CONSERVAÇÃO E COGERAÇÃO DE ENERGIA COM PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS DERIVADOS DA LENHA

Transcrição

1 CONSERVAÇÃO E COGERAÇÃO DE ENERGIA COM PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS DERIVADOS DA LENHA SANTIAGO B. H. S.; SELVAM, P. V. P; MARINHO NETO, J. ;.OLIVEIRA, C. V. D. e SILVA, C. P.* UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA GPEC UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPIRITO SANTO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA* CEP: FONE: (084) FAX: (084) surnpvpa@eq.ufrn.br RESUMO As indústrias de carvão e simplesmente as que fazem seu uso emitem grandes quantidades de resíduos que causam sérios problemas de poluição. Dentre as soluções para reduzir os efeitos nocivos dessa poluição, encontra-se o processo de pirólise que consiste para sua decomposição e transformação.o objetivo principal deste projeto é o desenvolvimento de tecnologias inovadoras e de baixo custo para se obter o máximo aproveitamento da queima da lenha. Desenvolveu-se neste trabalho o estudo do processo e desenvolvimento do sistema de produção de carvão, com recuperação de bio combustível líquido e gás., além disso, foram realizadas a modelagem e a simulação da produção de energia baseado na pirólise da lenha. O presente trabalho usa métodos inovadores de análise e síntese de processos para cogeração de energia de pequeno e médio porte, e também obtenção do desenho dos projetos tecnológicas adequados de baixos custos e de fácil implementação de produção de carvão e recuperação de bio combustível. Com uso de modernos softtweres simuladores SuperPro foram obtidos resultados sobre os diversos parâmetros relacionados com a viabilidade técnico-ecônomica e com impactos ambientais para três diferentes processos de produção. Nosso trabalho trata da otimização de produção de energia mais adequada, menos poluente e mais acessível para comunidades rurais sem energia elétrica. PALAVRAS CHAVE: Energia, Cogeração, Bioóleo, Carvão, Conservação. ABSTRACT The charcoal making industry and the other industries which use wood as fuel produce larger quantity of wastes leading to serious pollution needing end pipe tecnology. Among the solution to rednce this toxic effect of this polution, we need to undertand pyrolysis, which results in decomposition and transformation of biomass into residues.in this present work, the charcoal production system is studied and developed to produce liquid and gas bio combustivel. In addition to this, the modeling and simulation of energy production based on pyrolysis of wood was also made The present study involve inovative methods of process. analysis and synthesis which were carried out for the small scale cogeneration of energy production as well as the energy integeration of charcoal production with co production bio combustivel. Using the modern process simulater of Super pro design, three diferent process route with flowsheet have been developed. Comparative results of economic parameters of theer routes are obtained including environment impact.in this study, the key feature of our work is related with the optimization the production of biocombustivel with lower pollution technology acessible to rural community. KEY WORD : Energy, Cogeneration, Biooil, Charcoal, Conservation. 1. INTRODUÇÃO Cerca de 38% da energia consumida no Rio Grande do Norte é derivada de biomassa (lenha), fato comum em quase todos os estados da região Nordeste; o que é um percentual significativamente positivo frente a atual crise energética. No entanto, o crescimento dos setores de produção de cerâmica e agroindústrias de frutas tropicais nessa região, por requererem elevada quantidade de energia, envolve problemas de desmatamento e desertificação para obtenção da mesma, o que prejudica as condições ambientais. A queima da lenha como fonte alternativa de energia consiste numa sub-utilização dos

2 recursos energéticos disponíveis no estado, pois apresenta uma baixa eficiência energética e é uma forma predatória de produção. Nosso grupo está desenvolvendo pesquisa básica e aplicada para geração de energia de biomassa tratando essa problemática. a) Avaliar as operações tecnológicas com estudo de otimização e simulação dos processos e operação sobre os diferentes processos de produção de carvão baseado em rotas tecnológicas novas, modernas, inovadoras com matérias- prima brasileiras.de recursos naturais. b) Elaborar projeto de desenho otimizando a problemática sobre o processo técnico - econômico computadorizado e análise de sensibilidade sistemática de processos de produção de carvão e energia de biomassa. O carvão vegetal é produzido a partir da lenha pelo processo de carbonização ou pirólise. Ao contrário do que aconteceu nos países industrializados, no Brasil, o uso industrial do carvão vegetal continua sendo largamente praticado. O Brasil é o maior produtor mundial desse insumo energético. No setor industrial (quase 85% do consumo), o ferro - gusa, aço e ferro - ligas são os principais consumidores do carvão de lenha, que funciona como redutor (coque vegetal) e energético ao mesmo tempo. O setor residencial consome cerca de 9% seguido pelo setor comercial com 1,5%. Esta realidade deve ser modificada e no seu lugar surgir, com o emprego de novas tecnologias, uma indústria limpa e realmente sustentável e renovável, geradora de empregos dignos e de divisas num país de vocação florestal cujo próprio nome é de uma árvore vermelha: Brasil. Embora o Brasil seja um país de origem agrícola e florestal atualmente não há uma estimativa correta da produção de carvão e lenha sendo o carvão produzido da mesma maneira como era produzido há mais de um século. Na prática o que se observa no Brasil é o método tradicional para a obtenção do mesmo com baixo rendimento não se encontrando muito bem o controle e a operação de processo de produção. Varias experiências mau sucedidas no que diz respeito à recuperação de co produtos derivados do processo de pirolise, tendo em vista o baixo valor agregado e também rendimento. O objetivo deste trabalho é mostrar a importância na produção de carvão o que esta como um todo no país, defasada e sem novidades tecnológicas. É importante a valorização da pirolise rápida para a construção de uma usina de produção de bioenergia tendo como referência a usina de produção EUA onde esta técnica esta em pleno desenvolvimento usando geração de energia em pequena unidade via co geração com diesel (tendo como referência a usina de produção de carvão dos EUA) 2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA 2.1.GASIFICAÇÃO A gaseificação converte os materiais compostos de carbono, hidrogênio e oxigênio em gases onde o produto final é um gás combustível contendo CO2 E H2 (monóxido de carbono e hidrogênio) como os principais componentes energeticamente ativos.de maneira semelhante à pirólise. A diferença reside no fato de que são utilizados oxigênios 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, tendo eficiência na queima, maior facilidade de armazenamento, etc. Gases como amônia e sulfeto de hidrogênio aparecem em pequenas quantidades e devem ser removidos assim como o dióxido de carbono, antes da combustão em câmaras, pois à elevadas temperaturas se polimerizam. Esse fato poderia ser observado em motores de combustão interna no caso do gás estar sendo utilizado como combustível, tendo presente alcatrão em sua composição o que é proibido (COELHO, 1982). Assim, pretende-se construir, nesta unidade piloto, um lavador tanto para a remoção destes gases quanto para a remoção de partículas sólidas que saem junto com os gases do reator térmico.o combustível para geração elétrica pode ser obtido através da recuperação do gás proveniente da decomposição. A eficiência do processo depende essencialmente do tipo de gasogênio, no mercado existem quatro tipos: Grandes quantidades de nitrogênio estarão presentes na gasosa finais, o que reduz o seu poder calorífico. Este fator torna o uso impróprio para sínteses subseqüentes, como, por exemplo, na fabricação de combustível. Para o caso da fabricação de alcatrão (ou extrato), o aumenta do rendimento não tem sido obtido com grande sucesso.a temperatura para o processo é de 1000 a 1750oC, o que representaria um aumento nos investimentos. 2.2 COMBUSTÃO O processo de combustão consiste essencialmente na decomposição da biomassa (reação química entre o hidrogênio e o carbono com o oxigênio) sendo ela totalmente convertida em energia térmica. As equações químicas representativas deste processo estão descritas a seguir : Um dos fatores que inviabilizam o processo de combustão consiste na produção de certos componentes químicos causando sérios problemas operacionais. A eficiência do processo é definida em termos da relação entre o calor (do processamento)e do poder calorífico, tendo em vista a grande utilização de ar.a questão ambiental é a elevada concentração de gases poluentes dispersados na atmosfera. C + O CO 2 + CALOR H 2 + ½ O H 2 O + CALOR

3 TURBULÊNCIA Tem como objetivo principal a obtenção de uma mistura que facilite a queima. Dependendo do estado que se encontra os componentes, para estes se requer um pré tratamento. TEMPO Refere-se ao tempo em que se processa a biomassa (ou lenha) no queimador estando esta em contato direto com o oxigênio. TEMPERATURA A temperatura deve alcançar níveis mínimos (temperatura crítica) para ter inicio a combustão, caso contrario não ocorrerá. 2.3 PIRÓLISE O termo pirólise é utilizado para caracterizar a decomposição térmica de materiais contendo carbono, na ausência de oxigênio. Assim, madeira, resíduos agrícolas, ou outro qualquer tipo de material orgânico se decompõe, dando origem a três fases: uma sólida, o carvão vegetal; outra gasosa e finalmente, outra liquida, 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. A presença de oxigênio é variável pelo tipo de matéria orgânica empregada no processo, sendo que a introdução de oxigênio permite a continuidade do processo de pirólise com aumento de rendimentos. Observa-se um melhor rendimento na recuperação de subprodutos, baixo impacto ambiental, e aplicabilidade do alcatrão em escala industrial. E interessante ressaltar que a definição dada para o processo de pirólise exclui a presença de oxigênio, embora na pratica 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 e 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 portanto 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 a matéria-prima. O óleo pi rolitico, principal sub-produto e composto basicamente de alcatrões solúveis e insolúveis e ácido pirolenhoso que contem produtos químicos valiosos como o ácido acético, metanol e acetona. Na grande maioria dos processos pirolíticos a fase gasosa é utilizada como fonte de energia suplementar ao processo e o seu rendimento pode variar desde 5% a 20% em peso, dependendo da temperatura em que o processo se realiza. Os fornos de carbonização contínuos permitem um maior controle do processo o que resulta num produto de melhor qualidade. Os gases são aproveitados para o fornecimento de energia ao processo (Carioca.,1984). O sistema de produção de carvão tem produção de 60 Kg/h como sua real capacidade, utilizando motor disel acoplando um sistema de combustão para a produção de energia elétrica, isso em pequena escala.(surenda B. PRASAD, 1995) como mostra a figura 01. Para o nosso processo fazemos uso de uma quantidade mínima de ar (atmosférico) para a produção de gás pirolítico.como a introdução de lenha no reator após secagem como mostra a figura 02.( tendo como referência o cenário C3). Pode-se dizer que a produção de carvão no Brasil não apresenta avanços há mais de 50 anos, entretanto existem configurações possíveis para o atender, de quem o requerem (mercado), a demanda elétrica, térmica e mercado de co produtos. Escolher o mais adequado sistema pode representar uma sensível diferença em termos do aproveitamento energético total. Apresentamos acima esquematicamente Uma forma de conservar energia e ao mesmo tempo combater a problemática ambiental envolve a co geração de energia que é maximizar o aproveitamento total do carvão que tem como seus co- produtos (bioóleo, gás, etc.) uma fonte de combustível mais limpa. Com técnicas modernas de carbonização podem ser recuperados cerca de 600Kg de produtos químicos diversos e 1,5 Gcal em gás debaixo poder calorífico para cada tonelada de carvão produzido (Biomass Coordination) São poucos os trabalhos desenvolvidos no país, no entanto, esse projeto de co geração é de grande importância para a conservação de energia de setores industriais. Baseado nesse processo foram desenvolvidos reatores de carvão, com alto rendimento e recuperação de co produtos, tendo em vista o alto custo do material utilizando em outros sistemas de produção, nosso projeto utiliza materiais de baixo custo, como: cerâmica. (Fig. 01) Fig. 01- Sistema de produção de energia elétrica e carvão.

4 Parâmetros C1 C2 (UFRN) C3 Tempo de produção de carão Sistema de Não controlado controlado produção de carvão controlado Rendimento (p/ a venda) Partículas de carvão perdido aproveitado aproveitado Rendimento das partículas Mão de obra Utilização de gás (pirolítico) Perdido no ar Aproveitado Aproveitado Co-produtos Zero Líquidos e sólidos Líquidos e sólidos investimento, custo e análise de viabilidade econômica com fluxo de caixa. Cenário 1 Fabricação de carvão (pirolise lenta) usando tecnologia brasileira.-c1 (CARIOCA, 1990) Cenário 2 - Fabricação de carvão (pirolise rápida) usando reator modificado.e gás pirolitico C2 (pleno desenvolvimento, UFRN)(tecnologia desenvolvida na Índia). Cenário 3 Cogeração de energia usando motor de combustão interna mais produção de carvão.c3 (SERENDA, 1995) As características seguem logo abaixo: (Tab. 01) Estudo de Casos do projeto preliminar. (Tab. 02) Detalhes do sistema de produção do cenário 3. Fig.2-Sistema de produção de bio combustível UFRN. 3. METODOLOGIA PARA SELEÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE SISEMA DE PRODUÇÃO DEMANDA DE SISTEMA Escolhemos três diferentes processos com. equipamentos tais como reator, queimador, secador, ciclone, sistema de combustão condensador, purificador foram usados conforme síntese do processo para a produção de bioóleo, carvão e energia (calor).os aspectos mais relevantes para escolha de um sistema de produção são rendimentos de produtos e co produtos (biooleo e gás), e também custo beneficio de produção para atender demanda energética(e térmica)de comunidades rurais. ESTUDOS DE CASOS Diante da escassez de informações, de dados termodinâmicos e de custos de equipamentos efetuou-se um levantamento item a item das principais etapas de processos. Para atender as necessidades de geração de energia elétrica usando neste caso, três alternativas /cenários foram estudadas em detalhes com projeto de Maquinas Componentes Fluxo de Massa (Kg/s) Motor a diesel Temp. ( F) Combustível (Diesel) Combustível (Ar) Total de Combustível Fluxo de exaustão Reator Entrada de Combustível Saída de Combustível Carvão Gás Saída de Gás Mistura água/carvão Geração de vapor Geração de vapor e gás Mistura de carvão DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTO USANDO SIMULADORES Para a simulação do processo utilizou-se a seguinte seqüência: Iniciou-se, utilizando bancos de dados do Simulador SuperPro, as substâncias e os agentes de transferência de calor que são utilizados durante o processo; selecionou-se os equipamentos utilizados no processo; descriminou-se as informações sobre as correntes de entrada e os parâmetros de processo; simulação de processo, realizando automaticamente as cálculos de balanço de massa(lenha), (Felizard, 1988). Gerou-se relatórios de balanço de massas de processo e projeto global, custo e dimensionamento dos equipamentos, vazões e composições de saída dos equipamentos, taxa de resfriamento, fluxo de calor no secador e fluxograma geral englobando os processos de bioconversão, combustão e secagem (ver Figura 2 #).

5 ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA O projeto começou com uma pesquisa bibliográfica para verificação, estudo e seleção de tecnologias já existentes sobre geração de energia baseada na queima da lenha. Foram incluídos levantamentos feitos via Internet e Commut, sobre características dos substratos e processos de bioconversão.o próximo passo foi a seleção e o dimensionamento dos processos e equipamentos utilizados no projeto de co- geração e conservação de energia. Em fase final, analisamos e comparamos os resultados de uma simulação do funcionamento usando simulador de processo SUPERPRO inteligente INC deste projeto (Pannirselvam, 1996). Para desenvolvimento do projeto calculou o custo de operação variável, matéria-prima, mão-de-obra direta e indireta, equipamentos e máquinas, depreciação, seguros, etc, auxiliado por computador (Pannirselvam, 1996). Para simulação foi usado método computacional modular com programas desenvolvidos em software Quatro-PRO versão 2.0. O menu interativo disponível no programa facilitou o desenvolvimento de análise econômica do projeto preliminar. PROJETO DE INVESTIMENTO Inicialmente, baseado no dimensionamento dos equipamentos (modelagem) obtidos durante simulação do processo. Uma vez obtido dados de instalações e custo de equipamentos de acordo com especificações técnicas das máquinas e equipamentos obtidas através por simulador de processos de projeto procede-se o estuda da projeto de custo. PROJETO DE CUSTOS Para a simulação econômica do projeto utilizouse o Quatro Pro for Windows, com software desenvolvido para calcular a viabilidade econômica de projetos de engenharia. (Pannirselvam, 1996). Catual (Ca)=custo atualizado do equipamento depende de Cbase (Cb)= custo do equipamento disponível na literatura técnica; Aatual (Aa)= dimensionamento do equipamento obtido durante simulação de processo; A base (Ab)= dimensionamento do equipamento disponível na literatura técnica e fator exponencial (e), índice atual de inflação (IAI) + índice base de inflação (IBI). (Pannirselvam, 1996) Investimento Fixo: calculou-se tal investimento, baseando-se nos custos e dimensionamentos dos equipamentos, utilizando-se um modelo econômico baseado nos fatores de Lang e Chilton (Pannirselvam, 1996) que engloba instalações elétricas, instrumentação, tubulação, etc. (Pannirselvam, 1996). Custo variável: Calculou-se se baseando na entrada de dados do n. º de operadores e de supervisão (em função da necessidade dos equipamentos); Mão-deobra indireta: calculou-se a partir de uma taxa percentual em relação a mão de obra direta. Matéria prima: calculou-se a partir de dados de consumo, obtidos durante simulação do processo, e o custo unitário da substância, segundo preço de mercado, por unidade de volume ou massa. Custo fixo: Utilizou-se uma taxa percentual de 10%, em relação ao investimento fixo, para cálculo de manutenção: equivale a 3,5% (taxa percentual arbitrária) do investimento fixo obtendo-se custo total: RESULTADOS Custo total = Custo variável + Custo fixo Os resultados dos estudos de casos são apresentados nas tabelas 3, 4, 5 e 6, baseados nas tabelas 1 e 2. (Tab. 03) Dados dos parâmetros técnicos do cenário 1 Dados operacionais Simulação Capacidade de produção 1t/dia Temperatura de pirólise 500 C Taxa de alimentação (madeira) 5t/dia Tamanho do forno 10 m 3 Vida útil da planta 15 anos Taxa de juros 23% (Tab. 04) - Dados dos parâmetros técnicos do cenário 2 Dados operacionais Simulação Capacidade de produção carvão 1t/dia Temperatura de pirólise 500 c Taxa de alimentação (madeira) 5t/dia Tamanho do forno 10 m3 Vida útil da planta 15 anos Taxa de juros 23% Carvão Óleo Gás 1000 Kg 200 l 480 Kg

6 (Tab.05) - Dados dos parâmetros técnicos do cenário 3 Dados operacionais Simulação Capacidade de produção carvão 1t/dia Temperatura de pirólise 500 c Taxa de alimentação( madeira ) 5t/dia Tamanho do forno 10 m3 Vida útil da planta 15 anos Taxa de juros 23% Carvão 1000 Kg Óleo 200 l Gás 680 Kg (Tab. 06) Dados dos parâmetros econômicos. Parâmetros Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 (1) Receita = (B) * (F) = (2) Custo = (H) * (F) = (3) Lucro bruto = (1) - (2) = ((4) Depreciação = (D) - (C))/(G) = (5) Lucro líquido = (3) - (4) = (6) Lucro após impostos = (5) - (5)*(E) = (7) Fluxo de caixa = (6) + (4) = (8) Taxa de engenharia (ie) = (7)/(A) = (9) Taxa de retorno = (5)/(A) = (10) Tempo de retorno = (A)/(5) = (11) Rentabilidade = (5)/(J) = (12) Lucratividade = (5)/(1) = (13) Rotação de vendas = (1)/(J) = ANALISE DE RESULTADOS Através, do estudo do processo de pirolíse para fabricação de carvão, foram desenvolvidos sistemas com alta rendimento, esse resultados denotam a cogeração de energia, a partir da lenha, e o uso desta na forma de sólidos, líquidos e gás em pequena escala para à região rural. A análise econômica mostrou que o sistema desenhado pode ser operado com um lucro tal, e ao alcance do pequeno e médio produtor, se mostrando este bastante flexível.apesar de parecer simples, a técnica de extração do licor pirolenhoso(o extrsto na forma bruta) da fumaça de quaisquer sistema de carbonização exige cuidados. Os resultados do projeto preliminar mostram que há viabilidade econômica do projeto, porém os investimentos são bastantes significativos com tecnologia. 5.CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA O FUTURO É impossível no Brasil continuar usando tecnologias inadequadas para a produção de carvão o que compromete o meio ambiente. O melhoramento no rendimento de produtividade no controle de poluição foi possível através de síntese de projeto auxiliado por computador. Atualmente o tipo de processo utilizado não é viável economicamente nem tão pouco ecologicamente correto, temos no nosso sistema desenvolvido uma melhor obtenção de todos os estados da matéria e com rendimentos favoráveis a sua implementação. A geração de energia elétrica, em pequena escala, usando geração com motor a diesel (acoplado) é uma proposta inovadora, porém nos resultados obtidos no cenários três não se mostram favoráveis ao pequeno produtor, mas sim em escala industrial. Trabalhos futuros devem ser dirigidos para a complementação do estudo, incluindo estudo detalhado na parte do processo. 6. AGRADECIMENTO Agradecemos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico(CNPq/PIBIC/UFRN/PRH-14/ANP/UFRN e PPGEQ/DEQ/CT) 7. BIBLIOGRAFIA 1.CARIOCA, J.O.B., Pannir Selvam, P.V. et al. Energy from Biomass. Impact of Sciences on Society, 148. p. 305, COELHO, J. C. Biomassa, Bioconbustiveis, Bioenergia, Brasília, CARIOCA,, J. D. B. et al Biomassa :Fundamentos, Aplicações, BNB, UFC, infoener.iee.usp.br/cenbio/biomassa.htm 5.Revista técnica de energia Petróleo e Gás.n.1;ano1;: Abril/Maio/Junho, OTANI, C. V., M. D. PASA e F. CARAZZA, The Structure and Chemical Caracteristics Variation of Wood tar pite During its Carbonaiztion Proceding of the International Synposiom on Carbon, Tsukuba, Japan, Relatório Conjunto Companhia Energética de Minas Gerais CEMING-ACESITA. Sistema Integrado de Carbonização e Geração de Eletricidade. July, Cia. Aço Especiais (ITIBIRA):coordenação de Biomassa;Núcleo de Desenvolvimento Tecnológico. Modernização da Produção de Carvão Vegetal. Belo Horizonte, SIMONSEN, M. H. e FLAZER, H.. Analise de Projetos. São Paulo. Sugestões Literárias, 1974.