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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAÇATUBA
CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS
CLÁUDIO HENRIQUE CERQUEIRA COSTA BASQUEROTTO
COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BAGAÇO DE
CANA-DE-AÇÚCAR COMPRESSADO (BRIQUETE)
Araçatuba
2010
2
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAÇATUBA
CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS
CLÁUDIO HENRIQUE CERQUEIRA COSTA BASQUEROTTO
COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BAGAÇO DE
CANA-DE-AÇÚCAR COMPRESSADO (BRIQUETE)
Trabalho de Graduação apresentado à
Faculdade de Tecnologia de Araçatuba, do
Centro Estadual de Educação Tecnológica
Paula Souza, como requisito parcial para
conclusão do curso de Tecnologia em
Biocombustíveis sob a orientação do Prof. Dr.
Giuliano Pierre Estevam
Araçatuba
2010
3
Basquerotto, Cláudio Henrique Cerqueira Costa
Cogeração de energia elétrica com bagaço de cana-de-açúcar compressado
(briquete)/ Cláudio Henrique Cerqueira Costa Basquerotto. -- Araçatuba, SP: Fatec,
2010.
55f. : il.
Trabalho (Graduação) – Apresentado ao Curso de Tecnologia em Biocombustíveis,
Faculdade de Tecnologia de Araçatuba, 2010.
Orientador: Prof. Dr. Giuliano Pierre Estevam
1. Cogeração 2. Briquete 3. Cana-de-açúcar. II. Título.
CDD – 333.9539
4
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAÇATUBA
CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS
CLÁUDIO HENRIQUE CERQUEIRA COSTA BASQUEROTTO
COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BAGAÇO DE
CANA-DE-AÇÚCAR COMPRESSADO (BRIQUETE)
Trabalho de Graduação apresentado à
Faculdade de Tecnologia de Araçatuba, do
Centro Estadual de Educação Tecnológica
Paula Souza, como requisito parcial para
conclusão do curso de Tecnologia em
Biocombustíveis examinado pela banca
examinadora composta pelos professores
_____________________________________
Dr. Giuliano Pierre Estevam
Orientador – Fatec-Araçatuba
_____________________________________
Prof. Ms. Ronaldo da Silva Viana
_____________________________________
Prof. Ms. Marcus Vinícius C. Gandolfi
Araçatuba
2010
5
RESUMO
Com a necessidade de novos investimentos no setor energético, e o emprego de técnicas que
minimizem as agressões ao meio ambiente, a geração de energia elétrica a partir de fontes
renováveis tem se mostrado importante na matriz energética brasileira. Diante da grande
concentração de usina de cana-de-açúcar no Brasil e considerando que a biomassa
proveniente destas agroindústrias vem demonstrando grande importância na produção de
energia, surgem novas técnicas de utilização desta fonte, uma delas, é a briquetagem, que
consiste na compactação da biomassa utilizada, no caso, o bagaço de cana-de-açúcar. Com o
levantamento bibliográfico e fundamentação teórica, este trabalho identifica os tipos de
tecnologias usadas para cogeração, como produzir o briquete e por fim, com os dados obtidos,
foi realizado um estudo de caso.
Palavras-chave: Setor energético. Meio ambiente. Fontes renováveis. Cogeração. Briquete
6
ABSTRACT
With the need for new investments in the energy sector, and use of techniques that minimize
the strain on the environment, the generation of electricity from renewable sources has been
important in the Brazilian energy matrix. Given the high concentration of plant sugar cane in
Brazil and considering that the biomass from these agricultural industries has shown great
importance in energy production, new techniques for using this source, one of them is
briquetting, which consists of compression biomass used in this case, the crushed cane sugar.
To the literature and theoretical background, this paper identifies the types of technologies
used for CHP, as the briquette production and finally, with the data obtained, we performed a
case study.
Keywords: Energy sector. Environment. Renewable sources. Cogeneration. Briquette.
7
ÍNDICE
INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 9
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................... 11
1.1. Histórico da Cogeração .............................................................................................. 11
1.2. Aspectos da Cogeração .............................................................................................. 12
1.2.1. Ciclos de Cogeração ........................................................................................... 12
1.3. Potenciais dos Setores Industriais .............................................................................. 15
1.3.1. Cogeração na Indústria Sucroalcooleira ............................................................. 16
1.3.2. Cogeração na Indústria de Papel e Celulose ....................................................... 16
1.3.3. Cogeração no Setor Terciário ............................................................................. 17
1.4. Tecnologias de Cogeração ......................................................................................... 18
1.4.1. Caldeiras ............................................................................................................. 18
1.4.2. Turbinas a gás ..................................................................................................... 20
1.4.3. Turbinas a vapor ................................................................................................. 22
1.4.4. Motores de Combustão Interna .......................................................................... 23
1.4.5. Combustíveis Utilizados Na Cogeração ............................................................. 24
2. BRIQUETE ....................................................................................................................... 25
2.1. Aspectos Gerais ......................................................................................................... 25
2.2. Potencial de Produção de Bagaço e Palha ................................................................. 26
2.3. Biomassa como fonte de energia ............................................................................... 27
2.4. Briquete Composto .................................................................................................... 28
2.5. Processo do briquete .................................................................................................. 28
2.5.1. Obtenção da Matéria Prima ................................................................................ 29
2.5.2. Peneiramento ...................................................................................................... 29
2.5.3. Secagem .............................................................................................................. 29
2.6. Processos de Compactação ........................................................................................ 31
2.6.1. Prensa Extrusora de Pistão Mecânico ................................................................. 31
2.6.2. Prensa Extrusora de Rosca Sem Fim .................................................................. 32
2.6.3. Prensa Hidráulica................................................................................................ 33
2.6.4. Peletizadora ........................................................................................................ 33
2.6.5. Enfardadeira ....................................................................................................... 34
2.7. Utilização ................................................................................................................... 34
2.8. Vantagens................................................................................................................... 36
8
2.9. Desvantagens ............................................................................................................. 36
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 37
3.1. Aspectos Gerais ......................................................................................................... 37
3.2. Temperatura ............................................................................................................... 37
3.3. Calor........................................................................................................................... 37
3.3.1. Calor Específico ................................................................................................. 38
3.3.2. Calor Latente ...................................................................................................... 39
3.4. Poder Calorífico ......................................................................................................... 39
3.4.1. Poder Calorífico Superior ................................................................................... 40
3.4.2. Poder Calorífico Inferior .................................................................................... 40
3.4.3. Relação Pressão x Temperatura.......................................................................... 41
4. ESTUDO DE CASO ......................................................................................................... 44
4.1. Descrição da Empresa ................................................................................................ 44
4.2. Dados da Produção .................................................................................................... 46
4.3. O Projeto .................................................................................................................... 46
4.3.1. Principais Equipamentos .................................................................................... 47
4.3.2. Quadro de Usos e Fontes .................................................................................... 48
4.3.3. Orçamento do projeto ......................................................................................... 49
4.3.4. Cronograma do Projeto....................................................................................... 50
4.4. Detalhamento do Projeto ........................................................................................... 51
CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 53
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 54
9
INTRODUÇÃO
A cogeração é definida como o processo de produção combinada de energia elétrica e
térmica, destinando-se ambas ao consumo próprio ou de terceiros.
No Brasil, aproximadamente 87,5% da energia elétrica fornecida provem de usinas
hidrelétricas. No entanto, sabe-se que tal fonte de energia tem um custo muito alto de
implantação e, geralmente, está distante dos consumidores e causam expressivos impactos
socioambientais.
O estado de São Paulo detém uma capacidade instalada de 18GW, dos quais 81% são
gerados em usinas hidrelétricas e deve-se destacar que as bacias hidrográficas estão
praticamente esgotadas.
Normalmente, as indústrias utilizam em seus processos industriais, energia elétrica e
ou energia térmica. Essa energia é proveniente das concessionárias de energia elétrica.
Esta utilização das fontes energéticas por vezes não é a mais eficiente, quer devido à
forma como é processada a combustão, quer devido às grandiosas perdas provocadas pelo
próprio fornecimento.
Neste ambiente, a cogeração surge como uma alternativa interessante de garantir
economia de energia e competitividade acrescida às empresas. Com o grande aumento das
indústrias e o interesse pela cogeração, observou-se a possibilidade de utilização de
subprodutos que até então eram descartados.
Até alguns anos atrás, por exemplo, o bagaço de cana era tratado como um resíduo
industrial, sendo incinerado nas próprias unidades sucroalcooleiras para a geração de vapor.
Não havia a ideia que o bagaço era um combustível com propriedades adequadas para geração
de energia, considerando custo zero e poder calorífico considerável para uso energético. Os
equipamentos (caldeiras) nas usinas eram desenvolvidos, justamente para consumir o máximo
possível de bagaço, evitando, portanto, o transtorno que este resíduo trazia para a unidade
fabril (sujeira, espaço, transporte, etc.). Pesquisas durante o Proálcool apontaram a cana de
açúcar como melhor matéria prima. Atualmente, a geração de energia elétrica, por bagaço
adquiriu importância e é praticada por todas as unidades sucroalcooleiras brasileiras
(ESCOBAR, 2003).
Com o aumento do uso da cogeração, novas tecnologias começaram a surgir para
melhorar o rendimento dos processos de produção de energia.
10
Este trabalho tem como objetivo descrever uma nova maneira de utilizar o bagaço de
cana-de-açúcar para a cogeração e os benefícios econômicos e ambientais.
11
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1. Histórico da Cogeração
Os primeiros sistemas de cogeração (termelétricas) somente surgiram no final do
século XIX, quando o fornecimento de energia elétrica ainda era raro pelas geradoras (LORA,
2004).
Por volta de 1880 foram construídas as primeiras plantas de geração elétrica, época em
que a baixa tensão de geração limitava a cobertura de ação da rede de distribuição a uma
pequena distância em torno do ponto de produção. Posteriormente, com a geração em corrente
alternada e o uso de transformadores de alta tensão, aumentou-se o raio de atuação dos
sistemas de distribuição (LORA, 2004).
Por volta de 1905, existia uma grande competição entre as empresas existentes, na
busca de um maior espaço e um mercado em expansão. Com o passar dos anos a centralização
foi ganhando espaço na indústria elétrica como consequência da continua melhoria dos
serviços realizados e de uma melhoria na qualidade da energia fornecida (LINERO, 2006).
O Pós-Guerra representou, em 90% do mundo, um chamado de ciclo virtuoso na
indústria elétrica. Quanto maiores as taxas de crescimento da demanda, maior o investimento
em inovações tecnológicas. As tecnologias implementadas aos sistemas de transmissão
favoreceram a interconexão de sistemas e mercados.
No século passado, com o crescimento dos sistemas elétricos nacionais e a facilidade
de obtenção de energia elétrica, principalmente pelo custo ser baixo, os sistemas de cogeração
foi perdendo espaço entre os consumidores. Desse modo, houve grande redução na utilização
do sistema, chegando a atingir na Europa 15% e nos Estados Unidos um total de 5% de
consumidores da tecnologia de cogeração no final dos anos 60 (LORA, 2004).
Mas com o melhoramento tecnológico das turbinas a gás e motores de alta capacidade
para atender as necessidades de consumo, a cogeração passou a ganhar força entre os
consumidores, por vota da década de 80.
Cada vez mais a sociedade moderna está dependente de um bem tão importante e
escasso que é a energia. As fontes (água, petróleo, carvão) utilizadas para obtenção de
energia, por não serem renováveis há o surgimento de um novo conceito, designado por
12
desenvolvimento sustentado, que consiste na utilização racional da energia e na satisfação das
necessidades energéticas (LINERO, 2006).
Os sistemas de cogeração são aqueles em que se faz simultaneamente a geração de duas
formas de energia, e elétrica e a térmica, a partir de um mesmo combustível, tais como os
derivados de petróleo, o gás natural, o carvão ou a biomassa. Um sistema de cogeração bem
dimensionado e balanceado do ponto de vista da porcentagem final de cada uma das duas
formas de energia aumenta o rendimento global da utilização do combustível, atuando, assim,
no sentido do incremento da eficiência energética (LINERO, 2006).
Atualmente, dedica-se largos fundos e meios de investigação ao desenvolvimento de
recurso às energias renováveis e à produção centralizada de energia e calor – cogeração. A
figura 1.1 aponta o uso de energia sem a cogeração e com a cogeração.
Figura 1.1 – Alternativas de geração de energia: (a) independente (b) cogeração
Fonte: BALESTIERI, 2003
1.2. Aspectos da Cogeração
1.2.1. Ciclos de Cogeração
Um projeto de central de cogeração perfeito não atende apenas às demandas
operacionais descritas pelo processo, mas também consegue garantir o nível de excedentes
planejado com eficiência (BALESTIERI, 2003).
13
Caso não aconteça isso, as falhas na geração e a queda de eficiência ocasionarão
aumentos nos custos de operação e manutenção.
São três os principais ciclos utilizados nas centrais de cogeração:
ciclo Rankine
ciclo Brayton
ciclo Combinado
sendo também importante salientar a existência do Ciclo Diesel, de grande utilização na
Europa e Estados Unidos (BALESTIERI, 2003).
O Ciclo Rankine, como mostrado na figura 1.2, pode ser colocado em operação com o
uso de caldeiras aquatubulares de alta pressão associadas a turbinas de Condensação e
Extração ou turbinas de Contrapressão. É o ciclo utilizado nas indústrias sucroalcooleiras. A
água é bombeada por bombas, é aquecida e transformada em vapor por caldeiras. O vapor
produzido passa por turbinas q acionam geradores. O vapor que “sobra” é condensado e volta
ao ciclo. A bomba e a turbina são alimentadas separadamente por energia (BALESTIERI,
2003).
Figura 1.2 - Modelo Básico do Ciclo Rankine
Fonte: BALESTIERI, 2003
Caldeira
Turbina Bomba
Condensador
14
O Ciclo Brayton faz uso de conjuntos geradores acoplados. Utilizados em turbinas a
gás, onde trocam energia com água para gerar vapor em caldeiras de recuperação nos
processos que só admitem aplicações indiretas, por não poderem ser contaminados, vide
figura 1.3.
Figura 1.3 - Modelo Básico do Ciclo Brayton
Fonte: BALESTIERI, 2003
O ar passa pelo compressor indo até câmara de combustão. O ar é elevado a uma alta
temperatura e a uma pressão elevada. O ar com alta pressão passa por turbinas acionando
máquinas e geradores.
O Ciclo Combinado mais utilizado no momento é o que acopla turbinas com caldeiras
de recuperação e turbinas a vapor, ainda que possa admitir outros geradores. Possui um
rendimento maior, por utilizar 2 tipos de geração. Rendimento global de 90%. Onde 38% é
obtido pela turbina gás e 52% por turbina a vapor.
Turbina Compressor
Combustor
Trocador de
Calor
15
Figura 1.4 - Ciclo Combinado
Fonte: BALESTIERI, 2003
Para escolher o ciclo certo que deverá compor o sistema de cogeração deve-se levar
em consideração:
atendimento das demandas operacionais da planta de processo
eficiência e confiabilidade
geração de excedentes (poderão ser negociados ou não para venda)
Após definir as características da planta de processo e cogeração, é necessário que se
faça a conexão entre o sistema de geração e o centro de consumo. Além de ajustar os níveis de
atendimento tais como: quantidade que será comercializada, os períodos e as condições.
1.3. Potenciais dos Setores Industriais
Os principais setores que apresentam maiores potenciais de aplicação da cogeração
são os do Açúcar e Álcool, Papel e Celulose e Terciário.
16
1.3.1. Cogeração na Indústria Sucroalcooleira
Hoje no Brasil existem mais de 450 usinas sucroalcooleiras operando. Em termos
energéticos, a safra de 2009 foi equivalente a (65,4x106 toneladas equivalentes de Petróleo),
mais da metade de todo o óleo e gás consumidos no país (SOUZA, 2003).
Uma usina que processa 2,0 milhões de toneladas de cana por ano e que hoje gera
24GWH/ano para atender suas necessidades próprias poderá vender ao sistema até
300GWH/ano com tecnologia dominada no país.
Estudos mostram que, embora os parâmetros econômicos variem muito de usina para
usina, a energia elétrica por elas produzida é competitiva com a gerada em centrais a gás. As
usinas têm como um fator importante a localização próxima às cargas, propiciando redução de
custos de transmissão de distribuição (SOUZA, 2003).
Muitas usinas ainda podem gerar no período de estiagem, sendo um complemento
perfeito ao regime das hidrelétricas instaladas.
As vantagens de se usarem os resíduos da cana como fonte de energia primária para
geração de eletricidade são muitas e afetam positivamente diversos grupos de interesses, tanto
a nível micro quanto macroeconômico.
A cana é colhida manualmente ou mecanicamente. Após a colheita, ela é encaminhada
para a indústria. A cana passa pela moenda ou difusor para a fabricação de açúcar e álcool.
Com a moagem ou difusão, obtém-se como subproduto o bagaço. A partir da obtenção do
bagaço, o mesmo é encaminhado para a queima na caldeira onde produz o vapor. Esse vapor é
encaminhado para as turbinas localizadas na casa de força, onde será transformada em energia
mecânica. Essa por si está conectada a redutores de velocidade para a conexão com o gerador
elétrico, havendo assim a produção de eletricidade (SOUZA, 2003).
1.3.2. Cogeração na Indústria de Papel e Celulose
O setor de celulose e papel no Brasil tem por base o Processo Kraft (processo de
obtenção da celulose que é iniciado com o descascamento e lavagem de toras de eucalipto
selecionadas para posterior picagem. Com isto são produzidos cavacos de dimensões
uniformes que são encaminhados ao cozimento, após um processo de peneiramento), que
deve corresponder a 95% do total das empresas, segundo relatórios da ABTCP – Associação
Brasileira Técnica de Celulose e Papel. Esse processo tem por vantagem o grande potencial de
recuperação dos produtos empregados na produção do papel, assim como o aproveitamento de
subprodutos (SOUZA, 2003).
17
É um dos segmentos industriais com maior consumo de energia, tendo comprado em
1997 mais de 10000 GWh de eletricidade, 8% do consumo no setor industrial (BEN, 2010).
A auto produção no setor de papel e celulose ainda é baixa: apenas 30% das indústrias
possuem geração própria. Segundo a Eletrobrás o potencial técnico de geração de eletricidade
nestas indústrias foi em 2003 de 1740 MW instalados (BEN, 2010).
Nas indústrias de papel, o consumo se concentra principalmente no licor negro, fluido
processual, produzido pela própria empresa. A geração de energia é efetuada através desse
combustível e em alguns casos a partir de gás natural de bacias de gás (BEN, 2010).
Do ponto de vista técnico, o setor usa geradores de vapor acoplados a turbinas a vapor,
o vapor gerado a alta pressão em caldeiras é expandido em turbinas para utilização em
processo.
1.3.3. Cogeração no Setor Terciário
Para que seja um potencial utilizador de Cogeração é necessário que o setor atenda a
algumas características, tais como:
necessidade simultânea e contínua de energia térmica e elétrica;
disponibilidade de combustíveis de qualidade;
período de funcionamento de pelo menos 4500-5000 horas por ano;
espaço suficiente e uma adequada localização para implementação do novo
equipamento;
calor residual disponível de elevada qualidade.
Tais características são encontradas com muita frequência na indústria. Todavia, não é
verificada uma relação muito estreita entre o consumo de energia e o tipo de atividade
realizada. Os principais usos de energia térmica são para aquecimento, ventilação e ar
condicionado (FERNANDES, 2003).
Hospitais, hotéis, centros de desporto, edifícios de escritórios, centros comerciais e
sistemas de redes urbanas de calor são os principais potenciais de cogeração.
Um sistema bem projetado e adequado traz muitos benefícios. Os principais são:
economia de energia primária;
redução de emissões poluentes;
benefícios econômicos.
18
1.4. Tecnologias de Cogeração
Na geração de energia são utilizados equipamentos de um ou mais dos ciclos
apresentados; para uma análise criteriosa do projeto e da operação de centrais de cogeração é
importante se ter o entendimento de seu funcionamento e o conhecimento das características
operacionais de cada um.
1.4.1. Caldeiras
Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos que permitem a geração de formas
de energia térmica de amplo uso, tanto para uso industrial quanto para uso comercial ou
residencial. Pode-se usá-las em muitas aplicações, como secagem, geração de energia,
cozimento, lavagem de utensílios, desinfecção, aquecimento ambiental, dentre outros.
Equipamentos geradores de vapor convencionais e de recuperação devem estar disponíveis
(BALESTIERI, 2003).
Caldeiras convencionais: São constituídas por dispositivos destinados à produção de
vapor ou água quente em pressões elevadas, proporcionada por calor liberado da queima de
um combustível. A figura 1.5 descreve uma caldeira convencional.
Figura 1.5 – Instalação de caldeira convencional
Fonte: BALESTIERI, 2003
19
A instalação de caldeiras é descrita pelo conjunto formado pelo equipamento gerador
de vapor e seus acessórios (sopradores de ar, bomba, chaminés, queimadores, etc.). As
caldeiras aquatubulares, que permitem a troca térmica entre os gases de combustão, que
passam pelo casco da caldeira, e água, que passa no interior dos tubos, para a geração de
vapor, são usadas geralmente em indústrias. Este sistema de troca térmica permite um nível
maior de vapor (igual ou superior a 28 Mega Pascal (MPa)) (BALESTIERI, 2003).
As caldeiras flamotubulares, que apresentam os gases de combustão internos aos
tubos, só permitem pressões inferiores a 1,7 MPa, o que deixa inviável seu uso para a
cogeração. Os combustíveis usados nas caldeiras são: óleo, gases diversos, carvão e resíduos
(para esses dois últimos utilizam-se grelhas para o assentamento). Queimadores dotados de
atomizador, que regulam a vazão ar/combustível em níveis ótimos de queima são utilizados
para a queima de óleo (BALESTIERI, 2003).
Caldeira de recuperação: utilizada para aproveitar o calor dos gases de exaustão,
produzindo assim vapor por troca térmica. Pode ser utilizada também na fabricação de ácido
sulfúrico.
Figura 1.6 – Caldeira aquatubular de recuperação de calor
Fonte: JUNIOR, 2001
20
Figura 1.7 – Caldeira aquatubular
Fonte: UNIALCO, 2010
1.4.2. Turbinas a gás
A turbina a gás é uma combinação, geralmente de construção compacta, composta de
compressor, câmara de combustão e turbina. O ar entra no compressor e passa para a câmara
de combustão, onde o combustível é queimado continuamente sob pressão constante. Os
gases aquecidos são expandidos na turbina, que aciona o compressor e gera potencia para um
gerador (BALESTIERI, 2003).
Dependendo do tipo de tecnologia utilizados terá um curto tempo para partida e um
baixo custo de investimento, tornando-as ideais para atendimento a picos de carga.
21
Figura 1.8 – Turbina a gás
Fonte: EDUCOGEN, 2001
Tal como todos os sistemas, segundo Educogen (2001), o uso da Turbina a Gás tem
vantagens e desvantagens, das quais se destacam as seguintes:
Vantagens:
manutenção simples (menores tempos de paragem);
elevada fiabilidade;
baixa poluição ambiental;
não necessita de vigilância permanente;
disponibiliza energia térmica a temperaturas elevadas (500º a 600º);
unidades compactas e de pequeno peso;
arranque rápido;
baixo nível de vibrações;
Desvantagens:
limitado o nível de variedade de combustível consumido;
tempo de vida útil curto;
ineficácia em processos com poucas necessidades térmicas;
necessidade de uso de dispositivos anti-poeiras/sujidade, anti-corrosão (em
especial em casos de pausas de funcionamento prolongado);
22
1.4.3. Turbinas a vapor
Operadas com vapor de alta pressão na condição superaquecida, as turbinas a vapor
são turbomáquinas. Podem ser classificadas, dependendo do seu uso, em:
turbinas de contrapressão pura: fornecem integralmente a mesma vazão de
vapor recebida para os trocadores de calor situados a jusante da turbina,
submetendo-o a uma expansão desde a condição inicial (de alta pressão) até
níveis de pressão da ordem de 0,2 a 1,0 MPa;
turbinas de condensação e extração: recebem o vapor de alta pressão e de
um ou mais pontos extrai-se vapor de processo com pressão pré-fixada
conforme necessidade da unidade.
As turbinas de contrapressão são recomendadas nos processos industriais nos quais a
demanda por calor de processo é igual à demanda por energia eletromecânica. As turbinas de
condensação e extração são aplicadas nos processos em que a produção de energia elétrica/
mecânica é prioritária (BALESTIERI, 2003).
Figura 1.9 – Turbinas a vapor: (a) contrapressão (b) condensação
Fonte: JUNIOR, 2001
De seguida, segundo Educogen (2001), são descriminadas, as principais vantagens e
desvantagens da Cogeração com Turbinas a Vapor:
Vantagens:
tempo de vida útil elevado;
23
não necessita de vigilância constante;
equipamento seguro;
eficiência global elevada;
capacidade de fornecer vapor a alta pressão e/ou pressão atmosférica;
elevado tempo de trabalho entre manutenções;
Desvantagens:
baixo rendimento elétrico;
arranque lento;
problemas de controle de emissão de poluentes;
dependência de um tipo de combustível no dimensionamento, ou seja, só pode
usar o combustível idêntico aquele para que foi projetado o sistema;
reduzido número de aplicações;
investimento inicial elevado;
baixo rendimento elétrico;
1.4.4. Motores de Combustão Interna
Dentre eles, assumem um papel de destaque na cogeração os motores Diesel,
máquinas térmicas de êmbolos, em cujos cilindros têm lugar a queima de um combustível e
por consequência a transformação de calor em potencia de baixo eixo que, em unidades
estacionárias, varia no amplo leque de 20 a 25000 kW. Motores de combustão interna podem
operar em ciclos de dois ou quatro tempos; no ciclo de quatro tempos, ocorre admissão da
mistura combustível (primeiro tempo), compressão da mistura (segundo tempo), explosão,
expansão dos produtos de combustão e escape (terceiro tempo) e expulsão dos produtos de
combustão (quarto tempo). No ciclo de dois tempos, o primeiro tempo compreende a
admissão da mistura e a compressão, e no segundo tempo ocorrem a combustão, a expansão e
o escape (BALESTIERI, 2003).
Os motores diesel apresentam por distinção dos demais motores de combustão interna
o fato de receberem o combustível através de injetores; nos cilindros do motor se comprime ar
puro e, ao final da compressão, injeta-se neles o combustível que, em meio ao ar quente,
inflama-se e queima em pressão constante.
24
1.4.5. Combustíveis Utilizados Na Cogeração
Os principais combustíveis utilizados para cogeração são:
gás Natural;
óleo Diesel;
bagaço de Cana;
briquete;
25
2. BRIQUETE
2.1. Aspectos Gerais
Em Paris surgiu a palavra briquette como sendo uma mistura de turfa, água e argila
plástica. Nas décadas seguintes, o carvão mineral recebeu não só adensamento dos
componentes como temperatura para formar um combustível sólido. Os briquetes que tinham
aglomerantes eram denominados “pérats”, feitos de carvão betuminoso misturado com
alcatrão. Desta época para cá, a tecnologia do briquete de madeira avançou lentamente
transformando-se em um biocombustível sólido com apelo ambiental (Brown coal as fuel,
2005).
Embora o briquete não seja conhecido e pouco empregado no Brasil, o país apresenta
um potencial promissor a ser explorado, permitindo o aproveitamento mais racional dessa
energia disponível, diminuindo assim grandes perdas de resíduos industriais e agrícolas.
Como consequência, teria uma grande redução do custo da energia consumida nos setor
industrial e doméstico, além de uma redução de poluição, causando a substituição dos
combustíveis fósseis por renováveis de origem vegetal, no caso os briquetes.
Define-se briquetagem como um processo no qual pequenas partículas de material
sólido são prensadas para formar blocos de forma definida e de menor tamanho. Através desse
processo, subprodutos de beneficiamento agro florestal, agroindustriais e finos de carvão
convertem-se em um material de maior valor comercial que é o briquete (ANTUNES, 2000).
Os parâmetros esperados para o briquete são: resistência mecânica, resistência ao impacto,
baixa higroscopicidade, alta densidade, boas propriedades de queima e alto poder calorífico.
A lenha e o carvão vegetal, combustíveis sólidos renováveis, apresentam números
importantes em termos de consumo, principalmente nos setores residencial e industrial, onde
a lenha aprece com respectivamente 28% e 8% do consumo total do setor e o carvão vegetal
um valor de 7% do consumo no setor industrial (ROMEIRO, 2004).
26
2.2. Potencial de Produção de Bagaço e Palha
A importância do bagaço e da palha da cana-de-açúcar pode ser medida pela
quantidade de cana produzida mundialmente, que foi de 1.743 milhões de toneladas em 2008,
segundo dados da FAO (Food And Agricultural Organization of United Nations (FAO):
Economic And Social Department: The Statistical Division). Naquele ano, de cada três
toneladas de cana processada em todos os países produtores, uma tonelada de cana foi colhida
no Brasil (37,2%). A Índia, segundo maior produtor mundial, participou com 20,0%, seguida
da China (7,2%), Tailândia (4,2%), Paquistão (3,7%), México (2,9%), Colômbia (2,2%) e
Austrália (1,9%) (CTC, 2010).
Os principais componentes do bagaço de cana-de-açúcar são: 32-50% celulose, 19-
25% hemicelulose, 23-32% lignina, 2% de cinzas, 46% fibra, 50% umidade (CTC, 2010).
A partir do ano 2000 a produção de cana vem crescendo no Brasil a uma taxa anual de
aproximadamente 35 milhões de toneladas de cana (Figura 2.1), ou seja, quase a produção
anual da Austrália, oitavo maior produtor mundial. Segundo as estatísticas da União da
Indústria de Cana-de-açúcar (Unica), na safra 08/09 o Brasil processou cerca de 570 milhões
de toneladas de cana, produzindo ao redor de 160 milhões de toneladas de bagaço. Toda cana-
de-açúcar produzida no Brasil ainda apresenta potencial de mais de 160 milhões de toneladas
de palha e, provavelmente, somente 6% desse material acompanhou os colmos de cana até a
indústria sendo que o restante foi queimado ou permaneceu no campo (CTC, 2010).
Figura 2.1 - Evolução da safra de cana no Brasil
Fonte: UNICA, 2009
27
2.3. Biomassa como fonte de energia
Todos os organismos biológicos que podem ser utilizados como fonte de energia, tais
como: lenha e carvão vegetal, alguns óleos vegetais, cana-de-açúcar, beterraba, biogás, podem
ser chamados de Biomassa (CARIOCA, 2000).
Para a briquetagem, a biomassa é composta pela combinação de dióxido de carbono
(CO2) da atmosfera e água (H2O), formando assim hidratos de carbono (CH2O). Através da
reação química básica: fóton + CO2 + H2O (CH2O) + O2, pelas ligações químicas dos
componentes estruturais da biomassa a energia solar é armazenada (VASCONCELOS, 2002).
A briquetagem consiste na trituração da biomassa e posterior compactação a elevadas
pressões, o que provoca a elevação da temperatura do processamento a aproximadamente
100°C. A “plastificação” da lignina (substância que atua como elemento aglomerante) é
provocada pelo aumento de temperatura. Para se obter sucesso nessa aglomeração, é
necessária uma pequena quantidade de água, compreendida entre 8% a 15% de umidade, e
que o tamanho das partículas esteja entre 5 a 10 mm. O produto final deste processo tem
formato de blocos ou cilindros compactados chamados de briquetes (BRIQUETES, 2010).
Com a cana de açúcar o processo de briquetagem requer que o bagaço seja
previamente seco até aproximadamente 15% de umidade. Testes realizados indicaram que
com umidade do bagaço menor que 12% há grande dificuldade de operação da máquina e o
briquete produzido apresenta pouca resistência mecânica, tornando-se quebradiço no
manuseio. Com umidade acima de 20% os briquetes desintegram-se logo após a compactação
(BRIQUETES, 2010).
Figura 2.2 – Briquete feito com bagaço de cana
Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010
28
2.4. Briquete Composto
São briquetes produzidos a partir de mais de um tipo de subproduto. O seu processo de
produção é o mesmo dos briquetes simples, exceto pela inclusão da fase de mistura das
matérias-primas. Esta semelhança permite equiparar os seus custos de produção. Com a
produção de briquetes compostos obtêm-se médias ponderadas de suas propriedades e
composições, o que permite um maior controle da qualidade dos briquetes e um
direcionamento de suas características de acordo com seu uso final, com a máxima redução na
introdução de substâncias adicionais. Produzindo briquetes compostos, evita-se também a
dependência de um único tipo de matéria prima. Nos períodos de escassez de subprodutos de
maior poder calorífico, tem-se a opção de substituí-los por outros subprodutos em maior
quantidade, mantendo a eficiência energética do briquete (CTC, 2010).
Com a cana-de-açúcar, uma produção de briquete composto pode se dar com o uso de
bagaço e palhiço (palha da cana) (CTC, 2010).
2.5. Processo do briquete
O principal, mais barato e mais eficiente processo do briquete é dividido em 4 partes
(BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010):
obtenção da matéria prima;
peneiramento;
secagem;
compactação.
29
Figura 2.3 – Projeto de usina de processamento de briquetes
Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010
2.5.1. Obtenção da Matéria Prima
Nome dado a um material que sirva de entrada para um sistema de produção qualquer.
Ex: Bagaço de cana-de-açúcar, capim elefante picado (BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010).
2.5.2. Peneiramento
Separa a matéria prima. Impurezas que poderão prejudicar na produção do briquete
(BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010).
2.5.3. Secagem
Atualmente, o uso da matéria prima “in natura” como combustível está limitado à
própria usina onde é produzido ou em outras usinas e indústrias próximas, pois a alta
umidade, aliada à baixa massa específica, inviabilizam economicamente o transporte a longas
distâncias. A secagem da matéria prima “in-natura” é a primeira etapa de alguns processos de
compactação como briquetagem e peletização, que requerem que a biomassa encontre-se com
umidade entre 12 e 15% (CTC, 2010).
O secador de matéria prima pode ser considerado também como um equipamento
recuperador de energia da caldeira, assim como um pré-aquecedor de ar ou um economizador.
Secador a vapor: este equipamento utiliza vapor de alta pressão como fluido de
aquecimento da biomassa e os vapores de água produzidos pela secagem podem ser
direcionados para linhas de baixa pressão como, por exemplo, vapor de escape ou vapor
30
vegetal. Um ventilador instalado na base promove a movimentação da biomassa no interior do
equipamento. Modelos semelhantes são utilizados na indústria açucareira de beterraba para
secagem da polpa (CTC, 2010).
Figura 2.4 – Modelo de secador a vapor
Fonte: CTC, 2010
Figura 2.5 – Secador a Vapor
Fonte: CTC, 2010
31
2.6. Processos de Compactação
Existem cinco tipos de equipamentos ou princípios básicos de compactação de
resíduos ligno-celulósicos:
1. prensa extrusora de pistão mecânico;
2. prensa extrusora de rosca sem fim;
3. prensa hidráulica;
4. peletizadora;
5. enfardadeira.
Figura 2.6 – Prensa extrusora
Fonte: KUBINSKY, 2008
2.6.1. Prensa Extrusora de Pistão Mecânico
Tecnologia desenvolvida desde o principio do século e bastante conhecida no mundo.
Um pistão ligado excentricamente a um grande volante força o material a ser compactado por
meio de um tronco de cone (KUBINSKY, 2008).
32
Figura 2.7 – Extrusora de pistão mecânico
Fonte: KUBINSKY, 2008
2.6.2. Prensa Extrusora de Rosca Sem Fim
Processo muito usado para resíduos. Apresenta excelentes resultados. Seu princípio
mecânico é semelhante às manobras da indústria de cerâmica. É um equipamento de fácil
manutenção e de investimento favorável (KUBINSKY, 2008).
Estes tipos de Briquetadeiras por extrusão por rosca sem fim produzem briquetes com
furo central em processo contínuo (KUBINSKY, 2008).
Figura 2.8 – Prensa extrusora por rosca sem fim
Fonte: KUBINSKY, 2008
33
2.6.3. Prensa Hidráulica
Equipamento que usa um pistão acionado hidraulicamente. Pela lateral, o equipamento
é alimentado por uma rosca sem fim com o material a ser compactado. Ao se atingir uma
pressão desejada, em uma peça frontal ao embolo se abre e expulsa o briquete (KUBINSKY,
2008).
Aplica-se uma pressão menor que em outros métodos, produzindo briquetes de menor
densidade, sendo assim um processo não extrusivo (KUBINSKY, 2008).
Figura 2.9 – Prensa hidráulica
Fonte: KUBINSKY, 2008
2.6.4. Peletizadora
Equipamento operado pelo processo extrusivo. Não é necessária a injeção de vapor
para aquecer e corrigir a umidade princípio utilizado na produção de ração animal. Operando
com bagaço, produz paletes de diâmetro igual a 10 mm x 30 a 40 mm de comprimento,
densidade relativa de 1,2 g/cm³ e densidade a granel de 550 kg/m³ (COPERSUCAR, 2001).
34
Figura 2.10 – Paletizadora testada para resíduos
Fonte: KUBINSKY, 2008
2.6.5. Enfardadeira
Indicada pelo próprio nome, o equipamento comprime e amassa o resíduo, elevando a
densidade do bagaço de cana com 20% de umidade a 500 kg/m³. Não é necessária pré-
secagem do material, permitindo assim uma secagem posterior (KUBINSKY, 2008).
2.7. Utilização
A forma de partida (ignição) pode ser a mesma utilizada pelo sistema à lenha. Toda
caldeira/fornalha que queima lenha, pode queimar Briquete Vegetal.
Não são necessários equipamentos especiais, somente verificar o espaçamento entre
grelhas.
Geralmente são utilizados em aquecedores, secadores, caldeiras, cervejarias, pizzarias,
cerâmicas, destilarias, indústrias, lavanderias e outros.
35
Figura 2.11 – Uso de briquete em forno de Padaria
Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010
Tabela 1 – Formas de utilização do briquete
Utilização em Aplicação Dosagem Outras informações de uso
Caldeiras em
Geral
Somente
Briquete
Vegetal
Quantidade
Necessária
Alimentar de forma mais contínua
possível
Briquete com
Cavaco ou
Lenha
comercial
Porcentagem
desejada de
cada produto
Alimentar a caldeira com lenha ou
cavaco e sob os mesmos adicionar o
Briquete de forma bem distribuída
Fornos/
Fornalhas
Briquete
Vegetal
Quantidade
Necessária
Alimentar com quantidades menores
e mais frequentes
Fornos de
Pizzarias
Briquete
Vegetal
Quantidade
Necessária
Iniciar o fogo normalmente conforme
métodos e costumes
Lareiras Briquete
Vegetal
Quantidade
Necessária
Iniciar o fogo normalmente conforme
métodos e costumes, realimentar o
fogo a cada 50 minutos
Churrasqueiras Briquete
Vegetal
Quantidade
Necessária
Para usar o Briquete em
churrasqueiras, o usuário precisa
permitir a entrada de bastante
oxigênio e iniciar o fogo com
gravetos. O processo de assar ocorre
enquanto o Briquete estiver
queimando com chamas limpas
Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010
36
2.8. Vantagens
A briquetagem é uma forma bastante eficiente para concentrar a energia disponível da
biomassa. 1,00 m³ de briquetes contém pelo menos 5 vezes mais energia que 1,00 m³ de
resíduos. Isso se levando em consideração a densidade a granel e o poder calorífico médio
desses materiais (CTC, 2010).
A viabilidade técnica e econômica do acondicionamento desses resíduos
comprovadamente justifica a alocação de recursos de financiamento para apoiar o
aproveitamento desses resíduos como atividade econômica, bem como outras medidas que se
fizerem necessárias para estruturar o mercado desse produto (CTC, 2010).
O briquete é um produto 100% reciclado, reduz a mão de obra no manuseio do
produto, cada metro cúbico abriga 1300 kg de briquete, em 10 metros quadrados aloja-se 15
toneladas de briquetes, gera pouca fumaça com baixo teor de cinza e o mais importante, maior
qualidade na produção de vapor, pois com a baixa umidade do produto não se consome
energia própria para a evaporação do excesso de umidade (CTC, 2010).
O bagaço comum possui um poder calorífico aproximadamente de 1800 Kcal/ kg.
Comprimindo esse bagaço em briquete, esse valor passa para 4700 Kcal/kg (CTC, 2010).
2.9. Desvantagens
Os briquetes podem apresentar como desvantagem a mescla de seus componentes. Tal
diferença pode refletir na cor ou também a granulometria desigual da matéria-prima, gerando
diferenças de poder calorífico (PAINEL FLORESTAL, 2010).
No caso de briquetes de madeira, o uso de diversos tipos de madeiras, pode-se
observar visualmente a mescla de cor. Utilizando-se vários tipos de matérias-primas pode
diminuir o poder calorífico, sendo o ideal, a utilização de granulometrias e matérias-primas
semelhantes (PAINEL FLORESTAL, 2010).
Outro fator depreciante é a higroscopicidade. Caso sejam armazenados em lugares
úmidos, o briquete pode sofrer descompressão da massa sólida, perdendo assim a sua
utilidade (PAINEL FLORESTAL, 2010).
37
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1. Aspectos Gerais
Para se entender o conceito de calor, precisa-se primeiro falar sobre a energia contida
em um sistema físico. Energia física está associada ao movimento das partículas que
compõem o sistema. Energia de ligação está associada à “ligação” entre as partículas do
sistema. Energia interna é a soma de todas as energias do sistema, cinética, de ligação
química, nuclear, etc. Depende da temperatura, estado físico e da quantidade de matéria
(ETAPA, 2010).
Os conceitos de temperatura e calor são frequentemente confundidos na linguagem
cotidiana. No entanto, do ponto de vista físico, são dois conceitos distintos (ETAPA, 2010).
3.2. Temperatura
A temperatura de um corpo está relacionada à energia cinética de suas moléculas.
Assim, podemos alterar a temperatura de um corpo fornecendo ou retirando energia de
movimento de suas moléculas. Isso pode ser conseguido de formas mecânicas: choques,
atrito, agitação ou por meio de troca de calor (ETAPA, 2010).
Quando dois corpos, a diferentes temperaturas e isolados do meio exterior, colocados
em contato, acabam por atingir um estado no qual suas temperaturas se igualam. Logo, se
houve alteração nas temperaturas de ambos, entre eles ocorreu troca de energia. A essa
energia trocada devido à diferença de temperatura chamamos calor (ETAPA, 2010).
3.3. Calor
Calor passa espontaneamente do corpo de temperatura maior (maior energia cinética)
para o de menor temperatura (menor energia cinética) (ETAPA, 2010).
38
Calor é energia em transito, logo suas unidades são as de energia. No Sistema
Internacional é o Joule (J). Existe uma unidade especial, a caloria, definida como a quantidade
de calor necessária para elevar de 14,5°C para 15,5°C a temperatura de 1 g de água, sob
pressão de 1 atm. Uma caloria equivale a 4, 1868 joules (J) (ETAPA, 2010).
3.3.1. Calor Específico
Com relação à energia interna de agitação térmica, é fácil observar que quanto maior a
quantidade de calor trocada por um corpo, maior será sua variação de temperatura. Assim, a
quantidade de calor (Q) e a variação de temperatura (Δθ) são diretamente proporcionais
(ETAPA, 2010). Assim tem-se:
Δθ [3.1]
em que
Δθ = θfinal – θinicial [3.2]
A constante de proporcionalidade C é chamada de capacidade térmica do corpo. Ela
mede a quantidade de calor necessária para que o corpo sofra uma variação unitária de
temperatura (ETAPA, 2010).
Para Q medido em caloria (cal) e Δθ em grau Celsius (°C), a unidade de C será caloria
por grau Celsius (cal/°C) (ETAPA, 2010).
Por outro lado, se dois corpos de mesmo material sofrem a mesma variação de
temperatura, o de maior massa troca uma quantidade de calor maior, portanto (Q) é
diretamente proporcional à massa (m):
Δθ [3.3]
A nova constante de proporcionalidade C é chamada de calor específico da substância
que compõe o corpo. Ela mede a quantidade de calor necessária para que uma unidade de
massa sofra uma variação unitária de temperatura (ETAPA, 2010).
Dependendo das condições de temperatura e pressão, a matéria pode apresentar-se em
três estados físicos: sólido, líquido e gasoso (ETAPA, 2010).
39
3.3.2. Calor Latente
Pode-se fazer um sistema mudar de estado físico adicionando ou retirando calor. A
quantidade de calor (Q) trocada por um sistema em uma mudança de estado é diretamente
proporcional à massa m que muda de estado. Então:
[3.4]
A constante de proporcionalidade L, calor latente da transformação, é medida em
unidade de energia por unidade de massa caloria por grama (cal/g). Se a mudança de estado
ocorre à pressão constante, a temperatura permanece constante e é característica para cada
pressão (ETAPA, 2010).
3.4. Poder Calorífico
A qualidade do bagaço para fins energéticos pode ser medida através do “Poder
Calorífico”, ou seja, a quantidade de energia liberada na combustão completa de um
combustível, sendo que todos os produtos da combustão são relacionados às condições
normais de temperatura e pressão (CNTP), com temperatura a zero °C e pressão de 1,0 atm
(absoluta). O poder calorífico para combustíveis sólidos pode ser expresso por diversas
unidades de medida, sendo internacionalmente aceita em quiloJoule por quilograma (kJ/kg),
ou em megaJoule por quilograma (MJ/kg). Normalmente, o setor sucroalcooleiro utiliza a
unidade quilocalorias por quilograma (kcal/kg), sendo que 1,0 kcal/kg corresponde a 4,185
kJ/kg (ETAPA, 2010).
O poder calorífico do bagaço pode variar em função de diversas condições, como a
composição da matéria-prima entre locais e ao longo da safra, ou seja, variedade, estágio de
maturação, idade, sistema de colheita, quantidades de impurezas vegetais e minerais, e das
condições de trabalho, como nível de preparo da cana, sistema de extração do caldo (moenda
ou difusor) e embebição. Entretanto, até o momento não foram detectadas diferenças
significativas com relação ao “poder calorífico superior” (PCS) entre variedades, estágios de
corte, bagaço proveniente de cana inteira ou cana picada, áreas com e sem aplicação de
40
vinhaça ou de áreas onde a cana recebe aplicação de maturadores químicos. Essa conclusão já
havia sido comprovada em estudos similares na África do Sul (CTC, 2010).
3.4.1. Poder Calorífico Superior
Denomina-se “Poder Calorífico Superior” (PCS) quando se considera o calor latente
de vaporização da água formada pela reação de combustão durante a queima do combustível
com o ar seco. Neste caso, a água gerada nos produtos da combustão é retirada na forma
líquida a temperatura ambiente. O PCS pode ser medido precisamente utilizando uma bomba
calorimétrica (Figura 3.1) a volume constante para combustíveis líquidos ou sólidos (ex.
bagaço e palha de cana). Ex.: PCS bagaço (umidade=50%) = 9,1 MJ/kg (2170 kcal/kg) (CTC,
2010).
Figura 3.1 – Calorímetro
Fonte: CTC, 2010
3.4.2. Poder Calorífico Inferior
O “Poder Calorífico Inferior” (PCI) é o resultado do PCS menos o calor latente
formado pela água durante a combustão. Neste caso, considera-se a água gerada pelos
produtos de combustão na forma de vapor. Em instalações industriais, a temperatura dos gases
de saída em processos de combustão é maior que a temperatura de condensação da água na
pressão atuante. Assim sendo, o PCI tem maior aplicação prática no dimensionamento e
avaliação de equipamentos (CTC, 2010).
41
Tabela 2 – Materiais e seus poderes caloríficos inferiores
Material PCI* Massa específica*
kcal/kg MJ/kg kg/m³
Bagaço de Cana** 1,725 7,2 130
Etanol anidro 6,750 28,3 791
Etanol hidratado 6.300 26,4 809
Diesel 10,100 42,3 840
Gasolina auto 10,400 43,5 740
*Fonte: (BEN) Balanço Energético Nacional
**Fonte: CTC, considerando-se bagaço com umidade de 50% na saída da moenda
Fonte: CTC, 2010
3.4.3. Relação Pressão x Temperatura
O estado físico (sólido, líquido, gás) em que uma substância se encontra depende
basicamente das condições de pressão e temperatura. A Figura abaixo dá o diagrama
(aproximado e sem escalas) para a água (CTC, 2010).
Figura 3.2 – Diagrama Pressão x Temperatura de Água
Fonte: MSPC, 2010
42
Mudanças de pressão e/ou temperatura e consequente troca de calor podem provocar
as conhecidas mudanças de estado físico: de sólido para líquido ou vice-versa
(fusão/solidificação), de sólido para gás ou vice-versa (sublimação/deposição), de líquido para
gás ou vice-versa (vaporização/condensação) (MSPC, 2010).
No diagrama, as linhas divisórias indicam condições de pressão e temperatura nas
quais pode haver transição de estados e, portanto, os dois estados físicos podem coexistir
(MSPC, 2010).
O ponto triplo é a única condição de temperatura e pressão em que os três estados
físicos podem coexistir (MSPC, 2010).
Na transição líquido/vapor, a temperatura correspondente a cada pressão de acordo
com a curva é denominada temperatura de saturação. Portanto, na temperatura de saturação
ocorre o efeito do calor latente conforme tópico anterior. Para água, sob pressão normal, a
temperatura de saturação é 100°C, que é a ebulição da água nessa condição (MSPC, 2010).
A temperatura de saturação aumenta com a pressão, mas há um limite, denominado
ponto crítico, acima do qual não há transição definida entre os dois estados (MSPC, 2010).
As coordenadas do ponto crítico são, naturalmente, a pressão crítica e a temperatura
crítica. Acima da temperatura crítica, um gás não pode ser liquefeito apenas com aumento de
pressão. É também necessária uma redução de temperatura (MSPC, 2010).
Comentam-se agora os termos gás e vapor. São o mesmo estado físico da substância e,
muitas vezes, são empregados sem distinções. O termo vapor é em geral usado para o gás de
uma substância que é líquida em condições normais de ambientes. A água é o exemplo
comum. De forma mais técnica, vapor pode ser considerado o gás em temperatura inferior à
crítica (MSPC, 2010).
Vapor saturado é o vapor que se encontra no limite entre a temperatura de
condensação ou evaporação. É a camada mais próxima da superfície líquida, encontra-se no
limiar do estado líquido e gasoso.
Vapor superaquecido é o vapor com temperatura acima da saturação, resultante do
fornecimento de calor ao vapor saturado.
43
Tabela 3 – Relação Pressão x Temperatura
Pressão Relativa Kgf/cm² Temperatura ºC
7,0 169,6
8,0 174,5
9,0 179,0
10,0 183,2
21,0 216,2
31,0 236,3
41,0 252,1
54,0 268,7
64,0 279,5
69,0 284,5
99,0 309,5
109,0 316,6
219,0 373,6
Fonte: MSPC, 2010
44
4. ESTUDO DE CASO
Com o objetivo de compreender como se pode utilizar o Briquete em projetos de
cogeração, foi desenvolvido um estudo de caso. Com as informações levantadas na revisão
bibliográfica e na fundamentação teórica, pode-se elaborar o estudo de casos. A empresa
estudada foi a usina Unialco S.A.
4.1. Descrição da Empresa
A Unialco foi fundada em 21 de setembro de 1980, com recursos do Proalcool, no
município de Guararapes/SP, região Noroeste do estado de São Paulo, onde predominava a
pecuária de corte extensiva. Iniciou a produção do álcool hidratado em 1982. Moía apenas
cana dos acionistas.
Passada a crise do petróleo, o governo federal não definiu uma política que
incentivasse os empresários a investirem no setor sucroalcooleiro. Esta indefinição durou até
o ano de 1993. As alternativas eram fechar ou crescer. A Unialco adotou uma política de
crescimento e passou a moer também cana própria.
Em dezembro de 2000 a Unialco, comprou a Usina Alcoolvale S/A Álcool e Açúcar,
situada no município de Aparecida do Taboado-MS.
O Grupo Unialco gera no período de safra aproximadamente 4.700 empregos, sendo
2.400 empregos diretos, 500 terceirizados e 1.800 indiretos, gerando arrecadação de impostos
de R$ 7.500.000,00 por ano.
Sua capacidade de moagem é de 11.500 toneladas de cana por dia na Unialco e 6.200
toneladas na Alcoolvale. Na Unialco 60% de cana é própria e 40% cana de acionistas.
A estratégia de crescimento da usina focou a expansão da área de cana que passou de
7.794 hectares (Ha) em 1.993 para 32.564,23 hectares (Ha) em 2.006. Na área agrícola, a
empresa resolveu ampliar rapidamente a quantidade de cana a moer para o limite ajustado de
sua capacidade. Este aumento se deu principalmente com cana própria da usina, em terras
arrendadas. Com aumento da área plantada, e por conseqüência a redução da idade média do
canavial, foi sensível o aumento do rendimento agrícola (toneladas por hectare), que atingiu
88,24 toneladas por hectares na safra 2006/2007.
45
Na área industrial a capacidade instalada de moagem passou de 3.335 toneladas por
dia em 1993 para 10.500 toneladas por dia em 2006.
Diversificaram-se os produtos, com início da produção do Xarope de Cana em 1996,
Açúcar Cristal VHP em 1997, e Álcool Anidro em 2001. A Unialco é uma das 07 usinas do
País a usar o desidratador monoetileno-glicol (MEG) no processo de fabricação do álcool
hidratado, o que resulta num produto de qualidade superior e de baixa toxicidade.
Figura 4.1 – Localização da Usina
Os produtos comercializados pelo grupo/ empresa são:
açúcar Cristal (VHP).
álcool Anidro.
álcool Hidratado.
bagaço Hidrolisado.
46
4.2. Dados da Produção
Com 2,7 milhões de toneladas de cana esmagada, a Unialco possui grande destaque no
setor em sua região. A tabela a seguir mostra a evolução da produção da Usina em volumes de
açúcar e álcool.
Tabela 4 – Evolução da Produção
Produto 05/06 06/07 07/08 08/09
Álcool (mil metros cúbicos
[m³]) 80.34 81.55 78.18 82.43
Açúcar (mil toneladas [ton.]) 140,00 212,00 221,59 225,30
Massa de Cana Processada
(toneladas) 3900 3940 3950 3960
Fonte: Usina Unialco, 2010
4.3. O Projeto
A Unialco sempre produziu energia elétrica para seu consumo interno. No processo de
produção de açúcar e álcool, toda energia consumida (mecânica, térmica, elétrica) provém da
queima do bagaço de cana, gerado a partir da moagem da cana.
Os novos processos de produção de vapor e consumo modernizam-se promovendo
uma redução de consumo com consequente sobra de bagaço, que é usado em caldeiras de alta
pressão como combustível, produzindo vapor, que acionará o funcionamento da usina.
Com o processo de briquetagem, ter-se-á um bagaço com menor umidade,
consequentemente uma produção maior de vapor, com uma quantidade de matéria prima
usada, bagaço como combustível, em proporções menores. Com isso, é feito um estudo para
analisar a viabilidade de uma instalação de uma usina de Briquete conjunta com a usina
estudada. Para isso foram pesquisadas empresas especializadas em briquetes. Uma delas é a
Briquetes São Carlos.
47
4.3.1. Principais Equipamentos
A tabela a seguir apresenta características básicas dos principais equipamentos da
instalação da usina.
Tabela 5 – Principais Equipamentos da Instalação da Usina
Equipamento Quantidade Características
Caldeira 2 Capacidade: 240 t/h de vapor
Pressão: 67 kgf/cm²
Temperatura: 480ºC
Turbina a Vapor 5 Potência: 30 MW
Pressão de Alimentação: 50 kgf/cm²
Pressão de extração: 21kgf/cm² e 1,5 kgf/cm²
Gerador 5 Potência: 38 MWA
Tensão: 13,8 kV trifásico 60 Hz RPM:1800
Fator de potencia: 80%
Transformador elevador 3 Elevação: 13,8 – 88 kV
Potencia: 38 MVA
Painéis elétricos 1 cj Cubículos de distribuição 13,8 kV, proteção,
excitação e medição
Fonte: Usina Unialco, 2010
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Figura 4.2 – Painel do Gerador
Fonte: Usina Unialco, 2010
Figura 4.3 – Conjunto Turbo Gerador
Fonte: Usina Unialco, 2010
4.3.2. Quadro de Usos e Fontes
O quadro de usos busca dar uma visão simples do custo total do projeto, dividindo o
mesmo, em alguns principais itens, já o quadro de fontes tem a função de informar quais serão
as origens do capital a ser investido no projeto.
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Tabela 6 – Quadro de Usos e Fontes
Usos (R$)
Itens Realizado A Realizar Total
Estudos, Projetos 25.000.000 1.500.00 26.500.000
Terrenos 10.000.000 - 10.000.000
Obras 65.000.000 2.000.00 67.000.000
Equipamentos Usina
de Briquete 200.000.000 3.000.000 203.000.000
Capital de Giro 30.000.000 - 30.000.000
Materiais 20.000.000 1.500.000 21.500.000
Investimento Total 350.000.000 8.000.000 358.000.000
Fontes (R$)
Itens Realizado A Realizar Total
Recursos Próprios - - -
Recursos do BNDES 150.000.000 8.000.000 158.000.000
FINEM indireto 150.000.000 - 150.000.000
FINAME 50.000.000 - 50.000.000
Total 350.000.000 8.000.000 358.000.000
Fonte: Usina Unialco, 2010
4.3.3. Orçamento do projeto
O orçamento tem função de dar maior detalhe aos gastos do projeto, para que esse
possa ser analisado por todos os interessados em investir, ajudando a dar maior transparência
ao empreendimento.
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Tabela 7 – Orçamento
Item % do Total Custo R$ Total
1. Estudos e Projetos 1.8% R$144, 000.00
Usina de Briquete R$144, 000.00
2. Serviços 14.1% R$1, 128, 000.00
Usina de Briquete R$1, 128, 000.00
3. Material 16.4% R$1, 312, 000.00
Usina de Briquete R$1, 312, 000.00
4. Equipamentos Nacionais 67.7% R$5, 408, 000.00
Usina de Briquete R$5, 416, 000.00
Total Geral R$8, 000, 000.00
Fonte: BNDES, 2010
4.3.4. Cronograma do Projeto
O cronograma é muito importante para que se possa fazer uma série de análises sobre
o projeto. É através dele que são calculados os tempos de carência do empréstimo e através
dele, que se torna possível analisar o andamento do projeto e buscar resolver eventuais
problemas para que o mesmo seja implementado. Uma série de problemas pode ocorrer no
caso de um projeto atrasar.
Tabela 8 – Cronograma do Projeto
Descrição Data 2010 1ºS 11 2ºS 11 1ºS 12 2ºS 12
Contrato com Empresa Dez/2010
Implantação da Usina Jan/11 a dez/12
Projeto Jan/11 a abr/11
Equipamentos Jun/11 a jul/11
Obras Civis Jul/11 a jan/12
Montagens Fev/12 a jun/12
Testes Jun/12 a dez/12
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4.4. Detalhamento do Projeto
Tomando como base uma caldeira com capacidade de 240 toneladas por hora de
vapor, uma pressão de 67 quilogramas força por centímetro quadrado (kgf/cm²) e uma
temperatura de até 480°C para fazer a queima do bagaço.
De acordo com a Tabela 3 a uma pressão de 67 kgf/cm², a água entra em ebulição
com aproximadamente 282°C. Geralmente a temperatura utilizada na alimentação da caldeira
é de aproximadamente 65°C. Tendo como base, massa (m) igual a 1 grama de água, poder
calorífico (C) igual a 1 cal/g e uma variação de temperatura ( ), 217°C, pode-se utilizar a
fórmula [3.3] para calcular a quantidade de calor (Q) gasta, para transformar o estado da água
de liquido para gasoso.
Tem-se:
Δθ [3.3]
portanto, para transformar 1 g de água liquida em vapor, consome uma quantidade de calor
(Q1) igual a 217 cal (cal).
Na mudança de estado físico da água, emprega-se a fórmula [3.4] para o calculo de Q.
Com massa (m) igual 1 grama, e calor latente (L) recebendo o valor de 540 cal/g (ETAPA,
2010).
Tem-se:
[3.4]
Na mudança de estado físico, liquido-gasoso, são gastos uma quantidade de calor (Q2)
de 540 cal.
Para chegar a uma temperatura máxima da caldeira de 480ºC, onde a água já é gasosa
utiliza-se a fórmula [3.3] novamente, para calcular Q3. Com m igual a 1, C assume o valor de
0,5 cal/g e valendo agora 198°C, a quantidade de calor gasta nessa passagem é de 99 cal.
Para obter o valor da quantidade de calor total realizada nessa transformação, é feita a
ΣQ = Q1 + Q2 + Q3, já calculados. Portanto ΣQ igual a 856 cal por grama de água utilizada
na caldeira.
52
Para se produzir uma quantidade de calor de 1800cal, são necessários 1000g de bagaço
comum. Para saber quantas gramas de bagaço serão utilizados por grama de água, faz-se uma
regra de três, onde:
1000 g de bagaço 1800 calorias
X g de bagaço 856 calorias
Achando-se assim, para produzir uma quantidade de 856cal são necessários
aproximadamente 476 g de bagaço por grama de água.
Com o briquete, 1000 gramas produz uma quantidade de calor de 4700cal, por possuir
poder calorífico 2,6 vezes maior que o bagaço comum (CTC, 2010). Efetuando a regra de três
para o briquete, tem-se:
1000 g de briquete 4700 calorias
Y g de briquete 856 calorias
Assim, para produzir 856 cal, são necessárias aproximadamente 182 g/g de água.
Para saber o melhor método, é feita a diferença entre o bagaço comum e o briquete:
476 g bagaço comum – 182 g briquete
É gerada uma economia de 294 g de bagaço de cana-de-açúcar por grama de água.
Para uma visão macroscópica desse consumo, analisa-se a quantidade economizada em
toneladas. A caldeira tem uma produção de vapor de 240 t/h, para saber a economia de
bagaço na caldeira, multiplica a economia em gramas de bagaço pela capacidade da caldeira:
294 * 240.000.000
totalizando uma economia de 70.560 t/h de bagaço.
53
CONCLUSÃO
Baseando-se na análise bibliográfica, foi possível confirmar o quanto a biomassa da
cana-de-açúcar tem se apresentado como ótima alternativa de geração de energia. Por ser uma
das mais baratas do Brasil, tem tornado as usinas sucroalcooleiras auto suficientes em sua
demanda de energia térmica, elétrica e mecânica, quando a adotam como combustíveis para o
processo.
No Brasil existe grande volume de resíduos agroindustriais de natureza ligno-
celulósicos, mas ainda com baixo índice de aproveitamento.
Esses resíduos estão concentrados nas regiões mais populosas do país, as quais
também apresentam a maior demanda de energia. Além disso, é igualmente nessas regiões
onde ocorre deficiência de lenha. Apesar de o Brasil ser um grande produtor de biomassa, a
sua distribuição no território nacional é irregular. A técnica de compactação de resíduos para
use energético ainda é pouco conhecida e pouco utilizada no Brasil. Os empresários ao
tomarem conhecimento desta técnica mostram-se bastante surpresos a interessados.
Com o estudo realizado nesse trabalho, pode-se ter uma ideia de que a nova tecnologia
utilizada, a briquetagem, pode trazer muitos benefícios tanto em questões ambientais quanto
econômicas.
Uso de menor quantidade de matéria prima com o uso do briquete para produção da
mesma quantidade de vapor comparada com a utilização de bagaço comum. Ocupação de
menos espaço e gasto menor com transporte. O briquete tem um poder calorífico maior (2,6
vezes maior). Pode-se vender o briquete para terceiros (padarias, pizzarias, cerâmicas). A
empresa pode lucrar com a sobra de bagaço ou com a venda do briquete.
Para a realização do projeto tem-se duas opções: construir uma usina de briquete
dentro da usina estudada ou melhorar os equipamentos existentes na usina, para venda do
briquete com a sobra do bagaço.
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REFERÊNCIAS
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