AUMENTO NA GERAÇÃO DE ENERGIA POR MEIO DA COMBUSTÃO DO LICOR NEGRO EM CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO QUÍMICA

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1 AUMENTO NA GERAÇÃO DE ENERGIA POR MEIO DA COMBUSTÃO DO LICOR NEGRO EM CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO QUÍMICA A. C. O SANTOS 1* e L. S. ARRIECHE 2 1 Universidade Federal do Espirito Santo, Aluno do Programa de Pós-graduação em Energia 2 Universidade Federal do Espirito Santo, Professor do Departamento de Engenharias e Tecnologia. * para contato: antonio.engmec@hotmail.com RESUMO Ultimamente, existe amplo interesse na aplicação energética do licor negro, que corresponde a cerca de 1,5 t de sólidos secos, para cada tonelada de celulose produzida. Assim, objetivou-se estudar o aumento na geração de energia renovável, a partir da combustão do licor negro, em uma indústria local. Foi realizada a síntese estrutural pelo método heurístico, incluindo experiências adquiridas no segmento da celulose. O problema, representado por árvores de estados, foi estruturado em 8 subsistemas e 8 configurações distintas, com e sem integração energética. Pela rota de combustão direta, aumentou-se a geração de energia, visto que o evaporador casco/tubos proporciona boa concentração do licor negro, quando combinado com bocais de 36 milímetros, para a regulação das gotículas de licor. Foi proposta a integração energética do vapor flash, para o aquecimento do ar de combustão terciário. Em adição, o método dos vizinhos estruturais permitiu encontrar fluxogramas alternativos viáveis. 1. INTRODUÇÃO O processo Kraft é um ciclo fechado, devido a recuperar praticamente todos os seus químicos utilizados no processo de polpação da madeira. Inicia com a entrada de cavacos no digestor, na qual será realizado o processo de polpação, com vapor e licor branco. Em seguida, a celulose é lavada, em que se obtém o licor negro diluído. Seguindo o fluxo, a próxima etapa é o tratamento térmico desse licor, em que será evaporada toda água do subproduto, em evaporadores de múltiplos estágios, passando de um licor negro a 15% para um licor negro a 80%. Assim, chega-se a um ponto de concentração ideal para a combustão. Esse licor concentrado é injetado na caldeira de recuperação química, em que a parte orgânica entrará em combustão, transformando-se em energia. A parte inorgânica se converterá em licor verde bruto. O licor verde passará pelo processo de caustificação, em que irá se converter em licor branco, que é retornado para o processo de cozimento. Desse modo, tem-se um ciclo fechado, que está representado na Figura 1.

2 Digestor Forno de cal Cal Lavagem Caustificação Lama de cal Evaporação Figura 1 - Ciclo de recuperação Kraft De acordo com Isenmman (2012), o processo Kraft é de longe o mais importante processo para obtenção da celulose, matéria prima da fiação e do papel e de suma importância econômica brasileira. Mas isso não seja o único objetivo para discutir a parte da recuperação do processo Kraft. Mais essencial ainda é destacar a necessidade da recuperação de recursos químicos em qualquer indústria com transformações químicas. A recuperação da lixívia de digestão da madeira é um ótimo exemplo, em que os reagentes químicos agressivos do processo da polpação da madeira são mantidos em um ciclo fechado, minimizando assim o impacto ambiental. Com o aumento na escala industrial e venda de energia nos tempos modernos, houve uma demanda maior no consumo de energia. Com isso, surgiu a necessidade de aumentar a capacidade de geração de energia nas plantas industriais, o que se tornou necessária e atrativa para as empresas. As indústrias do segmento de papel e celulose são autossuficientes, devido à geração de energia através dos resíduos gerados no processo, como a biomassa das cascas do eucalipto e o licor negro, mediante a lavagem da polpa da celulose. Assim, o objetivo deste trabalho é esclarecer, através da árvore de estados, qual ou quais rotas químicas são viáveis, para que possa haver um aumento na geração de energia, a partir da combustão do licor negro, em uma caldeira de recuperação química de uma indústria local. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Caldeira Subsistemas Envolvidos/Decomposição do Problema: Serão apresentados subsistemas envolvidos para produção de energia, que serão utilizados para criar as rotas tecnológicas viáveis, desde o processo de concentração do licor negro nos evaporadores, até o processo de combustão no interior da caldeira de recuperação química. Evaporadores tipo casco/tubos: Os evaporadores tipo casco/tubos (Figura 2) são evaporadores em que o licor negro flui no interior, realizando troca térmica com o vapor que flui no exterior. O licor negro é injetado no evaporador, sendo elevado até o topo do efeito, quando é

3 espalhado em uma bandeja espelhada. Isso ocorre para que o licor seja distribuído uniformemente pelos tubos, formando um filme de licor negro. Esses modelos de evaporadores são os mais utilizados nas indústrias que necessitam evaporar a água residual, presente em seus produtos, ou subprodutos, devido a seu elevado desempenho, fácil limpeza e manutenção. Esse modelo é vantajoso em relação aos demais, em termos de segurança, além de evitar contaminação no condensado coletado durante o processo de evaporação (Campos, 2009). Licor Evaporado Figura 2 - Representação esquemática de um evaporador casco/tubos Evaporadores tipo placa: Nos evaporadores tipo placa (Figura 3) o licor negro tende a fluir externamente e o vapor é injetado em uma câmara. No evaporador de filme descendente de placas, a solução é injetada na bandeja superior e escoa de forma descendente pela superfície externa das placas (Leite et al., 2008, apud Campos, 2009). Figura 3 Evaporador tipo Placa Fonte Operação Suzano 2006 Bocais nebulizadores de licor negro: Os parâmetros dos bocais de licor são de suma importância para que a utilização de uma caldeira de recuperação química possa ser prolongada, devido a afetar diretamente no diâmetro das gotículas do licor negro. Atualmente, existem vários modelos de bocais, mas no decorrer do trabalho será discutido sobre dois modelos. O bocal mais

4 utilizado pelas indústrias e o tipo splashplate (Figura 4). Consiste em um bico de forma circular, com prato espelhado na ponta do bocal, o que direciona o fluxo do licor para o interior da fornalha. Figura 4 Bocal de licor splashplate O bocal Beer Can (Figura 5) possui características diferentes do anterior. Como o próprio nome já mencionado, tem forma de uma lata de cerveja invertida. Isso promove uma série de vantagens. O licor negro é injetado no interior na fornalha, realizando uma rotação direcionada para baixo, diminuindo o arraste, promovendo uma maior campanha e troca térmica do equipamento, em que sua resposta de queima é superior ao do splashplate. Mas para utilização em caldeiras já em operação, é necessária uma reformulação dos parâmetros do ar de combustão, verificando temperatura e pressão, devido à maior formação da camada de smelt. Figura 5 Bocal Beer Can Fonte SHB 2016 Secagem: A secagem do licor negro é uma das primeiras etapas para que aconteça o processo de combustão, pois é nessa etapa que ocorre a evaporação da água residual, presente no licor negro. O ar secundário e secundário alto têm por finalidade secar as gotículas de licor, queimar gases da pirólise, controlar a altura do leito de carbono e quebrar a velocidade vertical. A temperatura atinge cerca de 110 C, após passar por um pré-aquecedor. Assim, por meio de secagem convectiva, faz com que as gotículas de licor sequem, assegurando de que a água residual

5 seja evaporada. Na Figura 6 tem-se uma representação do sistema de ar secundário, em que ao ser injetado as gotículas de licor negro, o ar penetra com dada pressão, temperatura e velocidade. Ar Secundário a 110 C Figura 6 - Representação da secagem da gotícula de licor. Reação: Quando se observa a Figura 7, percebe-se que a caldeira de recuperação química, quando vista como um reator químico, é um tanto única. Secagem CH4 H2O CO Volatização H2 CO2 H2S Queima do leito Figura 7 Fases da combustão da gota de licor negro Com a secagem do licor negro, a elevada temperatura aumenta a velocidade das reações com mais baixas energias de ativação. Para os combustíveis orgânicos, existe a liberação de gases de baixo peso molecular, tais como o metano, dióxido de carbono, hidrogênio e sulfureto de hidrogénio (Vakkilainen, 2004). Durante volatilização, geralmente a liberação de gás é grande o suficiente para que nenhum oxigênio possa entrar em contato com a superfície da gota. Portanto, as condições da gota

6 assemelham-se aos de pirólise ou aquecimento em atmosfera inerte. O termo pirólise, frequentemente utilizado incorretamente, significa volatilização. Assim, ocorre liberação da fração volátil, com ou sem oxigênio presente (Vakkilainen, 2004). Há queima do leito de carvão, em que está concentrada a maior temperatura do sistema. Durante a queima do leito, as reações predominantes do carbono são as reações com o sulfato fundido. O sulfato e o sulfeto presentes podem agir como catalisadores da queima do carbono, com o sulfato sendo reduzido a sulfeto e, consequentemente, o sulfeto sendo reoxidado a sulfato pela reação com o oxigênio (Potrich, 2014). Integração Energética: De acordo com Perlingeiro (2005), integração energética é todo o aproveitamento de energia, ou seja, calor que realize, através de uma alteração de fluxo no processo, uma troca térmica entre dois fluxos de massa. Assim, aumenta-se a capacidade de geração de energia. A integração energética, realizada para o aumento da geração de energia na caldeira esquematizada na Figura 8, utiliza o vapor flash, que é lançado para atmosfera a cerca de 100 C. Pode-se entender melhor observando a representação esquemática da Figura 8, em que o aquecimento do ar terciário é feito mediante o projeto proposto. Vapor Flash ATM Ar terciário Purga do balão Agua Industrial Figura 8 Representação do sistema de Integração energética do Ar terciário Síntese da Árvore de Estados, Regras heurísticas e Vizinhos Estruturais via Combustão: De acordo com Perlingeiro (2005), na síntese é gerado o conjunto das estruturas viáveis para o sistema químico, de acordo com o máximo de considerações técnicas, em termos de equipamentos e condições operacionais possíveis. A representação do tipo Árvore de Estados demonstra todas as possíveis rotas tecnológicas para o aproveitamento residual (Batista, 2014). A regra heurística trata-se de um método intuitivo, em que é utilizado para evitar o confronto de uma explosão combinatória, a qual é resolvida apenas por meio da inteligência artificial (Carvalho, 1995, apud Batista, 2014). Na Figura 9 observa-se uma representação da árvore de estados via combustão. A rota promissora para aumentar a geração de energia via combustão é apresentada a seguir em vermelho (Figura 9). O tratamento térmico deste subproduto do processo é de suma

7 importância. Então se admitiu a ideia de um evaporador casco/tubos. Tal equipamento é muito utilizado nas indústrias, devido a ser composto por vários feixes de tubos, diminuindo os riscos de contaminação. Devido às vantagens proporcionadas pelo bocal Beer Can, tal como a diminuição de arraste, com melhora da troca térmica da caldeira, optou-se por este modelo com diâmetro de 36 milímetros. A secagem por convecção é a escolhida, por motivos de adaptação, devida ao ar secundário promover várias funções na caldeira, como a secagem. A integração energética é um aproveitamento do calor residual, para aumentar a capacidade de geração de energia. Os vizinhos estruturais são uma metodologia a qual busca alternativas, em que um fluxo difere dos outros pela mudança de nível em um subsistema. Logo, se obteve dois vizinhos na Figura 9. O primeiro vizinho, de cor azul, segue basicamente a mesma sequência do heurístico, mas difere-se no modelo do bocal de licor negro, no qual sugere a utilização do splashplate. Já o segundo fluxograma vizinho, de cor verde, difere-se pelo evaporador, ao qual segue a ideia do evaporador de placas, considerado como ultrapassado nas atuais fabricas. LICOR NEGRO ROTA DE PROCESSOS ENERGIA COMBUSTÃO EVAPORADOR CASCO/TUBOS EVAPORADOR PLACAS BOCAL BOCAL BOCAL BOCAL SPLASHPLATE BEER CAN SPLASHPLATE BEER CAN D = 34 mm D = 36 mm D = 34 mm D = 36 mm D = 34 mm D = 36 mm D = 34 mm D = 36 mm CONVECÇÂO CONVECÇÂO CONVECÇÂO CONVECÇÂO CONVECÇÂO CONVECÇÂO CONVECÇÂO CONVECÇÂO CALDEIRA CALDEIRA CALDEIRA CALDEIRA CALDEIRA CALDEIRA CALDEIRA CALDEIRA S / INTEGR C / INTEGR S / INTEGR C / INTEGR S / INTEGR C / INTEGR S / INTEGR C / INTEGR GERAÇÃO GERAÇÃO GERAÇÃO GERAÇÃO GERAÇÃO GERAÇÃO GERAÇÃO GERAÇÃO HEURISTICO 1 VIZINHO 2 VIZINHO Figura 9 - Projeto de processos representado por uma Árvore de Estados via combustão 3. CONCLUSÃO Realizou-se uma busca orientada pela árvore de estados para o resíduo líquor negro, de forma a sintetizar cada rota tecnológica, até chegar-se ao produto final. A regra heurística possibilitou a chegada à rota tecnológica promissora, indicando um considerável aumento de obtenção de energia. O evaporador casco/tubos possui ótima manutenção e concentração do licor

8 negro, juntamente com o tipo e diâmetro dos bocais de 36 milímetros, para o controle das gotículas de licor. A integração energética do vapor de flash, que atualmente é lançado para atmosfera, foi utilizada para aquecer o ar terciário. Com a utilização do método dos vizinhos estruturais, pode-se encontrar as sequências das alternativas viáveis, para que com uma análise matemática, possa ser avaliado qual rota tecnológica se tornará à ótima. 4. REFERÊNCIAS BATISTA, R. R. Rotas de aproveitamento tecnológico de resíduo orgânico agrícola: casca de coco, casca de cacau e casca de café destinadas à geração de energia f. Mestrado em Energia Programa de pós-graduação em energia, Universidade Federal do Espirito Santo, São Mateus, CAMPOS, S. G. S. Modelagem matemática e análise do coeficiente global de transferência de calor para o processo de concentração do licor negro de eucalipto em sistema de evaporadores de múltiplo efeito f. Mestrado em Engenharia Industrial Programa de pósgraduação em Engenharia Industrial, Centro Universitário do Leste de Minas, Coronel Fabriciano, ISENMANN, A. F. Química a partir de recursos renováveis. 1 edição. Timóteo: Autor, P 105. vol 1. PERLINGEIRO, C.A.G., Engenharia de processos análise, simulação, otimização e síntese de processos químicos. Editora Blucher POTRICH, L. B. Modelagem da queima do carbono na caldeira de recuperação 2 da klabin monte alegre por rede neural artificial f. Mestrado em Engenharia Química Programa de pós-graduação em Engenharia Química, Universidade estadual do oeste do Paraná, Toledo, SHB, G. Power Plant Engineering. < SUZANO, G. Somos uma das mais tradicionais organizações empresariais brasileiras. Suzano, Disponível < VAKKILAINEN, E. K., Kraft Recovery Boilers principales and practice. Postgraduate lecture notes course of steam power plants. Lappeenranta University of technology. Finland, AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPES e à CAPES.