ESTUDO E OTIMIZAÇÃO DE PLANTA DE COGERAÇÃO INDUSTRIAL PARA APROVEITAMENTO DE GÁS POBRE

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1 ESTUDO E OTIMIZAÇÃO DE PLANTA DE COGERAÇÃO INDUSTRIAL PARA APROVEITAMENTO DE GÁS POBRE Diego Costa Lopes Esola Politénia da USP - EPUSP diego.osta@poli.usp.br Resumo. O projeto onsiste no estudo de uma planta industrial de ogeração, que gera energia e produz vapor para proesso, utilizando omo ombustível o tail gas, gás pobre que é rejeito do proesso de produção de negro de fumo. Também faz parte do projeto a otimização desta planta, visando uma menor utilização de ombustível e maior rendimento do ilo. Uma análise de viabilidade ténio-eonômia será efetuada levando em onsideração a utilização de um ilo Rankine tradiional, Brayton e ilo ombinado. Palavras have: ogeração, termodinâmia, energia, gás pobre. 1. Introdução Uma planta de ogeração onsiste, basiamente, da geração de trabalho e alor útil provenientes de uma mesma fonte térmia. Em outras palavras, uma planta de ogeração produz energia elétria e vapor para proesso, a partir de um mesmo insumo ou onjunto de insumos energétios. É intuitivo, e omprovado na prátia, que a utilização da ogeração para atender a ambas as demandas simultaneamente resulta em uma utilização menor de energia, se omparada om o atendimento a estas mesmas demandas separadamente. As plantas de ogeração vêm sendo extensivamente estudadas no ramo industrial nos últimos anos. A neessidade ada vez maior de uma utilização raional da energia, influeniada pela resente preoupação om o meio ambiente e pelos altos preços dos ombustíveis derivados de petróleo após a déada de 70, forçou a indústria a busar maneiras de otimizar suas plantas, utilizar rejeitos térmios omo insumo energétio, e interligar os proessos de produção de energia elétria e vapor. Entretanto, as primeiras apliações de ogeração não são reentes. James Watt, no séulo XVIII, sugeriu que o vapor de exaustão de sua máquina a vapor fosse utilizado para aqueimento residenial. Tão onveniente foi esta solução, que hoje na Europa ela ainda é largamente utilizada, em espeial nos países om inverno mais rigoroso. Horlok (1997) estima que a utilização de rejeito térmio de plantas de ogeração para aqueimento distrital atende entre 8% e 15% da arga térmia total em países omo Dinamara, Suéia e Finlândia. A planta de ogeração a ser estudada opera em onjunto om uma unidade de produção de negro de fumo. O negro de fumo é um material similar à fuligem, produzido pela ombustão sub-estequiométria de óleos pesados, alatrão e alguns óleos vegetais, e é utilizado prinipalmente omo pigmento e omo reforço em produtos fabriados om borraha e plástios. A produção deste material tem omo sub-produto grandes quantidades de tail gas, um gás pobre omposto de uma mistura de gases inflamáveis e inertes. Este gás é usualmente queimado em flares nas plantas de negro de fumo, portanto desperdiçando potenial energétio onsiderável. A planta de ogeração que é objeto deste estudo foi projetada, portanto, para aproveitar este gás pobre para geração de energia elétria, utilizada na própria planta, e vapor, que é vendido para outras plantas exeto por uma pequena quantidade, utilizada internamente. Um estudo ompleto desta planta (que opera utilizando um ilo Rankine tradiional) será efetuado. O objetivo iniial do estudo é obter as troas de alor efetuadas e potênia elétria gerada, a fim de determinar os rendimentos energétios e exergétios. Após esta fase iniial, serão analisadas modifiações a serem implementadas na planta, visando melhorar estes rendimentos e diminuir ustos de operação. As modifiações a serem propostas inluem a substituição do ilo Rankine em operação por um ilo Brayton ou ilo ombinado, além da utilização de ombustíveis adiionais e alterações na estrutura da planta. Por fim, uma análise de viabilidade ténia-eonômia será feita, busando esolher a onfiguração da planta que melhor atende aos requisitos de geração de energia elétria e demanda de vapor. 2. Desrição da planta Na Fig. (1) é mostrado um fluxograma da planta estudada, detalhando o funionamento do ilo. Os losangos numerados representam os estados de interesse para os balanços de massa, energia e exergia da planta. Os hexágonos identifiam as válvulas de ontrole presentes no ilo. O funionamento da planta é similar aos ilos Rankine tradiionais. Vapor superaqueido é expandido na turbina, ondensado e bombeado até o onjunto de desaerador e tanque de ondensado. O desaerador também reebe ondensado dos proessos 1 e 2, além de retorno da água de resfriamento e vapor proveniente do troador de alor indiado entre os estados 16 e 17, que é um aqueedor do ar de ombustão. O ondensado proveniente do desaerador é bombeado até a aldeira, que produz vapor saturado. Parte deste vapor é desviada até o aqueedor do ar de ombustão. O restante é enviado para os proessos 1 e 2, e para a turbina, fehando o ilo. Na Tab. (1) são forneidos os parâmetros de operação para os estados numerados na figura.

2 Figura 1. Fluxograma da planta atual detalhando o ilo. Tabela 1. Parâmetros do proesso. Estado Pressão Temperatura Vazão Mássia bara K kg/h 1 46, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 4306

3 Adiionalmente, são forneidos os seguintes dados do ombustível e do funionamento da aldeira e turbina: Tabela 2. Consumo e dados energétios e exergétios do ombustível. Dados do ombustível PCI do tail gas kj/kg 2259 Exergia químia do tail gas kj/kg 2460 Tabela 3. Efiiênias da aldeira, superaqueedor e turbina. 3. Metodologia Dados dos equipamentos Efiiênia da aldeira Ad. 0,790 Efiiênia do superaqueedor Ad. 0,790 Efiiênia isoentrópia da turbina Ad. 0,789 A fim de determinar os balanços de massa, energia e exergia do ilo e de seus elementos individuais, serão utilizadas a primeira e segunda lei da termodinâmia (Van Wylen et al., 2003) e os ritérios de avaliação de plantas de ogeração (Horlok, 1997). Para a adoção deste onjunto de equações a hipótese de esoamento em regime permanente foi adotada, assim omo foi desprezada a atuação das energias inétia e potenial. Equação da ontinuidade: = s m me (1) Primeira lei da termodinâmia para um volume de ontrole: Q v. W v.. m s me. = hs he (2) Balanço de exergia para um volume de ontrole: T = 0 W v 1 Q v+ m e e m sψ s T0 S ger Ti ψ (3) Após os álulos individuais para ada equipamento, é possível obter os oefiientes de desempenho da planta. Fator de utilização de energia: FUE W + Qútil = (4) m PCI Rendimento de segunda lei: Ψ = + Q i 1 W m ψ To T i (5) Índie de Poupança de Energia:

4 IPE = 1 m PCI (6) η W pot _ padrão Q + η útil ald _ padrão Índie de Geração de Potênia: IGP Q útil PCI ηald m W = (7) Razão Potênia-Calor: RPC W = (8) Q útil onde: he - entalpia do estado de entrada (kj/kg); h - entalpia do estado de saída (kj/kg); s m - fluxo mássio de ombustível (kg/s); m e - fluxo mássio que penetra o volume de ontrole (kg/s); m s - fluxo mássio que deixa o volume de ontrole (kg/s); PCI - Poder alorífio inferior do ombustível (kj/kg); Q i - potênia térmia útil individual (kw); Q útil - potênia térmia útil total produzido pela planta (kw); Q v.. - fluxo de alor que ultrapassa o volume de ontrole (kw); T - temperatura na qual o alor é forneido (K); i T - temperatura do estado de referênia (K); 0 T S 0 ger - exergia destruída (kw); W - potênia gerada na planta (kw); W v.. - potênia no volume de ontrole (kw); ψ - exergia do estado de entrada (kj/kg); e ψ - exergia do estado de saída (kj/kg); s ψ - exergia químia do ombustível (kj/kg); η - rendimento de uma planta de potênia padrão; pot _ padrão η ald _ padrão - rendimento de uma aldeira padrão; η ald - rendimento da aldeira da planta;

5 Os balanços de energia e exergia nos forneem as troas de alor, potênia gerada e irreversibilidades em ada equipamento, enquanto que os oefiientes de desempenho permitem uma análise omparativa do ilo, a fim de ataar eventuais inefiiênias om maior lareza. 4. Análise da planta As propriedades termodinâmias de interesse foram obtidas por simulação numéria utilizando a formulação padrão para a indústria (IFC-97). Os resultados são apresentados abaixo. Tabela 4. Resultados do balanço de energia. Balanços de energia Potênia gerada pela turbina MW 4,52 Calor rejeitado no ondensador MW -13,18 Calor forneido na aldeira MW 61,62 Calor forneido no superaqueedor MW 9,30 Calor útil para o proesso 1 MW 33,25 Calor útil para o proesso 2 MW 1,41 Potênia total de bombeamento kw 146,90 Tabela 5. Coefiientes de desempenho da planta. 5. Alternativas Coefiientes de desempenho Fator de Utilização de Energia 0,5505 Índie de Poupança de Energia -0,2494 Índie de Geração de Potênia 0,1650 Razão Potênia-Calor 0,1287 O objetivo prinipal deste estudo é a melhoria da planta em questão, que apresenta sérias inefiiênias. Para alançar este objetivo, são propostas três alternativas de onfiguração da planta, desritas abaixo: 5.1. Alternativa A Cilo Rankine Modifiado Esta alternativa prevê apenas a remoção das fontes de inefiiênia da planta original. As válvulas de ontrole foram eliminadas, e o vapor de proesso é parialmente expandido na turbina para aumentar a geração de potênia elétria. O fluxograma é apresentado abaixo: Figura 2. Fluxograma do Cilo Rankine Modifiado

6 Tabela 6. Parâmetros do ilo Rankine Modifiado. Estado Pressão Temperatura Vazão Mássia bara K kg/h 1 46, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Alternativa B Cilo Brayton Esta alternativa prevê a geração de potênia por uma turbina a gás alimentada pelo mesmo ombustível das alternativas anteriores. O vapor de proesso neessário é obtido através da reuperação de alor dos gases exaustos da turbina. Cuidados devem ser tomados devido ao fato de que o gás a ser queimado é um gás pobre, portanto o ompressor do ombustível deve ser de um maior porte. A temperatura dos gases na saída da âmara de ombustão é menor pelo mesmo motivo, portanto um menor exesso de ar é neessário. O fluxograma é apresentado abaixo: Figura 3. Fluxograma do Cilo Brayton Tabela 7. Parâmetros do ilo Brayton Estado Pressão Temperatura Vazão Mássia bara K kg/h 1 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

7 5.3. Alternativa C Cilo Combinado No ilo ombinado, o vapor gerado na aldeira de reuperação é utilizado também para a geração de potênia. Essa planta deve ter um porte maior, justamente para omportar a maior vazão de gases exaustos da turbina a gás. O fluxograma é apresentado abaixo: Figura 4. Fluxograma do Cilo Combinado. Tabela 8. Parâmetros do Cilo Combinado. 6. Resultados Estado Pressão Temperatura Vazão Mássia bara K kg/h 1 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Abaixo são apresentadas as tabelas resumindo os dados enontrados para ada alternativa:

8 Tabela 6. Resultados do Cilo Rankine Modifiado. Tabela 7. Resultados do Cilo Brayton. Alternativa A Fator de Utilização de Energia Ad. 0,6277 Índie de Poupança de Energia Ad. -0,0417 Índie de Geração de Potênia Ad. 0,3168 Razão Potênia-Calor Ad. 0,2094 Potênia útil gerada MW 7,95 Calor útil gerado MW 37,97 Combustível onsumido kg/s 32,38 Investimento neessário kr$ Luro operaional kr$ Taxa interna de retorno % 10,80% Alternativa B Fator de Utilização de Energia Ad. 0,7703 Índie de Poupança de Energia Ad. 0,3323 Índie de Geração de Potênia Ad. 0,6190 Razão Potênia-Calor Ad. 0,9397 Potênia útil gerada MW 31,25 Calor útil gerado MW 33,25 Combustível onsumido kg/s 37,06 Investimento neessário kr$ Luro operaional kr$ Taxa interna de retorno % 24,46% Tabela 8. Resultados do Cilo Combinado. 7. Análise dos Resultados Alternativa C Fator de Utilização de Energia Ad. 0,6286 Índie de Poupança de Energia Ad. 0,2414 Índie de Geração de Potênia Ad. 0,5092 Razão Potênia-Calor Ad. 1,5845 Potênia útil gerada MW 52,22 Calor útil gerado MW 37,97 Combustível onsumido kg/s 69,10 Investimento neessário kr$ Luro operaional kr$ Taxa interna de retorno % 8,12% Com todos os resultados relevantes apresentados, é possível fazer uma análise dos mesmos 7.1. Cilo Rankine Modifiado É fáil observar que o funionamento da planta é signifiativamente melhorado om estas modifiações bastante simples. O Fator de Utilização de Energia sobe de 55,05% para 62,76%, um aumento relativo de 14,00%. Mais importante, o Índie de Poupança de Energia passou de -25,43% para -4,17%. Isto implia diretamente em uma redução do onsumo de ombustível espeifio por kilowatt de energia útil gerada. O rendimento de segunda lei do ilo também passa de 24,47% para 34,14%, um aumento relativo de 39,49%. Todas estas melhorias são onseqüênia da melhor utilização do vapor de saída da aldeira, que na onfiguração anterior era parialmente expandido em várias válvulas de ontrole, diminuindo assim a efiiênia do ilo, e da expansão parial do vapor do proesso, que é responsável por 34% da nova potênia gerada. Entretanto, é fáil onstatar que a planta ainda é inefiiente, e existiria o espaço para melhorias onsideráveis nos aspetos térmios da planta.

9 A grande vantagem desta alternativa é o baixo investimento neessário, devido ao fato de ser neessária a aquisição de uma nova turbina a vapor apenas. A taxa interna de retorno de 10,80% é sufiientemente alta para justifiar este investimento Cilo Brayton Com o ilo Brayton, obtiveram-se os melhores resultados, tanto ténios quanto eonômios. O rendimento de primeira lei de 77,03% é exelente em omparação om as outras alternativas, enquanto que o índie de eonomia de energia de 33,23% india que esta planta efetivamente eonomiza ombustível em omparação om a geração de potênia e vapor em ilos separados. O investimento a ser feito é alto, entretanto o aumento expressivo no luro operaional justifia este investimento, o que é denuniado pela taxa interna de retorno alta, valendo 24,46%. O ponto negativo desta alternativa é a retirada do vapor do proesso 2. Por ter uma vazão baixa, a implementação de um segundo nível de pressão na aldeira de reuperação não faria sentido do ponto de vista eonômio, pois exigiria um investimento onsiderável, sendo mais rentável gerar esta baixa vazão de vapor em uma aldeira tradiional Cilo Combinado O desempenho do ilo Combinado fiou abaixo do esperado. O rendimento de primeira lei é apenas de 62,86%, muito similar ao rendimento do ilo Rankine modifiado. Existe uma eonomia de energia signifiativa de 24,14%, devido a maior geração de potênia em omparação ao alor útil. Entretanto, tanto os aspetos ténios quanto os eonômios (taxa interna de retorno de 8,12%) estão abaixo do que era esperado. Existem vários motivos para este baixo desempenho. Devido a neessidade de aqueer o vapor até uma temperatura de 400 C, a vazão mássia de gases exaustos da turbina preisa ser maior. O onsumo de ombustível aumenta em 86% em omparação ao ilo Brayton, entretanto existe um aumento de 67% na potênia líquida da turbina a gás, devido à mudança na razão de ompressão. Mesmo se as razões de ompressão fossem idêntias, ainda assim este ilo seria inefiiente, pois o alor útil gerado é o mesmo, e há um arésimo de apenas 8 MW gerados na turbina a vapor. Havendo liberdade maior para a modifiação de alguns parâmetros da planta, possivelmente o desempenho do ilo ombinado seria melhor, em espeial a modifiação da pressão de alta no ilo de vapor. Entretanto, isto impliaria em uma substituição de pratiamente todo o ilo de vapor, e devido ao alto investimento para uma planta de pequeno porte, ela não foi onsiderada. 8. Conlusões Neste presente trabalho foi efetuada uma análise ompleta do funionamento de uma planta de ogeração real em operação. Constatadas as inefiiênias da planta, foram analisadas três alternativas de melhoria para a mesma, variando desde pequenas modifiações na planta existente, até a substituição total do proesso de funionamento. Feitas as análises ténias, um estudo eonômio foi feito, om o objetivo de omparar os dados ténios e finaneiros e esolher a melhor alternativa de otimização. A opção esolhida para a implementação na planta em questão foi a substituição do ilo presente por um ilo Brayton om aldeira de reuperação. Tanto em aspetos ténios quanto eonômios esta alternativa se demonstrou a melhor dadas as restrições da plantas e o porte da mesma. 9. Referênias HORLOCK, J.H., Cogeneration Combined Heat and Power (CHP): Thermodynamis and Eonomis, Florida, USA, Krieger Publishing Company, 1997, 226p. VAN WYLEN, Gordon J.; SONNTAG, Rihard E., Fundamentos de Termodinâmia Clássia, São Paulo, Blüher, p. WAGNER, W., A. Kruse, A., Properties of Water and Steam, Berlin, Springer-Verlag, CÉSPEDES, João P. C., OLIVEIRA JÙNIOR, S., Análise termoeonômia de plantas de ogeração, Revista Brasileira de Engenharia Químia, vol.17 - n 4 Dez. 97/Jan. 98, pp RAMOS, Riardo A. V. et al., Análise energétia e exergétia de uma usina suro-alooleira om sistema de ogeração de energia em expansão, Congresso latino-ameriano de geração e transmissão de energia elétria, MORAN, Mihael J., SHAPIRO, Howard N., Fundamentals of engineering thermodynamis, Wiley, Direitos autorais O autor é o únio responsável pelo onteúdo do material impresso inluído neste trabalho.

10 STUDY AND OPTIMIZATION OF AN INDUSTRIAL COGENERATION PLANT FOR USAGE OF LEAN GAS Diego Costa Lopes EPUSP - Polytehni Shool of University of São Paulo dlopes21@gmail.om Abstrat. This projet onsists of a study of a ogeneration industrial plant, whih generates power and steam, using as fuel the tail gas, a type of lean gas obtained as a by-produt of the prodution proess of arbon blak. Also inluded on this study is the optimization of this plant, aiming at a lower fuel usage and higher yle effiieny. A tehnial-eonomial feasibility study will be made onsidering as alternatives the usage of a traditional Rankine yle, Brayton yle and a ombined yle. Keywords: ogeneration, thermodynamis, energy, lean gas.