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Santiago Silva Ferreira
ANÁLISE TERMODINÂMICA DO CICLO A VAPOR DE UMA
EMPRESA
PRODUTORA DE CELULOSE
Centro Universitário Toledo
Araçatuba-SP
2017
Santiago Silva Ferreira
ANÁLISE TERMODINÂMICA DO CICLO A VAPOR DE UMA
EMPRESA
PRODUTORA DE CELULOSE
Trabalho de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Mecânica da Instituição Centro
Universitário Toledo, como parte de requisitos.
Necessários para obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Orientador: Lucas Mendes Scarpin
Centro Universitário Toledo
Araçatuba-SP
2017
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus, por sempre ter me dado saúde, sabedoria e força para
continuar atrás do meu objetivo.
Aos meus pais, Aroldo e Suzana pelo carinho dedicação e incentivo no decorrer desses
cinco anos.
Aos meus amigos André Borreli, Thiago Silva, Thiago Veanholi, Rafael Dias,
Gustavo Silva, por sempre estarem ao meu lado, me incentivando e apoiando durante todo o
curso.
Ao meu orientador, Professor MS. Lucas Mendes Scarpin, pelos incentivos,
orientações no qual foram fundamentais para a execução desse trabalho.
Enfim, agradeço a toda minha família, meus amigos, e todos os professores que de
alguma forma contribuíram para que meu sonho tornasse realidade.
“Faça o teu melhor, na condição que você tem,
enquanto você não tem condições melhores, para
fazer melhor ainda”
Mário Sérgio Cortella.
RESUMO
A proposta principal deste trabalho é desenvolver uma análise termodinâmica de uma
planta térmica de uma empresa fabricante de celulose, localizada no extremo sul do estado do
Mato Grosso do Sul. A planta opera com todos os acionamentos eletrificados e equipamentos
modernos e eficientes para o ciclo de cogeração. A partir da análise, foi possível levantar as
potências, taxas de transferência de calor e taxas de geração de entropia para os
equipamentos, além dos rendimentos térmicos e rendimento de geração.
Palavras-chave: Análise termodinâmica; planta; cogeração.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Matriz energética Brasileira em 2015.....................................................................11
Figura 2 - Fluxo Energético - BEN 2016.................................................................................11
Figura 3 - Participação das Fontes na Expansão da Capacidade Instalada..............................12
Figura 4 - Oferta Interna de Energia........................................................................................13
Figura 5 – Energia da biomassa esquema de funcionamento..................................................14
Figura 6 – Esquemática do ciclo Rankine................................................................................15
Figura 7 - Diagrama T-s Ciclo Rankine...................................................................................16
Figura 8 - Ciclo Brayton..........................................................................................................17
Figura 9 - Ciclo Combinado....................................................................................................18
Figura 10 - Evolução da Balança Comercial de Papel e Celulose...........................................22
Figura 11 - Destino das Exportações de Papel e Celulose.......................................................22
Figura 12 - Produtividade das Florestas de Rápido Crescimento............................................23
Figura 13 - Ilustração do Processo de Fabricação de Celulose e Papel...................................25
Figura 14 - Ilustração de uma Máquina de Papel....................................................................26
Figura 15 - Representação do ciclo a vapor.............................................................................36
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Faturamento anual em (em R$ mil)........................................................................20
Tabela 2 - Produção de Papel e Celulose (1.000 toneladas)....................................................20
Tabela 3 - Balança Comercial do Setor de Papel e Celulose no Brasil....................................21
Tabela 4 - Setor de Papel e Celulose Brasileiro em Termos Mundiais....................................24
Tabela 5- Propriedades termodinâmicas para cada estado do ciclo.........................................38
Tabela 6 - Potências para os equipamentos da planta..............................................................39
Tabela 7- Taxa de transferência de calor nos equipamentos da planta....................................39
Tabela 8 - Rendimentos da planta............................................................................................40
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO....................................................................................................................10
1.1. Matriz energética brasileira................................................................................................10
1.2. Matriz elétrica brasileira....................................................................................................12
1.3. COGERAÇÃO DE ENERGIA.........................................................................................14
1.4. Ciclos para geração de energia...........................................................................................15
1.5. Ciclo de Rankine................................................................................................................15
1.6. Ciclo Brayton.....................................................................................................................16
1.7. Ciclo combinado................................................................................................................18
1.8. Segmento de papel e celulose no Brasil.............................................................................19
1.9. Processos de Produção.......................................................................................................24
2. OBJETIVO........................................................................................................................... 26
2.1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E METODOLOGIA..................................................28
2.2. Fundamentos da Termodinâmica.......................................................................................28
2.3. Considerações que podem ser empregadas........................................................................28
2.4. Conservação da massa.......................................................................................................28
2.5. Primeira lei.........................................................................................................................29
2.6. Segunda lei.........................................................................................................................29
2.7. Equacionamentos por equipamento...................................................................................30
2.8. Caldeira I............................................................................................................................31
2.9. Caldeira II..........................................................................................................................31
3. Turbina a vapor de extração-condensação TGI....................................................................32
3.1. Turbina a vapor de extração-condensação TGII................................................................33
3.2. Condensador.......................................................................................................................33
3.3. Desaerador.........................................................................................................................34
3.4. Bomba de baixa pressão I..................................................................................................34
3.5. Bomba de baixa pressão II.................................................................................................35
3.6. Bomba de alta pressão........................................................................................................35
4. ESTUDO DO CASO............................................................................................................36
5. RESULTADOS.....................................................................................................................38
5.1. Resultados da análise termodinâmica................................................................................38
6. CONCLUSÃO......................................................................................................................40
7. REFÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................................41
10
1. INTRODUÇÃO
1.1. Matriz Energética Brasileira.
O Brasil possui a matriz energética mais renovável do mundo, com 45,3% de sua
produção proveniente de fontes como recursos hídricos, biomassa e etanol, além das energias
eólica e solar. As usinas hidrelétricas são responsáveis pela geração de mais de 75% da
eletricidade do País (MME, 2012).
O modelo energético brasileiro apresenta tem forte potencial de expansão, o que
resulta em uma série de oportunidades de investimento em longo prazo. A estimativa do
Ministério de Minas e Energia (MME) para o período de 2008 a 2017 indica aportes públicos
e privados da ordem de R$ 352 bilhões para a ampliação do parque energético nacional
(MME, 2012).
Os recursos públicos virão principalmente do Programa de Aceleração do Crescimento
(PAC), iniciativa federal lançada em 2007 para promover a aceleração da expansão
econômica no País (MME, 2012).
Para a área hidrelétrica estão previstos cerca de R$ 83 bilhões. Hoje, apenas um terço
do potencial hidráulico nacional é utilizado. Usinas de grande porte a serem instaladas na
região amazônica constituem a nova fronteira hidrelétrica nacional e irão interferir não apenas
na dimensão do sistema de geração, mas também no perfil de distribuição de energia em todo
o País, abrindo novas possibilidades de desenvolvimento regional e nacional (MME, 2012).
Outros R$ 23 bilhões devem ser aplicados na expansão da produção e oferta de
biocombustíveis como etanol e biodiesel. O cenário internacional aponta o interesse de vários
Países em conhecer e adotar o uso dos biocombustíveis em suas frotas e para atendê-los o
Brasil é capaz de fornecer os produtos, os serviços e o conhecimento (MME, 2012).
A matriz Energética brasileira indica que a biomassa é responsável por 8% do total
nacional, o equivale a 140.019.781 KW. Das fontes de biomassa, o bagaço da cana-de-açúcar.
Representa 78,2% do total, com 11.008.69 KW. O setor florestal vem em segundo lugar nessa
lista com 20% do total, o que corresponde a 2.803.847 KW. Outras fontes de biomassa, como
resíduos animais, resíduos sólidos urbanos, biocombustíveis líquidos e outros agroindustriais
dividem os 11,8% restantes. A Figura 1 apresenta a matriz energética brasileira em 2015
(ANEEL, 2016).
11
Figura 1 - Matriz energética Brasileira em 2015
Fonte: EPE (2016)
O Balanço Energético Nacional - 2016 referente à micro e mini geração distribuída de
energia elétrica, cujo crescimento vem sendo incentivado por recentes ações regulatórias,
como a que estabelece a possibilidade de compensação da energia excedente produzida por
sistemas de menor porte. Em 2015, a geração distribuída atingiu 34,9 GWh com uma potência
instalada de 16,5 MW, com destaque para a fonte solar fotovoltaica, com 20,0 GWh e 13,3
MW de geração e potência instalada respectivamente. A Figura 2 apresenta o fluxo energético
(BEN, 2016)
Figura 2 - Fluxo Energético - BEN 2016
Fonte: Ben (2016)
12
1.2. Matriz elétrica brasileira
O Brasil dispõe de uma matriz elétrica de origem predominantemente renovável, com
destaque para a geração hidráulica que responde por 64,0% da oferta interna. As fontes
renováveis representam 75,5% da oferta interna de eletricidade no Brasil, que é a resultante da
soma dos montantes referentes à produção nacional mais as importações, que são
essencialmente de origem renovável. Do lado do consumo, houve uma queda total de 1,8%,
com destaque para o setor residencial que interrompeu uma tendência de crescimento,
recuando 0,7% (BEN, 2016).
O setor industrial registrou uma queda de 5,0% em relação ao ano anterior, apenas os
setores de papel e celulose, mineração e pelotização química apresentaram uma variação
positiva de 4,7%, 3,7% e 0,9% respectivamente. Os demais setores público, agropecuário,
comercial e transportes quando analisados em bloco apresentaram variação positiva de 0,6%
em relação ao ano anterior. O setor energético cresceu 2,4%. Em 2015, a capacidade total
instalada de geração de energia elétrica do Brasil (centrais de serviço público e
autoprodutoras) alcançou 140.858 MW, acréscimo de 6.945 MW. Na expansão da capacidade
instalada, as centrais hidráulicas contribuíram com 35,4%, enquanto as centrais térmicas
responderam por 25,0% da capacidade adicionada. Por fim, as usinas eólicas e solares foram
responsáveis pelos 39,5% restantes de aumento do grid nacional. A Figura 3 apresenta a
participação das fontes na Expansão da capacidade instalada (BEN, 2016).
Figura 3 - Participação das Fontes na Expansão da Capacidade Instalada
Fonte: BEN (2016).
13
A energia proveniente da biomassa acabou tendo um potencial de crescimento no
mercado nacional e internacional, pois é considerada uma fonte de energia limpa e seu uso
promove a redução no consumo dos combustíveis fosseis. Através dessa fonte, é possível
obter biocombustíveis para aplicação em motores, além da geração de energia elétrica através
de plantas térmicas. A Figura 4 apresenta a oferta interna de Energia (BEN, 2016).
Figura 4 - Oferta Interna de Energia
Fonte: BEN (2016).
Simplificando pode-se dizer que são designados por biomassa algumas fontes de
energia com potencial energético considerável tais como: a madeira (e seus resíduos), os
resíduos agrícolas, os resíduos municipais sólidos, os resíduos dos animais, os resíduos da
produção alimentar, as plantas aquáticas, e as algas (Portal da energia, 2017).
Existem três classes de biomassa: sólida, liquida e gasosa. A biomassa sólida tem
como fonte os produtos e resíduos da agricultura, incluindo substâncias vegetais e animais, os
resíduos das florestas e a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos (Portal da
energia, 2017).
A biomassa líquida existe em uma série de bicombustíveis com potencial de
utilização, todos com origem nas chamadas “culturas energéticas”. Como exemplo: biodiesel,
obtido a partir de óleos de canola ou girassol; o etanol, produzido com a fermentação de
14
açúcar, amido e celulose; e o metanol, gerado pela síntese do gás natural (Portal da energia,
2017).
A biomassa gasosa é encontrada nos efluentes agropecuários provenientes da
agroindústria e do meio urbano. É encontrada também nos aterros de RSU (Resíduos Sólidos
Urbanos). Estes resíduos são resultado da degradação biológica anaeróbia da matéria
orgânica, e são constituídos por uma mistura de metano e gás carbónico. Esses materiais são
submetidos à combustão para a geração de energia. A Figura 5 apresenta a Energia da
biomassa esquema de funcionamento (Portal da energia, 2017).
Figura 5 – Energia da biomassa esquema de funcionamento
Fonte: PORTAL DA ENERGIA (2017)
1.3 COGERAÇÃO DE ENERGIA.
A cogeração é definida como a produção combinada e sequencial de duas formas de
energia, que pode ser energia térmica, energia elétrica ou mecânica, a partir da queima de um
só combustível, em qualquer que seja o ciclo termodinâmico. Formalmente, os ciclos mais
usados são o de Rankine, que empregam turbinas a vapor, e os ciclos Brayton, os quais
utilizam turbinas a gás (WALTER, 1994).
Estes sistemas de cogeração são os mais utilizados, pois apresentam eficiências de
primeira lei maiores do que as encontradas quando as formas de energia são produzidas em
ciclos independentes. Essas eficiências podem ser da ordem de 75 % a 90 % (WALTER,
1994).
15
1.4 Ciclos para geração de energia
Os principais ciclos termodinâmicos para a cogeração de energia são:
Ciclo de Rankine
Ciclo Brayton
Ciclo combinado
1.5 Ciclo de Rankine
O ciclo térmico de Rankine, conforme ilustrado na Figura 6, é conhecido por usar
vapor d’água para o funcionamento do sistema. A pressão resultante da queima de
combustível da caldeira aciona uma turbina a vapor onde se tem um gerador de eletricidade
acoplado, energia está utilizada para o funcionamento dos depois equipamentos elétricos na
planta (SCARPIN, 2012).
Figura 6 – Esquemática do ciclo Rankine
Fonte: Scarpin (2012).
Baseado em um ciclo de quatro processos que correm em regime permanente, os
quais serão descritos para cada equipamento. Adicionalmente, a Figura 7 apresenta o
funcionamento do ciclo em um diagrama T-s de temperatura (T), entropia (s).
16
Figura 7 - Diagrama T-s Ciclo Rankine
Fonte: GT2 Energia (2017).
1 → 2: Saída do líquido saturado do condensador e entrando na bomba de alta 15
pressão (1), a qual promove o deslocamento do fluido, levando-o até a entrada da
caldeira (2). Trata-se de um processo de bombeamento adiabático e reversível.
2 → 3: Entrada de líquido comprimido ou subresfriado na caldeira (2) e saída de vapor
superaquecido a alta pressão (3), vapor este proveniente da queima do combustível no
interior da caldeira. Processo de transferência de calor a pressão constante.
3 → 4: Entrada de vapor superaquecido no interior da turbina à vapor (3) e saída a
baixa pressão (4), acionando um gerador de energia acoplado ao mesmo. Processo de
expansão adiabática e reversível.
4 → 1: Entrada do fluido de trabalho a baixa pressão no condensador (4) e saída de
líquido saturado (1). Processo de transferência de calor a pressão constante.
1.6 Ciclo Brayton
Na atualidade, pelo aumento nas eficiências das turbinas e os preços mais em conta
para os combustíveis, à aplicação deste tipo de tecnologia na indústria tem sido beneficiado.
Com a facilidade em aproveitar os gases de exaustão deste tipo de ciclo, processos que se tem
uso de vapor estão acolhendo este tipo de tecnologia (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
O ciclo Brayton, conforme ilustrado na Figura 8, demostra um ciclo de ar padrão de
uma turbina a gás simples, a qual é composta por compressor, câmara de combustão e
expansor (turbina a gás).
17
Figura 8 - Ciclo Brayton
Fonte: Scarpin (2012)
Um dos parâmetros significativos do ciclo de turbinas a gás é a relação de pressão do
ciclo que é referido ao quociente da pressão de descarga e a pressão de entrada, sendo que em
turbinas modernas, um valor típico é próximo de 14. Já o outro parâmetro é a temperatura de
atuação do ciclo, onde a faixa de tempetura pode atingir 1.500 K, que é restringida por
problemas na utilização de terminados materiais e custos agregados (SCARPIN, 2012).
Porém turbinas com refrigeração nas pás podem atingir temperaturas maiores e são
divididas em dois tipos:
Aeroderivadas: mais utilizadas em propulsores de aeronaves, por ser compacta e ter
um baixo peso. E tem sem um rendimento próximo de 34%.
Industriais: tem maior resistência a ambientes agressivos por serem robustas e permite
o processo de combustível de baixa qualidade e a sua potência máxima é mais elevada
em comparação com as aeroderivativas. Sua eficiência está na faixa de 30 a 32%.
A três formas de aumentar a eficiência de um ciclo Brayton, são elas: regeneração,
resfriamento intermediário e reaquecimento, isto é, a combinação dessas três formas é
conhecida como ciclo composto (SCARPIN, 2012).
Ciclo com regeneração: Evidenciada por aproveitar parte da recuperação da energia
térmica dos gases de exaustão, antes da entrada na câmara de combustão. A eficiência do
ciclo é inversa à medida com que as pressões aumentam, quanto maior a pressão, menor
será sua eficiência. Por outro lado há um aumento da eficiência do ciclo quando a
temperatura do ar comprimido na linha de escape do compressor é próximo de 17
temperatura dos gases de exaustão da turbina, não indicado para a cogeração de energia, já
18
que os gases provenientes da exaustão do ciclo são usados para alimentar determinados
processos como o acionamento de uma caldeira de recuperação e gerar vapor para o ciclo.
Ciclo com Resfriamento: com o resfriamento do ar comprimido no processo de
compressão oferece ao ciclo um aumento do trabalho líquido, mais em contrapartida
diminui a eficiência. Mas, acrescentando a regeneração em conjunto com o resfriamento
intermediário, tanto a eficiência quanto a regeneração são melhorados em comparação ao
ciclo simples.
Ciclo com Reaquecimento: necessita de um segundo combustor entre os estágios de
expansão, e resultam-nos mesmos efeitos de um resfriamento intermediário, porém menos
pronunciados.
Ciclo Composto: é um ciclo onde se alcança maior eficiência com pressões mais
elevadas, contudo exige uma quantidade adicional de equipamentos e sistemas de
controle.
1.7 Ciclo combinado.
O ciclo combinado é uma junção dos ciclos de turbina a vapor (Ciclo de Rankine) e do
ciclo a gás (Ciclo Brayton) conforme ilustrado abaixo na Figura 9. Este ciclo tem como
principal função o aproveitamento dos gases de exaustão que são expelidos pela câmara de
combustão resultante da queima do combustível para o aumento da eficiência do ciclo
combinado.
Figura 9 - Ciclo Combinado
Fonte: (Scarpin, 2012)
19
O vapor originário do ciclo a gás passa por uma caldeira de recuperação, pelo qual tem
a função de transmitir de maneira mais eficiente o calor gerado para o ciclo a vapor, assim de
substituir a caldeira, reduzindo o consumo de combustível. Esta junção dos ciclos resulta em
uma elevada eficácia na utilização do combustível.
1.8. Segmento de papel e celulose no Brasil.
A indústria de papel e celulose no Brasil remonta ao início do século 19. Contudo,
esse setor no Brasil teve crescimento bastante tímido até o início da década de 1950. Como
bem aponta (Bracelpa, 2009).
O primeiro grande salto dessa indústria, ocorrido entre a década de 1950-1970. Nas
décadas de 1960 e 1970 foram de forte expansão da indústria de papel e celulose no Brasil,
com o surgimento de diversas empresas para atuar nesse setor e a consequente ampliação de
sua capacidade de produção (Bracelpa, 2009).
Nesse período, muitos desses projetos receberam incentivos por parte do governo, em
particular do BNDES, por meio de expressivos aportes de capitais. Além disso, data desse
período o início da utilização do eucalipto nas florestas de produção, espécie de crescimento
extremamente rápido quando comparado a outras árvores. Tal adoção representou uma
verdadeira revolução para a indústria de celulose brasileira, visto que as outras polpas não
resultavam em um papel de qualidade satisfatória para determinados fins (Bracelpa, 2009).
Já o período compreendido entre o final da década de 1980 e começo da década de
1990 marcou a consolidação dessa indústria. Nesse período, além do crescimento do setor,
viram se relevantes investimentos financeiros em modernização e em ganho de produtividade
das plantas industriais, bem como na profissionalização da gestão das empresas. Nesse
ínterim, o governo viabilizou diversos incentivos para esse setor, com destaque para duas
versões do Programa Nacional de Papel e Celulose (Bracelpa, 2009).
O setor de papel e celulose apresentou um faturamento de aproximadamente R$ 34
bilhões em 2010, de acordo com a Associação Brasileira de Celulose e Papel (Bracelpa).
Frente a 2009, isso representou um crescimento de cerca de 23% em 2010. A Tabela 1
apresenta o faturamento Anual em (Bracelpa, 2009).
Tal crescimento foi alavancado principalmente por um considerável incremento no
faturamento do setor de celulose, que em relação ao ano de 2009 cresceu cerca de 42%. O
setor de papel e de artefatos compõe o restante do crescimento do faturamento desse setor,
com aumentos de 17% e 12% respectivamente. Ainda que o setor apresente dados de
20
faturamento para 2009 e 2010, ele não apresenta os respectivos dados para o ano de
2011(Bracelpa, 2009).
Tabela 1 – Faturamento anual em (em R$ mil)
Fonte: (Bracelpa, 2009)
Em termos de toneladas, tanto em 2011 como em 2010, o segmento de papel exportou
cerca de 21% da sua produção, sendo que em relação a 2009, essa rubrica cresceu 3,3%
(Bracelpa, 2009).
Por outro lado, as importações para esse segmento industrial representam cerca de
15% do total produzido em 2011 e também em 2010. Em relação a 2009, elas cresceram
significativamente, atingindo um aumento de cerca de 39% em relação ao ano anterior. Em
dólares, as importações apresentaram um aumento de 41% e as exportações cresceram em
cerca de 19% de 2009 para 2010. De 2010 para 2011, as importações do setor de papel
cresceram 14% e as exportações foram incrementadas em 9%. A Tabela 2 apresenta a
produção de papel e celulose em (Bracelpa, 2009).
Tabela 2 - Produção de Papel e Celulose (1.000 toneladas)
Fonte: (Bracelpa, 2009)
21
Já o segmento de celulose, com perfil bastante diferente, exportou cerca de 60% do
total produzido em 2011 e em 2010, sendo que em relação ao ano anterior, essa variável
cresceu cerca de 2%. Contudo, esse setor importou um equivalente a 3% da sua produção nos
anos de 2011 e também em 2010. Em dólares, as importações apresentaram um aumento de
49% e as exportações cresceram em cerca de 44% entre 2009 e 2010. Já do ano de 2010 para
2011, o aumento de valor das importações cresceu em 4% e das exportações em 5%
(Bracelpa, 2009).
Portanto, vê-se que o setor de papel tem um perfil bastante diferente do setor de
celulose, já que em termos relativos aquele setor importa cerca de três vezes mais e exporta
aproximadamente 34% a menos. Além disso, ao observar os dados de exportação da produção
em toneladas, percebe-se que o setor de papel e celulose, em que o mercado internacional tem
relevante importância, sofreu com a crise econômica mundial. A Tabela 3 apresenta balança
comercial do setor de papel e Celulose no Brasil (Bracelpa, 2009).
Tabela 3 - Balança Comercial do Setor de Papel e Celulose no Brasil
Fonte: (Bracelpa, 2009)
Ainda que o setor de papel e celulose tenha sofrido com a crise econômica mundial, a
forte demanda advinda de países em desenvolvimentos, tais como a China, a Índia e a
América Latina, como um todo, ajudaram a manter o ritmo de exportações do setor. Vale
destacar que entre 2008-2010, em que o mundo ainda sofria muito com as consequências da
crise econômica mundial, o setor de celulose brasileira foi o único no mundo que cresceu em
termos de produção. A Figura 10 apresenta Balança Comercial do Setor de Papel e Celulose
no Brasil (Bracelpa, 2009).
22
Figura 10 - Evolução da Balança Comercial de Papel e Celulose
Fonte: (Bracelpa, 2009)
O setor de celulose tem um perfil distinto do setor de papel em termos de destino de
exportações. Enquanto o primeiro exporta prioritariamente para a China e para a Europa, as
exportações de papel estão voltadas principalmente para a América Latina e Europa. A Figura
12 apresenta destino das exportações de papel e celulose em janeiro e abril de 2012 (Bracelpa,
2009).
Figura 11 - Destino das Exportações de Papel e Celulose
Fonte: (Bracelpa, 2009)
23
Além disso, a produtividade das florestas plantadas brasileiras de pinus e eucalipto são
bons em relação a seus pares internacionais, fazendo com que tais áreas agrossilvipastoris
tenham o menor ciclo de crescimento do mundo. No Brasil a produtividade do eucalipto é de
cerca de 41 m³/ha/ano e do pinus é de 38 m³/ha/ano (Bracelpa, 2011). Na figura 12, pode-se
observar que o Uruguai e o Chile, que também têm boas produtividades em relação a outros
países produtores, são inferiores das encontradas no Brasil. Contudo, o que mais chama
atenção é o grande potencial de melhoria da produtividade do eucalipto, poderia chegar a 70
m³ha/ano. A Figura 12 mostra a produtividade das florestas de rápido crescimento. (Bracelpa,
2009).
Figura 12 - Produtividade das Florestas de Rápido Crescimento
Fonte: (Bracelpa, 2009)
O Brasil é o quarto maior produtor de celulose do mundo em termos de toneladas,
produzindo cerca de 7,5% da produção mundial. Os EUA aparecem como os maiores
produtores, chegando a produzir cerca de 3,5% vezes mais do que o Brasil, e é seguido pela
China e Canadá (Bracelpa, 2009).
Além disso, o Brasil é o Decimo maior produtor de papel do mundo em termos de
toneladas ano, sendo responsável pela produção de cerca de 2,5% da produção mundial. A
China, país com maior produção de papel do mundo, produz 24% do total manufaturado,
sendo seguido por EUA, Japão, Alemanha e Canadá. A Tabela 4 apresenta Setor de Papel e
Celulose Brasileiro em Termos Mundiais (Bracelpa, 2009).
24
Tabela 4 - Setor de Papel e Celulose Brasileiro em Termos Mundiais.
Fonte: (Bracelpa, 2009)
O setor de papel e celulose é composto por 222 empresas. Essas empresas são
detentoras de 31 plantas de produção de celulose, 226 plantas de papel, 44 plantas de
produção de pastas de alto rendimento e 51 plantas de produção de celulose e papel integradas
(Bracelpa, 2009).
Em 2009, os seis maiores produtores de celulose foram a Fibria, a Suzano, a Klabin, a
Celulose Nipo-Brasileira, a International Paper do Brasil e a Veracel, as quais juntas
representavam cerca de 85% do total produzido nesse ano. Em relação à produção de papel as
seis maiores empresas são Kablin, Suzano, International Paper do Brasil, Fibria, a Rigesa e a
Jari, as quais juntas representaram cerca de 50% da produção anual de papel desse mesmo
ano. Sendo assim, o setor apresenta concentração acentuada, com destaque particular para o
de celulose (Bracelpa, 2009).
1.9 Processos de Produção
A celulose, comumente conhecida como “fibras” da madeira, é um composto químico
natural presente nos vegetais, sendo um dos principais componentes de suas células. Já a
lignina é a substância química que atua como agente ligante permanente de fibras da madeira.
O processo de fabricação da celulose objetiva dissolver a lignina da madeira com o fim de
25
liberar tais fibras com o mínimo de degradação dos carboidratos presentes nas paredes das
células, a celulose e a hemicelulose (FRACARO, 2012).
Existem diferentes processos que são utilizados para que se extraia a celulose das
células vegetais, sendo alguns mecânicos enquanto outros exclusivamente químicos. De todo
o processo mais utilizado no Brasil para produção da celulose é o Kraft, um processo químico
pelo qual se obtém a celulose de sulfato. Ainda que existam outros processos, este será objeto
de descrição nesse documento, exatamente por ser o mais utilizado no Brasil. O estado da arte
de tal processo é compreendido basicamente por três grandes áreas: a Linha de Fibras; a
Recuperação Química e Utilidades (FRACARO, 2012).
A Linha de Fibras é a etapa do processo produtivo que lida diretamente com a
madeira e com seus subprodutos diretos processados ao longo da fabricação, de forma que ele
se estende desde a preparação da madeira para a produção de celulose até o produto final, a
celulose branqueada. As etapas dessa parte do processo, que serão mais bem exploradas a
seguir, compreendem a preparação da madeira; o cozimento; a pré-lavagem e depuração; a
deslignificação com O2 e pós-lavagem; o branqueamento e secagem; e a embalagem da
celulose. A Figura 13 apresenta Ilustração do Processo de Fabricação de Celulose e Papel
(FRACARO, 2012).
Figura 13 - Ilustração do Processo de Fabricação de Celulose e Papel
Fonte: (FRACARO, 2012)
26
De forma geral, o processo produtivo do papel é composto fundamentalmente de
quatro etapas: a preparação da massa, a prensagem, a secagem térmica e o acabamento
(FRACARO, 2012).
Durante a preparação da massa, água e outros sais importantes são adicionados à
celulose. Ainda na fase de preparação da massa celulósica, o composto passa por um processo
de refino, por meio do qual se confere maior resistência ao papel, e também pela depuração,
em que se adicionam substâncias químicas importantes para a massa, tal como o amido. Uma
vez limpa, tal massa é depositada na mesa plana através da caixa de entrada, em que a
gramatura do papel é definida de acordo com a quantidade de massa que é adicionada. Em
seguida, ela é pressionada entre rolos, para depois ser seca e uniformizada, através da
regularização da superfície obtida com o processo de calandragem. Em seguida, o rolo-mãe é
cortado e embalado para que sejam enviados aos clientes finais. A figura 14 mostra a
Ilustração de uma Máquina de Papel. (FRACARO, 2012).
Figura 14 - Ilustração de uma Máquina de Papel
Fonte: (FRACARO, 2012)
2. OBJETIVO
O trabalho desenvolvido tem como objetivo a análise termodinâmica da planta térmica
de uma empresa de celulose. O foco principal deste trabalho é a aplicação da termodinâmica
para a melhoria do rendimento e a viabilização de um aumento da lucratividade por meio de
um acréscimo na produção de energia elétrica.
O trabalho inicialmente apresenta uma planta de uma empresa de celulose, onde há
equipamentos com boa tecnologia capaz de suprir todas as demandas impostas. Para análise
do desempenho termodinâmico da planta, foram utilizadas a primeira e segunda lei da
27
termodinâmica, além de alguns dados de entrada, utilizados como premissas para o
desenvolvimento dos cálculos. O open source Engineering Equation Solver® (EES)
(Engineering Equation Solver), desenvolvido por Klein e Alvarado (1995), que possibilita
realizar o equacionamento de forma inteligível, clara e eficaz.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E METODOLOGIA
3.1 Fundamentos da Termodinâmica.
O estudo das plantas onde tem como base o aquecimento de fluidos para a geração de
eletricidade é originaria de algumas aplicações, sendo elas:
Conservação da massa;
Conservação da energia (Primeira Lei da Termodinâmica);
Segunda Lei da Termodinâmica.
3.2 Considerações que podem ser empregadas
Para as análises, cada equipamento será considerado como um volume de controle
independente. Para considerações iniciais, todos os processos ocorrem em regime permanente.
Não serão considerados nas análises os processos em regime transiente, paradas ou qualquer
variação do sistema visto em função do tempo.
- RP
- Adiabático ( )
- Não possui eixo ( )
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
3.3 Conservação da massa
(
)
∑
∑
(1)
28
Considerando que o equipamento opera em regime permanente (RP) e,
consequentemente, não ocorre a variação da quantidade de massa no interior do volume de
controle com relação ao tempo. Com isso, a Equação (1) pode ser reescrita como:
(2)
Sendo,
Vazão mássica que entra no volume de controle [kg/s]
: vazão mássica que sai do volume de controle [kg/s].
3.4 Primeira lei
A equação da conservação da energia, conhecida como primeira lei da
termodinâmica, em sua forma completa, considerando inclusive o termo transiente, é
representada pela equação (3), como segue:
(
)
∑
(
) ∑
(
) (3)
Onde,
: Taxa de transferência de calor no volume de controle [KW];
: Taxa de transferência de trabalho no volume de controle [KW];
: Entalpia específica na entrada do volume de controle [kJ/kg];
: Entalpia específica na saída do volume de controle [kJ/kg];
: Velocidade de vazão mássica na entrada do volume de controle [m/s];
: Velocidade de vazão mássica na saída do volume de controle [m/s];
g: Aceleração gravitacional [m/s²];
: Cota da vazão mássica na entrada do volume de controle em relação a uma linha de
referência [m];
: Cota da vazão mássica na saída do volume de controle em relação a uma linha de
referência [m].
29
Sendo adotadas além da hipótese de regime permanente, as hipóteses de que a
variação da energia cinética e energia potencial são pequenas e assim podem ser desprezadas.
Com isso a equação (3), pode ser reescrita como segue.
(3)
3.5 Segunda lei
As irreversibilidades num processo são quantificadas por meio da Segunda Lei da
Termodinâmica. Para um determinado volume de controle, o enunciado dessa Lei pode ser
expresso como apresentado através da equação (5) abaixo.
(
)
∑(
)
(4)
Considerando que o volume de controle opera em regime permanente, a equação (5)
pode ser rescrita como:
(
) (4)
Sendo,
: Entropia especifica na entrada do volume de controle [kJ/kgK];
: Entropia especifica na saída do volume de controle [kJ/kgK];
: Temperatura na superfície do volume de controle [K];
: Taxa de geração de entropia no volume de controle [kW/K]
3.6 Equacionamentos por equipamento
A tabela a seguir mostra as considerações à conservação da massa, primeira lei e
segunda lei para cada equipamento utilizado na planta térmica.
Equipamento Considerações C. M. Primeira lei Segunda lei
30
Caldeira I
- R. P.
- Não possui eixo
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
( )
( )
Caldeira II
- R. P.
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
( )
( )
Turbina I
- R. P.
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
( )
( )
Turbina II
- R. P.
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
( )
( )
Condensador
- R. P.
- Não possui eixo
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
( )
( )
Desaerador
- R. P.
- Não possui eixo
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
∑
∑
Bomba
- R. P.
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
( )
( )
3.7 Caldeira I
i) Considerações
1- Regime permanente
2- Não possui eixo
3- ΔEC = 0
4- ΔEP = 0
5- Irreversível
31
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv) Segunda lei
( ) (3)
3.8 Caldeira II
i) Considerações
1- Regime permanente
2- Não possui eixo
3- ΔEC = 0
4- ΔEP = 0
5- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv) Segunda lei
( ) (3)
3.9 Turbina a vapor de extração-condensação TGI
i) Considerações
- Regime permanente
- Não troca calor
- ΔEC = 0
32
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv). Segunda lei
( ) (3)
4. Turbina a vapor de extração-condensação TGII
i) Considerações
- Regime permanente
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv). Segunda lei
( ) (3)
33
3.2 Condensador
i) Considerações
- Regime permanente
- Não possui eixo
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv) Segunda lei
( ) (3)
3.3 Desaerador
i) Considerações
- Regime permanente
- Não possui eixo
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
∑ ∑ ∑ (2)
iv) Segunda lei
(3)
34
3.4 Bomba de baixa pressão I
i) Considerações
- Regime permanente
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv) Segunda lei
( ) (3)
3.5 Bomba de baixa pressão II
i) Considerações
- Regime permanente
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv) Segunda lei
35
( ) (3)
3.6 Bomba de alta pressão
i) Considerações
- Regime permanente
- Não troca calor
- ΔEC = 0
- ΔEP = 0
- Irreversível
ii) Conservação da massa
(1)
iii) Primeira lei
( ) (2)
iv) Segunda lei
( ) (3)
4. ESTUDO DO CASO
A Figura 15 mostra o diagrama de geração de energia elétrica da empresa em estudo,
sendo a mesma composta por duas caldeiras de recuperação química, com capacidade para
queimar 5.800 toneladas de biomassa líquida por dia com 82% de sólidos secos e gerar 822
toneladas de vapor com pressão de 86 bar e temperatura de 487ºC; uma caldeira auxiliar, com
capacidade para queimar 250 toneladas de biomassa sólida por dia, gerar 120 toneladas de
vapor com pressão de 86 bar e temperatura de 487ºC; um turbo gerador, denominado de TG1,
com tecnologia de extração-condensação e capacidade para gerar 81 MW de potência; um
turbo gerador, denominado de TG2, com tecnologia para extração-contra pressão e
36
capacidade para gerar 81 MW de potência; dentre outros equipamentos. O programa utilizado
para execução da planta foi o AutoCAD software livre fornecido pela instituição unitoledo.
Figura 15-Representação do ciclo a vapor
Fonte: Próprio Autor.
Na turbina de extração-contrapressão, uma fração do fluxo é extraído 12,8 bar para o
acionamento do processo térmico de média pressão o desaerador e o restante para turbina de
Baixa pressão. Em seguida a turbina de extração-condensação TG2 tem uma fração do fluxo
extraído 4,6 bar para o acionamento do processo de baixa pressão e bomba de baixa pressão
B1 e 0,1 bar para o condensador e bomba de baixa pressão B2. O Ciclo a ser analisado é um
ciclo a vapor otimizado, composto por 27 processos.
37
Em seguida, a Tabela 5 apresenta todos os estados termodinâmicos da planta, onde
engloba as seguintes propriedades: fluxo mássico ( ), pressão (p), temperatura (T), entalpia
(h) e entropia (s).
Tabela 5- Propriedades termodinâmicas para cada estado do ciclo
Pontos [kg/s] p [kPa] T [ºC] h [kJ/kg] s [kJ/kg.K]
1 262,00 1280,00 190,92 811,7 2,245
2 262,00 8600,00 192,5 822,1 2,249
3 131,00 8600,00 192,5 822,1 2,249
4 131,00 8600,00 192,5 822,1 2,249
5 131,00 8600,00 487,00 3358,0 6,641
6 131,00 8600,00 487,00 3358,0 6,641
7 262,00 8600,00 487,00 3358,0 6,641
8 166,00 8600,00 487,00 3358,0 6,641
9 59,44 1280,00 255,90 2945,0 6,819
10 106,6 460,00 160,03 2770,0 6,909
11 96,00 8600,00 487,00 3358,0 6,641
12 29,27 460,00 165,79 2783 2,249
13 66,73 10,0 45,79 2303 7,269
14 28,4 1280,00 255,90 628 6,819
15 28,4 1280,00 190,9 811,7 2,245
16 31,04 1280,00 255,90 2945,0 6,819
17 135,8 460 148,7 2773,0 6,915
18 135,8 460 148,7 626,8 1,829
19 135,8 1280,00 148,9 628,0 1,829
20 164,2 1280,00 156,25 659,8 1,904
21 66,73 10 45,79 191,7 0,6489
22 66,73 1280,00 45,93 193,4 0,6502
23 231,00 1280,00 124,82 525,0 1,579
A 166,00 1280,00 255,90 2944,64 6,8194
B 106,56 1280,00 255,90 2944,64 6,8194
C 96,00 460,00 165,79 2783,15 6,9383
D 66,73 460,00 165,8 2783,15 6,9383
5. RESULTADOS
O trabalho tem a realização de um estudo termodinâmico de uma planta térmica
localizada no Mato Grosso. Para o auxílio da resolução da planta, foi empregado o programa
EES® (Engineering Equation Solver), desenvolvido por Klein e Alvarado (1995), que
possibilita realizar o equacionamento de forma inteligível, clara e eficaz.
38
Para início de resolução, foram respeitados as seguintes eficiências isoentrópicas para
os equipamentos:
80% para a bomba de alimentação da caldeira;
75% para bomba dos processos;
75% para a bomba de condensado;
88% para a turbina de extração-contra pressão;
88% para a turbina de extração-condensação.
92% para o redutor do turbo gerador;
98% para o gerador de energia elétrica;
92% para o motor I de acionamento da bomba B2 do processo;
92% para o motor II de acionamento da bomba B2 do condensador;
96% para os motor VI de acionamento da bomba B3 para acionamento da caldeira;
Perda de carga de 10% na caldeira
5.1. Resultados da análise termodinâmica.
As potências geradas e consumidas pelos equipamentos da planta seguem apresentadas
na Tabela 6. O sinal negativo representa os equipamentos que requerem energia para seu
acionamento, como no caso da bomba de condensado a bomba de alimentação da caldeira e
bomba do processo.
Tabela 6- Potências para os equipamentos da planta
Equipamento PO Potência [kW]
Turbina de contrapressão 87.267,61
Turbina de extração-condensação 87.267,61
Bomba de alimentação da caldeira - 2733,44
Bomba de condensado -161,76
Bomba do processo -114,13
Em seguida, na Tabela 7, são apresentadas as taxas de transferências de calor dos
equipamentos da planta. O sinal “negativo” anterior à taxa de transferência de calor representa
que o equipamento dissipa calor para o meio onde está implantado, como o condensador e os
processos de média e baixa pressão.
39
Tabela 7- Taxa de transferência de calor nos equipamentos da planta
Equipamento Taxa [kW]
Caldeira a vapor I 332.264,13
Caldeira a vapor II 332.264,13
Condensador -140887,55
Processo de media pressão -60576,22
Processo de baixa pressão -291538,59
Para que resulte no rendimento térmico é necessário que a potência de eixo total
gerada pelas turbinas, menos o que foi consumido pelas bombas de alta e de baixa pressão,
dividido pela taxa de transferência de calor das caldeiras. A Equação 1 mostra a fórmula para
se calcular o rendimento térmico.
| |
(1)
Para o rendimento termelétrico é necessário a potencia de eixo total gerado pelas
turbinas, multiplicado pelo rendimento do redutor e do gerador menos a potência de eixo total
consumido pelas bombas divido pelo rendimento mecânico, dividido pela taxa de
transferência de calor das caldeiras. A Equação 2 mostra a formula para se calcular o
rendimento termelétrico.
|
|
(2)
Para o rendimento de cogeração é necessário a potencia de eixo total gerada pelas
turbinas, mais as taxas de transferência de calor do processo 1 e 2, menos a potência de eixo
total consumido pelas bombas, dividido pela taxa de transferência de calor das caldeiras. A
Equação 3 mostra a formula para se calcular o rendimento de cogeração.
40
| | | |
(3)
Os rendimentos térmicos, termelétricos e de cogeração resultantes do ciclo estão
apresentados na tabela 8.
Tabela 8 - Rendimentos da planta
Rendimento [%]
25,81
22,27
78,8
As tabelas apresentadas no estudo do caso mostram resultado desenvolvido no
algoritmo que necessita de certo conhecimento em programação, a maior dificuldade é
levantar os dados da planta em seguida programação no algoritmo.
Foi também calculado a eficiência de cogeração, que é o um processo de combinação
de calor e eletricidade do ciclo e onde se pode medir o nível de aproveitamento do sistema.
6. CONCLUSÃO
No decorrer deste trabalho, foi realizada uma análise termodinâmica de uma planta
térmica de uma empresa de celulose. Com isso, revelou os valores de pressão e temperatura e
quantidade de tonelada queimadas por dia nas caldeiras.
Na análise termodinâmica também obteve as potências, as taxa de transferência de
calor, geração de entropia e entalpia, a caldeira e as turbinas apresentaram uma maior geração
de entropia em relação aos outros equipamentos.
O rendimento térmico ficou na faixa de 25,81% e o termelétrico do ciclo 22,27% e o
rendimento da cogeração chegaram aos 77,8%, conseguindo gerar 81 MW de potência de eixo
em cada uma das turbinas.
Na análise foi comprovado que o aumento de 10% na temperatura de saída da caldeira
alcançou um rendimento térmico de 26,53%. E com aumento de 10% da pressão o rendimento
térmico ficou na faixa de 26,22%.
41
Entretanto foi possível levantar um bom rendimento dessa planta, pois num ciclo de
Rankine consegue alcançar um rendimento térmico em torno de 25%, nesse caso, o clico a
vapor otimizado apresentada 27 processos e obteve um rendimento térmico de 25,81%. Sendo
assim obtendo um ótimo resultado.
42
7. REFÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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http://www.aneel.gov.br/>. Acesso em 25 Nov.2017.
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<https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2014.pdf>. Acesso em 25Out.2017.
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LUISA Maria; MACHADO Campos; ABDI Leal; NAVES Carla; MARX Cássio; COSTA
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Nova técnica para papel e celulose. Subsídios para elaboração para uma estratégia
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SCARPIN, Lucas Mendes. Análise termodinâmica, termoeconômica e econômica do
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Graduação, UNESP, Ilha Solteira, Brasil, 2013.
WALTER, Arnaldo C.S., Viabilidade e Perspectivas da cogeração e da geração
termoelétrica junto ao setor Sucro-Alcooleiro. Tese de doutorado. UNICAMP/FEM, 1994.
43
