MODELAGEM E OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO DA PRODUÇÃO DE ENERGIA PARA DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL DO AGRONEGÓCIO DE FRUTAS

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1 MODELAGEM E OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO DA PRODUÇÃO DE ENERGIA PARA DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL DO AGRONEGÓCIO DE FRUTAS DANIELY DE BARROS BARBOSA 1 RODRIGO FREITAS DE ANDRADE 2 JORGE EDUARDO DA SILVA OURIQUE 3 P.V. PANNIR SELVAM 4 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Graduanda em Engenharia Elétrica 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Graduando em Engenharia Química 2 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Prof. Dr. em Engenharia Química 3 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Prof. PhD em Engenharia Ambiental 4 Resumo - Grandes problemas são encontrados por quem necessita obter uma fonte de energia capaz de viabilizar a produção de alimentos oriundos das frutas O uso da energia elétrica pela maior parte das usinas e micro-usinas é um dos principais fatores para a elevação no custo da produção. A utilização de fontes alternativas de energia barateia um pouco esse custo. Dessa forma, esse projeto de sistema integrado de produção de energia para agroindústria, apoiado pelo CNPq, torna muito vantajosos todos os investimentos que venham a ser feitos nessa direção. O objetivo da pesquisa é desenvolver uma nova síntese de processos para utilização de biomassa vegetal (madeira) para produção da energia elétrica aplicada no processo de fabricação de geléia de frutas com co-produção de carvão ativado. O nosso projeto de biomassa residual produz energia a partir da madeira via pirólise e gaseificação. E também usa a substituição da glicose encontrada no açúcar pela pectina, proveniente das cascas de frutas. Resultados comparativos indicam que essa substancia (pectina) é bastante eficiente no controle do nível de colesterol do sangue e também é muito rica no fornecimento energético para as pessoas que as consome. Depois de realizadas pesquisas bibliográficas sobre o atual estado da tecnologia da produção de energia baseada na biomassa vegetal de lenha, processos de termoconversão, reator de ativação e equipamentos, a partir disto foram desenvolvidos projetos de engenharia, com a utilização da ferramenta Super ProDesigner 4.9. Foram feitas várias simulações de processos de pirólise rápida, gaseificação, separação de bioóleo, geração de energia incluindo sistema de integração de produção de energia como inovação do trabalho proposto. A partir disto, dois cenários foram desenvolvidos: um, o atual processo de produção e o outro, a nossa inovação, sendo estudados detalhadamente o projeto de investimento e custos, análise de viabilidade e fluxo de caixa utilizando o software Orçamento Os resultados de diversos parâmetros técnico-econômicos deste cenário foram comparados e analisados, onde foi observado um bom rendimento energético e material de processo convencional praticado no país. A modelagem proposta envolve o sistema integrado que permite a valorização da geléia de frutas com viabilidade econômica melhorada de forma eficiente. Considerando a viabilidade e baixo custo desse processo e os diversos parâmetros econômicos analisados pretende-se contribuir para o fornecimento de um alimento mais saudável para a população. Abstract - Great problems are found by who need to get a power plant capable to mostly make possible the deriving food production of the fruits. The use of the electric energy of the plants and micron-plant is one of the main factors for the rise in the cost of the production. The use of alternative sources of energy sells at a loss a little this cost. Of this form, this project of integrated system of production of energy for agroindústria, supported for the CNPq, becomes advantageous all the investments that come to be made in this direction. The objective of the research is to develop a new synthesis of processes for use of vegetal biomass (wood) for production of the applied electric energy in the process of manufacture of jelly of fruits with co-production of activated coal. Our project of residual biomass produces energy from the wood saw pyrolysis and gaseification. And also uses the substitution of the glucose found in the sugar for the pectina, proceeding from the rinds

2 of fruits. Comparative results indicate that this substantiates (pectina) is sufficiently efficient in the control of the cholesterol level of the blood and also is very rich in the energy supply for the people who consume them. After carried through bibliographical research on the current state of the technology of the production of energy based on the vegetal biomass of firewood, processes of term conversion, reactor of activation and equipments, to leave of this had been developed engineering projects, with the use of the tool Super ProDesigner 4.9. Some simulations of processes of fast pyrolysis, gasification, separation of bio oil, generation of energy including system of integration of energy production as innovation of the considered work had been made. To leave of this, two scenes had been developed: one, the current process of production and the other, our innovation, being studied at great length the project of investment and costs, analysis of viability and cash flux using software Orçamento The results of diverse technician-economic parameters of this scene had been compared and analyzed, where a good energy and material income of practised conventional process in the country was observed. The modeling proposed involves the integrated system that allows the valuation of the jelly of fruits with improved economic viability of efficient form. Considering the viability and low cost of this process and the diverse analyzed economic parameters it is intended to contribute for the supply of a more healthful food for the population. 1. Introdução O carvão vegetal é produzido a partir da lenha pelo processo de carbonização ou pirólise, seu uso industrial continua sendo largamente praticado no nosso país, sendo ainda o Brasil o maior produtor dessa fonte de energia. No setor industrial que representa quase 85% do consumo, as ligas metálicas são os principais consumidores do carvão de lenha, o setor residencial consome cerca de 9% seguido pelo setor comercial com 1,5%. O uso da energia elétrica pela maior parte das usinas e micro-usinas é um dos principais fatores para a elevação no custo de suas produções e também é um fator crítico no caso das regiões rurais afastadas dos grandes centros onde o fornecimento de energia elétrica é escasso e caro ou totalmente inexistente, essa realidade pode ser modificada através da utilização do carvão ativado em sistemas de gasogênio para o fornecimento de energia elétrica. 2. Objetivo O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de gasogênio produzido por carvão ativado para geração de energia elétrica em pequena escala em cogeração com uma empresa de geléia de frutas. O sistema proposto é aplicado à realidade econômica da região rural visando a viabilidade para sua implementação. 3. Revisão Bibliográfica 3.1 Pirólise O termo pirólise é utilizado para caracterizar a decomposição térmica de materiais contendo carbono, na ausência oxigênio. Assim, madeira, resíduos agrícolas ou qualquer outro tipo de material orgânico se decompõe, dando origem a três fases: uma sólida, o carvão vegetal; outra gasosa e finalmente, outra líquida, comumente designada de fração pirolenhosa (extrato ou alcatrão). A proporção relativa das fases varia como função da temperatura, do processo e do tipo de equipamento empregado. Geralmente a temperatura situa-se na faixa de 400 a 1000 C. É interessante ressaltar que a definição dada para o processo de pirólise exclui a presença de oxigênio, embora na prática muitos processos de pirólise sejam conduzidos com alimentação de ar. Isto se justifica pelo fato de que sendo o processo como um todo endotérmico, calor é requerido para o seu pleno desenvolvimento. Nada mais lógico, portanto, que tentar conduzir o processo de tal forma que o oxigênio adicionado possibilite a combustão de parte dos produtos combustíveis formados, gerando dessa forma o calor necessário ao processo de pirólise. A grande aplicação do processo de pirólise tem sido na produção de carvão vegetal, cujo rendimento pode chegar ate 40% em peso, em relação à matéria-prima. 3.2 Combustão

3 O processo de combustão consiste essencialmente na reação química entre o hidrogênio e o carbono com o oxigênio que geralmente é proveniente do ar. As equações químicas representativas deste processo estão descritas a seguir: 3.3 Gaseificação C + O CO 2 + CALOR H 2 + ½ O H 2 O + CALOR O processo de gaseificação de biomassa, notadamente o carvão (ou madeira), tem sido largamente utilizado desde o século passado, visando à geração de calor industrial ou à produção de gases combustíveis para a utilização em motores através do uso do gasogênio. O ressurgimento do interesse pelo gasogênio se justifica pela facilidade com que o gás pode substituir os derivados de petróleo em grande número de aplicações industriais, pelo fornecimento de calor em pequenas agroindústrias, pelo acionamento de grupos geradores e motobombas no meio rural. A gaseificação converte os materiais compostos de carbono, hidrogênio e oxigênio em gases de maneira muito semelhante à pirólise, no sistema de gasogênio é utilizado oxigênio e/ou vapor d água como agentes de gaseificação. Neste processo a tendência é obter temperaturas mais altas do que na pirólise e uma maior formação de gases combustíveis. O gasogênio ou gaseificador é um dispositivo, que, queimando controladamente o carvão, produz um gás combustível com a seguinte composição: Monóxido de carbono (CO) 23 a 28% Hidrogênio (H 2 ) 12 a 15% Metano (CH 4 ) 1 a 2% Nitrogênio (N 2 ) 50 a 55% Dióxido de carbono (CO 2 ) 4 a 10% Destes gases, somente o CO, H2 e o CH4 são gases combustíveis, somando uma média de 40% da mistura. Esses componentes formam um gás chamado gás pobre, cujo poder calorífico se situa entre 1100 a 1200 kcal/nm Nutrientes Presentes nas Frutas As frutas são uma parte indispensável da dieta humana. São nossa principal e única fonte de ácido ascórbico, fundamental para nossa ingestão de caroteno tiamina, riboflavina, niacina, ácido fólico e outras vitaminas do complexo B. As frutas contêm de 0,3 a 5,7% de material indigestível (fibras). A inclusão de frutas na dieta é essencial para suprir as necessidades de fibras dietéticas, que tem efeitos fisiológicos bastante importantes. A experiência clínica já mostrou a sua importância na manutenção do trofismo intestinal e da integridade estrutural da mucosa intestinal, funcionando como uma barreira imunológica, que previne a translocação bacteriana. 3.5 Vitaminas do Mamão O mamão é uma fruta rica em vitaminas como o ácido ascórbico e o beta-caroteno (precursor da vitamina A) e rico em minerais como cálcio, fósforo, ferro, sódio e potássio. E ainda é composto rico em fibras solúveis que auxiliam na motilidade intestinal e aumentando o transito intestinal diminuindo o risco de câncer do cólon. 3.6 O Suco de Laranja

4 O suco de laranja possui em sua composição enzimas, principalmente a pectinesterase, que acelera a hidrólise das ligações éster-metílicas, na molécula de pectina, formando ácido péctico e metanol, de acordo com a reação abaixo: R COO CH 3 + H PECTINESTERASE ---> R-COOH + CH 3 -OH Essa enzima, às vezes, citada como pectina metil esterase (PME), apresenta o máximo de atividade por volta de ph 7,0 a 7,5. Isso é motivo de grande atenção no processamento de frutas cítricas, pois acredita-se ser uma das principais causas da instabilidade conhecida como perda de opacidade e gelificação no suco não pasteurizado ou em concentrados congelados. 4. Metodologia Os arranjos obtidos no decorrer deste trabalho foram obtidos através de simulações realizadas em softwares, Orçamento 2004 e Super ProDesigner, gerando contextos co-relacionados com a produção de geléia de frutas, fazendo-se como variáveis a capacidade de produção, equipamentos, quantidade de frutas, quantidade de açúcar, número de funcionários, quantidade de embalagens e preço da energia elétrica, sendo modelada para se obter a melhor relação entre produção e custos. Outra simulação realizada foi relacionada com o uso de energia alternativa (energia obtida através do sistema de gasogênio), para gerar uma comparação custo-benefício com relação à energia elétrica. 5 Resultados 5.1 Análise dos Cenários A capacidade de produção da Agroindústria é bem maior que da Microusina, sendo que as diferentes formas de produção utilizadas conservam a rentabilidade em ambos os processos. O investimento em equipamento é maior na Agroindústria, pois os processos requerem uma maior complexidade do que na Agroindústria. O custo da Energia é o grande diferencial, sendo a energia do Gasogênio adequada ás regiões mais afastadas da Zona Urbana. A desvantagem dessa forma de produção é o alto custo com materiais diversos, mas que posteriormente acaba sendo mais viável que a energia Elétrica comum.o lucro obtido é bem maior na produção de geléia, tanto pela Microusina, quanto pela Agroindústria, usando a energia produzida com Gasogênio porque o preço de 1KW w de R$0,16. Bem mais barato que o da Energia Elétrica convencional, que é de R$0,29.

5 MICROUSINA Por Hidrelétrica Por gasogênio Capacidade de Produção 2,64t/ano 2,64t/ano Investimento de equipamento R$650,00 R$650,00 Investimento fixo R$998,16 R$998,16 Capital de giro R$2116,8 R$2137,67 Custo de matériaprima R$876,37/ano 876,37/ano Custo de mão de obra R$3120,00/ano R$3120,00/ano Custo de energia R$430,00/ano R$430,00/ano Custo de produção R$5,80 R$5,80 Lucro R$287,6 R$618,64 Taxa de retorno 0,19 0,54 AGROINDÚSTRIA Por Hidrelétrica Por gasogênio Capacidade de Produção 13,2t/ano 13,2t/ano Investimento de equipamento R$1.300,00 R$1.300,00 Investimento fixo R$2.076,00 R$2.076,00 Capital de giro R$10.256,00 R$10.144,32 Custo de matériaprima R$2.086/ano R$2.086/ano Custo de mão de obra R$12.480,00/ano R$12.480,00/ano Custo de energia R$3.000,00/ano R$1.654,00/ano Custo de produção R$5,37 R$5,27 Lucro R$7.641,14 R$8.676,53 Taxa de retorno 4,01 4,66 Palavras-Chave Biomassa, Energia e Frutas. Agradecimentos Ao CNPq e ao IEL pelas bolsas de pesquisa.

6 Bibliografia [1] SCOHT; C. D. Biotechnology; Energy Product and Conservation; John Wiley e Sons; USA [2] Revista Técnica de Energia-Petróleo e Gás.n 1: Ano 1;ABRIL/MAIO/ JUHO; 2002 [3] RELATÓRIO CONJUNTO; Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG ACESITA. Sistema Integrado de Carbonização Contínua e Geração de Eletricidade. July; [4] Cia. Aços Especiais Itabira (ACESITA): Coordenação de Biomassa ;Núcleo de Desenvolvimento Tecnológico.Modernização da Produção de Carvão Vegetal; Belo Horizonte; [5] CARIOCA, J.O.B.; PANNIR SELVAM, P.V. et al. Energy from Biomass. Impact of Sciences on Society; 148. p. 305; [6] COELHO; J. C. Biomassa; Biocombustíveis; Bioenergia; Brasília; [7] LINHARES; I,W. Concentrado Calórico de Baixo Custo.