Eficiência Energética na Indústria

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1 Eficiência Energética na Indústria Mário Costa Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Lisboa, Portugal IDMEC, Porto, 12 de Novembro de

2 Sumário 1. Enquadramento 2. Combustíveis e Combustão 3. Caldeiras 4. Recuperadores de Calor 5. Cogeração 6. Conclusões 2

3 1. Enquadramento A economia portuguesa apresenta uma intensidade energética elevada Em relação ao consumo de energia primária, Portugal tem uma dependência do exterior muito elevada (cerca de 85% do necessário) Em termos de consumo de energia, a indústria portuguesa representa cerca de 32% do total 3

4 1. Enquadramento Neste contexto foram definidas medidas/estratégias políticas e tecnológicas para o aumento da poupança e da eficiência energética na indústria portuguesa de acordo com as recomendações da União Europeia, seguindo estratégias de sucesso implementadas noutros países europeus 4

5 1. Enquadramento 5

6 2. Combustíveis e Combustão Introdução Os combustíveis são as substâncias que, quando aquecidas, sofrem uma reacção química de oxidação, utilizando na maioria dos casos o oxigénio constituinte do ar, com libertação de calor Os combustíveis podem ser classificados em sólidos, líquidos e gasosos Podem também ser classificados como combustíveis fósseis e biomassa Um aspecto comum a combustíveis fósseis e combustíveis de origem biológica (i.e., biomassa) é que todos foram, na sua origem, matéria viva Uma importante diferença entre eles é a escala de tempo... enquanto os combustíveis fósseis resultaram de plantas ou animais que viveram há centenas de milhões de anos, a biomassa resulta de matéria que estava viva há poucos anos, ou mesmo dias Assim, ao contrário dos combustíveis fósseis, a biomassa é renovável 6

7 2. Combustíveis e Combustão Introdução Os principais combustíveis fósseis são o gás natural, os derivados do petróleo bruto (por exemplo, gasolinas, gasóleos, querosenes e fuelóleo) e o carvão O termo biomassa cobre uma extensa categoria de materiais, incluindo: madeira, desperdícios vegetais, tais como a palha e a casca de arroz, resíduos de origem animal, tais como esgotos domésticos e estrume, resíduos industriais, resíduos sólidos urbanos 7

8 Combustão e energia 2. Combustíveis e Combustão O consumo de energia a nível mundial aumentou de forma dramática durante o século XX, prevendo-se que essa tendência se traduza num aumento de cerca de 2% ao ano entre 2003 e 2030 Consumo de energia a nível mundial. (Dados da EIA, 2006.) 8

9 Combustão e energia 2. Combustíveis e Combustão Nos países não pertencentes à OCDE prevê-se que o consumo em 2030 seja mais de duas vezes superior ao actual, enquanto nos países da OCDE o crescimento não será tão acentuado Consumo de energia por região. (Dados da EIA, 2006.) 9

10 2. Combustíveis e Combustão Combustão e energia NOTAS: Até meados do século XIX, a madeira era o principal combustível utilizado pelo homem. O desenvolvimento do automóvel, e posteriormente do avião, conduziu, ao longo do século XX, a um aumento progressivo na contribuição do petróleo, em detrimento da madeira. A contribuição do carvão, embora crescente em termos absolutos, diminuiu em termos percentuais a partir de A utilização do gás natural só começou a ser relevante em meados do século XX. Contribuição das diferentes fontes de energia primária para o consumo energético a nível mundial desde A energia hidroeléctrica, cuja contribuição é visível a partir de 1910, e a energia nuclear, importante a partir de 1970, mantiveram um papel secundário comparativamente à dos combustíveis fósseis. A contribuição de outras energias renováveis só muito recentemente se torna visível. 10

11 2. Combustíveis e Combustão Combustão e energia Fonte de energia (Mtep) B A 2000 C F 1000 D E % 21% 2% 15% D C 11% D Ano 2002 Mundial 2030 F B Mtep 2% 4% 11% 2% F 5% D 25% Mtep 2002 União Europeia 2030 F A A 18% 23% 36% C 10% 2% F 7% D B A 13% A 22% 35% A B C D E F Carvão Petróleo Gás natural Nuclear Hidroeléctrica Outras renováveis NOTAS: O petróleo continuará a ser o principal combustível neste horizonte temporal, mas o gás natural registará a maior taxa de crescimento, tornando-se o segundo combustível mais consumido em detrimento do carvão por volta de A energia nuclear irá crescer até 2010, mas diminuirá a partir daí, de tal modo que a variação prevista entre 2000 e 2030 é muito diminuta. Tanto a energia hidroeléctrica como as energias renováveis terão um acréscimo, que será particularmente significativo em termos relativos, mas não em termos absolutos, para as energias renováveis. 23% C B 38% 32% C B 36% 1690 Mtep 2048 Mtep Contribuição das diferentes fontes de energia primária para o consumo energético a nível mundial e na UE (Dados da IEA, 2004.) 11

12 Combustão e energia 2. Combustíveis e Combustão Verifica-se que o carvão é o principal combustível utilizado na produção de energia, e embora a sua contribuição venha a aumentar em valor absoluto, terá um peso menor em termos relativos em 2030 Pelo contrário, o gás natural terá um aumento muito significativo O petróleo e a energia nuclear terão uma variação diminuta em termos absolutos e uma queda acentuada em termos relativos As energias renováveis aumentarão de forma significativa, mas a percentagem global prevista para 2030 é apenas de 6% para a energia hidroeléctrica e de 7% para as outras energias renováveis 12

13 Combustão e energia 2. Combustíveis e Combustão No sector industrial, que inclui o fabrico de materiais, a construção civil e a indústria mineira, não se prevêem variações muito significativas nas contribuições percentuais das diversas fontes de energia, mantendo-se o petróleo, o gás e a electricidade como dominantes, com um aumento relativo do gás e da electricidade à custa do carvão e do petróleo No sector dos transportes não se prevê evolução digna de registo, enquanto noutros sectores de actividade (agricultura, edifícios, comércio e serviços públicos) haverá um aumento acentuado no consumo de electricidade, acompanhado por um decréscimo em todos os combustíveis fósseis Comparando a evolução prevista a nível mundial com a da União Europeia, nota-se que na União Europeia o peso do gás e das energias renováveis é maior do que a nível mundial, para a generalidade dos sectores de actividade 13

14 Combustão e ambiente 2. Combustíveis e Combustão A diminuição da contribuição relativa do carvão e do petróleo no consumo energético mundial deve-se, por um lado, à consciencialização de que as reservas destes combustíveis são limitadas e, por outro lado, a serem os combustíveis fósseis os principais responsáveis pela emissão de poluentes, resultantes da combustão Os principais poluentes resultantes da combustão são o CO, os hidrocarbonetos não queimados, o NO x (inclui NO e NO 2 ), o SO 2 e as partículas sólidas Estes poluentes podem causar problemas na saúde e no ambiente nevoeiro fotoquímico (smog), chuvas ácidas, destruição da camada de ozono e efeito de estufa As emissões dos poluentes gerados em processos de combustão têm diminuído nos últimos anos em muitos países industrializados, devido à introdução de medidas de controlo da poluição, quer a nível de modificações durante o processo de combustão quer após a combustão 14

15 Combustão e ambiente 2. Combustíveis e Combustão Na União Europeia, dados relativos ao período revelam uma diminuição de 25% nas emissões de NO x, 60% nas de SO 2, 32% nas de CO e 34% nas de partículas sólidas As emissões de NO x devem-se, sobretudo, aos sectores dos transportes, produção de energia eléctrica e indústria, responsáveis por 64%, 16% e 13% das emissões, respectivamente Os principais responsáveis pelas emissões de SO 2 em processos de combustão são o sector de produção de energia eléctrica e a indústria, responsáveis por 61% e 24% das emissões As emissões de CO são mais elevadas nos transportes, os quais contribuem para 57% dessas emissões As emissões de partículas sólidas são maiores nos transportes e no sector de produção de energia (28% e 24%, respectivamente) 15

16 2. Combustíveis e Combustão Fundamentos de combustão Combustão: rápida oxidação do combustível Combustão completa: oxidação total do combustível (necessário fornecer a quantidade adequada de oxigénio) Nitrogénio: (a) reduz a eficiência da combustão (b) origina NO x a temperaturas elevadas Carbono origina (a) CO 2 (b) CO que resulta em menos calor libertado no processo de combustão Optimização do processo de combustão exige controlo da temperatura, turbulência e tempo de residência Controlo da quantidade de oxigénio é fundamental: 16

17 2. Combustíveis e Combustão Fundamentos de combustão 17

18 2. Combustíveis e Combustão Eficiência energética: oportunidades Pré-aquecimento do fuel-óleo (residual) e controlo da respectiva temperatura Facilita a sua bombagem, melhora o processo de atomização Prevenir sobre-aquecimento: uso de termostastos Preparação dos combustíveis sólidos Distribuição do tamanho das partículas (muito importante para a eficiência da combustão) Condicionamento do carvão (segregação do carvão pode ser reduzida com adição de água, o que diminui % de carbono nas cinzas e o excesso de ar requerido) Mistura de vários carvões 18

19 2. Combustíveis e Combustão Eficiência energética: oportunidades Controlo do processo de combustão Auxiliar queimador(es) a atingir eficiência óptima através da regulação dos caudais de combustível e ar e remoção adequada dos produtos de combustão Tipo de controlo On/Off: queimador(es) trabalha(m) em carga máxima ou não funciona(m) High/Low/Off : queimador(es) trabalha(m) em duas cargas ou não funciona(m) Modulating control: altera a carga do queimador de acordo com a procura de vapor de água 19

20 3. Caldeiras Introdução STEAM TO PROCESS EXHAUST GAS VENT STACK DEAERATOR PUMPS ECO- NOMI- ZER VENT BOILER BURNER WATER SOURCE BLOW DOWN SEPARATOR FUEL BRINE CHEMICAL FEED SOFTENERS 20

21 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Fire Tube Boiler Capacidade de produção de vapor de água relativamente pequena (12,000 kg/h) Pressões de vapor até18 kg/cm 2 Opera com combustíveis gasosos, líquidos e sólidos 21

22 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Water Tube Boiler Usado para elevadas necessidades de vapor de água a elevadas pressões Capacidade de produção de vapor de água entre 4,500 e 120,000 kg/h Baixa tolerância à qualidade da água e necessita de uma estação de tratamento de água 22

23 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Packaged Boiler To Chimney Oil Burner Elevadas taxas de transferência de calor por convecção Rápida evaporação Boas eficiências de combustão Elevadas eficiências térmicas 23

24 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Fluidized Bed (FBC) Boiler Temperaturas entre ºC Combustíveis: carvão, resíduos florestais, resíduos agricolas, etc Benefícios: compacidade, flexibilidade de combustível, elevadas eficiências de combustão, baixas emissões de SO x e NO x Três tipos de caldeiras de leito fluidizado Atmospheric (Bubbling) Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion (CFBC) Boiler 24

25 Tipo de caldeiras 3. Caldeiras Atmospheric (Bubbling) Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Superheaters Fuel feeding Water tubes Start up burners Refractory Sand Tertiary air Secondary air Primary air Bottom ash removal 25

26 Tipo de caldeiras 3. Caldeiras Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Dilute suspension Water tubes Circulation Cyclone Secondary air Dense suspension Fuel Return leg Primary air 26

27 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Stoke Fired Boilers Spreader stokers Combustível sólido primeiro queimado em suspensão, depois sobre a grelha Muito usado em aplicações industriais Chain-grate or traveling-grate stoker Combustível sólido queimado sobre a grelha 27

28 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Pulverized Fuel Boiler 28

29 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Waste Heat Boiler Usado quando existe calor residual a temperatura média/alta disponível Uso de queimadores auxiliares quando a procura de vapor de água é superior Usado na recuperação de calor dos gases de escape de turbinas a gás e motores Diesel 29

30 3. Caldeiras Tipo de caldeiras Thermic Fluid Heater Control panel Insulated outer wall Exhaust Vasta aplicação em processos de aquecimento indirectos Fluido térmico é o meio de transferência de calor Benefícios Ciclo fechado = perdas mínimas Operação do sistema (nãopressurizado) a 250 ºC Controlo automático = flexibilidade operacional Boa eficiência térmica 30

31 3. Caldeiras Avaliação Causas para desempenho deficiente Combustão incompleta Sujamento (fouling) das superficies de transferência de calor Operação e manutenção deficientes Deterioração da qualidade do combustivel e da água Balanço de energia: identificação das perdas de calor Perdas de calor evitáveis incluem: Perdas nos fumos (excesso de ar, temperatura dos fumos) Perdas devido aos hidrocarbonetos não queimados Convecção e radiação Eficiência da caldeira: determinação dos desvios da melhor eficiência 31

32 3. Caldeiras Avaliação Balanço de energia Stochiometric Excess air Unburnt Stack gas FUEL INPUT STEAM OUTPUT Convection and radiation Ash and unburnt parts of fuel in ash 32

33 3. Caldeiras Avaliação Balanço de energia 12.7 % Heat loss due to dry flue gas 8.1 % Heat loss due to steam in fuel gas 100% Fuel BOILER 1.7 % 0.3 % Heat loss due to moisture in fuel Heat loss due to moisture in air 2.4 % Heat loss due to unburnts in residue 1.0 % Heat loss due to radiation & other unaccounted loss 73.8 % Heat in Steam 33

34 3. Caldeiras Avaliação Eficiência: % do calor fornecido efectivamente utilizado para produzir vapor de água BOILER EFFICENCY CALCULATION 1) DIRECT METHOD: 2) INDIRECT METHOD: The energy gain of the working fluid (water and steam) is compared with the energy content of the boiler fuel The efficiency is the different between losses and energy input 34

35 3. Caldeiras Eficiência energética: oportunidades Temperatura dos produtos de combustão (fumos) Manter tão baixa quanto possível Se > 200 C, recuperar o calor residual Pré-aquecimento da água de alimentação usando economizadores Potencial para recuperar o calor de produtos de combustão a ºC Pré-aquecimento do ar de combustão Se a temperatura do ar de combustão for aumentada em 20 C, a eficiência térmica da caldeira aumenta 1% 35

36 3. Caldeiras Eficiência energética: oportunidades Combustão incompleta Sintomas: fumo, elevadas concentrações de CO nos produtos de combustão Causas: falta de ar, excesso de combustível, deficiente distribuição do combustível, mistura deficiente entre o combustível e o ar Caldeira a fuelóleo: viscosidade não adequada, depósitos no atomizador, mau estado dos atomizadores Caldeiras a carvão pulverizado: diâmetro das partículas inadequado Excesso de ar Excesso de ar necessário para assegurar combustão completa Excesso de ar óptimo varia 1% de redução no excesso de ar = aumento de 0,6% na eficiência Analizadores de oxigénio (portáteis ou continuos) 36

37 3. Caldeiras Eficiência energética: oportunidades Perdas de calor por radiação e convecção Isolamento Sujamento (fuligem) Por cada 22 ºC de aumento na temperatura dos fumos, a eficiência térmica da caldeira diminui 1% 3 mm de fuligem = 2,5% aumento de consumo de combustível Pressão de vapor Reduzir a pressão de vapor = menor temperatura de saturação do vapor = menor temperatura dos produtos de combustão Pressão de vapor determinada pelo processo 37

38 3. Caldeiras Eficiência energética: oportunidades Controladores de velocidade para ventiladores e bombas Devem ser considerados em caldeiras com cargas variáveis Carga da caldeira Eficiência máxima: 65-85% da carga nominal Perda de eficiência significativa: < 25% da carga nominal Planeamento do funcionamento da caldeira Eficiência óptima: 65-85% da carga máxima Poucas caldeiras a funcionar a cargas elevadas é mais eficiente do que muitas caldeiras a funcionar a cargas baixas 38

39 3. Caldeiras Eficiência energética: oportunidades Substituição da caldeira Economicamente atractiva se a caldeira for Velha e ineficiente Incapaz de queimar combustiveis de substituição mais baratos Sobre ou sob dimensionada para as exigências actuais Não projectada para condições de carga ideal 39

40 4. Recuperadores de Calor Introdução Há calor residual que pode ainda ser re-utilizado Aproveitamento de calor residual através de um recuperador Valor (qualidade) é mais importante que a quantidade Aproveitamento do calor residual permite poupar combustível 40

41 4. Recuperadores de Calor Introdução Source of Waste Heat Heat in flue gases Heat in vapour streams Quality of Waste Heat The higher the temperature, the greater the potential value for heat recovery As above but when condensed, latent heat also recoverable Convective and radiant heat Low grade if collected may be used for lost from exterior of space heating or air preheats equipment Heat losses in cooling water Heat losses in providing chilled water or in the disposal of chilled water Heat stored in products leaving the process Heat in gaseous & liquid effluents leaving process Low grade useful gains if heat is exchanged with incoming fresh water 1. High grade if it can be utilized to reduce demand for refrigeration 2. Low grade if refrigeration unit used as a form of Heat pump Quality depends upon temperature Poor if heavily contaminated & thus requiring alloy heat exchanger 41

42 4. Recuperadores de Calor Introdução Calor residual a temperaturas elevadas Type of Devices Temperature (ºC) Nickel refining furnace Aluminium refining furnace Zinc refining furnace Copper refining furnace Steel heating furnace Copper reverberatory furnace Open hearth furnace Cement kiln (Dry process) Glass melting furnace Hydrogen plants Solid waste incinerators Fume incinerators

43 4. Recuperadores de Calor Introdução Calor residual a temperaturas moderadas Type of Devices Temperature (ºC) Steam boiler exhaust Gas turbine exhaust Reciprocating engine exhaust Reciprocating engine exhaust (turbo charged) Heat treatment furnace Drying and baking ovens Catalytic crackers Annealing furnace cooling systems

44 4. Recuperadores de Calor Introdução Calor residual a temperaturas baixas Source Temperature (ºC) Process steam condensate Cooling water from: Furnace doors Welding machines Injection molding machines Annealing furnaces Forming dies Air compressors Pumps Internal combustion engines Air conditioning and refrigeration condensers Liquid still condensers Drying, baking and curing ovens Hot processed liquids Hot processed solids

45 4. Recuperadores de Calor Tipo de recuperadores de calor Hybrid recuperator Metallic radiation recuperator 45

46 4. Recuperadores de Calor Tipo de recuperadores de calor Regenerator Heat wheel 46

47 4. Recuperadores de Calor Tipo de recuperadores de calor Heat Pipe Economizer 47

48 4. Recuperadores de Calor Tipo de recuperadores de calor Shell & tube heat exchanger Plate heat exchanger 48

49 4. Recuperadores de Calor Tipo de recuperadores de calor Two-pass water tube waste heat recovery boiler 49

50 4. Recuperadores de Calor Tipo de recuperadores de calor Heat pump arrangement 50

51 4. Recuperadores de Calor Avaliação Perdas de calor Qualidade: temperaturas elevadas = elevada qualidade = baixos custos de investimento Quantidade: a quantidade de calor residual recuperável pode ser calculada da seguinte forma: Q = Vρ c p T A poupança efectiva pode ser estimada através de: Q = mc p Tη onde η é o factor de recuperação de calor ( 50% é um valor interessante) 51

52 5. Cogeração Introdução Cogeração: produção simultânea de energia térmica e energia eléctrica a partir de um único combustível e de um único conjunto de equipamentos Nos processos tradicionais de produção de energia eléctrica a partir de gás, fuelóleo ou biomassa, pelo menos 60% da energia primária contida no combustível é transformada em calor e perdida para a atmosfera. Nas centrais termoeléctricas clássicas a eficiência média situa-se entre 35 e 40% Nos sistemas de cogeração, por outro lado, com o aproveitamento do calor residual proveniente do processo de produção de energia eléctrica, que de outra forma seria desperdiçado, obtêm-se benefícios ambientais e económicos muito significativos, decorrentes do acréscimo de eficiência do processo 52

53 5. Cogeração Introdução Quando a energia térmica proveniente do sistema de cogeração é utilizada para produzir frio, através de um ciclo de absorção, temos um processo alargado de cogeração que se chama trigeração Os sistemas de cogeração mais utilizados são os que recorrem a turbina a gás ou a motor alternativo Os sistemas de cogeração atingem em média níveis de aproveitamento útil de energia primária na ordem dos 60%, sendo este indicador considerado uma referência nos padrões de eficiência energética do sector Os benefícios energéticos e ambientais da cogeração são de tal forma relevantes que a meta para 2010 estabelecida pela União Europeia para a produção através da cogeração situa-se nos 18% do total da energia produzida 53

54 5. Cogeração Introdução 54

55 5. Cogeração Benefícios Economia de energia primária Redução de emissão de poluentes Fiabilidade do fornecimento de electricidade Aumento de estabilidade do sistema eléctrico Diminuição do consumo de combustíveis fósseis 55

56 6. Cogeração Sistema de cogeração com turbina a vapor Muito usado em aplicações de cogeração Tecnologia mais antiga Capacidade: 50 kw até centenas de MWs Ciclo termodinâmico: Rankine com uma caldeira Sistemas mais comuns Back pressure steam turbine Extraction condensing steam turbine 56

57 Back pressure steam turbine 5. Cogeração HP Steam Boiler Turbine G Condensate Process LP Steam Configuração simples, custos de investimento relativamente baixos, poucas necessidades de água de arrefecimento, elevada eficiência global Turbina de grandes dimensões 57

58 5. Cogeração Extraction Condensing Steam Turbine HP Steam Fuel Boiler Turbine G Condensat e Process LP Steam Condense r Vapor de água extraído de um estágio intermédio Custos de investimento relativamente elevados, baixa eficiência global 58

59 5. Cogeração Sistema de cogeração com turbina a gás Ciclo termodinâmico: Brayton Combustível mais usado é o gás natural Capacidade: 1 MW até100 MW Importantes desenvolvimentos nos anos mais recentes Dois tipos: ciclo aberto e fechado 59

60 5. Cogeração Sistema de cogeração com turbina a gás (ciclo aberto) Ciclo de Brayton aberto: ar atmosférico a elevada pressão fornecido à câmara de combustão Produtos de combustão a ºC Produção de vapor de água a pressão elevada: pode ser usado numa turbina de vapor Fuel Combustor Exhaust Gases HRSG Condensate from Process Steam to Process G Compressor Turbine Generator Air 60

61 5. Cogeração Sistema de cogeração com turbina a gás (ciclo fechado) Fluido de trabalho circula num sistema fechado, não causando corrosão nem erosão Pode ser usado qualquer combustível, incluindo energia nuclear e energia solar Heat Source Heat Exchanger Compressor Turbine G Generator Condensate from Process Steam to Process 61

62 5. Cogeração Sistemas de cogeração com motor Diesel Vantagens: operação, eficiência, custos do combustível 62

63 6. Cogeração Eficiência energética: oportunidades Sistema de cogeração com turbina a vapor Turbina a vapor: Manter as condições de operação do condensador (vácuo) nos valores óptimos Manter temperatura e pressão do vapor nos valores óptimos Evitar operação a cargas parciais e frequentes paragens (e arranques) Caldeira e vapor Sistema de cogeração com turbina a gás Turbina a gás: Manter temperatura e pressão do vapor nos valores óptimos Evitar operação a cargas parciais e frequentes paragens (e arranques) Monitorizar a temperatura dos gases quentes e dos produtos de combustão Monitorizar caudal através da turbina Monitorizar a pressão do ar Compressores Recuperadores de calor 63

64 7. Conclusões A energia é um factor de produção determinante na vida de uma empresa A redução da factura de energia exige o estabelecimento de boas práticas, conhecimento do estado da arte (auditorias energéticas) 64