BALANÇO ENERGÉTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE PLANEJAMENTO DA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR NA REGIÃO DE CHARQUEADA SP

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1 CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PIRACICABA FATEC CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS BALANÇO ENERGÉTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE PLANEJAMENTO DA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR NA REGIÃO DE CHARQUEADA SP ADERBAL ALMEIDA ROCHA ARIEL TON ESEQUIEL MICHELIN PIRACICABA SP JUNHO/2011

2 ADERBAL ALMEIDA ROCHA ARIEL TON ESEQUIEL MICHELIN BALANÇO ENERGÉTICO DE UM ENGENHO PARA FINS DE PLANEJAMENTO DA PRODUÇÃO DE AÇÚCAR NA REGIÃO DE CHARQUEADA SP Trabalho de Graduação apresentado à Banca Examinadora como requisito parcial para à obtenção do título de Tecnólogo em Biocombustíveis. Orientador: Prof. Dr. Fábio César da Silva. PIRACICABA SP JUNHO/2011

3 AUTORIZAMOS A DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE. Rocha, Aderbal Almeida; Ton, Ariel; Michelin, Esequiel Balanço energético de um engenho para fins de planejamento da produção de açúcar na região de Charqueada SP / Aderbal Almeida Rocha; Ariel Ton e Esequiel Michelin; orientador Fábio César da Silva. Piracicaba, p. Trabalho de Graduação (Graduação Tecnologia) Faculdade de Tecnologia de Piracicaba Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza. 1. Vapor 2. Energia Elétrica 3. Silva, Fábio César orientador I Titulo

4 FOLHA DE APROVAÇÃO Dr. FÁBIO CÉSAR DA SILVA Orientador e Presidente da Banca Dr. Hermas Amaral Germek Fatec Piracicaba Dra. Márcia Nalesso Costa Harder Fatec Piracicaba

5 AGRADECIMENTOS Agradecemos á Deus, por nos abençoar, conduzir e iluminar em todos os momentos. As nossas famílias pela força e apoio. À Faculdade de Tecnologia de Piracicaba Fatec, por possibilitar as condições e meios para obtenção de nossos conhecimentos. Ao professor Dr. Fábio César da Silva pela orientação, críticas e sugestões. Ao professor Dr. Fernando de Lima Camargo pelas valiosas sugestões e coorientação deste trabalho. Ao Engenho Granelli & Filhos Ltda., em especial ao sócio proprietário Sr. José Granelli e a Tecnóloga Tânia Martins do laboratório de análises, por permitir o desenvolvimento de nosso trabalho e pelas informações disponibilizadas. A NG Metalúrgica Ltda., em especial aos Engenheiros Matheus Franhani e Rodrigo Degaspari, pela colaboração e disponibilidade do software para os cálculos de eficiência das turbinas. Ao Engenheiro Murilo Vilela pelo apoio prestado nos cálculos das simulações para a indústria de açúcar. A todos que colaboraram direta ou indiretamente com este trabalho.

6 "Há homens que lutam um dia e são bons. Há outros que lutam um ano e são melhores. Há os que lutam muitos anos e são muito bons. Porém, há os que lutam toda a vida. Esses são os imprescindíveis." (Bertolt Brecht)

7 RESUMO Nas usinas de açúcar e álcool o bagaço da cana-de-açúcar é usado como combustível para caldeiras, gerando vapor para turbinas que pode se transformar em acionamento de equipamentos de preparo e extração do caldo, aquecimento e/ou eletricidade. O fator de maior importância no planejamento do setor sucroenergético é a sazonidade da produção, ou seja, a safra de cana-de-açúcar coincidir com os períodos de pouca chuva e quando os rios estão com seus níveis baixos. O objetivo deste trabalho foi determinar a eficiência das turbinas á vapor e qualificar o processo com as boas práticas de operação dos processos de produção do Engenho Granelli, no município de Charqueada no Estado de São Paulo, pois o empresário pretende num futuro próximo instalar uma fábrica de açúcar. Os parâmetros foram obtidos nos painéis dos equipamentos e posteriormente calculouse a eficiência das turbinas. Verificou-se que o vapor gerado e as condições operacionais da indústria são suficientes para suprir as necessidades dos processos atuais (etanol hidratado, aguardente e xarope). No entanto, não é suficiente para funcionar uma fábrica de açúcar, devido a limitações da caldeira e turbogerador. Na seqüência procedeu-se a simulação para uma fábrica de açúcar, considerando a aquisição de uma nova caldeira e turbogerador. Palavras-chave: Vapor, energia, bagaço de cana-de-açúcar, eficiência e turbinas.

8 ABSTRACT In the sugar and alcohol industry the sugar cane bagasse is used like fuel for the boilers, generating steam for the turbine they can be transformed into drive in equipment preparation and juice extraction,.the most important factor for the alcohol sector is the ripe of the production, the sugar s harvest coincide with the little rain s periods and when the rivers are in their lower levels. The aim of this study was to determinate the efficiency of the steam turbines and qualify the process the good operating practices and calculate the mass balance of the producing process of the Engenho Granelli, on Charqueada municipality, Sao Paulo State, because the entrepreneur in the near future intends to install a sugar factory. The parameters were obtained at the equipment s panels them calculated the turbine s efficiency. It was found that steam generated is sufficient to meet the needs of current processes (hydrous ethanol, brandy and syrup) however, is not sufficient to operate a sugar factory, due to limitations of the turbo generator. Following proceeded to the simulation for a sugar factory, considering the purchase of a new boiler and turbogenerator Key-words: Steam, energy, sugar cane bagasse-cane, steam, efficiency and turbines.

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Características físico-químicas dos açúcares cristal e VHP...28 Tabela 2. Características das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli...30 Tabela 3. Resultados do desempenho das turbinas do Engenho Granelli...35

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Evolução brasileira da produção de cana-de-açúcar (MAPA, 2010)...15 Figura 2. Geração de bagaço e alimentação das caldeiras (CTC, 2011)...19 Figura 3. Transporte de bagaço do pátio para a caldeira (CTC, 2011)...20 Figura 4. Esquema do volume de controle da caldeira (EL-WAKIL, 1984)...22 Figura 5. Esquema do volume de controle da turbina...23 Figura 6. Esquema do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984)...24 Figura 7. Diagrama T-S do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984)...25 Figura 8. Diferença de cor dos açúcares cristal e VHP (CANAH, 2011)...27 Figura 9. Preços médios do açúcar VHP exportado (US$/sc 50 kg) no Estado de São Paulo (MAPA, 2010)...28 Figura 10. Evolução da produção Brasileira de açúcar (MAPA, 2010)...29 Figura 11. Caldeira e turbogerador, Engenho Granelli...31 Figura 12. Turbina da bomba d água e painel de equipamentos, Engenho Granelli...31 Figura 13. Recepção e preparo da cana-de-açúcar no Engenho Granelli...31 Figura 14. Fluxograma geral dos processos de fabricação do Engenho Granelli...32 Figura 15. Eficiência dos equipamentos no uso de vapor...36 Figura 16. Simulação do balanço geral para a produção de açúcar e etanol hidratado...38 Figura 17. Simulação do balanço vapor para a produção de açúcar e etanol hidratado...39

11 LISTA DE APÊNDICES Apêndice A Croqui de produção e consumo de vapor do Engenho Granelli...44 Apêndice B Resultado dos cálculos para a turbina do DEFIBRADOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG Apêndice C Resultado dos cálculos para a turbina do PICADOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG Apêndice D Resultado dos cálculos para a turbina do 3 0 TERNO DE MOENDA, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG Apêndice E Resultado dos cálculos para a turbina do EXAUSTOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG Apêndice F Resultado dos cálculos para a turbina da BOMBA, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG Apêndice G Resultado dos cálculos para a turbina do GERADOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG Apêndice H Declaração de utilização e divulgação de dados do Engenho Granelli...51

12 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 0 Bx.: Grau brix CONAB: Companhia Nacional de Abastecimento CTC: Centro Tecnologia Canavieira ha: hectare HP: Horse Power J: Joule kg: quilograma kgf: quilograma força MAPA: Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento PCI: Poder Calorífico Inferior PCS: Poder Calorífico Superior RPM: rotação por minuto t: tonelada T-S: Temperatura e Entalpia tv/h: tonelada de vapor por hora UNICA: União da Indústria Canavieira VHP: Very High Polarization

13 SUMÁRIO LISTA DE TABELAS...9 LISTA DE FIGURAS...10 LISTA DE APÊNDICES...11 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA Cana-de-açúcar Bagaço da cana-de-açúcar Caldeira Turbina Balanço de energia Açúcar VHP Very High Polarization MATERIAIS E MÉTODOS Local do estudo Coleta de dados Medidas Cálculo de eficiência das turbinas Simulação da fábrica de açúcar VHP RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise do desempenho atual Simulação da implantação de fábrica de açúcar VHP CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...41 APÊNDICES...43

14 13 1. INTRODUÇÃO Há um milhão de anos, a população primitiva não era superior a meio milhão de indivíduos, o que permitia à natureza a sua resiliência dos recursos empregados neste período. Quando havia ameaça de colapso, as populações buscavam outras regiões e de maneira geral não havia preocupações com a capacidade de suporte do meio, isto é, as condições naturais de regeneração dos recursos (GOLDEMBERG e LUCON, 2008). Com a revolução industrial, o crescimento expressivo da população e consequente aumento do consumo de energia, novas fontes de energia primária foram exploradas além da lenha, hidráulica, carvão mineral, petróleo, urânio e mais recentemente, a biomassa. No setor sucroenergético a biomassa advinda da cana-de-açúcar tem papel fundamental no processo de produção de vapor, geração de energia elétrica, seja para suprir as necessidades dos processos agroindustriais e/ou geração de excedentes de bagaço para o consumo externo as unidade produtoras. O Engenho Granelli é uma empresa familiar situada á Fazenda São Benedito, Bairro Paraisolândia, município de Charqueada, Estado de São Paulo, iniciou suas atividades em 1991 com a produção de cachaça, em 2001 começou a produzir etanol hidratado e a partir de 2006 a fabricação de xarope concentrado. Na safra 2010/2011, o Engenho Granelli, processou toneladas de cana, produzindo m 3 de cachaça, 178 m 3 de etanol hidratado e m 3 xarope concentrado (65 0 Bx). A cana processada cerca de 20 % foi colhida mecanicamente (cana crua) e o restante foi colheita manual com queima. O Engenho utiliza toda sua energia proveniente da queima do bagaço de cana-deaçúcar em caldeiras aquatubulares. Na safra 2010/2011 empregou 280 pessoas

15 14 diretamente, sendo 60 na indústria e 220 no campo, em três turnos de 8 horas. A cana processada é 50 % própria e 50 % de fornecedores, abrangendo raio de 20 km do Engenho. O Engenho possui uma caldeira em funcionamento de 40 toneladas de vapor por hora de capacidade, classe aquatubular, operando com a produção de 32 toneladas de vapor por hora nos parâmetros descritos nominais de trabalho: temperatura de C e pressão interna 22 kgf cm -2. O Engenho Granelli está estudando a implantação de uma fábrica de açúcar VHP, pois o xarope produzido atualmente é vendido como matéria prima para a indústria alimentícia, o mesmo será destinado á produção de açúcar VHP, que possui maior valor agregado, além de aumentar a diversidade de produtos fabricados pela unidade e aproveitando a infra-estrutura existente. A implantação da fábrica de açúcar terá relevância sócio-ambiental significativas, principalmente na geração de novos postos de trabalho e, se constatado excedente de energia térmica, a mesma poderá ser utilizada para a produção de energia elétrica, favorecendo a matriz energética regional e nacional. O tema do trabalho foi escolhido devido ao interesse dos acadêmicos em aprimorar seus conhecimentos nesta área e com intuito da integração escolaempresa, o que possibilita aplicar os conhecimentos adquiridos durante o curso de Tecnologia em Biocombustíveis e ao interesse da unidade produtora, ampliar suas instalações para a produção de açúcar VHP. O objetivo deste trabalho foi determinar a eficiência das turbinas á vapor e qualificar o processo com as boas práticas de operação e simular o consumo de vapor com a implantação de uma fábrica de açúcar no Engenho Granelli. Portanto, este estudo servirá de parâmetro para a aquisição de nova caldeira e/ou tuborgerador ou manter os mesmos com melhores condições de operacionais.

16 15 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. Cana-de-açúcar A lavoura de cana-de-açúcar continua em expansão no Brasil, Figura 1 (MAPA, 2010). Os maiores índices de aumento de área cultivada ocorrem em São Paulo, Mato Grosso do Sul, Goiás e Minas Gerais. Nestes Estados, além do aumento da área cultivada, outras novas usinas entraram em funcionamento na safra passada, ficando assim distribuídas: três no estado de Minas Gerais, duas em São Paulo, duas em Goiás e uma nos Estados de Mato Grosso, Mato Grosso o Sul e Rio de Janeiro. A Produtividade da cana destas usinas é superior as demais, o que em parte compensam a baixa produtividade que deve ocorrer no estado de São Paulo. Neste ano, está prevista a entrada em funcionamento de cinco novas unidades de produção (CONAB, 2011). Figura 1. Evolução da produção brasileira de cana-de-açúcar (MAPA, 2010). Quanto ao aspecto agronômico, a cultura da cana-de-açúcar apresenta neste primeiro levantamento, um desenvolvimento aquém do que aconteceu na safra passada, em conseqüência do clima adverso ocorrido a partir do mês de abril até novembro de 2010, com chuvas escassas em toda a região Centro-Oeste e Sudeste.

17 16 Este comportamento do clima prejudicou a brotação e o desenvolvimento da cana, tanto nas áreas colhidas como nas áreas de renovação e expansão, mas, favoreceu a colheita da safra passada, encurtando o período da safra. A conclusão da colheita na maioria das usinas, deve acontecer na primeira quinzena de novembro, com isso a cana que estava em ponto de corte foi totalmente moída não sobrando praticamente nada (cana bisada) para moer este ano, diferente do que aconteceu na safra anterior quando o excesso de chuva no período de colheita fez com que sobrasse muita cana que foi moída na safra seguinte. Após o período seco, as chuvas aconteceram com freqüência e intensidade satisfatória para o desenvolvimento dos canaviais, o que está recuperando em parte, a produtividade. No domínio de muitas unidades, o excesso de umidade dificultou a implantação de novos canaviais, e o plantio ultrapassou o período ideal, podendo trazer conseqüências na produção futura. Na safra anterior foi a falta de umidade que prejudicou o plantio que se estendeu por todo o ano, além de necessitar de irrigação para provocar o brotamento das mudas (propágulos) (CONAB, 2011). A cana-de-açúcar é cultivada no sistema convencional, em solos bem preparados com revolvimento de 20 a 30 centímetros. Mudas (propágulos) provenientes de canaviais de 12 a 18 meses, livres de pragas e doenças que após recebimento de tratamento preventivo com fungicida e inseticida, são colocadas em sulcos em formato de cunha ou trapezoidal, dependendo do tipo de solo, com trinta centímetros de profundidade e cobertas com 5 a 10 centímetros de terra. A densidade usada é de 12 a 18 gemas por metro linear e a distância entre sulcos de 1,20 metro, para facilitar a operação de colheita. O consumo de mudas por hectare é de 15 toneladas, em média. Quando o plantio é mecanizado, o consumo de cana (muda) aumenta consideravelmente, chegando a ultrapassar 20 toneladas (ÚNICA, 2011). A área cultivada com cana-de-açúcar que será colhida na safra 2011/2012 e destinada à atividade sucroalcooleira está estimada em 8.442,8 mil hectares, distribuídos em todos estados produtores. O Estado de São Paulo continua sendo o maior produtor com 52,8% (4.458,31 mil hectares), seguido por Minas Gerais com 8,77% (740,15 mil hectares), Goiás com 7,97% (673,38 mil hectares), Paraná com

18 17 7,33% (619,36 mil hectares), Mato Grosso do Sul com 5,69% (480,86 mil hectares), Alagoas com 5,34% (450,75 mil hectares), e Pernambuco com 3,84% (324,03 mil hectares). Nos demais Estados produtores as áreas são menores, mas, com bons índices de produtividade (CONAB, 2011) Bagaço da cana-de-açúcar O bagaço é um resíduo fibroso resultante do processo de extração do caldo da cana de açúcar. A composição do bagaço depende do sistema de colheita da cana-de-açúcar, que pode ser tanto cana queimada como mecanizada (cana crua). Conforme Delgado & Cesar (1977) a composição média do bagaço é: 47 % de celulose 25 % de hemicelulose 21 % de lignina 7 % outros A celulose é um polímero com mais de moléculas de glicose que estão ligadas em uma estrutura cristalina que fornece suporte estrutural às plantas. É encontrada em matérias-primas de biomassa na forma de lignocelulose (DELGADO & CESAR, 1977). A hemicelulose também é constituída de açúcares unidos em cadeias longas, que geralmente apresentam 5 (cinco) açúcares: a arabinose, galactose, glicose, manose e xilose. A hemicelulose é considerada um material amorfo e é parcialmente fermentável (DELGADO & CESAR, 1977). A lignina é também é considerada um polímero de fenil-propanóides que pode ser visto como um carvão imaturo. Não é fermentável e possui rendimentos razoáveis. Fornece estrutura e mobilidade aos vegetais aproveitando a rigidez da celulose. A lignina é formada pela remoção da água das moléculas de açúcar para criar estruturas aromáticas. Existem diversos monômeros de lignina, suas características dependem da natureza da fonte (DELGADO & CESAR, 1977).

19 18 O poder calorífico para combustíveis sólidos é internacionalmente aceita em quilo Joule por quilograma (kj kg -1 ) ou mega Joule por quilograma (MJ kg -1 ). O setor sucroalcooleiro geralmente utiliza a unidade quilocalorias por quilogramas (kcal kg -1 ), sendo que 1,0 kcal kg -1 equivale a 4,85 kj kg -1. O poder calorífico do bagaço pode variar de acordo com sua composição físico-química, condições da matéria-prima, variedade, estágio de maturação, preparo da cana, condições de trabalho, sistemas de colheita, sistemas de extração do caldo (moenda ou difusor), quantidade de impurezas vegetais e minerais (CTC, 2011). Poder Calorífico Superior (PCS) é determinado quando o calor latente de vaporização da água formada pela reação de combustão durante a queima do combustível com o ar seco e o Poder Calorífico Inferior (PCI) é o resultado do PCS menos o calor latente formado pela água durante a combustão, ou seja, a água gerada pelos produtos de combustão na forma de vapor (DELGADO & CESAR, 1977). A partir de 1990, com a auto-suficiência em produção de energia, as usinas buscaram melhorar a eficiência de combustão e o emprego de técnicas e equipamentos adequados para fazer com que metade do bagaço produzido por elas fosse utilizado para gerar a energia capaz de manter a usina em funcionamento sem a comercialização do excedente (TATEYAMA, 2008). A partir de 2001, algumas usinas começaram a trabalhar com a produção excedente de energia e assim gerar uma nova fonte de renda, comercializadas em concessionárias locais, com o investimento em substituição de equipamentos com maior eficiência (CTC, 2011). A substituição de caldeiras e turbogeradores por modelos mais novos e eficientes permite a operação de vapor vivo superiores (maior pressão e temperatura), com redução no consumo de vapor na termelétrica. Atualmente, os projetos vêm sendo feitos com a utilização de turbinas de condensação, fazendo com que parte da usina trabalhe com a coogerção e parte trabalhe como uma termelétrica movida à biomassa da cana, ou seja, bagaço e palha. Isso faz com que a usina opere além do período de safra (CTC, 2011).

20 19 Para que isso ocorra, é necessário um estoque de bagaço no período de safra, para que o mesmo possa ser utilizado posteriormente. Por possuir baixa massa específica (higroscópico e de fácil deterioração), o bagaço deve ser armazenado com alguns cuidados (CTC, 2011). O sistema de alimentação de bagaço para cadeiras pode ocorrer de duas maneiras, do setor de extração do caldo direto para a caldeira e na falta da matéria prima, pode-se fazer o retorno do material armazenado no pátio, Figura 2. Figura 2. Geração de bagaço e alimentação das caldeiras (CTC, 2011). O processo mais utilizado pelas usinas é o transporte de bagaço que sai do setor de extração do caldo direto para as caldeiras, e o excedente segue para o pátio de bagaço. Certa quantidade de bagaço é mantida em recirculação no sistema para suprir qualquer deficiência na moagem. De acordo com CTC (2011) a quantidade de bagaço pode variar entre 10 % e 40 % do bagaço consumido pelas caldeiras.

21 20 Quando ocorrem interrupções na moagem, o bagaço retorna do pátio para as caldeiras, através do dosador de retorno alimentado por tratores portadores de correia, Figura 3, (HUGOT, 1977; apud CTC, 2011). Figura 3. Transporte de bagaço do pátio para a caldeira (CTC, 2011). Todo o bagaço gerado pelo setor de extração é direcionado ao pátio de armazenagem, e depois segue para a caldeira. A característica deste sistema é a independência da moenda e/ou difusor, pois qualquer que seja o funcionamento destes equipamentos, as caldeiras recebem o bagaço do pátio. De acordo com CTC (2011) o sistema pode ser uma forma interessante de operação no armazenamento de bagaço de maneira automatizada, tanto na entrada como na saída de bagaço do armazém. Caso haja necessidade de uma máquina para operação no retorno do bagaço, este sistema pode tornar-se mais oneroso, devido o manuseio de grandes quantidades de bagaço. No entanto, este sistema aumenta o risco de deterioração do bagaço, pelo maior tempo de manuseio e retorno do mesmo. A alimentação de biomassa das caldeiras pode ser afetada devido á variação de bagaço gerado pelas moendas ou difusores, impactando a produção e pressão de vapor. Devido a isso, a recirculação de bagaço torna-se importante para evitar estas instabilidades e manter o funcionamento dos equipamentos de geração de vapor

22 21 continua e estável (CTC, 2011), mas requer boas condições de armazenagem, em pátios bem dimensionados Caldeira Caldeira é o nome popular dado aos equipamento gerados de vapor, cuja aplicação tem sido ampla no meio industrial e também na geração de energia elétrica na chamadas centrais termelétricas. Portanto, as atividades que necessitam de vapor para o seu funcionamento, em particular, vapor de água pela sua abundância, têm como componente essencial para sua geração, a caldeira. Esse equipamento, por operar com pressões acima da pressão atmosférica, sendo na grande parte das aplicações industriais até 20 vezes maior e nas aplicações para a produção de energia elétrica de 60 a 100 vezes maior, podendo alcançar valores de até 250 vezes mais, constitui um risco eminente na sua operação (ALTAFINI, 2002). A evolução das caldeiras proporcionou mudanças nas matérias-primas utilizadas para sua confecção e na sua estrutura de funcionamento, atualmente as caldeiras são basicamente de dois tipos: fogotubulares e aquatubulares (DELGADO & CESAR, 1977). Nas caldeiras fogotubulares seu funcionamento se baseia no principio de que os gases de combustão (gases quentes) passam do lado de dentro de tubos trocando calor com a parte externa do tubo, cercada por água. Esse processo fornece quantidade limitada de energia (calor) para água, pois a superfície de aquecimento é pequena, tornando a produção de vapor baixa assim como seu rendimento (ALTAFINI, 2002). Para tornar a produção de vapor maior, foram desenvolvidas as caldeiras aquatubulares, Seu funcionamento é o inverso das caldeiras fogotubulares, pois no interior dos tubos, ao invés dos gases de combustão, ficam a água e do lado exterior os gases de combustão, com isso a superfície de contato é maior, possibilitando uma maior produção de vapor e uma pressão de operação maior, tomando o rendimento da caldeira mais eficiente. Por seu maior rendimento e pressão, as

23 22 caldeiras aquatubular de biomassa são as mais utilizadas no setor sucroalcooleiro (ALTAFINI, 2002). A caldeira queima biomassa gerando vapor superaquecido. De acordo com El-Wakil (1984), o esquema de controle da caldeira para a aplicação dos balanços de massa e energia, Figura 4. Figura 4. Esquema do volume de controle da caldeira (EL-WAKIL, 1984). o o m 1 = m2 o Q F o o 1 h1 m2 2 = + m h 0 Em que: o m = vazões mássicas nas fronteiras do volume de controle o Q F = taxa líquida de calor trocado h = valores de entalpia específica do fluido nestas fronteiras 2.4. Turbina A turbina a vapor transforma a energia térmica em mecânica para posteriormente transformá-la em energia elétrica e o vapor de escape segue para o

24 23 processo. Segue abaixo o volume de controle da turbina de contrapressão seguido dos balanços de massa e de energia, Figura 5 (EL-WAKIL, 1984).. Figura 5. Esquema do volume de controle da turbina (EL-WAKIL, 1984). o o m 3 = m4 o o 3 m4 h4 m 3 h = W o tc Em que: o m = vazões mássicas nas fronteiras do volume de controle o Q F = taxa líquida de calor trocado h = valores de entalpia específica do fluido nestas fronteiras o W tc = Potência de eixo líquida. Os outros equipamentos dos ciclos, bombas e o desaerador, são usados a mesma metodologia para encontrar o volume de controle Balanço de energia O balanço de energia por sua vez, é uma exposição sistemática dos fluxos e transformações de energia em um sistema. A base teórica para um balanço

25 24 energético é a primeira lei da termodinâmica segundo a qual a energia não pode ser criada ou destruída, apenas modificada em forma. As fontes de energia ou ondas de energia são, portanto, as entradas e saídas do sistema em observação (SILVEIRA NETO et al, 2010). A avaliação do desempenho das instalações de turbinas e seus elementos são realizados por um sistema de rendimento absoluto e relativo (com relação a turbina ideal). O ciclo Rankine opera predominantemente na região de saturação do fluido de trabalho (normalmente água), que circula conforme o esquema da Figura 6 (EL-WAKIL, 1984). Figura 6. Esquema do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984). O ciclo ideal é composto pelos processos de bombeamento isoentrópico (1-2), aquecimento isobárico na caldeira (2-3), expansão isoentrópica na turbina (3-4) e

26 25 troca de calor isobárica no condensador (4-1). Sua representação num diagrama Temperatura vs Entropia pode ser vista na Figura 6 (EL-WAKIL, 1984). O rendimento térmico é um dos principais índices de desempenho (performance) da instalação de turbinas. O diagrama T-S do ciclo, Figura 7, faz uma aproximação deste diagrama com o diagrama T-S do ciclo de Carnot. Desde modo, o rendimento calorífico é, em essência, a fração do calor fornecido ao ciclo energético que se transforma em trabalho mecânico na turbina, e o seu valor é aproximadamente igual ao rendimento térmico (LORA & NASCIMENTO, 2004). Figura 7. Diagrama T-S do ciclo Rankine (EL-WAKIL, 1984). Com maiores pressões na saída da bomba levam a maior temperatura de saturação e, portanto, aumento na eficiência do ciclo. Mas há também outras

27 26 modificações que podem ser feitas visando melhoria no rendimento (EL-WAKIL, 1984). Os sistemas de vapor são de grande importância industrial em processos que necessitam de uma fonte de energia térmica. O vapor de água como vetor de transporte de energia térmica traz vantagens significativas, que explicam sua disseminação, pois a água é uma substância facilmente disponível, pouco agressiva quimicamente e com grande capacidade de transportar energia. Na geração e na utilização do vapor ocorrem mudanças de fase, tanto na vaporização quanto na condensação, que causam grandes variações de volume, resultando em elevado coeficiente de transferência térmica, que, somado à alta densidade energética (calor latente) do vapor, produz elevadas taxas de transferência de calor por unidade de área. Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante baixo preço (dependendo do combustível), alta densidade energética e elevada taxa de transferência de energia (LORA & NASCIMENTO, 2004). A avaliação da eficiência do processo de produção de vapor, tanto para acompanhamento ou para estudo comparativo é de suma importância para avaliar o seu desempenho e detectar falhas e pontos de estrangulamentos no sistema (LOPES & BORGES, 2009). A eficiência térmica ou o rendimento total que pode ser obtido na caldeira do tipo aquotubular é de 80 % a 85 % ou maiores em caldeiras com superaquecedores, economizadores e aquecedores de ar. A maior eficiência dos geradores aquotubulares deve-se à disposição mais racional da superfície de aquecimento, que favorece a transmissão do calor desenvolvido na fornalha e, especialmente, à adoção de superaquecedores de vapor, aquecedores e economizadores. Estes equipamentos permitem recuperar grande parte do calor residual dos gases quentes da combustão, que passam pela chaminé, diminuindo a temperatura final destes (CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, 2005).

28 Açúcar VHP Very High Polarization Desenvolvido em 1993, o Açúcar VHP é destinado ao mercado externo. Trata-se de um açúcar bruto, que permite aos clientes transformá-lo em diferentes tipos de açúcar para o consumo (RAÍZEN, 2011). O açúcar VHP consiste num açúcar utilizado como matéria-prima para outros processos, também em cuja fabricação o tratamento do caldo é mínimo ou nenhum e cuja massa cozida sofreu lavagem reduzida durante a centrifugação (SIAMIG, 2011). O açúcar cristal é obtido por processo de cristalização controlada, a partir de caldo de cana-de-açúcar tratado, possui cristais finos, regulares e com alto brilho sendo especialmente indicado para processos alimentícios e outros fins. O açúcar VHP é destinado principalmente ao mercado externo, trata-se de um açúcar cru (raw sugar), que permite aos clientes transformá-lo (refinar) em diferentes tipos de açúcar para o consumo industrial, Figura 8 (CANAH, 2011). As principais características físico-químicas dos açúcares cristal e VHP estão descritas na Tabela 1. Figura 8. Diferença de cor dos açúcares cristal e VHP (CANAH, 2011).

29 28 Tabela 1. Características físico-químicas dos açúcares cristal e VHP. Parâmetros Método Unidade Especificação do açúcar Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 VHP Polarização ICUMSA 0 Z mín. 99,7 99,7 99,6 < 99,6 < 99,3 Cinzas ICUMSA % Max. 0,05 0,07 0,15 > 0,15 - Cor ICUMSA UI Max > 200 > 580 Sulfito Fermentec ppm Max > 20 - Pontos pretos Copersucar N 0 máx > 20 - Resíduos insolúveis Copersucar ,5 0,6 0,8 > 09 - Granulometria Malha 30 % Max > 60 > 60 - Copersucar Malha 60 % Min < 40 < 40 - Umidade ICUMSA % Máx. 0,05 0,05 0,07 > 0,07 0,14 Dextrana ICUMSA ppm Max > 100 > Açúcares Redutores Fermentec % Máx. 0,05 0,05 > 0,05 > 0,05 - ICUMSA International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis. Fonte: CANAH (2011). De acordo com Canah (2011) em 2010, o mercado de açúcar foi marcado por fortes altas de preços, tanto no mercado doméstico como no internacional, uma das principais causas das reações expressivas foi a redução dos estoques mundiais, que têm baixado desde 2008, quando houve déficit expressivo. No ano seguinte, um novo déficit agravou a situação dos estoques e os preços internacionais começaram a reagir com altas acentuadas, Figura 9. Figura 9. Preços médios do açúcar VHP exportado (US$/sc 50 kg), no estado de São Paulo (MAPA, 2010).

30 29 Em resposta aos preços favoráveis os produtores vem aumentando a produção de açúcar a cada ano, Figura 10. De acordo com Canah (2011) a expectativa era de que, em 2010, o mercado voltasse a ter algum equilíbrio entre oferta e demanda, em termos agregados. No entanto, quebra de safra em paises produtores importantes (India) por fatores climáticos (excesso de chuva em alguns casos e estiagem em outros) trouxe de volta a instabilidade. Outros fatores, não menos importantes, que agitaram os preços foram as condições macroeconômicas que provocaram oscilação do dólar, levando investidores a alternar sua participação no mercado e acarretando incremento geral nos preços de commodities, não apenas do açúcar. Figura 10. Evolução da produção brasileira de açúcar (MAPA, 2011).

31 30 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Local do estudo O Engenho Granelli localiza-se no município de Charqueada, estado de São Paulo, à Fazenda São Benedito s/n, zona Rural, Paraisolândia, cuja razão social é José Granelli & Filhos Ltda., Indústria de aguardente, xarope e etanol hidratado Coleta de dados Os equipamentos movidos a vapor no Engenho Granelli são os de preparo da cana (desfibrador e picador), 3 0 terno de moenda, exaustor e gerador, a coleta de dados dos parâmetros para o balanço de vapor foi realizada pela leitura direta no painel de equipamentos (Figura 12), com três leituras para cada parâmetro, das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli, Tabela 2 e algumas ilustrações dos equipamentos estão apresentadas nas Figuras 11 a 13. Tabela 2. Características das turbinas utilizadas pelo Engenho Granelli. Turbina Marca Modelo Potência HP Desfibrador Dedini 140 CE 315 Picador Dedini 140 CE terno de moeda Equipe Bomba Dedini 55 CESP 200 Exaustor Dedini 140 CE 650 Gerador Turbimaq 800 ME 1600 Fonte: Os autores (2011) Alguns dos parâmetros utilizados no balanço de energético foram obtidos por meio de entrevista pessoal em parte com o proprietário do Engenho, Sr. José Granelli e a responsável pelo laboratório, Tecnóloga em Produção Sucroalcooleira Sra. Tânia Martins.

32 31 Figura 11. Caldeira e turbogerador, Engenho Granelli (Os autores, 2011). Figura 12. Turbina da bomba d água e painel de equipamentos, Engenho Granelli (Os autores, 2011). Figura 13. Recepção e preparo da cana-de-açúcar no Engenho Granelli (Os autores, 2011).

33 Medidas As variáveis necessárias aos cálculos do balanço de energia, o mapeamento do processo e a análise do fluxo de energia da unidade produtora foram efetuados in loco e com os dados fornecidos pelo laboratório do Engenho Granelli (Figura 14). Figura 14. Fluxograma geral dos processos de fabricação do Engenho Granelli (Os autores, 2011).

34 Cálculo de eficiência das turbinas O cálculo da eficiência das turbinas de simples estágio (picador, desfibrador, 3 0 terno de moenda, bomba de alimentação da caldeira e exaustor) foi utilizado o software TVG1, desenvolvido pela NG metalúrgica e, para a turbina multiestágio (turbogerador) utilizou-se o software TMOD, baseado no trabalho descrito por Lora & Nascimento (2004) Simulação da fábrica de açúcar VHP A simulação da fábrica de açúcar VHP foi baseada par a seguinte capacidade produtiva: Etanol hidratado = 100 m 3 /dia Aguardente = 70 m 3 /dia Açúcar VHP = kg/dia Xarope (65 0 Bx.) = 20 t/h Os parâmetros técnicos de desempenho e qualidade da matéria-prima foram os seguintes: Moagem = 190 TCH Eficiência da extração = 96 % Pol da cana = 15,6 % Fibra da cana = 12,00% Pureza da cana = 85,5% Atr = 143,77 1 moenda de 54" x 48" + 4 moendas 54" x 26"): Dias de safra = 200 dias Açúcar VHP de 2 MC (massa cozida) Processo - Moagem: - pol no bagaço = 2,62% - embebição % cana = 28% - fibra do bagaço 45,11% - Art mosto= 15,21

35 34 - ART not xarope = 62,02 - litro alcool por atr = 85,00 - kg de Açucar por atr = 177,08 - litro de álcool produzido 83,17 / TC - litro de aguardente produzido 173,27 / TC - kg de aç produzido por atr 139,19 - kg de aç no xarope 589,22 - Rendimento industrial anual 84,55 A simulação do consumo de vapor, com implantação da fábrica de açúcar, foi feito por engenheiro da Dedini S/A Indústria de Base, com software de uso restrito da empresa.

36 35 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Análise do desempenho atual Os resultados da leitura, média de três repetições, dos parâmetros de desempenho das turbinas estão apresentados na Tabela 3. Tabela 3. Resultados do desempenho das turbinas do Engenho Granelli. Equipamento acionado* Descrição Picador Desfibrador 3 0 terno da moeda Bomba Gerador Potência, HP Pressão de admissão, kgf cm -2 g Pressão da camara 1, kgf cm -2 g -1 12, Pressão da camara 2, kgf cm -2 g Pressão da camara 3, kgf cm -2 g -1 0,8 Pressão de escape, kgf cm -2 g -1 1,8 1,8 2,1 1,5 1,6 1,9 Pressão óleo regulagem, kgf cm -2 g -1 4,2 2,1 Pressão óleo mancal kgf cm -2 g -1 1,5 1,3 0,8 1,5 Rotação RPM Fonte: Os autores (2011) * Média de três repetições. A turbina do exaustor não foi possível mensurar os dados de desempenho, pois a mesma não possuía painel de instrumentos, a sua eficiência foi estimada, pelo software TVG1, com base no balanço de consumo de vapor dos equipamentos alimentados pelo vapor gerado pela caldeira. O rendimento da turbina do gerador está dentro do esperado, pois de acordo com Lora e Nascimeto (2004), para unidades de turbina a vapor modernas de centrais termelétricas, o rendimento térmico ou calorífico pode alcançar 60 % e que

37 36 devido os diferentes componentes dessas instalações, ocorrem diversas perdas que, naturalmente, diminuem o rendimento da transformação do calor em trabalho mecânico ou eletricidade, Figura 8. As turbinas do preparo (picador e desfibrador), moenda e bomba da caldeira apresentaram eficiência adequada, Figura 15, conforme estudo de consumo de vapor em turbinas (STAB, 2005). Figura 15. Eficiência dos equipamentos no uso de vapor (Os autores). O terceiro terno da moeda não foi eletrificado devido á limitação do gerador, conforme relato do proprietário, que foi feito um estudo e a melhor opção foi manter este a vapor. Essa eletrificação proporciona as seguintes vantagens (TATEYAMA, 2008): Reduz o consumo de vapor no processo de moagem, substituindo turbinas a vapor por acionamentos e motores elétricos de alta eficiência. Garante maior produtividade, extraindo maior quantidade de caldo com o mesmo terno;

38 37 Oferece maior controle do processo, pela flexibilidade no controle de velocidade da moenda; Permite a operação remota, reduzindo riscos com acidentes. O vapor produzido atualmente é suficiente para operacionalizar todos os processos, no entanto, no pico de safra, eventualmente há falta de vapor, devido á limitação da eficiência da caldeira, pois a mesma tem capacidade de 40 toneladas hora, mas sua eficiência é por volta de 80 %. Uma alternativa para aumentar o rendimento da caldeira é baixar a umidade do bagaço utilizando secador de bagaço, pois o bagaço que é queimado na caldeira tem aproximadamente 48 % de umidade, ou seja, quando esse entra na caldeira em forma de combustível antes de fornecer sua energia, subtrai calor do sistema para realização a evaporação da água e só depois de seco realiza a combustão liberando energia térmica para a caldeira. No entanto, é necessário avaliar o custo/benefício desta operação. O monitoramento constante do valor da temperatura do vapor de escape das turbinas é uma indicação valiosa do consumo específico das máquinas e a partir desta pode-se tomar as providências necessárias para otimizá-la Simulação da implantação da fábrica de açúcar VHP Com a implantação da unidade de produção de açúcar VHP e os demais processos haverá consumo de 71 toneladas de vapor por hora (tv/h), distribuídos da seguinte forma: Xarope = 28 tv/h Açúcar = 23 tv/h Etanol + aguardente = 20 tv/h

39 38 O fluxograma da simulação, para produção de açúcar VHP e etanol hidratado, foi estruturado conforme a Figura 16 e o consumo de vapor nos processos, com a colaboração do Engenheiro Murilo Vilela, encontra-se na Figura 17. Portanto, a estrutura atual de geração de vapor não suportará a implantação da fabrica de açúcar VHP, devendo a mesma ser re-dimensionada para atender a maior demanda de vapor nos processos, com uma caldeira de 100 tv/h. Figura 16. Simulação do balanço geral para produção de açúcar e etanol hidratado (Engº Murilo Vilela, 2011).

40 39 Água contaminada Água não contaminada Figura 17. Simulação do balanço de vapor para produção de açúcar e hidratado (Engº Murilo Vilela, 2011).. O tarbalho desenvolvido na simulação da unidade de produção de açúcar tem carater acadêmico, pois para se ter uma avaliação mais detalhada, desta planta de fabricação de açúcar, é necessário avaliar os fatores com os equipamentos existentes e a forma de operação da uniddade do engenho em questão. Outra questão observada ao longo da elaboração deste trabalho é a ausência de sistema de regeneração térmica, com o objetivo de melhorar a eficiência térmica do processo, diminuindo consequentemente o consumo de vapor.

41 40 5. CONCLUSÕES A quantidade de vapor e energia produzida é adequada aos processos atuais do Engenho Granelli, mas não é suficiente para implantar a fábrica de açúcar VHP. Para implantar fábrica de açúcar é necessário adquirir uma nova caldeira e um novo turbogerador.

42 41 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALTAFINI, C.R. Apostila sobre caldeiras. Caxias do Sul: Universidade de Caxias do Sul Departamento de Mecânica, CANAH Produtos: açúcar cristal e VHP. Disponível no site: CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS Eficiência energética no Uso de Vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, FUPAI/EFFICIENTIA, CONAB Companhia Nacional de Abastecimento Acompanhamento de safra brasileira: cana-de-açúcar, primeiro levantamento, maio/2011. Brasília: Conab, CTC Centro de Tecnologia Canavieira Bagaço e palha de cana para fins energéticos: caracterização, manuseio e armazenagem. Piracicaba: CTC, Disponível no site: com_content&view=article&id=431&itemid=1380 <acesso maio/2011>. DELGADO, A.A.; CESAR, M.A.A. Elementos de engenharia e tecnologia do açúcar de cana. Piracicaba: USP/Esalq, EL-WAKIL, M.M. Powerplant Technology. Cingapura: McGraw-Hill Book Co, GOLDEMBERG, J.; LUCON, O. Energia, meio ambiente e desenvolvimento. 3 a Ed. São Paulo: EdUsp, HUGOT, E. Manual da engenharia açucareira. São Paulo: Mestre Jou, LOPES, C.H.; BORGES, M.T.M.R. Introdução à tecnologia agroindustrial. São Carlos: EdUFSCar, (Série Apontamentos). LORA, E.E.S.; NASCIMENTO, M.A.R. Geração termelétrica: planejamento, projeto e operação. 1 a Ed. Rio de Janeiro: Interciência, MAPA Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimanto Anuário estatístico da agroenergia Brasília: MAPA, Disponível no site: ia/anuario_agroenergia/index.html# <acesso junho/2011> PELIN, E.R. Avaliação econômica do álcool hidratado carburante no curto e médio prazos. São Paulo: IPE, (Série Ensaios Econômicos, vol. 41). RAÍZEN Segmentos de negócio: açúcar. Disponível no site: <acesso junho/2011> SIAMIG Bioenergia, etanol e açúcar. Disponível no site: index.php?option=com_content&task=view&id=39&itemid=39

43 42 SILVEIRA NETO et al Balanço global de massa e energia. Maceió: Universidade Federal de Alagoas Centro de Tecnologia, STAB Consumo de Vapor em Turbinas Disponivel no site: stab-novdez-2005/ <acesso maio/2011>. TATEYAMA, E.K. Soluções para Aumentar Eficiência e Produtividade da Usina. Usina de inovações, Disponivel no site: <acesso maio/2011>

44 APÊNDICES 43

45 Apêndice A Croqui da produção e consumo de vapor do Engenho Granelli. 44

46 Apêndice B Resultado dos cálculos para a turbina do DESFIBRADOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. 45

47 Apêndice C Resultado dos cálculos para a turbina do PICADOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. 46

48 Apêndice D Resultado dos cálculos para a turbina do 3 0 TERNO DA MOENDA, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. 47

49 Apêndice E Resultado dos cálculos para a turbina do EXAUSTOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. 48

50 Apêndice F Resultado dos cálculos para a turbina da BOMBA, obtidos pelo processamento dos dados no software TVG1. 49

51 Apêndice G Resultado dos cálculos para a turbina do GERADOR, obtidos pelo processamento dos dados no software TMOD. 50

52 Apêndice H Declaração de utilização e divulgação de dados do Engenho Granelli. 51