UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS Departamento de Tecnologia Agroindustrial Gestão de Produção do Setor Sucroalcooleiro

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS Departamento de Tecnologia Agroindustrial Gestão de Produção do Setor Sucroalcooleiro SISTEMAS DE COGERAÇÃO Thiago Chiericato Ribeirão Preto 03/2010

2 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS Departamento de Tecnologia Agroindustrial Gestão de Produção do Setor Sucroalcooleiro SISTEMAS DE COGERAÇÃO Thiago Chiericato Trabalho de Conclusão do Curso de Gestão do Setor Sucroalcooleiro Orientador: Glaico Chiericato Júnior Ribeirão Preto 03/2010

3 3 Sumário 1. INTRODUÇÃO CONCEITOS E INFORMAÇÕES FUNDAMENTAIS GERAÇÃO DISTRIBUÍDA GERAÇÃO DE ENERGIA BIOMASSA BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR CICLOS TÉRMICOS UTLIZADOS NA COGERAÇÃO CONSIDERAÇÕES CICLO RANKINE CICLO BRAYTON CICLO COMBINADO CICLO DE COGERAÇÃO COM MOTORES ALTERNATIVOS CICLO DE COGERAÇÃO COM PRODUÇÃO DE FRIO TIPOS DE COGERAÇÃO TOPPING CYCLE (CICLO DE TIPO) BOTTOMING CYCLE (CICLO DE FUNDO) MÁQUINAS EMPREGADAS NA COGERAÇÃO TURBINAS A VAPOR PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO PRINCIPAIS COMPONENTES CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR TIPOS E CARACTERÍSTICAS DAS TURBINAS A VAPOR TURBINAS A GÁS PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO PRINCIPAIS COMPONENTES CLASSIFICAÇÃO DE UMA TURBINA A GÁS MOTORES ALTERNATIVOS PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO... 30

4 PRINCIPAIS COMPONENTES CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES ALTERNATIVOS CALDEIRAS CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS PRINCIPAIS COMPONENTES PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO COMBUSTÍVEIS BIOMASSA BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR A PONTECIALIDADE ENERGÉTICA DOS RESÍDUOS DE BIOMASSA DA CANA-DE AÇÚCAR CONSTUIÇÃO DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR A BIOMASSA PALHAS E PONTAS APLICAÇÕES E LEGISLAÇÃO SOBRE A COGERAÇÃO A COGERAÇÃO E O SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO A COGERAÇÃO E AS INDÚSTRIAS A COGERAÇÃO NO SETOR SUCRO-ALCOOLEIRO COGERAÇÃO NO SETOR DE PAPEL E CELULOSE A COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA DE CERÂMICA A COGERAÇÃO NO CONTEXTO DE OUTROS SETORES DA ECONOMIA A REGULAMENTAÇÃO E AS CONDIÇÕES DE VENDA DE ENERGIA POR COGERADORES CONSIDERAÇÕES SOBRE A LEGISLAÇÃO A RESPEITO DA COGERAÇÃO NO BRASIL CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 60

5 5 RESUMO Diante das mudanças ocorridas no sistema elétrico brasileiro, as privatizações, a adoção de um mercado competitivo descentralizado e a necessidade do uso mais racional da energia, a cogeração vem sendo apontada como uma alternativa de destaque. A eletricidade gerada por meio do bagaço da cana é um dos produtos que contribuíram para que os derivados da cana-de-açúcar ocupassem a quarta posição em 2000 na matriz de oferta energética brasileira, perdendo apenas para a lenha, a energia hidráulica e derivados de petróleo. Além de prover a auto-suficiência energética na safra, a geração de eletricidade através do bagaço proporciona excedentes que, desde 1987, são comercializados junto ao setor elétrico. Mesmo com o crescimento na comercialização desses excedentes, há um potencial a ser comercializado de cerca de MW. Este trabalho abordará os princípios de funcionamento de uma planta de cogeração, os equipamentos utilizados, os combustíveis e suas aplicações nos diversos setores da economia. Também serão mencionadas algumas considerações a respeito da legislação brasileira referente ao assunto. Palavras-chave: Cogeração, bagaço de cana, auto-suficiência, geração de eletricidade

6 6 1. INTRODUÇÃO A reestruturação que o setor elétrico brasileiro atravessa, envolvendo não apenas as mudanças na legislação como também a privatização de suas empresas, é consequência, principalmente, da crise financeira que impossibilita os investimentos necessários para garantir a oferta de energia. Antes do racionamento os riscos de déficit eram cada vez mais elevados e, apesar da tradicional tendência do setor em superestimar a demanda, nos últimos anos este crescimento superou todas as previsões existentes. Dentro deste contexto, a incorporação de sistemas de cogeração aos sistemas elétricos de potência torna-se cada vez mais interessante no Brasil, devido ao fato de que a cogeração aumenta a oferta de energia elétrica através do uso mais eficiente do calor, o qual já é utilizado para atender às linhas de processos nas indústrias, por exemplo. A cogeração, por definição, é um meio no qual se produz, de uma forma combinada, energia elétrica e formas usuais de energia térmica (tal como calor ou vapor) utilizadas em indústrias, comércio, aquecimento ou resfriamento, através do uso sequencial da energia a partir de um combustível. Com a implantação do gasoduto Bolívia-Brasil e com a disponibilidade do gás natural, é interessante apresentar as alternativas tecnológicas para a cogeração, visando o uso e comercialização de energia elétrica, como é o caso das turbinas a gás e seus arranjos, os quais possibilitam maior eficiência do combustível utilizado. Além da geração através do uso do gás natural, vale ressaltar a eletricidade produzida, principalmente, pelas usinas de açúcar e álcool, através da biomassa proveniente do bagaço. Deve-se destacar que a colheita da cana-de-açúcar ocorre no período de menor disponibilidade hídrica, quando um melhor aproveitamento do bagaço gerado pela indústria da cana poderia gerar um excedente de energia elétrica para ser vendido às concessionárias.

7 7 2. CONCEITOS E INFORMAÇÕES FUNDAMENTAIS 2.1. GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Em geral se considera como geração distribuída ou geração descentralizada de energia qualquer fonte geradora com produção destinada, em sua maior parte, a cargas locais ou próximas, alimentadas sem necessidade de transporte da energia através da rede de transmissão. Podem ser consideradas como geração descentralizada de energia, qualquer que seja seu uso (na base, na ponta ou para ambos os fins), as seguintes fontes: - Cogeração: produção simultânea de energia térmica e de energia elétrica, a partir de combustíveis; - Pequenas centrais elétricas de qualquer natureza (hidrelétricas, eólicas, térmicas, fotovoltaicas, etc...) até 30 MW de potência instalada, sem restrição de qual seja o proprietário (produtor independente, autoprodutor, concessionária, etc); - Frio/calor distrital: produção simultânea, para distribuição comercial, de água gelada ou quente ou vapor, para resfriamento ou aquecimento, e de energia elétrica; - Outras fontes energéticas: uso de geradores de emergência para a geração de energia elétrica ou disponibilização de energia já contratada que não venha a ser usada durante certo período; - Redução da demanda pelo controle on-line do consumo; - Armazenamento de energia elétrica para posterior reinjeção na rede. 2.2 GERAÇÃO DE ENERGIA Cogeração de energia é a geração simultânea de energia mecânica e térmica, a partir de uma fonte primária de energia, com a produção de vapor 1. A relação da menor (térmica ou mecânica) deve ser no mínimo 10% do total. A palavra co-gerador é usada para representar a empresa que possui em suas instalações equipamentos de cogeração. 1 O produto é normalmente o vapor usado no processo. Na verdade, o produto é o calor que pode se apresentar de diversas outras formas, como frio, ar comprimido, água quente, ar frio, água fria, etc.

8 8 O combustível usado pelo co-gerador pode ser convencional (gás, óleo, carvão, etc) ou algum tipo de resíduo agroindustrial (cavacos de madeira, bagaço, palha de arroz, etc). São muitas as atividades industriais e, algumas vezes, comerciais, que se utilizam de grandes quantidades de energia térmica, podendo ser frio ou calor. A necessidade de calor sempre é maior, sobretudo na agroindústria e na indústria de transformação, como açúcar e álcool, sucos de frutas, beneficiamento de arroz e de madeira, extração de óleo vegetal, papel e celulose, tinturaria, cervejaria, cimento, vidro, cerâmica, produtos químicos e alimentos em geral. [14] Já o frio (congelamento, climatização de ambientes, etc...) em larga escala é utilizado pelos segmentos de frigoríficos e sucos, tecelagem, hospitais, hotéis, shoppings, etc. Do ponto de vista empresarial, podemos resumir dizendo que a cogeração é sinônimo de diminuição de custos, com diminuição de dependência energética. Para as empresas que têm condições para cogerar em suas instalações, esta pode ser a forma mais econômica para atender as necessidades internas de vapor (e/ou frio) e de eletricidade, reduzir custos de operação e aumentar a confiabilidade de suprimento. 2.3 BIOMASSA Do ponto de vista energético, biomassa é toda matéria orgânica, de origem animal ou vegetal, que pode ser utilizada na produção de energia. [15] A quantidade de biomassa existente na Terra é da ordem de dois trilhões de toneladas, o que significa cerca de 400 toneladas per capita. Em termos energéticos, isso corresponde a mais ou menos 3000 EJ por ano; ou seja, oito vezes o consumo mundial de energia primária (da ordem de 400 EJ por ano) [16]. Uma das principais vantagens da biomassa é que, embora de eficiência reduzida, seu aproveitamento pode ser feito diretamente, através da combustão em fornos, caldeiras, etc. Além disso, a médio e longo prazo, a exaustão de fontes não-renováveis e as pressões ambientalistas acarretarão maior aproveitamento energético da biomassa. Embora grande parte da biomassa seja de difícil contabilização, devido ao uso não comercial, estima-se que, atualmente, ela representa cerca de 14% de todo o consumo mundial de energia primária. Esse índice é superior ao do carvão mineral e similar ao do gás natural e ao da eletricidade. Nos países em desenvolvimento, essa parcela aumenta para 34%,

9 9 chegando a 60% na África. No Brasil, a biomassa representa cerca de 20% da oferta primária de energia. A precariedade e falta de informações oficiais sobre o uso da biomassa para fins energéticos são obstáculos para sua utilização. Contudo, essa imagem relativamente pobre da biomassa está mudando gradativamente. No Brasil, além da produção de álcool, queima em fornos, caldeiras e outros usos não-comerciais, a biomassa apresenta grande potencial no setor de geração de energia elétrica. O setor sucro-alcooleiro gera uma grande quantidade de resíduos, que pode ser aproveitada na geração de eletricidade, principalmente em sistemas de cogeração. A produção de madeira, em forma de lenha, carvão vegetal ou toras também gera uma grande quantidade de resíduos, que pode igualmente ser aproveitada na geração de energia elétrica. A quantidade de energia aproveitável a partir de resíduos de extração vegetal é função do poder calorífico desses resíduos. Também pesa sobre a decisão econômica de implantação de usinas de aproveitamento o transporte desses resíduos até as usinas. O tipo de produção de madeira, atividade extrativista ou reflorestamento, influi na distribuição espacial dos resíduos gerados. Nos casos de extração seletiva e beneficiamento descentralizado, o aproveitamento de resíduos pode se tornar economicamente inviável. Os estados brasileiros com maior potencial de aproveitamento de resíduos da madeira para a geração de energia elétrica são: Pará (atividade extrativista) e São Paulo (reflorestamento). Ao contrário da produção de madeira, o cultivo e o beneficiamento da cana são realizados em grandes e contínuas extensões e o aproveitamento de resíduos (bagaço, palha, etc.) é facilitado pela centralização dos processos de produção. O Estado de São Paulo é o maior produtor nacional de cana-de-açúcar. Entre os demais estados, destacam-se Paraná e Pernambuco. Existem ainda outros combustíveis possíveis de serem usados para cogeração, como o dendê, o buriti, o babaçu e a andiroba, fartamente encontrados na Região Amazônica, além de resíduos agrícolas, encontrados nas Regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste, com destaque para os Estados do Paraná e Rio Grande do Sul. 9 No caso específico do Estado de São Paulo, o mais industrializado do país, com uma densidade populacional superior à da China, a produção de biomassa energética, através da cana-de-açúcar, é intensa, sendo comparável à produção de energia hidráulica. Isso se deve ao fato de o Estado ser importador de eletricidade (40% do que consome) e exportador de álcool para o resto do país. Verifica-se, portanto, que, apesar da produção de

10 10 biomassa ser mundialmente considerada uma atividade extremamente demandante de terras, mesmo numa região com alta densidade demográfica é possível encontrar áreas para essa atividade. Segundo dados do Balanço Energético Nacional de 1999, a participação da biomassa na produção de energia elétrica é resumida a cerca de 3%, dividida entre o bagaço de cana-de-açúcar (1,2%), os resíduos madeireiros da indústria de papel e celulose (0,8%), resíduos agrícolas e silvícolas diversos (0,6%) e a lenha (0,2%) [17]. 2.4 BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR Atualmente, o recurso de maior potencial para geração de energia elétrica é o bagaço de cana-de-açúcar. A alta produtividade alcançada pela lavoura canavieira, acrescida de ganhos sucessivos nos processos de transformação da biomassa sucro-alcooleira, tem disponibilizado enorme quantidade de matéria orgânica sob a forma de bagaço nas usinas e destilarias de cana-de-açúcar, interligadas aos principais sistemas elétricos, que atendem a grandes centros de consumo dos estados das regiões Sul e Sudeste. Historicamente a cana de açúcar é um dos principais produtos agrícolas do Brasil, sendo cultivada desde a época da colonização. Do seu processo de industrialização obtém-se como produtos o açúcar nas suas mais variadas formas e tipos, o álcool (anidro e hidratado), o vinhoto e o bagaço. O bagaço é um subproduto inevitável tanto no processo para produção de álcool quanto no de açúcar. Devido à grandeza dos números do setor sucro-alcooleiro no Brasil, não se pode tratar a cana-de-açúcar, apenas como mais um produto, mas sim como o principal tipo de biomassa energética, base para todo o agronegócio sucro-alcooleiro, representado por 350 indústrias de açúcar e álcool e empregos diretos e indiretos em todo o Brasil. [18]. Na produção de etanol, cerca de 28% da cana é transformada em bagaço. Em termos energéticos, o bagaço equivale a 49,5%, o etanol a 43,2% e o vinhoto a 7,3%. Em 1998, foram produzidos cerca de 84,3 milhões de toneladas de bagaço de cana-de-açúcar. Desse montante, somente 3,8 milhões de toneladas (4,5%) foram utilizados na produção de energia elétrica; o restante foi utilizado para produção de calor em caldeiras de baixa eficiência, nas indústrias de produção de álcool etílico (43%), de alimentos e bebidas açúcar e aguardente (53,3%) e, em menor escala, nas indústrias de papel e celulose (0,1%) [15].

11 11 3 CICLOS TÉRMICOS UTLIZADOS NA COGERAÇÃO As plantas de cogeração são baseadas em ciclos térmicos da termodinâmica.. Estes ciclos ideais se equivalem aos ciclos reais de algumas máquinas térmicas. Este capítulo abordará estes ciclos térmicos em conjunto com a cogeração. 3.1 CONSIDERAÇÕES Nos ciclos térmicos considera-se que fluidos térmicos (que transportam energia) estejam presentes, nas situações de existência ou não de fluxo. Para determinar os parâmetros do ciclo, avaliam-se as mudanças de propriedades deste fluido, as transferências de trabalho e a eficiência térmica. Para os fins de análise e compreensão da cogeração, é fundamental considerar os seguintes parâmetros de um ciclo: Índice específico de transferência de energia é a quantidade de energia transportada por unidade de massa do fluido, conforme Equação 1. (1) Consumo específico é a massa da substância energética para produzir uma unidade de energia, de acordo com a Equação 2. (2) A eficiência térmica é a energia transferida para um ciclo em relação à quantidade de calor (energia térmica) trocada pelo ciclo, conforme equação 3. (3)

12 12 A escolha de um dos sistemas apresentados a seguir, por permitirem diferentes configurações, deve levar em conta a viabilidade técnico-econômica, as necessidades estratégicas e outras variáveis como disponibilidade de água, espaço, combustível, condições ambientais, etc. 3.2 CICLO RANKINE No ciclo Rankine utiliza-se o calor proveniente da combustão de combustíveis para geração de vapor num equipamento chamado caldeira ou gerador de vapor. Portanto, a energia térmica acumulada em forma de calor pode ser utilizada para aquecimento, processos industriais e para a geração de energia elétrica, acionando uma turbina a vapor acoplada a um gerador elétrico. O rendimento térmico máximo que pode ser obtido na prática, com este processo, é de aproximadamente 30 a 35%, ou seja, 1/3 da energia do combustível pode ser convertido em energia térmica [1]. Esse ciclo de cogeração permite a utilização de combustíveis mais baratos, como resíduos industriais, carvão, lenha, bagaço de cana, etc. em que muitas vezes sãoúnicos disponíveis no local. As Figuras 1a e 1b ilustram o ciclo Rankine convencional e com cogeração. Figura 1 - Ciclo Rankine sem cogeração (a) e com cogeração (b)

13 13 A grande vantagem em termos de eficiência energética (e conseqüentemente econômicos e ambientais) do processo de cogeração é o fato de que a partir do mesmo combustível se produz a energia térmica e mecânica / elétrica. Desta forma, é utilizado para o processo o calor residual do vapor, geralmente de baixa pressão da exaustão da turbina a vapor (turbinas de contrapressão), ou de uma extração numa turbina de condensação. Na prática, o rendimento térmico do ciclo com cogeração é calculado somando-se o total de energia utilizada, ou seja, a energia elétrica gerada mais a energia térmica utilizada no processo, dividindo-se pelo total da energia fornecida pelo combustível [1]. Entretanto, do ponto de vista técnico, esta forma de avaliação do rendimento não é adequada, pois são consideradas formas diferentes de energia (térmica e mecânica) do ponto de vista da Segunda Lei da Termodinâmica. Isto porque, conforme a Segunda Lei, calor nunca pode ser integralmente convertido em trabalho, enquanto que a recíproca é sempre verdadeira. 3.3 CICLO BRAYTON O ciclo Brayton de turbina a gás vem se tornando um método cada vez mais utilizado para a geração de energia. Neste tipo de máquina, o ar atmosférico é continuamente succionado pelo compressor, onde é comprimido para uma alta pressão. O ar comprimido entra na câmara de combustão (combustor), é misturado ao combustível e ocorre a combustão, resultando em gases com temperaturas bastante elevadas. Os gases provenientes da combustão se expandem através da turbina e descarregam na atmosfera. Parte do trabalho desenvolvido é utilizada para acionar o compressor, o restante é utilizado para acionar um gerador elétrico ou um dispositivo mecânico. O rendimento térmico do ciclo Brayton é de aproximadamente 35%, mas atualmente, existem turbinas que conseguem um rendimento de 41% [1].

14 14 Figura 2 - Ciclo Brayton sem cogeração (a) e com cogeração (b) A cogeração no ciclo Brayton é implementada através da adição de uma caldeira de recuperação de calor ao ciclo (Figura 2). Neste caso, os gases de exaustão da turbina são direcionados para a caldeira, de modo a gerar vapor. Este é o ciclo proposto para a utilização do gás natural na maioria dos sistemas de cogeração atuais utilizando como combustível o gás natural, que é a tendência atual no Brasil, nas indústrias em que o consumo de vapor é bastante elevado como nas indústrias de papel e celulose e indústrias químicas, onde existe a disponibilidade deste combustível. 3.4 CICLO COMBINADO O ciclo combinado é recomendado nas situações em que se deseja produzir energia elétrica e energia térmica úteis em quantidades variáveis de acordo com as cargas consumidoras ou para atendimento de mercados específicos. O ciclo combinado é baseado na junção dos ciclos de potência Brayton e Rankine conjuntamente. Neste tipo de arranjo, o calor liberado por um ciclo é usado parcialmente ou totalmente como entrada de calor para o outro ciclo.

15 15 Figura 3 O ciclo combinado Através do ciclo combinado (Brayton-Rankine), os gases de exaustão da turbina a gás estão numa temperatura relativamente elevada, normalmente entre 450 e 550 C [1]. Deste modo, o fluxo de gás quente pode ser utilizado numa caldeira de recuperação de calor para geração de vapor que por sua vez, serve como fluido de trabalho para o acionamento de uma turbina a vapor, gerando um adicional de energia. Portanto, o ciclo combinado tem uma eficiência térmica maior que a dos ciclos Rankine e Brayton separadamente. Este tipo de processo de cogeração é o mais recomendado para os locais onde a demanda de eletricidade é superior a demanda de vapor, ou seja, nas indústrias eletrointensivas. 3.5 CICLO DE COGERAÇÃO COM MOTORES ALTERNATIVOS Este ciclo utiliza motores alternativos de combustão interna para produzir trabalho em acionamento mecânico ou geração de energia elétrica quando acoplados em geradores (alternadores). A cogeração é obtida com a recuperação da energia térmica residual

16 16 dos gases de exaustão, e também, na recuperação do calor dos sistemas de lubrificação de resfriamento das camisas dos pistões. Devido à quantidade de energia residual recuperada neste ciclo ser baixa, sua aplicação freqüentemente é mais utilizada em instalações que necessitam de quantidades maiores de energia elétrica e mecânica e de quantidades menores de calor em temperaturas moderadas. Figura 4 Cogeração com motor alternativo 3.6 CICLO DE COGERAÇÃO COM PRODUÇÃO DE FRIO Os ciclos de cogeração com produção de frio são utilizados nos lugares onde além da necessidade de produção de energia elétrica, também possuem sistemas de condicionamento ambiental e sistemas de refrigeração. Este ciclo de cogeração pode ser

17 17 aplicado tanto no setor industrial, em frigoríficos, por exemplo, como no setor terciário, em shopping centers, operando em conjuntos com o sistema de ar condicionado e resfriamento de água. A Figura 5 ilustra algumas aplicações deste tipo. Figura 5 Cogeração com produção de frio Os resfriadores por absorção são os equipamentos ideais para essas aplicações. Uma característica particular do sistema de absorção está no fato de requerer um consumo pequeno de trabalho porque o processo de bombeamento envolve um líquido [2]. Este sistema apresenta custo maior que outros tipos de equipamentos de refrigeração, mas possuem a vantagem de terem menores custos de manutenção, serem silenciosos e ambientalmente são mais corretos, pois não utilizam gases CFC que atacam o ozônio da atmosfera.

18 TIPOS DE COGERAÇÃO Os sistemas de cogeração são separados em dois grupos em função da seqüência em que a energia é utilizada no processo produtivo. Existem dois tipos de cogeração, as do tipo topping cycle e as do tipo bottoming cycle TOPPING CYCLE (CICLO DE TIPO) Nos ciclos do tipo topping, a produção de energia elétrica ocorre em uma etapa anterior à etapa em que o processo produtivo utiliza a energia térmica. Um exemplo de aplicação deste tipo é quando o combustível é queimado em um gerador de vapor que é utilizado para gerar potência em um turbo gerador e o calor rejeitado pela turbina é empregado no processo produtivo. Esta configuração é a mais utilizada nos sistemas de cogeração, sendo adotada no setor sucro-alcooleiro e na indústria química que utiliza o gás natural BOTTOMING CYCLE (CICLO DE FUNDO) Nos ciclos do tipo bottoming, o energético produz primeiramente o calor que é utilizado diretamente no processo. Uma aplicação para este ciclo ocorre na industria cimenteira, onde o calor primeiramente aquece uma fornalha e o calor residual de baixa temperatura é utilizado para gerar eletricidade. A escolha do tipo de cogeração a ser utilizada deve levar em conta as necessidades elétricas e térmicas de cada aplicação.

19 19 4 MÁQUINAS EMPREGADAS NA COGERAÇÃO As plantas de cogeração são formadas de vários arranjos de equipamentos, desde simples turbinas acopladas a caldeiras, até sistemas mais complexos. Neste capítulo será tratado o funcionamento e os tipos desses equipamentos utilizados na cogeração. 4.1 TURBINAS A VAPOR As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa (os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo). Devido a isto, apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que deixam resíduos sólidos (cinzas) durante a queima. Como as turbinas a vapor são máquinas de combustão externa, então o calor necessário para a ebulição do condensado e para o superaquecimento posterior deve ser transferido dos produtos de combustão ao fluído de trabalho através das serpentinas no interior da caldeira. As turbinas a vapor são máquinas de grande velocidade. Se toda a energia disponível se transforma em energia cinética na saída da turbina, a velocidade do vapor na mesma seria muitas vezes superior a velocidade do som e a velocidade periférica do rotor para aproveitar com bom rendimento esta energia poderia chegar a ser superior ao limite de resistência dos materiais empregados. Além das altas velocidades as turbinas a vapor modernas trabalham em condições super críticas de pressão e temperatura PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Uma máquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no fluxo contínuo de vapor que receber, em trabalho mecânico. Sabe-se, da segunda lei da termodinâmica, que somente parte da energia contida no vapor que chega à máquina poderá ser convertida em trabalho. A parte restante da energia, que não pode ser transformada em trabalho, permanece no vapor descarregado pela máquina. O trabalho mecânico realizado pela máquina pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico, um compressor, uma bomba. A energia não utilizada, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, em muitos

20 20 casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em outras situações, entretanto, é possível aproveitar o vapor descarregado pela máquina para fins de aquecimento. Aproveitam-se assim suas energias residuais, melhorando, em conseqüência, de forma significativa o rendimento global do ciclo. Em uma turbina a vapor a transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas. Inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética. Para isso o vapor é obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de formato especial, denominados expansores, onde, devido à pequena área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em conseqüência, sua entalpia. Em um expansor, além do aumento de velocidade e da diminuição da entalpia, ocorre também queda na pressão, queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor. Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes: segundo o princípio da ação ou segundo o princípio da reação, conforme ilustrado na Figura 6b. Se o expansor for fixo e o jato de vapor dirigido contra um anteparo móvel, a força de ação do jato de vapor irá deslocar o anteparo, na direção do jato, levantando o peso. Se, entretanto o expansor puder mover-se, a força de reação, que atua sobre ele, fará com que se desloque, em direção oposta do jato de vapor, levantando o peso. Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada em energia cinética no expansor e esta energia cinética, então, convertida em trabalho [3].

21 21 Figura 6 (a e b) Turbina de ação e reação (c e d) princípio de ação e reação PRINCIPAIS COMPONENTES Uma turbina a vapor é constituída basicamente pelos seguintes elementos: - Carcaça, geralmente dividida em 2 partes longitudinalmente para facilitar o acoplamento e desmontagem, e que contém o sistema de pás fixas ou distribuidores; - Rotor com pás em sua periferia, sobre o qual incide o vapor e onde é feita a transformação na direção e magnitude da velocidade do vapor; - Sistema de comando e válvulas para regular a velocidade e potência da turbina modificando a descarga do vapor; - Acoplamento para conexão mecânica com o gerador que vai acionar; - Dispositivo de expansão, sempre constituído de um bocal fixo ou móvel (diretrizes), no qual a energia de pressão do vapor se transforma em energia cinética; - Junta de labirinto, necessária para reduzir o calor gerado quando acontece ocontato rotor-estator, já que, devido as altas velocidades, o calor gerado quando ocorresse

22 22 qualquer contato poderia produzir calor suficiente para fundir o material do rotor ou até mesmo danificar o eixo CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR As turbinas a vapor podem ser classificadas segundo os seguintes critérios: a) Quanto à direção do movimento do vapor em relação ao rotor: - Turbinas a vapor axiais: são aquelas que o vapor se move dentro do rotor em direção aproximadamente paralela ao eixo são as mais comuns; - Turbinas a vapor radiais: são aquelas em que o vapor se desloca aproximadamente em sentido perpendicular ao eixo da turbina; - Turbinas a vapor tangenciais: são aquelas em que o vapor se desloca tangencialmente ao rotor. b) Quanto a forma do vapor atuar no rotor: - Turbinas a vapor de ação: quando o vapor se expande somente nos órgãos fixos (pás diretrizes e bocais) e não nos órgãos móveis (pás do rotor). Portanto, a pressão é a mesma sobre os dois lados do rotor; - Turbinas a vapor de reação: quando o vapor se expande também no rotor. Ou seja, que a pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo; - Turbinas a vapor mistas: quando uma parte da turbina a vapor é de ação e outra parte de reação. c) Quanto a condição do vapor de escape: - Turbinas a vapor de escape livre: nas quais o vapor sai diretamente para a atmosfera. Portanto a pressão de escape é igual a pressão atmosférica; - Turbinas a vapor de condensador: nas quais na saída existe um condensador onde o vapor se condensa diminuindo a pressão e temperatura. A pressão de escape do vapor é inferior a pressão atmosférica; - Turbinas a vapor de contrapressão: nas quais a pressão de escape do vapor é superior a pressão atmosférica. O vapor de escape é conduzido a dispositivos especiais para sua posterior utilização (ex.: calefação, alimentação de turbina de baixa pressão, etc.); - Turbinas a vapor combinadas: nas quais uma parte do vapor é retirada da turbina antes de sua utilização, empregando-se esta parte subtraída para calefação e outros

23 23 usos; o resto do vapor continua a sua evolução normal no interior da turbina e, na saída, vai para a atmosfera ou ao condensador. d) Quanto ao estado do vapor na entrada: - Turbinas a vapor de vapor vivo: quando o vapor de entrada vem diretamente da caldeira. Por sua vez elas podem ser: - de vapor saturado; - de vapor superaquecido; e) Turbinas a vapor de vapor de escape: quando se utiliza a energia contida no vapor de escape de uma de outra máquina térmica (por ex.: a máquina a vapor, a turbina de contrapressão, etc). A maioria delas são de vapor saturado TIPOS E CARACTERÍSTICAS DAS TURBINAS A VAPOR Após a classificação feita no item anterior podemos fazer uma grande variedade de combinações de modo a obter o tipo mais adequado de turbina a vapor às necessidades da planta de cogeração. A seguir, descreveremos alguns modelos típicos de turbinas a vapor. a) Turbinas a vapor elementar de ação e de um só estágio: Conhecida também como turbina De Laval. Possui um único estágio de pressão e de velocidade, todo o salto térmico ocorre neste estágio, sendo a transformação de entalpia em energia cinética feita nos bocais e a transformação de energia em trabalho feita nas palhetas. b) Turbinas a vapor de ação com um só estágio de pressão e vários estágios de velocidade. Conhecida também como roda de Curtis. O vapor se expande por completo no bocal de entrada, transformando a entalpia em energia cinética. No primeiro rotor é convertida toda a diferença de pressão em velocidade. A transformação da energia cinética em trabalho ocorre em vários estágios de velocidade, separados por palhetas fixas que apenas mudam a direção do escoamento mantendo a velocidade e pressão constantes. Como por todos os estágios deve passar a mesma quantidade de vapor e a velocidade vai diminuindo, é necessário que as seções por onde passa o vapor vá aumentando, o que implica numa variação do diâmetro dos rotores sucessivos.

24 24 O principal inconveniente dos estágios de velocidade é que, devido as altas velocidades do vapor, aumentam consideravelmente as perdas por atrito, sobretudo se existirem muitos estágios. Esta é a causa para que na prática, se adote um pequeno número de estágios. Em resumo, os estágios de velocidade são particularmente vantajosos para as turbinas de baixa e média potência que necessitam de reduzido número de estágios. c) Turbinas a vapor de reação com um só estágio de velocidade e vários estágios de pressão. Conhecida também como turbina de prazos. É equivalente a várias turbinas simples montadas num mesmo eixo uma em seguida da outra. A queda total de pressão (salto térmico total) entre a entrada e a saída é subdividida em certo número de quedas parciais, uma para cada estágio. d) Turbinas a vapor de reação de fluxo radial. O vapor flui no sentido radial desde o eixo até a periferia da máquina. Ambos os sistemas de pás giram em direção contrária. Tem a vantagem de um pequeno custo do sistema de pás e ocupa pouco espaço. e) Turbinas a vapor de contrapressão. Não tem condensador e o vapor de escape está ligado a um aparato que utiliza vapor a uma pressão mais baixa. É utilizada em indústrias em que além de gerar sua própria energia elétrica, precisam de vapor a pressões moderadas para utilização industrial, aquecimento por exemplo. É também utilizada para aumentar a potência de uma central de vapor já construída, sendo denominada neste caso turbina superior. f) Turbinas a vapor Tándem-Compound. Caracterizada por ser constituída por vários corpos. Representa a concepção das turbinas a vapor mais modernas. O vapor procedente da caldeira entra no primeiro destes corpos, que é de alta pressão, de onde se expande e, na sua saída, se introduz no corpo seguinte, de menor pressão, onde sofre nova expansão, e assim sucessivamente. Geralmente, depois da saída do último rotor, o vapor, a baixa pressão, entra no condensador. Todos os rotores são montados no mesmo eixo. São utilizadas nas centrais térmicas.

25 TURBINAS A GÁS As turbinas a gás (TG) são máquinas pertencentes ao grupo de motores de combustão interna e sua faixa de operação vai desde pequenas potências como nas microturbinas a gás até as grandes potências. Elas possuem as vantagens de terem pequeno peso e volume e de ocuparem pouco espaço em relação às outras máquinas térmicas. Devido a esses fatores e a sua versatilidade, seu uso está em considerável crescimento nos últimos anos. As turbinas a gás possuem uma vantagem bastante grande quando comparadas aos motores alternativos, devido não haver movimentos alternativos, diminuindo o atrito entre superfícies sólidas como a que ocorre entre as camisas dos cilindros e pistões. Isto significa a quase inexistência de problemas de balanceamento e, ao mesmo tempo, um baixo consumo de óleo lubrificante uma vez que o mesmo não entra em contato direto com partes quentes e nem com os produtos de combustão. Quando comparadas com as turbinas a vapor, as turbinas a gás possuem a vantagem de não necessitar de fluido refrigerante facilitando sua instalação. Assim, elas apresentam alta confiabilidade. Geralmente as turbinas a gás são denominadas pelo seu conjunto completo formado por três componentes principais: o compressor, responsável pela elevação de pressão, o aquecedor do fluido de trabalho (combustor) e a turbina propriamente dita. Seu campo de aplicação é bastante variado, podendo ser aplicado como elemento propulsor de aviões e navios e como acionamento mecânico em bombeamento bem como na geração de eletricidade. As turbinas a gás são atualmente os equipamentos que mais tem se difundido nas instalações que necessitam de calor para o processo ou uma grande quantidade de eletricidade obtidos em sistemas de cogeração que disponham de gás natural. Como desvantagens das turbinas a gás têm-se: o baixo rendimento e a alta rotação, fatores bastante desfavoráveis no caso de aplicação industrial.

26 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Considere-se então, para descrição da operação de turbinas a gás com finalidade de acionamento, conforme Figura 7. Figura 7 Corte longitudinal de uma turbina a gás Por meio de um compressor, o ar (comburente) é comprimido (elevando a pressão) e conduzido a uma câmara de combustão onde o combustível é introduzido, que pode ser gasoso, líquido ou mesmo sólido. Este será queimado sob uma condição de pressão constante, num processo de queima em regime contínuo, aumentando a temperatura dos gases e introduzindo, desta forma, a energia primária no sistema. Os gases de combustão expandemse na turbina que, por sua vez, transforma esta energia dos gases em energia mecânica, a qual deverá ser maior do que a energia necessária para acionamento do compressor. Esta diferença de energia é a energia mecânica efetiva disponível. Numa primeira aproximação pode-se considerar como valor padrão atual para o ponto funcionamento de projeto de distribuição de potência (energia) entre os diversos componentes da instalação como Pt : Pc: Pef = 3:2:1. Isto significa que a potência necessária à compressão (Pc) consome cerca de 2/3 da potência liberada pela turbina (Pt). Desta forma a disponibilidade de potência efetiva (Pef) é somente 1/3 da potência da turbina (Pt). Evidente que estes valores são apenas uma indicação uma vez que perdas ocorrem tanto no compressor como na turbina e isso concorre para o aumento da potência absorvida (perdida) pelo próprio sistema decrescendo, desta forma, a potência efetiva disponível [3].

27 27 A maior ou menor introdução de calor produz respectivamente uma maior ou menor potência efetiva.assim, um aumento muito grande de calor (combustível) resultará num aumento da potência sendo, evidente que, para uma determinada vazão de ar, existe um limite para a proporção de introdução de combustível. A máxima relação combustível / ar que pode ser usada é determinada pela temperatura de trabalho das pás da turbina que operam em condições de alto tensionamento (altos esforços aerodinâmicos e mecânicos; alta rotação; e, temperatura constante). Esta temperatura não poderá ultrapassar determinado valor crítico. Este valor, por sua vez, depende da tensão do material usado na construção da turbina, bem como de sua vida útil desejada PRINCIPAIS COMPONENTES As turbinas a gás são constituídas de quatro partes principais (Figura 3.2), que são o compressor, a câmara de combustão a turbina propriamente dita e o eixo CLASSIFICAÇÃO DE UMA TURBINA A GÁS As turbinas a gás podem ser classificadas de várias formas, desde o tipo de construção até quanto a sua aplicação. A seguir será mencionada a classificação mais comum dadas às turbinas a gás. a) Quanto à Construção - Leves (Jet-derived GT - derivadas de turbinas aeronáuticas); - Pesadas (Heavy-Duty). b) Quanto à Rotação - Operação em Velocidade Constante (turbo-alternadores); - Operação em Velocidade Variável (turbo-bombas e turbo compressores). c) Quanto ao Número de Eixos - De um eixo e - De vários eixos. d) Quanto à Localização - Onshore (Interna); - Offshore (Externa); - Móvel (on-board) especialmente aplicações marítimas;

28 28 e) Quanto à Aplicação - Industrial; - Marítima; - Aeronáutica. f) Quanto ao ciclo - Ciclo aberto: o fluido de trabalho não retorna ao início do ciclo Figura 8a. O ar, retirado da atmosfera, é comprimido, levado à câmara de combustão onde, juntamente com o combustível, recebe uma faísca, provocando a combustão da mistura. Os gases desta combustão então se expandem na turbina, fornecendo potência à mesma e ao compressor, e, finalmente, saem pelo bocal de exaustão. Figura 8 Ciclos aberto (a) e fechado (b)

29 29 - Ciclo fechado: o fluido de trabalho permanece no sistema. Para isso, o combustível é queimado fora do sistema, utilizando-se um trocador de calor para fornecer a energia da combustão ao fluido de trabalho - Figura 2.4b. O ciclo fechado possui algumas vantagens sobre o ciclo aberto, dentre elas: - a possibilidade de se utilizar combustíveis sólidos; - a possibilidade de altas pressões em todo o ciclo, reduzindo o tamanho da turbomáquina em relação a uma potência útil requerida; - evita-se a erosão das palhetas da turbina; - elimina-se o uso de filtros; - aumento da transferência de calor devido a alta densidade do fluido de trabalho alta pressão; - uso de gases com propriedades térmicas desejáveis. 4.3 MOTORES ALTERNATIVOS Os motores alternativos de combustão interna são máquinas que transformam a energia térmica de um combustível em energia mecânica através do acionamento de pistões confinados em cilindros. Os ciclos de operação mais comumente utilizados são o Diesel e Otto. O motor alternativo é de todas as máquinas térmicas conhecidas para geração de eletricidade a que melhor converte a energia contida em combustíveis líquidos e gasosos em potência mecânica. Este tipo de equipamento alcança atualmente rendimentos, em determinadas condições, superiores a 45% conseguindo mantê-lo praticamente constante em uma faixa de 50 a 100% de carga [4]. Com a crescente participação do gás natural na matriz energética mundial, os motores alternativos começaram a serem desenvolvidos especialmente para a utilização desse insumo. Atualmente esses equipamentos apresentam uma alta desempenho elétrico, térmica e baixo nível de emissões utilizando sistemas de controle e geração elétrica totalmente integrados.

30 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O Ciclo mecânico é o mesmo em qualquer motor alternativo. 1. Introduz-se o combustível no cilindro; 2. Comprime-se o combustível, consumindo trabalho (deve ser fornecido); 3. Queima-se o mesmo; 4. Ocorre a expansão dos gases resultantes da combustão, gerando trabalho; 5. Expulsão dos gases. Nos motores a pistão, este ciclo pode completar-se de duas maneiras: ciclo de trabalho a quatro tempo ou ciclo de trabalho a dois tempos. Motor quatro tempos: O ciclo se completa a cada quatro cursos do êmbolo, de onde vem a sua denominação. Um ciclo de trabalho estende-se por duas rotações da árvore de manivelas, ou seja, quatro cursos do pistão. No primeiro tempo, com o pistão em movimento descendente, dá-se a admissão, que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura arcombustível (nos motores Otto), ou apenas ar (motor Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha empurra a carga para o cilindro (turbocompressão). No segundo tempo, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente. Pouco antes do pistão completar o curso, ocorre a ignição por meio de dispositivo adequado (no motor Otto), ou a autoignição (no motor Diesel). No terceiro tempo, com o pistão em movimento descendente, temos a ignição, com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor). No quarto tempo, o pistão em movimento ascendente, empurra os gases de escape para a atmosfera. Durante os quatro tempos (ou duas rotações) transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez. Para fazer com que as válvulas de admissão e escapamento funcionem corretamente, abrindo e fechando as passagens nos momentos exatos, a árvore de comando de válvulas gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos. Motor dois tempos: Os motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos, sendo assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Normalmente estes motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes, etc. O carter, que possui dimensões reduzidas, recebe a mistura ar-combustível

31 31 e o óleo de lubrificação. Deve ser cuidadosamente fechado pois nele se dá a précompressão da mistura. 1º Tempo - Curso de Admissão e Compressão: O êmbolo dirige-se ao Ponto Morto Superior (PMS), comprimindo a mistura ar-combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão. Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do carter e assim, por diferença de pressão admite-se uma nova mistura ar-combustível-óleo lubrificante, que será utilizado no próximo ciclo. O virabrequim dá meia volta, 180 graus, fechando o ciclo. Pouco antes de atingir o PMS, dá-se a centelha, provocando a combustão da mistura, gerando uma força sobre o êmbolo. Inicia-se então o próximo ciclo. 2º Tempo - Combustão e Escape: É o curso de trabalho. No PMS, dado início à combustão por meio de uma centelha, o êmbolo é forçado até o Ponto Morto Inferior (PMI). Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo o êmbolo abre a janela de carga permitindo que uma nova mistura ar-combustível entre no cilindro preparando-o para o novo ciclo e forçando os gases provenientes da combustão para fora (lavagem). O virabrequim, neste primeiro tempo, dá meia volta, 180 graus PRINCIPAIS COMPONENTES Os principais componentes de um motor alternativo são: Bloco do motor: É o motor propriamente dito, onde são usinados os cilindros ou os furos para a colocação destes; os motores arrefecidos a ar levam cilindros aletados, possuindo, geralmente, bloco baixo permitindo que os cilindros fiquem expostos à circulação do ar de arrefecimento. Cabeçote: É uma espécie de tampa do motor contra a qual o pistão comprime a mistura, no caso do ciclo Otto, ou o ar, no caso do Diesel. Geralmente possui furos com roscas onde são instalados as velas de ignição ou os bicos injetores e onde estão instalados as válvulas de admissão e escape com os respectivos dutos. Carter: Parte inferior do bloco, cobrindo os componentes inferiores do motor, é onde está depositado o óleo lubrificante.

32 32 Pistão: É a parte móvel da câmara de combustão, recebe a força de expansão dos gases queimados, transmitido-a à biela, por intermédio de um pino de aço (pino do pistão). É em geral fabricado em liga de alumínio. Biela: Braço de ligação entre o pistão e o eixo de manivelas; recebe o impulso do pistão, transmitindo-o ao eixo de manivelas (virabrequim). É importante salientar que o conjunto biela-virabrequim transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo do virabrequim. Virabrequim (eixo de manivelas, árvore de manivelas): Eixo do motor propriamente dito, o qual, na maioria das vezes, é instalado na parte inferior do bloco, recebendo ainda as bielas que lhe imprimem movimento. Eixo comando de válvulas (árvore comando da distribuição): A função deste eixo é abrir as válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de admissão e escapamento. É acionado pelo eixo de manivelas, através de engrenagem, corrente ou ainda, correia dentada. Válvulas: Existem dois tipos: de admissão e de escape. A primeira abre-se para permitir a entrada da mistura combustível / ar (ou ar puro, conforme o caso) no interior do cilindro. A outra, de escape, abre-se para dar saída aos gases queimados CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES ALTERNATIVOS Podem ser classificados em: a) Quanto a propriedade do gás na admissão: - a ar (Diesel); - a mistura ar-combustível (Otto). b) Quanto a ignição - por centelha (ICE) spark - ignition (SI); - por compressão (ICO) compression - ignition (CI). c) Quanto ao movimento do pistão - Alternativo (Otto, Diesel); - Rotativo (Wankel, Quasiturbine). d) Quanto ao ciclo de trabalho - 2 tempos; - tempos.

33 33 e) Quanto ao número de cilindros - monocilíndricos; - policilíndricos. f) Quanto a disposição dos cilindros - em linha; - em V. g) Quanto a utilização - Estacionários: Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante; - Industriais: Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador; - Veiculares: Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus; -Marítimos: Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação existem uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso.

34 CALDEIRAS É um aparelho térmico que produz vapor a partir do aquecimento de um fluido vaporizante. Na prática adotam-se alguns nomes, a saber: - Caldeiras de vapor: são os geradores de vapor mais simples, queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de calor. - Caldeiras de recuperação: são aqueles geradores que não utilizam combustíveis como fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.). - Caldeiras de água quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos). - Geradores reatores nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido) CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS A escolha do tipo de caldeira a ser utilizada se faz principalmente em função do tipo de serviço a ser executado, do tipo de combustível disponível, da capacidade de produção e de fatores de caráter econômico. As caldeiras possuem várias classificações dentre as que serão dadas a seguir. a) Quanto à posição dos gases quentes e da água: - Aquatubulares (aquotubulares); - Flamotubulares (fogotubulares, pirotubulares) b) Quanto à posição dos tubos: - Verticais - Horizontais - Inclinados c) Quanto à forma dos tubos: - Retos - Curvos d) Quanto à natureza da aplicação: - Fixas - Portáteis

35 35 - Locomóveis (geração de força e energia) - Marítimas PRINCIPAIS COMPONENTES As caldeiras são formadas por vários componentes a saber. A seguir serão mencionados seus principais componentes e sua descrição. Fornalha: principal equipamento para a queima do combustível. Entre as suas funções estão incluídas: a mistura ar-combustível, vaporização do combustível e a conservação de uma queima contínua da mistura; Cinzeiro: local de deposição das cinzas e restos de combustível que caem da fornalha; Câmara de Combustão: às vezes se confundem com a fornalha, sendo que, em outras é completamente independente. É um volume que tem a função de manter a chama numa temperatura elevada com duração suficiente para que o combustível queime totalmente antes dos produtos alcançarem os feixes (dutos) de troca de calor; Caldeira de vapor (tambor de vapor): constituída por um vaso fechado à pressão contendo água que será transformada em vapor; Superaquecedor: consiste de um ou mais feixes tubulares, destinados a aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira; Reaquecedor: tem função equivalente a dos superaquecedores. A sua presença torna-se necessária quando se deseja elevar a temperatura do vapor proveniente de estágios intermediários de uma turbina; Grelhas: utilizadas para amparar o material dentro da fornalha, podendo ser fixas, rotativas e inclinadas; Economizador: utilizando o calor residual dos gases, aquece a água de alimentação. É normalmente instalado após os superaquecedores. Além de melhorar o rendimento da unidade, sua instalação minimiza o choque térmico entre a água de alimentação e a já existente no tambor; Aquecedor de ar: aproveita o calor residual dos gases de combustão préaquecendo o ar utilizado na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e 300 ºC, dependendo do tipo de instalação e do tipo de combustível queimado.

36 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Quanto ao funcionamento, as caldeiras são divididas em dois tipos: caldeiras aquatubulares e caldeiras flamotubulares. A seguir será abordado o princípio de cada tipo. a - Caldeiras aquatubulares Nas caldeiras aquatubulares a água a ser aquecida passa no interior de tubos que por sua vez são envolvidos pelos gases de combustão. Os tubos podem estar organizados em feixes como nos trocadores de calor e as caldeiras que os contém apresentam a forma de um corpo cilíndrico ou em paredes de água como nas caldeiras maiores. Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais que uma caldeira flamotubular de capacidade equivalente [5]. Apresenta, porém, algumas vantagens, entre elas a maior capacidade de produção de vapor por unidade de área de troca de calor e a possibilidade de utilização de temperaturas superiores a 450 C e pressões acima de 60 kgf/cm2. A partida deste tipo de caldeira é relativamente rápida, em razão do volume reduzido de água que ela contém. A limpeza dos tubos é mais simples que a flamotubular e pode ser feito automaticamente através de sopradores de fuligem e a vida útil destas caldeiras pode chegar a 30 anos. b - Caldeiras flamotubulares Nas caldeiras flamotubulares (ou pirotubulares) os gases quentes da combustão circulam no interior de tubos que atravessam o reservatório de água a ser aquecida para produzir vapor. Esse tipo de caldeira, geralmente de pequeno porte, apresenta baixa eficiência e é utilizada apenas para pressões reduzidas. Ainda é muito utilizada em razão do seu baixo valor de investimento comparado com as caldeiras aquatubulares, e da facilidade de manutenção. Utiliza qualquer tipo de combustível, líquido, sólido ou gasoso. É muito comum o seu uso com óleo e gás [5].

37 37 5 COMBUSTÍVEIS A cogeração possibilita o uso de diversos combustíveis em seu processo produtivo, porém, neste trabalho, serão abordadas apenas a utilização da biomassa (principalmente o bagaço da cana-de-açúcar, por se tratar de uma atividade econômica de grande representatividade em todo o território brasileiro), do gás natural e dos derivados do petróleo, principalmente do óleo Diesel. 5.1 BIOMASSA O termo biomassa engloba a matéria vegetal oriunda da fotossíntese e os seus derivados, tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos, municipais, etc. Estes materiais contêm energia química provinda da transformação energética da radiação solar. Essa energia química pode ser liberada diretamente por combustão, ou pode ser convertida, através de outros processos, em fontes energéticas mais adequadas. Os recursos energéticos provenientes da biomassa são classificados de diversas maneiras, porém quanto ao fluxo de energia da biomassa estão associados os biocombustíveis, que são divididos em três grandes grupos: biocombustíveis da madeira, os combustíveis de plantação não florestal e os resíduos urbanos. Trata-se de uma descrição simples, apresentando os recursos, de maneira a comparar os tratamentos típicos utilizados nos estudos energéticos e florestais, e também comparando dados de distintas fontes. Biocombustível da madeira (dendrocombustível) inclui basicamente a lenha, que pode ser produzida e obtida de maneira sustentável a partir de florestas plantadas ou nativas, respeitando os limites que possibilitem a regeneração natural de tais florestas, ou também obtidas por desmatamento de formações nativas com o intuito, neste caso, de obter terras para atividades agropecuárias. Podem-se também obter estes combustíveis através de atividades que processam ou utilizam a madeira com finalidade não exclusivamente energética. O conteúdo energético contido nesta classe de biomassa está associado basicamente aos conteúdos de celulose e lignina presentes na biomassa em questão, apresentando, em geral, baixa umidade e adotando preferencialmente rotas termoquímicas de transformação para seu uso final, como nos sistemas de combustão ou carbonização. Outros exemplos mais complexos de combustíveis de origem florestal são: o carvão vegetal, o

38 38 licor negro (subproduto da indústria de celulose) e o metanol ou álcool metílico, produzido a partir da madeira. Biocombustíveis não florestais (agrocombustíveis) tipicamente produzidos a partir de cultivos anuais, apresentam maior umidade que os biocombustíveis florestais. Seu uso, em geral, exige primeiramente uma conversão em outro produto energético mais adequado. Nesta classe tem-se, por exemplo, a cana-de-açúcar, cujo valor energético está associado ao conteúdo de celulose, amido, açúcares e lipídeos que, por sua vez, determinam o tipo de produto energético que se pode obter. Também podem ser denominados biocombustíveis não florestais diversos tipos de subprodutos energéticos provindos de atividades relacionadas com a produção e processamento de produtos agrícolas, materiais estes que muitas vezes, de maneira incorreta e depreciativa, são chamados de resíduos. Como exemplos destes subprodutos agrícolas têm-se: aqueles produzidos em propriedades agrícolas e que estão diretamente associados à produção de vegetais; subprodutos de origem animal, basicamente diversos tipos de esterco e subprodutos agroindustriais, que resultam do processamento de produtos agrícolas, como é o caso do bagaço de cana, das cascas de arroz ou de café. Os resíduos urbanos embora incluam materiais de outras origens, tais como os plásticos e metais, a maior parte do lixo e praticamente toda a parte orgânica das águas de esgotos é representada por biomassa. A utilização para fins energéticos destes resíduos pode significar um considerável benefício ambiental e uma gradual eliminação de materiais contaminantes, que quase sempre provocam crescentes dificuldades nas cidades e vilas. O processo de transformação em outros produtos energéticos se define basicamente de acordo com a umidade, podendo ser empregados desde a biodigestão anaeróbia até os sistemas de combustão direta. Outras formas de classificação da energia da biomassa são: tecnologia adotada para sua utilização ou considerar o seu nível de difusão. De acordo com a última classificação, tem-se a energia da biomassa tradicional (lenha, carvão vegetal, resíduos vegetais e animais) e a bioenergia moderna, associada aos resíduos da utilização industrial da madeira, o bagaço de cana e os resíduos urbanos. A biomassa, como fonte energética, despertou interesse com a forte valorização que ocorreu com o petróleo nos anos de 1973 e O biocombustível passou a ser visto como alternativa economicamente interessante para o suprimento das demandas de energia térmica nas indústrias, centrais elétricas de pequena e média capacidade e como fonte alternativa de combustível para motores veiculares. Em 1985, o preço do

39 39 petróleo voltou ao seu valor inicial, reduzindo de forma significante o interesse em novas fontes de fornecimento energético. Nos anos 90, com a descoberta de novas tecnologias e a inclusão da temática ambiental, houve um novo interesse pela biomassa energética. Neste contexto, a biomassa é considerada uma forma adequada de satisfazer a demanda energética, que vai além do fator econômico, incluindo também um menor impacto ambiental e sua renovabilidade, a possibilidade de geração de empregos e a dinamização de economias regionais. Como exemplos dessa aplicação, pode-se citar o uso do carvão vegetal na siderurgia e o programa do álcool automotivo no Brasil, a implantação de bosques energéticos e a produção de bioeletricidade nos Estados Unidos, as plantações de eucalipto na Etiópia, entre outros. Neste trabalho será abordada, de maneira mais profunda, a energia proveniente do bagaço da cana-de-açúcar BAGAÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR A cana-de-açúcar em seu estágio de colheita no campo é composta pelo colmo, as folhas e os ponteiros. O colmo é levado para as usinas e dele é extraída a matéria-prima principal da indústria sucroalcooleira, o caldo. Após a extração do caldo a biomassa constituída das fibras moídas da cana-de-açúcar, o bagaço de cana, resulta como subproduto do processo de obtenção de caldo. Por muito tempo tratado como resíduo, o bagaço de cana adquiriu na década de 80 a posição de insumo de grande potencial energético, industrial e agropecuário, resultando de uma série de medidas desenvolvidas para sua valorização, tais como o desenvolvimento de técnicas de estocagem e manuseio do bagaço, a aplicação como matéria prima para a indústria de papel e celulose e de produtos aglomerados, a utilização como ração animal e fertilizante no setor agrícola e, principalmente, como insumo energético. As folhas ou palha e as pontas, biomassa constituída durante o crescimento da cana-de-açúcar nunca foram valorizadas, sendo integralmente descartadas. A prática agrícola de despalha manual da cana-de-açúcar já a muito foi abandonada devido ao baixo rendimento do trabalho manual, cedendo lugar ao método de queima da palha antes do corte. Esta prática de queima antes do corte perdura até os dias de hoje, mas vem sendo abolida em alguns estados devido aos seus inconvenientes ambientais e a extrema poluição atmosférica provocada.

40 40 Assim, a biomassa disponibilizada pela cultura da cana-de-açúcar pode ser dividida em duas categorias: o bagaço de cana, disponível na área das usinas após a extração do caldo e já tradicionalmente utilizado como insumo energético em caldeiras de combustão direta para cogeração de vapor de acionamento mecânico, energia elétrica e processo, e a palha e ponta da planta, quando esta é colhida sem queimar, que fica disponível no campo e deve ser recuperada e transportada até a usina. A quantidade de biomassa residual da cultura da cana-de-açúcar depende da variedade de planta cultivada, da idade da cultura, do estágio de corte, da situação climática, do sistema de colheita, seja cana queimada ou sem queimar, seja manual ou mecanizada, da altura de corte dos ponteiros, entre outros. Para as aplicações energéticas, onde se requer a disponibilidade contínua da biomassa, é preciso levar-se em conta que os resíduos se caracterizam por uma disponibilidade sazonal e podem precisar de armazenamento para os períodos fora da safra. Para a determinação da quantidade de biomassa residual da cultura da cana-deaçúcar utilizaremos as seguintes definições: - Coeficiente de Resíduos (CR): relação entre a quantidade de resíduo total (em base seca) e a massa da colheita com umidade do campo (MC); - Coeficiente de Disponibilidade (CD): relação entre a quantidade de resíduo disponível (em base seca) e a massa total de resíduos, em %; - Quantidade Total de Resíduos (CRE): (4) Estes valores variam com as práticas culturais e peculiaridades regionais. Para a cultura da cana-de-açúcar, tendo o colmo da cana como produto, encontramos como valor de referência um coeficiente de resíduo entre 0,25 e 0,30 e um coeficiente de disponibilidade de 100%, quando se considera apenas o bagaço como resíduo. Se avaliarmos como resíduos também a biomassa da folhagem da planta, a palha e as pontas da cana teremos o coeficiente de resíduo em torno de 0,70 a 0,90 e o coeficiente de disponibilidade variando de 35%, quando apenas o bagaço estiver realmente

41 41 disponível, ao valor máximo de 100%, quando toda a biomassa encontra condições Tabela 1 Disponibilidade de resíduos de cana-de-açúcar É importante ressaltar que, mesmo quando a cultura apresenta um alto coeficiente de resíduo, sua utilização apenas é possível quando existem as tecnologias e a infra-estrutura de processamento e transporte necessários. No caso do bagaço de cana, o parâmetro fundamental é o coeficiente de resíduo, determinado pela variedade da cana-de-açúcar e suas proporções de fibras. Seu coeficiente de disponibilidade é sempre 100% uma vez que já se encontra no pátio da usina e a quantidade total de biomassa varia entre 125 e 150 kgbagaço/ton.cana, em base seca, ou 250 a 300 kgbagaço/ton.cana, com 50% de umidade. O valor de 270 kgbagaço/ton.cana, com 50% de umidade, será adotado para quantidade total de biomassa na forma de bagaço para esse trabalho a partir dos valores apresentados na Tabela e a metodologia de cálculo exposta na fórmula: (5) Onde: Mb Quantidade total de bagaço disponível (ton.); Mc Quantidade total de cana moída (ton.); Xf Teor de fibra da cana (ton.fibra/ton.cana); a Teor de umidade do bagaço (ton.h2o/ton.bagaço Úmido). Já o aproveitamento da palha e pontas da planta é determinado pelo coeficiente de disponibilidade, que varia em função da condição de topologia da área plantada, do tipo de