ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UMA DESTILARIA AUTÔNOMA OPERANDO COM ALTOS PARÂMETROS DE VAPOR E DUAS TECNOLOGIAS DIFERENTES DE DESTILAÇÃO José Carlos Escobar Palacio 1 Electo Eduardo Silva Lora 1 Osvaldo Jose Venturini 1 Jose Joaquim Santos 1 Adler Moura 2 1 NEST- Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída Universidade Federal de Itajubá Av PS 1303, CP 50, CEP 37500-903, Itajubá, Minas Gerais. 2 DEDINI Industrias de ase S.A Resumo: O propósito deste trabalho é realizar uma analise termodinâmica integral de uma planta de cogeração acoplada a uma destilaria de etanol. Em trabalhos anteriores o sistema de cogeração tem sido analisado separadamente utilizando ferramentas termoeconomicas para calcular o custo dos produtos e definir o melhor esquema e melhor alternativa paramétrica. Pesquisas semelhantes têm sido realizadas com o propósito de diminuir o consumo energético do processo de destilação. Este trabalho propõe uma avaliação simultânea de os dois sistemas utilizando ferramentas termoeconomicas que permitam melhorar a integração energética destes processos. A eficiência exergética, os custos exergeticos, assim como indicadores de produtividade (kwh de eletricidade excedente / tonelada de cana e litros de etanol/tonelada de cana) para os principais produtos energéticos (Eletricidade e Etanol) são utilizados como indicadores na avaliação integrada das duas plantas. Dois cenários diferentes de plantas de cogeração-destilação são avaliados, os resultados termoeconomicos ao igual que os indicadores de eficiência são comparados com um caso base, que consiste numa destilaria convencional. Abstract. The objective of this paper is to carry-out an integrated thermodynamic analysis for an ethanol distillery and the mill cogeneration plant. In previous works the cogeneration system has been analyzed separately using thermoeconomic tools to calculate the products cost and to define the best scheme and parametric alternative. Similar researches were carried-out aiming to reduce the energy consumption in the distillation process. This paper proposes a simultaneous evaluation of both systems using an exergoeconomic tools to improve the energy integration of process. The exergetic efficiency, exergetic costs, as well as, productivity indexes (kwh surplus electricity/ton of cane and liters ethanol/ton cane) for main energy products (electricity and ethanol) are used as indicators for the integrated evaluation of both plants. Two different scenarios of cogeneration- distillery are evaluated, the thermoeconomic results and efficiency indexes are compared with basic case, which consist conventional distillery. 1. Introdução O Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento estabelece em seu plano nacional de agroenergia (2006-2011) entre suas prioridades de atuação na cadeia produtiva do etanol os seguintes aspectos (MAPA, 2005): desenvolver alternativas de aproveitamento integral da energia da planta de cana-de-açúcar, com melhoria dos processos atuais ou desenvolvimento de novos processos, melhoria de processos com racionalização no uso de água e outros insumos e melhoria dos processos de co-geração de energia.
Neste trabalho é efetuado um estudo de caso para avaliar as oportunidades para o avanço nos aspectos da sustentabilidade na produção de etanol de cana-de-açúcar numa destilaria do rasil, no contexto de um uso racional e sustentável dos recursos utilizados no processo global de produção (planta de cogeração processo de obtenção de etanol) utilizando a termoeconomia como ferramenta. São apresentadas também algumas possibilidades de maximização da energia elétrica exportada a rede pela variação dos parâmetros iniciais de pressão e temperatura do vapor e pela aplicação de uma tecnologia de destilação adequada, a qual deve ser acoplada ao sistema de cogeração, visando a minimização dos impactos energéticos da planta. Trabalhos anteriores realizara análise energética do processo de acordo a diferentes esquemas de cogeração e redução do consumo de vapor no processo (Ensinas et al., 2006). Enquanto outros avaliam exergética e termoeconomicamente algumas etapas do processo, mas sem avaliar a influência da variação dos parâmetros de geração de vapor e a seleção da tecnologia adequada no processo de destilação na eficiência global da planta e no custo final dos produtos obtidos (eletricidade e etanol) (Modesto et al., 2006; Pellegrini e Oliveira, 2007; Ensinas et al., 2007; Pistore e Lora, 2006). 2. Aspectos gerais A maximização da quantidade de eletricidade excedente numa indústria sucroalcooleria depende dos seguintes fatores: configuração do sistema de cogeração, eficiência na utilização da eletricidade e vapor consumido nos diferentes processos, além das condições de operação do vapor. Portanto, a otimização energética dos diferentes processos que compõem a planta é de grande importância na melhoria do rendimento térmico e econômico das plantas de produção de açúcar e álcool. Entre os processos que demandam a utilização de consideráveis quantidades de energia no setor sucroalcooleiro tem-se o processo de destilação, o qual é necessário para retirar o excesso de água do vinho fermentado obtido no processo de fermentação. A principal desvantagem do processo de destilação é o alto consumo energético em termos das utilidades requeridas, tais como vapor e água de resfriamento, para os respectivos processos de aquecimento e resfriamento. Diferentes tecnologias de destilação são utilizadas nas usinas brasileiras para a produção de etanol. Nestas tecnologias a energia térmica demandada pelo sistema é fornecida diretamente a partir do vapor do sistema de cogeração ou a partir de uma cascata térmica na usina. No caso de uma usina que exporta energia elétrica, pode-se chegar a uma situação tal que cada tonelada de vapor a menos de demanda na destilaria possa ser utilizada para aumentar a geração de energia elétrica nas turbinas de condensação. Desta forma, pode ser válida a implementação de colunas operando em cascata térmica, utilizando-se pressões inferiores à pressão atmosférica (vácuo) nas colunas. A aplicação de vácuo pode ser interessante em arranjos como o Split-feed. A destilação com Split-feed, se caracteriza por utilizar vapor de escape da turbina e permitir a integração energética entre colunas de destilação pressurizadas e de destilação a vácuo, na produção de álcool etílico hidratado carburante, com um consumo de vapor aproximado de 1.8 kg de vapor / litro AEHC (Figura 1) (Dedini, 2007).
Figura 1. Processo de destilação Split-feed Encontram-se normalmente três níveis básicos de pressão de vapor vivo nas usinas e destilarias brasileiras (2.1, 4.2, 6.5 MPa). Vale ressaltar que os parâmetros de pressão exatos encontram-se ao redor dos valores básicos apresentados acima, mas podem ser encontradas usinas com níveis de pressão de 8 a 12 MPa. A temperatura do vapor apresenta pequenas variações para cada um dos níveis de pressão, sendo os valores comumente encontrados 300ºC, 400ºC e 500ºC, respectivamente (Zampieri, 2005). 2.1 Indicadores Os indicadores utilizados para caracterizar o uso da energia na destilaria autônoma são: Ig.exc. Índice específico de geração de eletricidade excedente, expresso em kwh de eletricidade excedente por tonelada de cana moída (kwh/tc) (não é considerado o consumo próprio da usina); A eficiência exergética para um sistema de cogeração pode ser definida como a relação entre a exergia dos produtos (calor e eletricidade) e a exergia de entrada (exergia do bagaço), obtendo-se a seguinte expressão: η exerg, cog = ( + ) W F Q Onde: η= Eficiência exergética do sistema de cogeração w = Exergia da energia elétrica ou mecânica Q= Exergia da energia térmica entregada pelo sistema F= Exergia do bagaço Com o propósito de analisar a eficiência exergética global do sistema (planta de cogeraçãodestilação), que pode ser definida como a relação entre a exergia da eletricidade excedente e a do álcool produzido, os quais são os dois principais produtos da planta, pela exergia da cana-deaçúcar fornecida ao sistema. Cabe ressaltar que eletricidade e álcool são os dois principais produtos da planta.
η exerg, global = + e tan ol e. exced cana Onde: etanol Exergia do álcool hidratado produzido [kw] e.exced. Eletricidade excedente [kw] cana. Energia contida na cana-de-açúcar moída [kw] 2.2 Conceitos e Metodologia da Avaliação Termoeconômica Os conceitos básicos para a aplicação da termoeconomia (Lozano e Valero, 1993), são: o custo exergético ( * ), o qual é definido como a quantidade de exergia necessária para obter um produto funcional e o custo exergético unitário (k), representado pela equação (2) e que indica o consumo de exergia requerido por uma instalação para gerar a unidade de exergia. k = * Tendo em consideração que os processos reais não são reversíveis (ocorrem perdas e destruição de exergia) o custo exergético será sempre maior que a exergia do produto ( * > ). Para a aplicação da termoeconomia numa planta de cogeração o primeiro passo é conhecer a estrutura física (real) da planta, que é um esquema simplificado da planta obtido através de sua divisão em unidades e da relação de fluxos materiais e energéticos entre as unidades e entre unidades e o ambiente. 3. Estudo de caso de implementação de sistemas de destilação convencional e avançados em sistemas de cogeração de destilarias autônomas operando com altos parâmetros de vapor. Tendo em conta os altos parâmetros de geração de vapor que estão sendo implementados nas usinas sucroalcooleiras do rasil, o presente estudo avalia três sistemas de cogeração operando com os parâmetros apresentados na Tabela 1, sendo considerado como caso base a operação de uma planta de cogeração com parâmetros de vapor de 4.1 MPa e 420 C, com um sistema de destilação convencional (destilação operando com colunas a pressão atmosférica). Tabela 1. Caso de referência e os dois cenários de repotenciação propostos utilizando CEST, para duas tecnologias diferentes de destilação Equipamentos e Parâmetros Caldeira: 4.1MPa (abs) @ 420 C Caldeira: 6.6 MPa (abs) @ 520 C Caldeira: 12 MPa (abs) @ 560 C Consumo de vapor no processo (Destilação convencional) 361 kg v/tc Consumo de vapor no processo (Destilação avançada Split-feed 325 kg v/tc Caso ase D1 D2 X X X X X X X X X Para estabelecimento de um cenário de referência comum para os casos de estudo da Tabela 1, a avaliação foi realizada considerando fixos os parâmetros descritos na Tabela 2.
Tabela 2. Principais parâmetros considerados Dados de Energia e Produção Produção de etanol [m 3 /h] 22.58 Capacidade de moagem [tc/h] 380 Dias safra / Fator utilização [%] 210 / 85 Vazão nominal de vapor [t/h] 200 PCI do bagaço [kj/kg] 7562 Umidade do bagaço [%] 50 Consumo de eletricidade da planta [kwh] 6000 Extração de Vapor CEST 2 [Moenda e Processo] [ton/h] 74 Extração de Vapor CEST 1 [Processo] [ton/h] 69-56 Pressão de Condensação CEST 1 [kpa] 5.94 Pressão de Condensação CEST 2 [kpa] 7.35 Temperatura água alimentação caldeira [ C] 98.31 Sistema de Moenda Tandem 1 4 Turbinas de múltiplos estágios Pressão do vapor de entrada [kpa abs] 2200 Temperatura do vapor de entrada [ºC] 320-375 Pressão do vapor de escape [kpa abs] 170 Eficiência isentrópica [%] 80 O consumo de vapor no processo, que depende da tecnologia de destilação aplicada, foi considerado igual a 361 kgv/tc para a utilização da tecnologia convencional de destilação operando a pressão atmosférica, a qual demanda uma quantidade de 2.4 kg de vapor/ litro AEH. A redução do consumo de vapor no processo de 325 kg v/tc foi obtida mediante a aplicação do sistema Split-feed de destilação o qual permite obter uma diminuição no consumo de vapor da planta de até 1.8 kg de vapor/ litro AEH. Um modelo do tipo caixa preta será considerado na simulação realizada nos sistemas de destilação, considerando unicamente a produção de álcool hidratado. Para o cálculo da exergia do caldo da cana foi considerada a metodologia proposta por Nebra e Fernández (2005), enquanto para o vinho fermentado e álcool hidratado foi considerada a metodologia desenvolvida por Modesto et al., 2005. Os balanços de massa e energia nos sistemas de aquecimento, evaporação e destilação da destilaria foram realizados com o software EES, tendo em conta as seguintes considerações:
Pureza do caldo misto (Pz=100%) Rendimento considerado no sistema de evaporação de 1,866 kg de água evaporada/kg de vapor vivo Utiliza-se vapor do sistema de cogeração para aquecer o caldo de 85 C até 105 C no sistema de aquecimento. Quantidade de vapor consumido na destilação considerando tecnologia convencional de destilação igual a 2.4 kg de vapor/litro de álcool hidratado (Dedini, 2007). Quantidade de vapor consumido na destilação considerando tecnologia Split-feed igual a 1.8 kg de vapor/litro de álcool hidratado (Dedini, 2007). No calculo da exergia do álcool hidratado foi considerada somente a mistura etanol água. A estrutura física para os cenários analisados é apresentada na Figura 2, e a estrutura produtiva são apresentadas na Figura 3. Figura 2. Estrutura física do cenário C.
Figura 3. Estrutura produtiva dos cenários D1 D4. Com base dos dados da Tabela 2 foi realizada a modelagem das diferentes variantes esquemáticas no Gate-Cycle, obtendo-se indicadores de desempenho, tanto de primeira lei (FUE) como de segunda (η exerg, η exerg, global). As principais características do sistema de cogeração são apresentadas na Tabela 3. A Tabela 4 apresenta os principais indicadores de desempenho para a operação da planta de cogeração acoplada a uma tecnologia convencional de destilação e a Tabela 5, para a operação com uma tecnologia avançada de destilação, que permite a redução no consumo de vapor no processo de destilação. Tabela 3. Consumo e geração de energia nas diferentes variantes analisadas Cenários Consumo Consumo Potência Excedente de Vapor Específico Instalada Gerado Processo E.Mecânica [MW] [MW] [kg v/tc] [kwh/tc] ase 361 20.66 26.63 18.44 325 20.66 26.63 19.84 D1 361 20.66 34.07 25.68 325 20.66 34.07 27.12 D2 361 20.66 39.92 31.52 325 20.66 39.92 32.64 Tabela 4. Critérios de avaliação do desempenho das plantas de cogeração sem redução do consumo de vapor no processo de destilação Cenário FUE % η exerg, cog % η exerg, global % I g.exced kwh/tc ase 77 23.73 29.02 48.53 D1 77.4 26.19 29.53 67.58 D2 78.1 27.15 30.38 82.95 Tabela 5. Critérios de avaliação do desempenho das plantas de cogeração com redução do consumo de vapor no processo de destilação Cenário FUE % η exerg, cog % η exerg, global % I g.exced kwh/tc ase 72.2 23.48 29.28 52.21 D1 73 25.90 29.79 71.37 D2 74 26.82 30.58 85.91 A Figura 4 apresenta os diferentes valores do custo exergético unitário da eletricidade gerada, e a produção de álcool hidratado para os diferentes cenários avaliados no conjunto planta de cogeração-destilação. Nela é observada a variação do custo exergético em função da tecnologia de destilação aplicada (convencional ou com redução no consumo de vapor, indicado pela expressão red ) e dos parâmetros de vapor utilizados no sistema de cogeração.
Custo Exergético Unitario da Eletricidade e do Alcool Hidratado Custo Exergetico Unitario (kw/kw) 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0.000 41 41 red 66 66 red 120 120 red Custo Exergético Eletricidade Custo Exergetico Alcool Hidratado Pressão e Temperatura Figura 4. Custo exergético unitário para os diferentes cenários avaliados 4. Resultados Os principais resultados são: Na geração de eletricidade o custo exergético para os diferentes cenários analisados sem redução no consumo de vapor no processo foram de 5.36, 4.94 e 4.34 kw/kw. Quando se teve em conta a diminuição no consumo de vapor no processo os resultados para o custo exergético unitário foram 5.37, 4.95 e 4.56 respectivamente. Observa-se um incremento no custo exergético unitário da eletricidade quando é avaliada a diminuição no consumo de vapor no processo, este incremento origina-se pelo incremento na pressão de condensação da planta de cogeração sistema. Com relação ao álcool hidratado produzido pela planta os custos exergéticos quando se aplica uma tecnologia convencional de destilação foram de 3.19, 3.10 e 3.05 kw/kw. Tendo em conta a aplicação da tecnologia avançada de destilação os custos exergéticos unitários foram de 3.14, 3.05 e 2.97 kw/kw respectivamente. Observa-se uma diminuição considerável no custo exergético do etanol para cada um dos cenários avaliados, isto como conseqüência do incremento na eficiência do sistema de destilação para uma determinada produção de álcool hidratado. 5. Conclusões Os indicadores obtidos mostram que existe um melhor aproveitamento energético do conjunto planta de cogeração-destilação na operação com altos parâmetros de vapor e redução de consumo de vapor no processo. Portanto, no desenvolvimento de novos projetos de cogeração é de grande importância ter em conta a aplicação de medidas e tecnologias que permitam a diminuição do consumo específico de vapor na planta. O cenário que apresenta os melhores resultados é o D2, dado ao melhor aproveitamento energético que se obtém dos insumos fornecidos ao sistema, e ao menor custo exergético que tem a produção do etanol pela aplicação de uma tecnologia avançada. Palavras-chave: Cogeração,Termoeconomia, Produção de etanol 6. Agradecimentos Os autores expressam seu agradecimento a CAPES pelo apoio financeiro para o desenvolvimento desta pesquisa. 7. Referências
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