POTENCIAL TÉCNICO DE COGERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL E CELULOSE NO BRASIL: PRESENTE E FUTURO UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

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1 PT/14 17 à 22 de outubro de 1999 Foz do Iguaçu Paraná - Brasil RUPO II PRODUÇÃO TÉRMICA E FONTES NÃO CONVENCIONAIS - (PT) POTENCIAL TÉCNICO DE COERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL E CELULOSE NO BRASIL: PRESENTE E FUTURO Adão Linhares Muniz* ELETRONUCLEAR José Flávio Martins de Andrade* UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE RESUMO Neste trabalho, foi determinado o potencial técnico atual de cogeração do setor de papel e celulose no Brasil, considerando e extrapolando para todo o setor um sistema de cogeração básico que mantém o processo de recuperação de químicos no estágio atual de tecnologia, mas introduz uma turbina à gás queimando gás natural, e uma caldeira de recuperação do calor dos gases de combustão. Foi também determinado o potencial futuro de cogeração quando as atuais caldeiras Tomlinson de licor negro do setor, hoje com idade média de cerca de 20 anos, tiverem que ser substituídas. Para esse efeito, foi efetuada uma análise comparativa dos três principais processos de gaseificação de licor negro atualmente em desenvolvimento no mundo (o Chemrec, atmosférico, a ar, da Kvaerner; o processo à alta temperatura, com oxigênio, da Noell; e o gaseificador em leito fluidizado circulante, a ar, da ABB), e foram calculados os incrementos adicionais no potencial técnico de cogeração e na energia elétrica excedente. Os resultados da primeira parte foram utilizados no relatório Estimativa do Potencial de Cogeração do Brasil, da CES - Comissão Permanente de Estudos sobre Cogeração da ELETROBRÁS, submetido ao CPS - rupo Coordenador do Planejamento dos Sistemas Elétricos, em agosto de PALAVRAS -CHAVE geração de energia elétrica, cogeração, papel e celulose INTRODUÇÃO O setor de produção de papel e celulose caracteriza-se por um processo produtivo que apresenta uma excelente relação entre as demandas de eletricidade e de calor (vapor) para efeito de cogeração, além da geração de um combustível importante intrínseco ao processo, o licor negro. O setor produz cerca de 6,6 milhões de toneladas de celulose por ano, com programação de expansão de mais 2,25 milhões de toneladas por ano até Tal processo produtivo em larga escala, integrado a equipamentos de controle ambiental, exige um acompanhamento permanente das tecnologias de produção disponíveis e da eficiência energética. Os projetos de expansão incluem a incorporação de ganhos de escala e modernização tecnológica de processos, aumento da proteção ambiental e a racionalização industrial, com atualização de equipamentos, desenvolvimento de processos, aumento da eficiência energética e maior automação industrial. A tecnologia adotada hoje utiliza o processo Kraft, que separa a celulose da matéria prima lenhosa por meio de produtos químicos (hidróxido de sódio/sulfito de sódio), gerando uma lixívia escura, o licor negro. Este efluente é concentrado até um teor de sólidos de cerca de 60 %, quando então é queimado em uma caldeira de recuperação química, liberando calor e sais inorgânicos. Estes sais são misturados com água resultando o licor verde, que por um processo de caustificação permite a recuperação dos produtos químicos iniciais (hidróxido de sódio/sulfito de sódio), que retornam novamente ao processo para a separação da celulose, fechando o ciclo. Assim, a concentração e a queima do licor negro são atualmente etapas necessárias ao processo, e a liberação do calor na caldeira de recuperação química - caldeira de licor negro - com a produção de vapor para o processo e *ELETROBRÁS TERMONUCLEAR S.A. - ELETRONUCLEAR Rua da Candelária, 65 - CEP Centro - Rio de Janeiro, RJ Tel.: (021) FAX: (021) eazola@eletronuclear.gov.br

2 2 para geração de eletricidade é um subproduto do processo. Além do licor negro (o efluente combustível inerente ao processo, com um poder calorífico de cerca de kj/kg), produzido a uma taxa entre 1,0 e 1,4 kg de licor concentrado por kg de celulose, o setor conta com outros insumos energéticos agregados como cascas, lascas e resíduos de madeira, e cavacos de lenha, que são utilizados como combustíveis complementares para atender às necessidades energéticas do processo.(ref. 1) Licor Negro licor negro Complementar de resíduos de madeira 65 bar / 450 Cel Vapor Vapor 13 bar 3 bar vapor de condensação (Extração) 40 MW CÁLCULO DO POTENCIAL TÉCNICO DE COERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL E CELULOSE Complementar de lenha Água de alimentação Condensado Condensador Tomando-se uma planta típica do setor com uma capacidade de produção de 1000 toneladas de celulose por dia, têm-se as demandas médias de eletricidade e vapor de processo e a produção de licor negro nos valores mostrados na tabela 1. (13 bar) (3 bar) Eletricidade (Mwh) (incluindo casa de força) Insumo (Licor negro) TABELA 1 Demanda 3,30 t/tc (2,55 MWh/TC) 3,33 t/tc (2,52 MWh/TC) Potência [MW] (para 1000 TC/dia) 106,3 105,0 0,85 MWh/TC 35,4 1,0 1,4 t/tc (3,72-5,21 MWh/TC) TC Tonelada de celulose seca ao ar. 155,1-217,2 Nota-se então que o licor negro gerado mesmo que tenha (o que é impossível) eficiência de utilização energetica de 100% não é suficiente para o atendimento das demandas energéticas totais do processo. A complementação, com as cascas, lascas e resíduos de madeira decorrentes do processo e com lenha, é hoje uma prática normal no setor. Esta configuração é mostrada na figura 1 deste trabalho. FIURA 1. SISTEMA DE COERAÇÃO BÁSICO NO PROCESSO DA CELULOSE O setor apresenta uma relação média entre as demandas de eletricidade e de calor (relação E/H)da ordem de 0,17(Ver tabela 1), o que permite rendimentos de cerca de 75,0 % com a aplicação de processos de geração combinada de eletricidade e vapor (cogeração)(ref. 3) Mantendo o processo de recuperação dos produtos químicos com geração de calor no estado atual de tecnologia(a caldeira Tomlinson de licor negro), e dimensionando um sistema complementar de forma que a demanda de calor seja atendida pelos dois sistemas (o básico e o complementar), chega-se a uma configuração de cogeração ótima, com excedente de eletricidade, mas com a necessidade de um combustível suplementar. Com a tendência do cenário brasileiro à utilização do gás natural como insumo energético, um sistema complementar seria facilmente definido como um sistema de turbina ou motor a gás com uma caldeira de recuperação de calor. A caldeira de queima de lenha(o grande insumo da produção de celulose em si) seria suprimida. Esta configuração é mostrada na figura 2 anexada[refs.(2) e (4), modificadas].

3 3 ar gás gás natural recuperação de calor dos gases licor negro complementar de resíduos de madeira gás exausto água de alimentação 12 MW vapor 65 bar / 450 Cel vapor 13 bar 3 bar condensado FIURA 2. SISTEMA DE COERAÇÃO COM TURBINA A ÁS vapor de condensação (extração) Condensador 60 MW O sistema complementar, como o caso da configuração típica mostrada acima, atende às necessidades de eletricidade e calor para uma planta de celulose com processamento médio de 1000 toneladas de celulose por dia, podendo gerar um excedente de eletricidade equivalente a uma potência instalada de cerca de 36 MW [ 72 MW gerados, contra 36 MW utilizados na própria planta]. A viabilidade técnica de tal configuração depende da disponibilidade do gás como combustível suplementar e deve ser avaliada caso a caso, considerando as características próprias de cada planta de processamento de papel e celulose. A análise da viabilidade econômica de tal processo depende adicionalmente de uma estrutura de preço favorável de venda para este bloco excedente de eletricidade, em conjunção com o preço do gás natural na porta da planta. Com a aplicação da extrapolação simples para a produção total de celulose do setor (de toneladas por ano), pode-se concluir que um potencial de eletricidade exportável de 650,0 MW poderia ser atingido no parque de produção atual do setor, e que outros 220,0 MW poderiam ser realizados no atendimento aos planos de expansão para os próximos 4 anos. Nos últimos anos, vem ganhando terreno a opção de produção de energia elétrica a partir da gaseificação do licor negro gerado no próprio processo Kraft, até porque a gaseificação viabiliza potencialmente a recuperação dos inorgânicos sem o emprego da caustificação. Vários fabricantes de equipamentos já têm projetos para gaseificadores de licor negro: a ABB - Asea Brown Boveri e a MTCI para gaseificadores à baixa temperatura (abaixo de 700 C), e Kvaerner - Chemrec e a Noell para unidades à alta temperatura (acima de 950 C) são os principais, incluindo projetos com ciclos combinados (os chamados BLCC - Black Liquor asification-combined Cycles). Há uma planta piloto sendo testada desde 1993 numa fábrica de celulose em Aanekoski, na Finlândia, com resultados ainda pouco divulgados. Dentre os estudos com modelagens matemáticas e computacionais recentes que prevêem os resultados desses processos, um dos mais completos é o da Ref.(5). Os autores simulam, a partir de uma planta Kraft típica, do tipo sueco, qual será a produção de energia elétrica e de vapor de processo, com cogeração em ciclo simples(processo Chemrec) e ciclo combinado (processos Chemrec, ABB e Noell), comparativamente às produções correspondentes de uma caldeira de licor negro do tipo Tomlinson e turbina a vapor. Nesse estudo da ref. (5), considera-se a seguinte planta típica, com caldeira de licor negro e produção de 1175 toneladas de celulose por dia: (10 bar) () TABELA 2 Demanda 1,46 t/tc (0,94 MWh/TC) (0,84 t/ton licor negro seco)(*) 4,46 t/tc (2,819 MWh/TC) (2,56 t/ton licor negro seco)(*) Potência [MW] (para 1175 TC/dia) 46,0 138,1 3.0 INCREMENTO FUTURO NA ELETRICIDADE EXPORTÁVEL, UTILIZANDO COERAÇÃO COM ASEIFICADOR DE LICOR NERO E TURBINA A ÁS. Eletricidade (Mwh) (incluindo casa de força) Insumo produzido (Licor negro) 0,640 MWh/TC 31,3 1,74 ton. licor negro seco (*)/TC (5,99MWh/TC) 293,6 Cumpre ressaltar que as caldeiras de licor negro Tomlinson, como qualquer equipamento, têm uma vida útil predeterminada, e esta idade está avançada, a nível mundial. TC Tonelada de celulose seca ao ar. (*) Licor negro sólido seco, com P.C.S de kj/kg e PCI de kj/kg.

4 4 Com os dados apresentados, a configuração básica com caldeiras Tomlinson e turbina a vapor proposta (equivalente à da figura 1) é a da figura 3(que se segue). Os referidos ciclos simples e combinados, incluindo a gaseificação, apresentam a configuração da figura 4 deste. A tabela 3 apresenta os resultados obtidos, completos, para todos os processos estudados. Observando os resultados, nota-se que a opção de operação em ciclo combinado ao invés de simples apresenta, no entanto, um déficit um pouco mais acentuado na produção de vapor de processo de requerido, que terá que ser coberto pela caldeira complementar. Nota-se também(v. tabelas 2 e 3) que a necessidade da utilização da caldeira complementar para geração adicional de vapor de é média ou pequena em todos os casos, exceção feita ao processo ABB que, em compensação, tem a maior geração de energia elétrica líquida. No que se refere ao incremento do potencial técnico de cogeração no setor, no Brasil, aplicando-se por exemplo os resultados do processo de gaseificação da Kvaerner-Chemrec, com ciclo combinado, com geração total de 79,3 MW (48 MW exportáveis) sem necessidade de combustível suplementar, obter-se-iam os valores de 739 e 990 MW para o parque produtor brasileiro atual e o previsto após a expansão do setor até BIBLIORAFIA (1) HORTA NOUEIRA, L. A., Cogeração e Sustentabilidade Energética no Brasil, (2) SILVEIRA, J. L., BALESTIERI, J. A. P., Uso de Turbinas a ás na Indústria de Papel e Celulose, (3) BOISSENIN, Y., Cogeneration and Energy Savings, EC-ALSTHOM Technical Review n. 10, (4) SILVEIRA, J. L., BALESTIERI, J.A.P, Economic and Technical Feasibility Study of a Combined-Cycle Cogeneration System Associated with Cellulose Plants, ASME COEN TURBO, (5) CONSONNI, S., LARSON, E.D., BERLIN, N., Black Liquor-asifier/as Turbine Cogeneration, 42nd. ASME as Turbine and Aeroengine Congress, 1997.

5 5 C aldeira de licor negro V apor 60 bar / 450 C el vapor (contra -pressão com extração) C aldeira Complem entar (resíduos) V apor 4 b ar 36 M W 10 bar Água de alim entação FI U R A 3. SISTEM A D E C O E R A Ç Ã O B Á S IC O N O P R O C E S S O D A C E L U L O S E ar gás de licor negro limpo Limpeza dos gases aseificador de Licor Negro Licor Negro gás 73 MW recuperação de calor dos gases gás exausto (c. combinado) vapor 60 bar/ 450Cel vapor 10 bar / 190 Cel (c. simples) vapor vapor (contra -pressão com extração) 10 MW complementar (resíduos / gás natural) vapor água de alimentação 10 bar FIURA 4. SISTEMA DE COERAÇÃO COM ASEIFICAÇÃO DE LICOR NERO CICLO SIMPLES E CICLO COMBINADO PROCESSO KVAERNER CHEMREC..

6 6 TABELA 3 Dados Técnicos Tecnologias Licor Negro e Turbina à Vapor aseificador Chemrec e Ciclo Simples aseificador Chemrec - Ciclo Combinado aseificador Noell e Ciclo Combinado aseificador ABB e Ciclo Combinado Produção de Celulose (TC/dia) Produção de Licor Negro ton licor negro seco(*)/tc 1,74 1,74 1,74 1,74 1,74 MW (do PCS) 339,9 371,8 358,3 446,1 308,4 ton licor negro seco(*)/h 85,2 93,2 89, ,3 Vapor de Alta Produzido ton/ton licor negro seco(*) 3,46 n.d. 0,99 1,16 2,01 Vapor de alta pressão (bar/c) Produção de Vapor de Processo (**) de 10bar(ton/ton licor negro seco(*) 60/450 10/190 60/ /520 60/450 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 (MW) 46,0 48,5 48,5 60,4 41,8 de 4bar(ton/ton licor negro seco(*) ) 2,37 2,52 2,15 2,16 1,44 (MW) 127,6 143,2 122,2 152,7 70,3 Total(ton/ton licor negro sêco (*) ) 3,21 3,36 2,99 3,00 2,28 (MW) 173,6 191,7 170,7 213,1 112,1 Turbina à ás (1) Vazão de gás de licor negro (kg/s) Produção de Energia Elétrica - 62,9 60,6 39,7 47,5 Turbina à gás (MW) 0 72,73 72,48 82,10 86,48 Turbina à Vapor (MW) 37, ,16 29,18 21,80 Produção Total Líquida (MW) Índice da Prod. Líquida (MWh/TC) Eficiência Elétrica ao PCI (%) Eficiência Térmica (Vapor) ao PCI (%) Relação Eletricidade/Vapor (E/H) Eficiência lobal(1 a. Lei) ao PCI (%) 35,7 69,6 79,3 81,7 86, ,2 21,7 25,6 21,2 32,6 59,1 59,7 55,1 55,3 42,1 0,206 0,363 0,465 0,383 0,774 71,3 81,3 80,8 76,5 74,7 NOTAS: (*): Licor negro típico: sólidos do licor negro seco (75%) e água (25%) TC: ton. celulose seca ao ar. (1) Siemens-KWU 64.3a (similar à E 6FA) (**) O caso da caldeira de licor negro e turbina à vapor deve incluir ainda 21,3 t/h de vapor a 35 bar, extraído da turbina à vapor, para os sopradores de fuligem.