecânica. Parte desta energia mecânica é utilizada para acionar o compressor, que está acoplado ao mesmo eixo da turbina e o excedente é utilizado para gerar eletricidade, impulsionar um veículo (em geral aeronaves) ou para outros fins.</p><p>Figura 9	Diagrama T-s da turbina a gás.</p><p>Fonte: Moran e Shapiro, 2002</p><p>Como as turbinas a gás entram em operação de forma mais fácil e rápida quando comparadas às turbinas a vapor, algumas usinas termelétricas usam geradores com turbinas a gás a fim de fornecer uma potência elétrica extra quando o consumo de energia cresce.</p><p>O layout da turbina a gás pode variar de diversas maneiras: adicionando-se múltiplos estágios de compressão e de expansão (turbina), intercoolers entre compressores, câmaras de combustão adicionais, trocadores de calor, que poder ser utilizados para pré aquecer o ar na entrada da câmara de combustão, dentre outros. (Lora; Nascimento, 2004).</p><p>CICLO COMBINADO</p><p>A partir das configurações do ciclo Brayton e das configurações do ciclo Rankine, podemos uni-las a fim de caracterizar o ciclo combinado, que inclui circuitos abertos e fechados, onde duas substâncias de trabalho são envolvidas, água e gases de exaustão.</p><p>Por exemplo, o combustível é queimado com ar em um circuito aberto, na turbina a gás e a água/vapor é usada em um circuito fechado, o ciclo Rankine (Lora; Nascimento, 2004).</p><p>O ciclo Brayton juntamente com o ciclo Rankine é o tipo de ciclo combinado mais desenvolvido e utilizado. A configuração desde tipo de ciclo pode ser analisada de diferentes formas, segundo:</p><p>· a disposição das superfícies de troca de calor;</p><p>· o modo de operação;</p><p>· o modo de recuperação;</p><p>· o número de níveis de pressão.</p><p>Este tipo de ciclo combinado consiste no aproveitamento dos gases de exaustão da turbina a gás para a geração de vapor na caldeira de recuperação térmica (HRSG), e este vapor será utilizado no ciclo Rankine para gerar trabalho. O esquema deste ciclo é mostrado na Figura 5.</p><p>Figura 10	Configuração do ciclo combinado. (Moran e Shapiro, 2002)</p><p>GASEIFICAÇÃO INTEGRADA A CICLO COMBINADO</p><p>Como foi visto anteriormente, inúmeras tecnologias já existem para a transformação da energia química de um determinado combustível em energia mecânica com a finalidade de se produzir potência elétrica.</p><p>Diversas são as configurações utilizadas e ainda em estudo para se aproveitar ao máximo esta energia química contida nos combustíveis, sejam eles combustíveis fósseis ou biocombustíveis.</p><p>Sempre com o objetivo de melhorar tal desempenho, já existe em funcionamento e muito ainda se tem estudado a respeito da gaseificação de combustíveis, sejam eles sólidos ou líquidos, a fim de se obter um gás combustível (gás de síntese) através da gaseificação dos mesmos.</p><p>O gás de síntese por sua vez vem sendo empregado em turbinas a gás devidamente modificadas, podendo assim utilizá-las como fonte geradora de energia ao se acoplar um gerador elétrico ao seu eixo e também como fonte distribuidora de calor advindo dos gases de exaustão que saem da turbina a gás.</p><p>Figura 11	Configuração do ciclo combinado com gaseificação integrada. (Moran e Shapiro, 2011)</p><p>VANTAGENS DA REPOTENCIAÇÃO</p><p>Segundo Irrazábal, B. W. O. (2007), as unidades geradoras de eletricidade com turbinas a vapor existentes que estão sendo repotenciadas com turbina a gás e ciclos combinados ou com outras novas opções tecnológicas como a gaseificação, estão surgindo como importantes estratégias das corporações energéticas competitivas, visando a transformação das plantas de potência relativamente improdutivas em geradoras mais eficientes e de baixo custo.</p><p>A repotenciação pode, simultaneamente, corrigir o aumento de carga, a vulnerabilidade no mercado de produção elétrica, a benevolência ambiental e a obsolescência tecnológica.</p><p>Os principais tipos de repotenciação podem ser divididos em dois grupos, aqueles que utilizam as turbinas a gás para combustíveis líquidos e gasosos e a repotenciação para combustíveis sólidos.</p><p>No caso dos combustíveis sólidos, mais focado no bagaço da cana-de-açúcar de usinas sucroalcooleiras, temos como opção a substituição da caldeira convencional por uma caldeira de recuperação térmica além da possibilidade de adição de um ciclo combinado com gaseificação do bagaço integrada.</p><p>Figura 12	Diagrama T-s do ciclo combinado. Geração Termelétrica, Vol 1 (Lora; Nascimento, 2004)</p><p>As usinas sucroalcooleiras e todas as outras que fazem uso de um ciclo a vapor possuem uma baixa temperatura de adição de calor, porém, possuem um grande benefício de conseguir rejeitar calor do ciclo a temperaturas baixas.</p><p>As turbinas a gás por sua vez têm uma temperatura de adição de calor significativamente mais alta quando comparado aos ciclos a vapor, mas, como ponto negativo, rejeitam calor a temperaturas muito altas que poderia ser utilizado em diversos processos termodinâmicos alheios.</p><p>Devido a isto, a turbina a gás juntamente com um ciclo a vapor, são grande aliados para uma maior eficiência térmica.</p><p>O ciclo a vapor aproveita os gases de exaustão da turbina a gás (aproximadamente 600ºC) em caldeiras de recuperação de calor, fazendo com que a temperatura de adição de calor seja alta e a de rejeição baixa, utilizando assim os pontos benéficos de cada tecnologia.</p><p>ESTUDO DE CASO</p><p>Neste capítulo são descritas as características da configuração de uma usina sucroalcooleira, tendo como base os dados obtidos na dissertação de mestrado de ZAMPIERI (2005). Da mesma forma é calculado as características físico-químicas do gás de síntese de acordo com a metodologia de cálculo adotada por PELLEGRINI (2009).</p><p>Foi também utilizado o software Aspen Plus para a simulação de uma parte do processo proposto na figura 10. A empresa AspenTECH do software supracitado dedica-se à fabricação de softwares de simulações termoquímicas, termodinâmicas, avaliações econômicas dentre outros programas computacionais ligados à área da Engenharia Térmica.</p><p>CONFIGURAÇÃO BASE</p><p>Segundo ZAMPIERI (2005), a Usina Colombo tratada em sua dissertação apresentava um panorama e foram propostas algumas alterações a fim de analisar possíveis melhorias à usina e consequentemente melhorar seus aspectos termodinâmicos e econômicos.</p><p>As configurações que foram propostas na dissertação chamadas cenário “B1” e cenário “C1” aqui serão denominados Caso 01 e Caso 02 respectivamente.</p><p>· CASO 01</p><p>No Caso 01, três caldeiras de vapor geram 200t/h de vapor vivo a 480ºC e 63bar. Este vapor é encaminhado para uma turbina de extração/condensação de 100MW onde são realizadas quatro extrações.</p><p>As extrações de 33bar e 22bar são destinadas à alimentação dos turbo-acionadores da moagem.</p><p>A extração de 11bar mistura-se a uma fração da água comprimida pela bomba para levar o vapor às condições necessárias ao processo de refino e a quarta extração de 2,47bar mistura-se com os vapores que saem dos turbo-acionadores e após uma mistura com outra pequena parcela da água comprimida é encaminhado à área de processo.</p><p>Ao saírem dos processos sucroalcooleiros, misturam-se com o líquido condensado que sai do condensador e que por sua vez é encaminhado a uma bomba de alimentação que comprime e encaminha o fluido novamente às caldeiras.</p><p>· CASO 02</p><p>Figura 13	Fluxograma do cenário “B” proposto na dissertação do Marcelo Zampieri.</p><p>No caso 02 temos a mesma configuração do caso 01, porém há apenas alteração nas condições em que o vapor sai das caldeiras, a 520 ºC e 82 bar.</p><p>SITUAÇÃO PROPOSTA</p><p>Com o intuito de melhorar os aspectos termodinâmicos da planta, além de aumentar a geração excedente de eletricidade e a eficiência do ciclo termodinâmico, propõe-se utilizar uma turbina a gás que usa como combustível o gás de síntese advindo do processo de gaseificação do bagaço da cana-de-açúcar, bagaço este que outrora era queimado nas caldeiras convencionais.</p><p>As três caldeiras nos dois casos apresentados são substituídas por uma caldeira de recuperação de calor</p><p>que utiliza os gases de exaustão da turbina a gás como fonte de calor para a geração de vapor nas condições necessárias aos casos apresentados.</p><p>SIMULAÇÃO</p><p>A simulação do processo a ser adicionado à planta original foi realizada no software Aspen Plus.</p><p>Algumas considerações foram levantadas a fim de se obter resultados contundentes.</p><p>Figura 15	Fluxograma da simulação da turbina a gás no Aspen Plus.</p><p>Estados do processo simulado apresentado na figura 10:	Comment by paulo: FAZER TABELA DAS STREAMS E OS DADOS TERMODINÂMICOS DE CADA UMA DELAS!</p><p>· 1A – Entrada de ar;</p><p>· 1 – Ar comprimido;</p><p>· 2A – Gás de síntese que sai do gaseificador e entra no compressor de combustível;</p><p>· 2 – Gás de síntese comprimido;</p><p>· 3 – Gases que saem da câmara de combustão e entram na turbina;</p><p>· 4 – Gases de exaustão da turbina;</p><p>· 5 – Gases que saem da caldeira de recuperação;</p><p>· 6A – Água que sai do misturador e entra na bomba;</p><p>· 6 – Água comprimida encaminhada para a caldeira de recuperação;</p><p>· 7 – Vapor de água nas condições requisitadas em cada caso.</p><p>CONSIDERAÇÕES PARA A SIMULAÇÃO</p><p>· Gás de síntese entra no compressor de combustível após processo de lavagem e resfriamento;</p><p>· Perda de carga desprezadas na câmara de combustão e na caldeira de recuperação (adiabáticos);</p><p>· Ocorre combustão completa na câmara de combustão;</p><p>METODOLOGIA DE CÁLCULO</p><p>· GASEIFICADOR</p><p>No gaseificador, é preciso saber a sua eficiência, para então saber qual a quantidade de bagaço de cana-de-açúcar deverá ser alimentada no gaseificador para gerar a quantidade necessária de gás de síntese que abastece a turbina a gás.</p><p>Para isto, utiliza-se a figura 11 para a determinação da eficiência do processo de gaseificação.</p><p>Figura 16	Variação de eficiências de acordo com a razão de ar no processo de gaseificação.</p><p>(PELLLEGRINI, L. F., 2005)</p><p>De acordo com a figura 11, obtemos um valor aproximado de 68% de eficiência, com uma razão de ar de 0,27 utilizada na gaseificação.</p><p>· TURBINA A GÁS</p><p>· COGERAÇÃO</p><p>Onde:</p><p>· COGERAÇÃO EM CICLO COMBINADO</p><p>Com relação as usinas de açúcar e álcool, sabemos que as transformações da fibra da cana em bagaço são transformações físicas e não químicas, visto que a fibra é tratada como um combustível totalmente seco.</p><p>Devido a processos de embebição com caldo durante a difusão, o bagaço é considerado um combustível úmido, insumo da cogeração.</p><p>A exergia química da fibra calcula-se usando o método proposto por Szargut (1988) para combustíveis sólidos com umidade.</p><p>Onde:</p><p>bb = exergia específica do bagaço [KJ/Kg]</p><p>L = entalpia de vaporização da água [2442 KJ/KG]</p><p>bw = exergia química da água líquida [50 KJ/Kg]</p><p>Zw = fração em massa da água presente no bagaço úmido [51%]</p><p>Zx = fração em massa dos diferentes elementos químicos [Tabela 6]</p><p>Tabela 2	Valores para diferentes composições químicas do bagaço, de acordo com Hugot (1986). Fonte: Parra (2003)</p><p>= coeficiente em massa de hidrogênio, carbono, oxigênio e nitrogênio presentes no bagaço</p><p>RESULTADOS</p><p>Os resultados foram obtidos parte por cálculos realizados, parte por dados colhidos na simulação e parte das informações coletadas na dissertação de mestrado do Marcelo Zampieri.</p><p>A união de todos estes resultados resultam no panorama geral proposto aqui neste trabalho.</p><p>Na tabela 3 e tabela 4 são apresentados os dados dos casos 01 e 02 ainda sem a integração Do gaseificador a turbina a gás.</p><p>Tabela 3	Dados da vazão mássica de bagaço e seu respectivo poder calorífico inferior e sua exergia específica.</p><p>Onde:</p><p>Vazão mássica de bagaço total nas caldeiras;</p><p>Poder Calorífico Inferior do bagaço segundo ZAMPIERI;</p><p>Exergia específica do bagaço segundo método proposto por Szargut (1988).</p><p>Tabela 4	Dados referentes à cogeração do caso estudado. (ZAMPIERI, M., 2009?)</p><p>Onde:</p><p>Fluxo de calor útil para os processos fabris;</p><p>Fluxo de calor inserido no ciclo de cogeração;</p><p>Potência elétrica excedente + mecânica produzida;</p><p>Fluxo de exergia utilizada nos processos fabris;</p><p>Fluxo de exergia do bagaço;</p><p>Eficiência energética da cogeração;</p><p>Eficiência exergética da cogeração.</p><p>A turbina a gás usada na simulação utiliza uma razão de pressão de 22 bar, entrada de ar e combustível (gás de síntese) nos compressores ocorrem nas condições normais de temperatura e pressão (25°C e 1 atm). 	Comment by paulo: Fazer tabela com parâmetros utilizados na TG do aspen,</p><p>Foram utilizadas eficiências isentrópicas de 85% na turbina e 80% nos compressores e eficiências mecânicas de 98% na turbina e 95% nos compressores.</p><p>A temperatura dos gases que saem da câmara de combustão é de 1350°C e saem da turbina a 675°C.</p><p>Na tabela 9 temos os resultados obtidos na simulação realizada pelo Aspen Plus:</p><p>.</p><p>Tabela 5	Resultados obtidos pela simulação realizada no Aspen Plus.</p><p>Onde:</p><p>Potência gerada pela turbina;</p><p>Potência consumida pelo compressor de ar;</p><p>Potência consumida pelo compressor de combustível;</p><p>Potência líquida da turbina a gás;</p><p>Vazão mássica de gás de síntese resultante da gaseificação;</p><p>Poder Calorífico Inferior do gás de síntese;</p><p>Eficiência da turbina a gás.</p><p>Com os dados obtidos acima, estão apresentados na tabela 10 todos os dados calculados referentes à análise energética e exergética para o ciclo integrado.</p><p>Tabela 6	Dados referentes às vazões mássicas de bagaço utilizadas no processo de gaseificação.</p><p>Onde:</p><p>Vazão mássica de bagaço a ser gaseificado;</p><p>Poder Calorífico Inferior do bagaço segundo ZAMPIERI;</p><p>Exergia específica do bagaço segundo método proposto por Szargut (1988).</p><p>Tabela 7	Dados calculados para o ciclo integrado.</p><p>Onde:</p><p>Fluxo de calor útil para os processos fabris;</p><p>Fluxo de calor inserido no ciclo integrado;</p><p>Potência elétrica excedente + mecânica produzida;</p><p>Fluxo de exergia utilizada nos processos fabris;</p><p>Fluxo de exergia do bagaço no ciclo integrado;</p><p>Eficiência energética do ciclo integrado;</p><p>Eficiência exergética do ciclo integrado.</p><p>DISCUSSÃO DOS RESULTADOS E CONSIDERAÇÕES FINAIS</p><p>De acordo com os resultados obtidos através de simulação computacional para a turbina a gás, cálculos para a integração da gaseificação no ciclo combinado e considerações quanto à gaseificação, são realizadas análises a fim de verificar se é vantajoso, em termos energéticos, a integração da gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar nos casos analisados.</p><p>Para atender às especificações da integração da gaseificação ao ciclo combinado proposto, foi necessário um aumento significativo na vazão mássica de bagaço.</p><p>Para o caso 01 seria necessário que o gaseificador seja alimentado com uma vazão de 740 tc/h e no caso 02 com 736,2 tc/h, para que seja processado o gás de síntese para a alimentação na turbina a gás.</p><p>Como na usina analisada há apenas disponibilidade de 280 tc/h, seria necessário a compra de 460 tc/h e 456,2 tc/h de bagaço respectivamente.</p><p>Após a integração do gaseificador, da turbina a gás e da caldeira de recuperação de calor, obtemos como resultado uma eficiência energética menor que as do caso de cogeração, isto porque na cogeração o calor útil que é encaminhado ao processo equivale a cerca de 62% do calor gerado pela queima do bagaço.</p><p>Já na análise das eficiências exergéticas, mesmo obtendo 21% e 21,46% para os respectivos caso 01 e 02 do ciclo integrado, estes ficam bem mais próximos aos da cogeração, 25,83% e 27,55%.</p><p>A potência elétrica excedente da cogeração era de 71,81 MW no caso 01 e de 83,61 MW o caso 02.</p><p>Após análise do ciclo integrado, a potência elétrica excedente passa a ser de 296,66 MW no caso 01 e de 315,48 MW no caso 02, um aumento significativo de 413,1% no caso 01 e de 377,3% no caso 02.</p><p>Pode-se concluir uma vantagem na geração elétrica quando comparada à cogeração apenas, isto porque a turbina a gás, além de ceder calor para a caldeira e manter o ciclo a vapor em funcionamento, ela também gera um excedente elétrico significante.</p><p>Em contra partida, temos também um aumento considerável no consumo de bagaço no gaseificador, o que pode implicar em uma inviabilidade econômica e técnica.</p><p>Já a análise das eficiências exergéticas</p><p>podem ser consideravelmente melhoradas caso fosse utilizado um gaseificador de leito fluidizado pressurizado, já entregando o gás de síntese produzido à pressão de 22 bar da câmara de combustão da turbina a gás.</p><p>Tal mudança impactaria em uma melhora nas eficiências exergéticas, alcançando 26,27% no caso 01 e 26,74% no caso 02, com um aumento de 0,5% no caso 01 e uma redução de 0,5%, o que nos leva a afirmar resultados similares.</p><p>A potência elétrica excedente, assim como a eficiência da turbina a gás e a eficiência energética do ciclo integrado também sofreriam melhoras significativas, com um aumento de 135,37% no caso 01 e 134% no caso 02, equivalentes a potências excedentes de 401,6 MW e 422,9 MW respectivamente.</p><p>SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS</p><p>Neste trabalho, foi proposto apenas uma análise preliminar da utilização do sistema de integração da gaseificação da biomassa em ciclo combinado.</p><p>Muito pode ser modificado a fim de melhorar os aspectos termodinâmicos da planta, tais como:</p><p>· Melhorias na turbina a gás, como múltiplos estágios de compressão e de expansão, além de considerar regenerador e inter-cooler na turbina.</p><p>· Aproveitamento das temperaturas após as compressões do ar da turbina a gás para pré-aquecer a água do ciclo a vapor.</p><p>· Aproveitamento do calor do gás de síntese ao sair do gaseificador.</p><p>· Estudos de viabilidade técnica e econômica do processo de gaseificação.</p><p>· Utilização dos gases provenientes da caldeira de recuperação de calor para operar ciclos Rankine orgânicos (ORC), pois necessitam de temperaturas baixas para operar.</p><p>REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS</p><p>1 ZAMPIERI, M.; Avaliação termodinâmica da Produção de Eletricidade e Etanol a partir da Cana-de-Açúcar. Dissertação. Mestrado em Ciências Mecânicas, Universidade Federal de Itajuba, Minas Gerais, 2006.</p><p>2 PELLEGRINI, L. F.: Análise e otimização termo-econômica-ambiental aplicada à produção combinada de açúcar, álcool e eletricidade. Tese. Doutorado em Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009.</p><p>3 INCROPERA, Frank P., et. al.. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.</p><p>4 LORA, E. E. S.; VENTURINI, O. J. Biocombustíveis. 1. ed. Rio de Janeiro: Interciência, v. 1, 2012.</p><p>5 LORA, E. E. S.; NASCIMENTO, M. A. R. Geração termelétrica: planejamento, projeto e operação. Rio de Janeiro: Interciência, v. 1, 2004.</p><p>6 LORA, E. E. S.; NASCIMENTO, M. A. R. Geração termelétrica: planejamento, projeto e operação. Rio de Janeiro: Interciência, v. 2, 2004.</p><p>7 MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.. Princípios de Termodinâmica para</p><p>Engenharia. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.</p><p>image1.png</p><p>image2.png</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image10.png</p><p>image11.png</p><p>image12.png</p><p>image13.png</p><p>image14.png</p><p>image15.png</p><p>image16.png</p><p>image17.png</p><p>image18.png</p><p>image19.png</p><p>image20.png</p><p>image21.png</p><p>image22.png</p><p>image23.png</p><p>image24.png</p><p>image25.png</p><p>image26.png</p>