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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAOEM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Anlise Termoeconmica de uma Usina Termeltrica a

Carvo Mineral

DAGOBERTO CSSIO DA SILVA

ORIENTADOR: PROF. DR. ROGRIO JOS DA SILVA

Dissertao de Mestrado apresentada comisso de Ps-Graduao da Universidade

Federal de Itajub UNIFEI, como requisito parcial para a obteno do Ttulo de Mestre

em Cincias em Engenharia Mecnica na rea de Concentrao em Converso de

Energia.

ITAJUB MG2004

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Anlise Termoeconmica de uma Usina Termeltrica a

Carvo Mineral

DAGOBERTO CSSIO DA SILVA

Membros da Banca Examinadora

Dr. Jos Antonio Perrela Balest ieri FEG/UNESPDr. Sebastio Varella UNIFEI

Dr. Rogrio Jos da Silva UNIFEI - Orientador

ITAJUB MG2004

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AGRADECIMENTOS

Inicialmente, agradeo a Deus por ter me dado a oportunidade e foras para que

pudesse concluir mais esse importante degrau da minha vida.

Ao meu orientador, Rogrio Jos da Silva e a meu amigo e professor Sebastio

Varella, que no mediram esforos para o desenvolvimento desse trabalho e que me

dedicaram muita ateno e amizade.

A todos os professores e funcionrios da UNIFEI que contriburam direta ou

indiretamente para a realizao deste trabalho.

Aos colegas do curso de mestrado, em particular, queles com os quais eu

partilhei momentos de muito trabalho e alegria.

Aos colegas Ricardo, Flvio, Fernando e Francisco que me ajudaram, tornando

essa caminhada mais amena e alegre.

E finalmente, ao UNIS-MG e FAPEMIG que me deram o apoio moral efinanceiro, atravs da concesso de uma bolsa de estudos.

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Dedico este trabalho minha querida

esposa, Ismnia Benedito Silva, aos meus

queridos filhos, a minha saudosa me

Erina Rodrigues da Silva, a meu pai,

Dejalma Paulino da Silva e minha sogra,

Maria das Graas Benedito.

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S existem dois dias no ano em que nada pode ser feito.

Um se chama Ontem e o outro Amanh, portanto

Hoje o dia certo para amar, acreditar, fazer e

principalmente viver

Dalai Lama

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RESUMO

Este trabalho tem como objetivo principal a aplicao de conceitos da

termoeconomia, segundo a metodologia proposta pela Teoria do Custo Exergtico, aum estudo preliminar de uma unidade trmica de grande porte. Trata-se de uma

unidade convencional queimando um blendde carvo pulverizado localizada na usina

de potncia Drax, em Yorkshire, na Inglaterra. aplicada a anlise energtica, a

anlise exergtica e termoeconmica, para avaliar os rendimentos e irreversibilidades

dos vrios equipamentos que constituem a unidade trmica. So obtidos os custos

exergticos e exergoeconmicos dos fluxos internos e do produto final que a

produo lquida de energia eltrica pelo gerador da unidade. Discutem-se ainda, nestetrabalho, os ciclos termodinmicos convencionais e as caractersticas construtivas dos

equipamentos que constituem uma usina de grande porte.

So apresentadas as tecnologias capazes de melhorar a eficincia global

dos ciclos termodinmicos de potncia queimando carvo assim como para a mitigao

dos poluentes produzidos e emitidos pela queima do carvo mineral. apresentado um

histrico sobre a origem, as caractersticas, Rank, reservas, preos e produes em

escala nacional e internacional do carvo mineral ao longo dos ltimos anos. Uma

viso geral e um breve histrico sobre a usina de potncia Drax so tambm

apresentadas neste trabalho. Atravs dos resultados obtidos no estudo de caso

apresentado, pde-se avaliar e discutir as possibilidades de melhoria da unidade

trmica tendo em vista o conhecimento dos equipamentos nos quais as melhorias de

projeto ou controle devem ser mais significativas. realizada uma discusso sobre a

possibilidade de implantao de uma unidade desse porte na regio Sul do Brasil.

Palavras Chave:

1- Usina Termeltrica de Drax 2- Termoeconomia 3- Exergoeconomia

4- Carvo Mineral 5- Exergia

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ii

ABSTRACT

The main goal of this work is the application of the thermoeconomics concepts

according to the methodology proposed by Theory of Exergetic Cost in a preliminary

study of a great load thermal unit. It is about of a conventional unit burning a blend of apowdered coal located in the Drax power station (Yorkshire, England). The energy,

exergetic and thermoeconomic analysis are applied in order to evaluate the efficiencies

and irreversibilities of the several equipments that constitute the thermal unit. The

exergetic and exergoeconomic costs of the internal flows as well as the final product,

which is the net electric power generation of the unit, are obtained. It is also argued the

conventional thermodynamic cycles as well as the constructive characteristics of the

equipments that constitute a great load plant.Technologies capable to improve the global efficiency of the burning coal

power thermodynamic cycles as well as the mitigation of the pollutant produced and

emitted for the mineral coal burned are presented. A report about the origin, the

characteristics, Rank, reserves, prices and productions in national and international

scale of the mineral coal along the years is presented. A general view as well as a brief

description about the Drax Power Plant is also presented. A case study is carry out, and

through the results, it was possible to evaluate and discuss the possibilities of

improvement of this thermal unit bearing in mind the knowledge of the equipments

which the improvement or control should be more significant. It was also argued the

possibility to build an unit of great load in the South of Brazil.

Key words:

1- Drax Thermo Power Plant 2- Thermoeconomcs 3- Exergoeconomics

4- Mineral Coal 5- Exergy

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SUMRIO

RESUMO i

ABSTRACT ii

SUMRIO iii

SIMBOLOGIA viii

LISTA DE FIGURAS xiii

LISTA DE TABELAS xvii

CAPTULO 1 INTRODUO............................................................................. 1

1.1 - Motivao do Presente Trabalho................................................................. 4

1.2 - Objetivo do Presente Trabalho................................................................... 51.3 - Contribuio do Presente Trabalho............................................................ 6

1.4 - Delineamento do Presente Trabalho.......................................................... 6

CAPTULO 2 - USINAS TERMELTRICAS DE GRANDE PORTE..................... 8

2.1- Introduo................................................................................................... 8

2.2- Ciclos Termodinmicos............................................................................... 12

2.2.1- Unidades Operando em Ciclo Termodinmico em Presso Subcrtica 132.2.2- Unidades Operando em Ciclo Termodinmico em Presso Supercrtica 15

2.2.3- Ciclos Combinados.............................................................................. 17

2.2.3.1- Configuraes Bsicas de Ciclos Combinados......................... 18

2.3- Componentes Principais das Usinas Termeltricas de Grande Porte............ 27

2.4- Funcionamento das Usinas Termeltricas a Vapor........................................ 27

2.5- Caractersticas Construtivas dos Componentes Principais das Usinas

Termeltricas a Vapor.................................................................................... 282.5.1 Caldeira.................................................................................................... 28

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2.5.1.1 Caldeiras Aquatubulares de Tubos Curvos..................................... 29

2.5.1.1.1 - Superaquecedor e Reaquecedor......................................... 39

2.5.1.1.2 Economizador..................................................................... 48

2.5.1.1.3 Preaquecedor de Ar........................................................... 50

2.5.1.2 - Caldeiras Monotubulares (de circulao forada).......................... 552.5.1.3 - Caldeiras de Leito Fluidizado.......................................................... 61

2.6 Turbina a Vapor ............................................................................................. 68

2.7 Condensador.................................................................................................. 78

2.8 Aquecedor de gua de Alimentao.............................................................. 80

2.9 Desaerador..................................................................................................... 88

2.10 Bomba.......................................................................................................... 91

2.11 Torre de Resfriamento................................................................................. 94

CAPTULO 3 -CARACTERSTICAS DO CARVO MINERAL UTILIZADO EM

TERMELTRICAS............................................................................ 98

3.1- Origem............................................................................................................ 98

3.2- Anlise do Carvo.......................................................................................... 101

3.3- Conceito de Rank do Carvo......................................................................... 102

3.4- Reservas de Carvo no Mundo...................................................................... 1043.5- O Carvo no Brasil......................................................................................... 117

3.6- Preos............................................................................................................ 122

3.7- Outros Fatores Relevantes no Brasil e no Mundo......................................... 132

CAPTULO 4 TERMOECONOMIA.......................................................................... 136

4.1- Introduo....................................................................................................... 136

4.2- Exergia de um Fluxo....................................................................................... 1384.2.1- Clculo da Exergia de um Fluxo de Calor................................................ 139

4.2.2- Clculo da Exergia de um Fluxo de Trabalho.......................................... 139

4.2.3- Clculo da Exergia da gua e Fluidos Trmicos..................................... 139

4.2.4- Clculo da Exergia do Combustvel......................................................... 139

4.2.5- Clculo da Exergia do Ar Seco................................................................ 143

4.2.6- Clculo da Exergia de Substncias complexas....................................... 143

4.3- Anlise Exergtica.......................................................................................... 1434.4- Anlise Termoeconmica................................................................................ 148

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4.4.1- Metodologia da Anlise Termoeconmica............................................. 149

4.5- Custos Exergoeconmicos............................................................................ 154

4.6- Metodologia de Aplicao............................................................................. 155

CAPTULO 5 - USINA TERMOELTRICA DE DRAX............................................... 1575.1- Introduo..................................................................................................... 157

5.2- A Caldeira...................................................................................................... 160

5.3- A Turbina........................................................................................................ 163

5.4- O Condensador.............................................................................................. 165

5.5- A Bomba de Circulao da gua.................................................................... 165

5.6- A Torre de Resfriamento................................................................................. 165

5.7- O Gerador....................................................................................................... 1695.8- O Sistema Fuel Gas Desulphurisation LG - FGD........................................... 170

5.9- O Precipitador Eletrosttico............................................................................ 172

5.10- A Chamin Principal..................................................................................... 173

5.11- O Transformador.......................................................................................... 173

5.12- O Carvo...................................................................................................... 175

5.13- Meio Ambiente.............................................................................................. 178

5.13.1-Impacto Ambiental................................................................................. 1785.13.2- Poltica Ambiental................................................................................. 178

CAPTULO 6 -ESTUDO DE CASO: UNIDADE TERMELTRICA DRAX 6............ 182

6.1- Introduo...................................................................................................... 182

6.2- Caractersticas Gerais da Unidade Termeltrica Drax 6................................ 182

6.3- Esquema da Unidade Termeltrica Drax 6..................................................... 183

6.4- Ciclo Termodinmico...................................................................................... 1856.5- Determinao das Propriedades Termodinmicas......................................... 186

6.5.1- Clculo das Presses das Linhas de Extraes.................................. 186

6.5.2- Clculo das Temperaturas e Presses na Linha de gua de

Alimentao da Caldeira.......................................................................... 187

6.6- Clculo da Vazo Mssica de gua de Resfriamento e Calor Dissipado ao

Meio Ambiente............................................................................................... 188

6.7- Clculo dos Fluxos de Extraes de Massas nas Turbinas........................... 1896.8- Clculo das Exergias dos Fluxos.................................................................... 191

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6.9- Aplicao da Metodologia............................................................................. 193

6.9.1- Estrutura Lgica da Unidade Termeltrica............................................ 193

6.9.2- Aplicao das Proposies de Antonio Valero....................................... 195

6.9.3- Anlise Exergtica.................................................................................. 197

6.9.3.1- Clculo das Eficincias e Irreversibilidades dosEquipamentos................................................................................. 201

6.9.4- Anlise Exergoeconmica........................................................................ 205

6.9.4.1- Clculo dos Custos de Instalao da Unidade Termeltrica

Drax 6............................................................................................. 205

6.9.4.2- Clculo dos Custos do Combustvel (Ccomb) e O&M (CO&M)............ 206

6.9.4.3- Clculo dos Custos de Gerao..................................................... 207

6.10- Tarifas Eltricas............................................................................................ 2156.11- Alguns Custos Especficos na Gerao de Energia Eltrica....................... 222

6.12- Discusso dos Resultados......................................................................... 2226.12.1- Anlise Exergtica.............................................................................. 222

6.12.2- Anlise Termoeconmica.................................................................... 226

CAPTULO 7 CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS.. 228

7.1- Concluses..................................................................................................... 228

7.2- Sugestes para Trabalhos Futuros................................................................ 232

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS............................................................................ 233

APNDICE A- Clculo das Vazes Mssicas de Vapor para os Aquecedores de

gua de Alimentao........................................................................ 250

APNDICE B- Clculo das Eficincias e Irreversibilidades dos Equipamentos.......... 257

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SIMBOLOGIA

A) Smbolos

ija Elemento da matriz de incidncia (subsistema i e fluxo j)

A Matriz de incidncia dos fluxos em um sistema

A Matriz de incidncia total ou expandida

AF Matriz dos insumos

AP Matriz dos produtos

AL Matriz das perdas

b Exergia especfica

bch Exergia qumica especfica

ochb Exergia qumica especfica padro

bPh Exergia fsica especfica

arphb Exergia fsica especfica do ar

B Exergia de fluxo

B Vetor coluna correspondente a exergia

B* Custo exergtico

B* Vetor coluna dos custos exergticos

BQ Exergia de um fluxo de calor

BW Exergia de um fluxo de trabalho

c Custo exergoeconmico unitrio

cF Custo exergoeconmico unitrio do insumo

cP Custo exergoeconmico unitrio do produto

C Carbono

Cc Custo de capital

D Exergia destruda

D Vetor coluna das exergias destrudas

eo Energia qumica padro

E Energia

E Vetor coluna correspondente energia

fi Componentes do vetor de composio atmica do combustvel

F Insumo ou exergia do insumo

F* Custo exergtico do insumo

Fc Fator de converso ou exergia total do insumo

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viii

FT Insumo total

h Entalpia especfica

ofh Entalpia de formao

H Hidrognio

i Subsistema

Irreversibilidade

T Irreversibilidade total

j Fluxo

K Consumo exergtico unitrio

K* Custo exergtico unitrio

*FK Custo exergtico unitrio do insumo

*PK Custo exergtico unitrio do produto

L Perda

m Nmero de fluxos de um sistema ou dimenso

m Vazo mssica

M Vetor coluna correspondente massa

n Nmero de subsistemas em uma instalao ou coeficiente

N NitrognioO Oxignio

P Presso ou produto ou exergia do produto

P* Custo exergtico do produto

PT Produto total ou exergia total do produto

Q Calor

r Fator exergtico

R Resduo (exergia do resduo) ou constante do gsR* Custo exergtico do resduo

s Entropia especfica

s0 Entropia especfica no estado padro

T Temperatura

T0 Temperatura de referncia ou padro

W Trabalho

* Vetor exergtico externo

Z Vetor que engloba os custos de capital, manuteno, operao e

amortizao

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Vetor de valorizao econmica externa

Matriz produtiva de um sistema

Relao entre a exergia qumica e o PCI

Parcela de irreversibilidade

Potencial qumico de um componente

Custo exergoeconmico

b Rendimento exergtico

,b Rendimento exergtico total

e Rendimento energtico

Relao entre a exergia qumica padro e o PCI

Percentual de perda ou de irreversibilidade

R Gasto de exergia do resduo

B) ABREVIATURAS

AAP Aquecedor de Alta Presso

ABP Aquecedor de Baixa Presso

ATR Auto-Thermal Reformig (Reforma auto-trmica)

BEN Balano Energtico Nacional

B&W Babcock & Wilcox

BMB Balano Mineral Brasileiro

CAES Compressed Air Energy Storage (Reservatrio de ar Subterrneo)

CBC Companhia Brasileira de Caldeiras

CCPE Comit Coordenador do Planejamento da Expanso dos Sistemas

Eltricos

CCPSs Combined cycle power stations (Estaes de Potncia a Ciclos

Combinados)

CD Condensao

CFB Circulating Fluidized Bed (Leito Fluidizado Circulante) NETL

National Energy Techology Laboratory (Laboratrio Nacional de

Tecnologia de Energia)

CIAB Coal Industry Advisory Board (Diretoria Consultiva da Indstria do

Carvo)CRM Companhia Rio Grandense de Minerao

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x

DNPM Departamento Nacional de Produo Mineral

EV Evaporao

FGD Fuel Gs Desulphurisation (Dessulfurizao do Gs de Chamin)

FOB Mercadoria Livre a Bordo (Mineral na Origem sem Frete)

HAT Humid Air Turbine cycle (Ciclo de Turbina a gs com Injeo de Ar mido)HRSG Heat Recovery Steam Generator (Gerador de Vapor de Recuperao de

Calor)

IGCC Integrated Gasification Combined Cycle (Ciclo Combinado com

Gaseificao Integrada)

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (Clula Combistvel de Carbonato Fundido)

MME Ministrio de Minas e Energia

OECD Organization for Economic Co-operation and Development (Organizaopara Co-operao Econmica e Desenvolvimento)

OLADE Latin American Energy Organization (Organizao Latino Americana de

Energia)

PCS Poder Calorfico Superior

PCI Poder Calorfico Inferior

PFB Pressurized Fuel Bed (Leito Fluidizado Pressurizado)

PFBC Pressurized Fluidized Bed Combustion (Combusto em Leito Fluidizado

Pressurizado)

RA Reaquecedor

ROM Run Of Mine (Carvo Bruto)

RWI Regenerated Water Injected cycle (ciclo de Turbina a gs com Injeo de

gua Regenerada)

SA Superaquecedor

SCR Selective Catalytic Reduction (Reduo Seletiva Cataltica)

SIECESC Sindicato da Indstria da Extrao de Carvo do Estado de Santa

Catarina

SIEE Sistema de Informao Econmica Energtica

STIG Steam Injected Gas Turbine (Ciclo de Turbina a Gs com Injeo de

Vapor)

Syngas Syntetic Gs (Gs Sinttico)

TAP Turbina de Alta Presso

TI Turbina Intermediria

TBP Turbina de Baixa Presso

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UDC Universidade de Cantabria

USC Ultra-Super Critical (Ultra Super Crtico)

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1- Ciclo bsico terico de Rankine com a adio do reaquecedor (linhatracejada).................................................................................................. 8

Figura 2.2- Reduo percentual no consumo especfico de calor com o nmero de

aquecedores da gua de alimentao...................................................... 10Figura 2.3- Ciclo incorporando bomba de alimentao acionada por turbina.............. 11Figura 2.4- Ciclo de uma planta de potncia com bomba acionada por

turbina de contrapresso.......................................................................... 11Figura 2.5- Diagrama terico de um ciclo regenerativo com reaquecimento e dois

estgios de aquecimento da gua de alimentao da caldeira................ 12Figura 2.6- Ciclo termodinmico supercrtico terico com dois estgios de

Reaquecimento......................................................................................... 13Figura 2.7- Ciclo regenerativo com reaquecimento,instalao de potncia fssil

com presso subcrtica, gerao de 600MW............................................ 14

Figura 2.8- Ciclo regenerativo com reaquecimento, instalao de potncia fssil......com presso supercrtica, gerao de 800 MW.................................... 17Figura 2.9- Turbina a gs mais HRSG sem queima suplementar........................... 21Figura 2.10- Turbina a gs mais HRSG com queima de combustvel suplementar.... 21Figura 2.11- Turbina a gs mais HRSG com queima em fornalha.......................... 22Figura 2.12- Turbina a gs mais HRSG superalimentado com queima em fornalha.. 22Figura 2.13- Termeltrica de ciclo combinado com um nico eixo ligado a turbina

a gs com as turbinas a vapor................................................................ 23Figura 2.14- Esquema simplificado de uma instalao de potncia em ciclo..............

combinado com um nico eixo e dois nveis de presso no HRSG........ 23Figura 2.15- Esquema bsico de uma planta de potncia IGCC................................. 25Figura 2.16- Esquema de um sistema combinado hbrido para gerao de energia

eltrica.................................................................................................... 26Figura 2.17- Esquema de uma caldeira aquatubular de dois tubules e fornalha

formada por paredes dgua................................................................... 31Figura 2.18- Caldeira Stirling com trs tubules superiores e um inferior................... 32Figura 2.19- Caldeira vertical com fornalha ferradura, paredes dgua e

preaquecedor de ar, produo de 80 t/h de vapor, presso mxima de(12,74 MPa) e temperatura entre 350 e 510C....................................... 33

Figura 2.20- Caldeira vertical com feixe tubular curvado, com queima emsuspenso e grelha................................................................................. 33

Figura 2.21- Caldeira vertical suspensa (VU-40) com paredes dgua, fornalharadiante com queimadores tangenciais e queima em suspenso,Produo mxima de 500 t/h de vapor, presso mxima de (12,74MPa) e temperatura mxima de 540C................................................... 34

Figura 2.22- Exemplo de paredes dgua com tubos aletados................................... 35Figura 2.23- Exemplo de parede dgua com tubos tangenciais................................. 35Figura 2.24- Caldeira radiante para queima de carvo pulverizado............................ 36Figura 2.25- Caldeira Stirling de dois tubules para queima em fornalha ciclone..... 37Figura 2.26- Caldeira radiante para queima de carvo com duas fornalhas

ciclones e apenas um tubulo................................................................ 38

Figura 2.27- Mtodos de queima do carvo pulverizado............................................. 39Figura 2.28- Superfcies de transferncia de calor de uma caldeira aquatubular deum tubulo de vapor e suas posies tpicas......................................... 41

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xiii

Figura 2.29- Dois tipos de sistemas usados em superaquecedores............................ 44Figura 230- Esquema com os tipos mais comuns de superaquecedores................... 45Figura 2.31- Esquema dos componentes e diagrama de fluxo de uma caldeira

queimando carvo pulverizado............................................................... 46Figura 2.32- Esquema de um superaquecedor de serpentina tipo pendente.............. 47Figura 2.33- Superaquecedor radiante tipo placa sendo inspecionado....................... 48

Figura 2.34- Esquema da metade de um economizador horizontal de tubos de ao.. 49Figura 2.35- Diferentes tipos de arranjos dos preaquecedores de ar.......................... 52Figura 2.36- Preaquecedor de ar tubular de dois estgios.......................................... 52Figura 2.37- Preaquecedor de ar de feixe tubular vertical com trs passes................ 53Figura 2.38- Preaquecedor de ar regenerativo de placa rotativa................................. 53Figura 2.39- Preaquecedor de ar regenerativo de placa estacionria......................... 54Figura 2.40- Esquema de um preaquecedor de ar tubular com arranjo horizontal...... 54Figura 2.41- Caldeira aquatubular de feixe tubular (VU-60C), paredes dgua,

tubulo transversal, economizador e preaquecedor com indicao doscircuitos de ar e de gases de combusto em fluxo transversal e grelha

rotativa..................................................................................................... 55Figura 2.42- Esquemas de algumas concepes de caldeiras monotubulares........... 56Figura 2.43- Esquema comparativo entre uma caldeira aquatubular de circulao

natural e uma caldeira monotubular tipo Benson.................................... 57Figura 2.44- Diferentes sistemas de queima das caldeiras tipo Benson..................... 58Figura 2.45- Grfico presso de entrada da turbina x eficincia lquida da instalao 59Figura 2.46- Caldeiras monotubulares de seis diferentes plantas de potncia............ 60Figura 2.47- Configurao de fornalhas de leito fluidizado.......................................... 63Figura 2.48- Esquema de uma fornalha de leito fluidizado circulante pressurizado.... 64Figura 2.49- Sistemas de separao de slidos em caldeiras de leito fluidizado

circulante................................................................................................ 65Figura 2.50- Caldeira aquatubular de leito fluidizado circulante fabricada pela B&W 65Figura 2.51- Diagrama esquemtico de uma instalao PFBC................................... 66Figura 2.52- Caldeira de leito fluidizado circulante pressurizado com apenas um

tubulo .................................................................................................. 67Figura 2.52b- Modelos de caldeiras PFBC projetados pela ALSTOM......................... 67Figura 2.53- Tipos construtivos de turbinas a vapor.................................................... 69Figura 2.54- Corte longitudinal de uma turbina de impulso de multi-estgio............. 71Figura 2.55- Corte longitudinal da turbina a vapor de reao K-6-35 (Ak-6) da Lnin

Nevsky Works... 72Figura 2.56- Corte longitudinal da turbina P-1.5-35/5 (AP-1.5) da Kirov Turbine

Works...................................................................................................... 73Figura 2.57- Seco de uma turbina de condensao................................................. 73Figura 2.58- Seco de uma turbina a vapor de condensao com uma extrao de

vapor....................................................................................................... 74Figura 2.59- Turbina de condensao de dois corpos................................................. 74Figura 2.60- Turbina de condensao de dois corpos e fluxo duplo do lado de baixa

presso.................................................................................................... 75Figura 2.61- Turbina de condensao de trs corpos, alta presso, presso

intermediria e de baixa presso........................................................... 75Figura 2.62- Seco de uma turbina de contra presso.............................................. 76

Figura 2.63- Foto de uma turbina a vapor do tipo HN fabricada pela SIEMENS......... 77Figura 2.64- Foto de um rotor suspenso de turbina a vapor de fluxo duplo fabricadopela ALSTOM.......................................................................................... 77

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19/297

xiv

Figura 2.65- Corte transversal de um condensador de grande porte, com indicaodos princpios de construo................................................................... 79

Figura 2.66- Corte transversal de um condensador de superfcie de dois passes deuma grande central trmica..................................................................... 80

Figura 2.67- Condensador de superfcie fabricado pela Foster Wheeler Corporation 81Figura 2.68- Corte longitudinal mostrando as partes principais de um aquecedor de

gua de alimentao............................................................................... 82Figura 2.69- Exemplo de um aquecedor de gua de alimentao horizontal de alta

presso apresentando as trs sees de troca trmica e feixe de tuboem U........................................................................................................ 83

Figura 2.70- Aquecedor de gua de alimentao horizontal de alta presso.............. 84Figura 2.71- Aquecedor de gua de alimentao horizontal de baixa presso........... 85Figura 2.72- Aquecedor de gua de alimentao vertical com passagem por baixo

para as linhas de alta presso................................................................ 86Figura 2.73- Inspeo nos tubos de um aquecedor de gua de alimentao

horizontal................................................................................................ 87

Figura 2.74- Esquema de desaeradores..................................................................... 89Figura 2.75- Esquema de um desaerador de bandejas perfuradas............................ 90Figura 2.76- Desaerador tipo bandejas com fluxo em contra corrente....................... 91Figura 2.77- Bomba centrfuga modelo API 610 ZE da Sulzer.................................... 92Figura 2.78- Bomba bipartida axialmente de dupla suco tipo SMN Sulzer........... 93Figura 2.79- Bomba multiestgios de alta presso tipo barril, modelo GSG Sulzer. 93Figura 2.80- Torre de resfiamento seca da UTE Presidente Mdici no Rio Grande

do Sul...................................................................................................... 95Figura 2.81- Detalhe dos radiadores dgua e tubulao da torre de resfriamento..... 96Figura 2.82- Torres de resfriamento secas do complexo Didcot-A em Oxfordshire... 96Figura 2.83- Torres de resfriamento midas do complexo Ratcliffe............................. 97Figura 2.84- Histria do desenvolvimento das torres de resfriamento de corrente

natural...................................................................................................... 97Figura 3.1- Reservas de carvo no Mundo (2000) e produo (1999)........................ 108Figura 3.2- Mapa das reservas de carvo na Europa.................................................. 109Figura 3.3- Mapa das reservas de carvo na Amrica do Sul..................................... 110Figura 3.4- Reservas mundiais de carvo mineral em 1998 (trilhes de toneladas)... 111Figura 3.5- Consumo mundial de carvo mineral em 1998 (milhes de tEP).............. 111Figura 3.6- Demanda mundial de energia primria...................................................... 115Figura 3.7- Demanda mundial de carvo primrio por setor........................................ 115Figura 3.8- Produo mundial de carvo por regio.................................................... 116

Figura 3.9- Produo de carvo por regio nos EUA em 2002................................... 116Figura 3.10- Reservas, produo e principais UTEs no Sul do Brasil......................... 120Figura 3.11- Fluxograma geral de processo da USITESC........................................... 130Figura 3.12- Fluxograma geral do processo de SEPETIBA......................................... 131Figura 4.1- Esquema de turbina a vapor ou a gs....................................................... 146Figura 4.2- Esquema de bomba adiabtica................................................................. 146Figura 4.3- Esquema de um sistema energtico genrico........................................... 149Figura 5.1- Vista area do complexo Drax na Inglaterra.............................................. 158Figura 5.2- Vista terrestre do complexo Drax na Inglaterra......................................... 158Figura 5.3- Vista das plumas geradas nas torres de resfriamento e a chamin

principal..................................................................................................... 159Figura 5.4- Vista area do depsito de carvo............................................................ 159Figura 5.5- Configurao da caldeira projetada pela Babcock Power Ltda................. 161

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Figura 5.6- Foto de um queimador da caldeira............................................................ 162Figura 5.7- Foto do ventilador de ar primrio para os queimadores............................ 162Figura 5.8- Foto do ventilador de corrente induzida..................................................... 163Figura 5.9- Foto do rotor de uma turbina de baixa presso removido para reparos.... 164Figura 5.10- Casa das turbinas do complexo Drax...................................................... 164Figura 5.11- Foto de uma das bombas de recalque da gua do rio Ouse................... 166

Figura 5.12- Foto area das torres de resfriamento midas de Drax.......................... 167Figura 5.13- Vista da base e enchimento de algumas torres de resfriamento de

Drax......................................................................................................... 168Figura 5.14- Vista do enchimento de uma das torres aps reparos ........................... 168Figura 5.15- Vista parcial do sistema de distribuio de gua da torre de

Resfriamento........................................................................................... 169Figura 5.16- Foto do rotor de um dos geradores de Drax............................................ 170Figura 5.17- Fluxograma do modelo LG FGD (Wet Scrubbing) de Drax ................ 172Figura 5.18- Foto da Chamin principal de Drax......................................................... 174Figura 5.19- Foto do transformador de corrente eltrica de Drax................................ 174

Figura 5.20- Foto da casa de descarga automtica do carvo dos vages dos trens. 176Figura 5.21- Foto do depsito de carvo e da mquina de manipulao.................... 176Figura 5.22- Foto de um alimentador de carvo para o moinho de pulverizao........ 177Figura 5.23- Foto de um dos moinhos pulverizadores de carvo................................ 177Figura 5.24- Fluxograma ilustrativo de como trabalha as unidades termeltricas do

complexo Drax........................................................................................ 181Figura 6.1- Esquema da unidade termeltrica Drax 6................................................. 184Figura 6.2- Configurao funcional da unidade termeltrica Drax 6............................ 185

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1- Reaes por zonas dos Gaseificadores................................................. 18Tabela 2.2- Dimenses tpicas dos componentes de uma caldeira.......................... 42Tabela 2.3- Vazes mssicas do vapor por unidade de rea do vapor no

superaquecedor ou reaquecedor........................................................... 43Tabela 2.4- Materiais tpicos de titnio para aquecedores de gua de alimentao 87Tabela 2.5- Materiais tpicos de CuNi para aquecedores de gua de alimentao.. 88Tabela 2.6- Materiais tpicos de ao inoxidvel para aquecedores de gua de

Alimentao........................................................................................... 88Tabela 3.1- Classificao dos combustveis fsseis slidos e lquidos..................... 101Tabela 3.2- Indica as diferenas nos parmetros com o aumento do Rank............. 103Tabela 3.3- Classificao dos carves pelo Rank..................................................... 104Tabela 3.4- Anlise tpica dos carves do Mundo..................................................... 106Tabela 3.5- Anlise tpica dos carves do Mundo..................................................... 107

Tabela 3.6- Anlise tpica dos carves Britnicos..................................................... 107Tabela 3.7- Reservas provadas de carvo no Mundo ao final de 2002(milhes de toneladas).......................................................................... 112

Tabela 3.8- Produo de carvo no Mundo perodo 1998 2002(betuminoso, antracito, sub-betuminoso e linhito em MtEO)................. 113

Tabela 3.9- Produo de eletricidade a partir dos combustveis fsseis 2001...... 114Tabela 3.10- Propriedades dos carves no Brasil..................................................... 118Tabela 3.11- Reservas oficialmente provadas de carvo mineral 2000................. 119Tabela 3.12- Reservas e recursos de carvo mineral segundo a ONU 2000........ 119Tabela 3.13- Produo, exportao/importao e consumo de carvo nos vrios

setores da economia brasileira entre o perodo de 1998 2002......... 121

Tabela 3.14- Produo de ROMpor Estado produtor em toneladas........................ 121Tabela 3.15- Produo de carvo vapor vendvel em toneladas............................. 122Tabela 3.16- Evoluo dos preos do carvo energtico 1994 2000................. 123Tabela 3.17- Preo real mdio do carvo energtico-USA perodo de 1996 - 2000

(Dlares/tonelada curta).................................................................... 125Tabela 3.18- Evoluo dos preos do carvo vapor entre o perodo 1987 2001

(US$/t).............................................................................................. 126Tabela 3.19- Preos do carvo vapor para a indstria em US$/mt........................... 127Tabela 3.20- Preos do carvo vapor para gerao de eletricidade em US$/mt...... 128Tabela 3.21- Preos mdios correntes de fontes de energia (1).............................. 129

Tabela 3.22- Principais usinas do tipo UTE em operao no Sul do Brasil.............. 129Tabela 3.23- Sntese do estado da arte de tecnologia de combusto eficiente docarvo.................................................................................................. 132

Tabela 5.1- Publicao ambiental (situao dos anos de 1998, 1999 e 2000)......... 179Tabela 6.1- Caractersticas gerais da unidade trmica Drax 6................................. 183Tabela 6.2- Propriedades termodinmicas dos fluxos da unidade trmica Drax 6... 192Tabela 6.3- Definio F (insumo), P (produto) e R (resduo) para a unidade

Trmica Drax 6...................................................................................... 193Tabela 6.4- Matriz de incidncia (A) da unidade trmica Drax 6............................... 194Tabela 6.5- Equaes para a unidade trmica Drax 6.............................................. 195Tabela 6.6- Matriz de incidncia expandida (A) para a unidade trmica Drax 6....... 198Tabela 6.7- Vetor externo ( Y*) para a unidade trmica Drax 6................................ 198Tabela 6.8- Custo exergtico e custo exergtico unitrio da unidade trmica Drax 6 199

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Tabela 6.9- Matriz dos insumosAFda unidade trmica Drax 6................................... 200Tabela 6.10- Matriz dos produtosAPda unidade trmica Drax 6................................ 200Tabela 6.11- Custos exergticos e custos exergticos unitrios dos insumos e

produtos dos equipamentos da unidade trmica Drax 6........................ 201Tabela 6.13- Rendimentos, custos exergticos unitrios, irreversibilidades e frao

de irreversibilidade percentual dos equipamentos da unidade trmica

Drax 6..................................................................................................... 204Tabela 6.14- Parmetros exergticos dos equipamentos da unidade Drax 6............. 204Tabela 6.15- Custos de gerao para os trs preos do combustvel......................... 207Tabela 6.16- Custos exergoeconmicos, , em US$/s referentes ao preo mdio

de US$26,00/t........................................................................................ 209Tabela 6.17- Custos exergoeconmicos, , em US$/s referentes ao preo mdio

de US$45,00/t........................................................................................ 210Tabela 6.18- Custos exergoeconmicos, , em US$/s referentes ao preo mdio

de US$50,00/t........................................................................................ 211Tabela 6.19- Custos exergoeconmicos unitrios, c, em US$/GJ referentes ao

preo mdio de US$ 26,00/t de combustvel......................................... 212Tabela 6.20- Custos exergoeconmicos unitrios, c, em US$/GJ referentes aopreo mdio de US$ 45,00/t de combustvel......................................... 213

Tabela 6.21- Custos exergoeconmicos unitrios, c, em US$/GJ referentes aopreo mdio de US$ 50,00/t de combustvel......................................... 214

Tabela 6.22- Custos exergoeconmicos finais da unidade trmica Drax 6 emUS$/MWh para uma gerao de eletricidade de 660 MW..................... 215

Tabela 6.23- Custos exergoeconmicos finais da unidade trmica Drax 6 emR$/MWh para uma gerao de eletricidade de 660 MW........................ 215

Tabela 6.24- Tarifa mdia internacional classe residencial US$/MWh correntede pases pertencentes a OECD............................................................ 216

Tabela 6.25- Tarifa mdia internacional classe industrial US$/MWh corrente depases pertencentes a OECD................................................................. 217

Tabela 6.26- Tarifa mdia internacional classe residencial US$/MWh corrente depases no pertencentes a OECD.......................................................... 218

Tabela 6.27- Tarifa mdia internacional classe industrial US$/MWh corrente depases no pertencentes a OECD.......................................................... 218

Tabela 6.28- Tarifa mdia internacional classe residencial US$/MWh correntedesenvolvida pela OLADE/SIEE ............................................................ 219

Tabela 6.29- Tarifa mdia internacional classe industrial US$/MWh correntedesenvolvida pela OLADE/SIEE............................................................ 220

Tabela 6.30- Tarifa mdia por classe de consumo Brasil ano 2004 - R$/MWh........ 220Tabela 6.31- Preos de energia eltrica ao consumidor em diversos pases domundo em USS/MWh............................................................................. 221

Tabela 6.32- Valores econmicos de fontes alternativas de energia eltrica (Proinfa) 222

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1

CAPTULO 1

1 Introduo

A utilizao da fora motriz para ajudar o homem em seus mais durostrabalhos tem sido, historicamente, o principal aportador de progresso na vida humana.

Em particular, referindo-se ao uso do vapor, Gaffert (1946) relata que a primeira

experincia foi o equipamento criado por Hero de Alexandria chamado de Eolpila (150

a.C.), que utilizava o mesmo princpio das atuais turbinas de reao.

Aps a queda do Imprio Romano, o Ocidente entrou em um perodo de

estagnao em quase todas as reas do conhecimento, inclusive na tecnologia. Apesar

de haver existido alguns momentos de evoluo, este quadro s passou realmente areverter-se a partir do sculo XVII. Neste perodo, vrias condies estimularam o

desenvolvimento da utilizao do vapor na gerao de calor e energia. Segundo as

enciclopdias Barsa (1998), Mirador (1983) e Bizzo (1993), a primeira mquina a vapor,

um sistema de bombeamento de gua utilizando vapor como fora motriz, de sucesso

comercial, foi patenteada em 1698 pelo capito Thomas Savery. A nova mquina foi

sendo aperfeioada passando a funcionar com cilindro e mbolo a partir de 1705

(Bellis, 2004; Barsa, 1998; Mirador, 1983).

Em 1712, Newcomen junto com John Calley construiu sua primeira mquina,

com a mesma finalidade que a de Thomas Savery (Bellis, 2004). A caldeira de

Newcomen era apenas um reservatrio esfrico, com aquecimento pelo fundo, tambm

conhecida como caldeira de Haycock.

Em 1765, James Watt, ao consertar um modelo de mquina de

Newcomen, na Universidade de Glasgow, acabou por inventar seu prprio tipo,

patenteado em 1769, mas que veio funcionar com sucesso em 1775, com participao

de Matthew Boulto (BBC, 2004).

O mesmo escocs, Watt modificou um pouco o formato esfrico da caldeira de

Newcomen em 1769, desenhando a caldeira Vago, a precursora das caldeiras

utilizadas em locomotivas a vapor.

Mais tarde, em 1782 Watt patenteou novo modelo, uma mquina de movimento

rotativo. Esta mquina permitiu o aproveitamento do vapor para impulsionar toda

espcie de mecanismos (Bellis, 2004).

Depois de Watt, em volta de 1800, Richard Trevithick na Inglaterra e

Oliver Evans na USA, observando a importncia e entendendo o fenmeno da alta

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presso, aperfeioaram ainda mais o motor a vapor. Entre 1801 1804 Richard

Trevithick construiu dois modelos de locomotiva a vapor. possvel que George

Stephenson tenha se inspirado nos trabalhos de Trevithick quando construiu sua

primeira locomotiva em 1813 (Bellis, 2004).

Na dcada de 1830, tanto Michael Faraday, no Reino Unido, comoJoseph Henry, nos Estados Unidos, demonstraram, cada um a seu modo, a

possibilidade de transformar energia mecnica em energia eltrica. Cerca de 50 anos

depois surgiria o gerador eltrico (Mirador, 1983; Barsa, 1998).

As primeiras caldeiras desenvolvidas nada mais eram que grandes vasos

esfricos fechados aquecidos pela parte inferior.

Seguiram-se a estas primeiras caldeiras as caldeiras flamotubulares e

posteriormente as caldeiras aquatubulares. O modelo de John Stevens movimentou umbarco no rio Hudson. Stephen Wilcox, em 1856, patenteou uma caldeira com tubos

dgua inclinados, e da associao com George Babcock, onze anos depois, tais

caldeiras passaram a ser produzidas, com grande sucesso comercial (Bellis, 2004).

Em 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos dgua curvos,

cuja concepo bsica ainda utilizada em grandes caldeiras nos tempos atuais.

Ainda segundo Gaffert (1946) e Sousa e Moreira (2002), a primeira

central eltrica dos Estados Unidos da Amrica, Pearl Street, foi construda pelo

glorioso inventor Thomas A. Edison tambm em 1880, para a New York Edison

Company. Esta central estava dotada de seis alternadores bipolares, com capacidade

para 10.000 lmpadas cada um, introduzindo a utilizao das caldeiras aquatubulares

Babcock & Wilcox - B&W que desde ento, tornaram-se as clssicas para usinas

devido as suas maiores presses e grande produo de vapor superaquecido. Em

1882 a central de Pearl Street j fornecia eletricidade para 85 edifcios.

Edison construiu mecanismos para a alimentao de carvo e eliminao

das cinzas, assim como condutos de gases e chamins de chapas de ao e motores

que podiam trabalhar em paralelo para ventilar e resfriar eficazmente o rotor e o estator

dos alternadores (Gaffert, 1946; Sousa e Moreira, 2002).

Nos Estados Unidos, desde a montagem da Central de Pearl Street, o

avano tem sido decisivo para o crescimento de sua matriz energtica, pois a energia

uma fonte de conforto e um vetor de desenvolvimento. Ao longo do sculo XX, as

caldeiras aquatubulares atingiram um grau elevado de desenvolvimento, nas quais as

fornalhas so revestidas de paredes dgua tipo membrana ou tangenciais que

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eliminam a utilizao de refratrios e aumentam a rea superficial de troca trmica por

radiao, elevando assim, a taxa de evaporao.

Possuem superaquecedores convectivos e radiantes (primrio e secundrio) que

elevam a temperatura do vapor vivo, tornando-o superaquecido a vrias presses e

temperaturas requeridas. Essas caldeiras so dotadas tambm de reaquecedores quepromovem o ressuperaquecimento do vapor extrado da turbina de alta presso. So

ainda elementos integrantes dessas caldeiras, o economizador, que faz o pr-

aquecimento da gua de alimentao da caldeira, e o preaquecedor de ar.

Queimadores de baixo NOX, fornalhas ciclnicas e sistemas de injeo de ar por

estgios tambm foram desenvolvidos para queima de carves de baixa qualidade.

Nas dcadas de 1980 e 1990, foram intensificadas as tecnologias de gaseificao e

utilizao das caldeiras com queima de combustvel em leito fluidizado, que seconstituram em grande equipamento para o controle de emisses provenientes da

queima do carvo mineral, biomassa e lixos slidos urbanos combustveis. Existem

centenas de caldeiras de leito fluidizado e centenas monotubulares instaladas,

atualmente, no mundo, sendo que mais de 1000 unidades so do tipo Benson

(Siemens, 2004a). Hoje, a eletricidade est presente numa grande parte daquilo que

fazemos, a qual utilizamos cada vez mais. As caldeiras predominantemente utilizadas

em centrais de grande porte em pases da Amrica do Norte, Europa, frica e sia

continuam, na atualidade, sendo as aquatubulares com circulao natural ou forada,

subcrticas, atingindo presses acima dos (18,0 MPa) e temperaturas que chegam a

560C ou supercrticas que podem atingir at (31,0 MPa) de presso e temperaturas de

at 650C (tipo Benson), devido as novas tecnologias metalrgicas desenvolvidas para

os materiais de construo mecnica (Siemens, 2004). Dessa forma o carvo mineral,

energtico de maior abundncia no Planeta, foi o pioneiro na gerao de eletricidade e

mesmo com a evoluo das usinas termeltricas a vapor aps a primeira guerra

mundial continua sendo utilizado nas mais modernas usinas termeltricas a vapor do

mundo.

Mesmo as modernas usinas a ciclo combinado podem utilizar o carvo mineral

gaseificado ou liquefeito. O IEA em seu World Energy Outlook2002, diz que entre o

perodo de 2000 e 2020 a participao do carvo na produo mundial de energia deve

cair, mas mesmo assim, o recurso apresentar crescimento anual de 2,2% em 30 anos

e continuar sendo o maior responsvel pela gerao mundial de energia, que est

atualmente prxima dos 40%. A participao do carvo mineral na matriz energtica do

Brasil pequena, mas pode ser aumentada, tendo em vista as tecnologias de queima

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limpa disponveis hoje em dia e as reservas existentes de carvo mineral na regio sul

do pas que representam um grande potencial energtico que no pode ser

simplesmente descartado.

1.1 Motivao do Presente Trabalho

Tendo em vista o aumento acentuado da demanda por energia eltrica no Brasil

e em outros pases do mundo, desenvolvidos e em desenvolvimento, e aliado a isto um

esforo cada vez maior na conscientizao do uso mais racional e sustentvel da

energia, advindas do consumo das fontes no renovveis e tambm renovveis, faz-se

necessria a melhoria e otimizao das instalaes de potncia visando obter o

mximo de eficincia dos equipamentos, menores gastos com manuteno, maiorconfiabilidade e vida til de forma a se minimizar os custos com consumo de

combustveis, operao e de gerao da energia eltrica, nas j em funcionamento

quanto nos futuros projetos trmicos. No se pode perder de vista que o

desenvolvimento global com sustentabilidade envolve uma boa e saudvel qualidade

de vida para a atual e futuras geraes. Por isso, a utilizao da energia, em suas

vrias formas, e o controle da poluio ambiental, precisam ser encarados de forma

responsvel e competente. Assim, as termeltricas queimando grandes quantidades decombustveis fsseis necessitam de ateno especial para que possam ter melhores

eficincias trmicas e menores emisses de poluentes para a atmosfera. A

termoeconomia, que conjuga a anlise exergtica e a anlise econmica, vem

demonstrando ser uma ferramenta poderosa na anlise e avaliao de processos e

instalaes trmicas de potncia. A tcnica termoeconmica ilustra a formao do

custo exergtico e monetrio (exergoeconmico) em um sistema de energia. As fontes

reais de custos so identificadas, avaliadas e feitas mais visveis e comparveis com

cada um dos outros nveis de componentes do sistema. Esta informao, aliada com a

intuio e julgamento do engenheiro, fornece inestimvel auxlio na reduo dos custos

dos produtos em sistemas de energia. Decises com respeito ao projeto, operao e

reparo ou reposio de equipamento so consideravelmente facilitadas. Alm disso, a

termoeconomia fornece uma distribuio de custo objetiva para mais do que um

produto pelo mesmo processo.

Por exemplo, na produo simultnea de eletricidade e vapor para fim de

aquecimento (planta de cogerao), uma anlise termoeconmica fornecer o custo do

vapor e o custo da eletricidade separadamente usando informao relativa ao processo

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de formao de custo e para uso em cada um dos componentes (equipamentos) da

instalao. A razo entre o custo do vapor e da eletricidade calculado por esta anlise

no necessariamente tem que ser refletida no preo de venda da eletricidade e vapor.

A companhia responsvel pela operao da instalao, contudo, conhecer o

custo real interno de cada forma de energia. Alm disso, a anlise estabelece quantocombustvel requerido para produzir cada corrente energtica no sistema.

Finalmente, a termoeconomia permite a identificao dos pontos ou

equipamentos de uma instalao que devem merecer especial ateno na operao ou

no projeto, com base na sua contribuio para a formao dos custos dos produtos. Ela

permite que o engenheiro estime o efeito do custo capital, custo do combustvel, e o

nmero de horas anuais que o componente da instalao usado com eficincia tima,

permitindo ainda conhecer os parmetros limites que garantam uma boa eficincia dainstalao.

1.2 Objetivo do Presente Trabalho

Neste trabalho pretende-se apresentar a Teoria do custo exergtico de modo

organizado e de aplicao imediata, especialmente voltado aos ciclos trmicos de

potncia a vapor de grande porte, de forma a identificar os equipamentos com maioresineficincias (maiores destruies exergticas) e determinar os custos adicionais

associados s ineficincias de converso energtica destes equipamentos nas

instalaes de potncia. A avaliao termoeconmica permite predizer, por exemplo,

se aconselhvel a reduo (aumento) da superfcie de um trocador de calor com o

aumento (reduo) da diferena de temperatura e, portanto reduzir (aumentar) assim a

eficincia na transferncia de calor. O objetivo ltimo encontrar a combinao mais

adequada entre os custos de capital e o rendimento dos equipamentos principais da

instalao.

1.3 Contribuio do Presente Trabalho

A principal contribuio do presente trabalho foi o desenvolvimento de um

estudo termoeconmico aplicado a uma unidade pertencente a uma instalao

termeltrica de grande porte.

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A unidade em estudo complexa, pois envolve nove aquecedores da gua de

alimentao, totalizando dezessete subsistemas e quarenta e quatro fluxos de massa

e/ou energia.

Neste contexto, o presente trabalho analisa os custos exergticos e o custo

exergoeconmico do fluxo de eletricidade em quatro situaes de retorno dosinvestimentos, bem como apresenta os custos exergoeconmicos de todos os

subsistemas envolvidos na unidade.

Este trabalho tambm deixa evidente que a maior reserva de combustvel fssil

do planeta ainda a de carvo mineral e que mesmo com as restries ambientais,

este grande potencial energtico pode ser utilizado, pois h na atualidade tecnologias

limpas que garantem o controle dos poluentes antes, durante ou aps a queima do

carvo, assim como avanadas tecnologias para a extrao e transporte.

1.4 Delineamento do Presente Trabalho

O presente trabalho est dividido em sete captulos. No Captulo 2, feita uma

discusso sobre os ciclos termodinmicos tradicionais de Rankine, superaquecido e

com reaquecimento, e o ciclo regenerativo com reaquecimento que atingiu um elevado

grau de maturidade no mundo. Discutem-se as unidades trmicas de grande porteoperando em ciclos convencionais subcrticos e supercrticos. Os ciclos combinados

bsicos so apresentados e outras opes so discutidas de forma a obterem-se

melhores eficincias, segurana e confiabilidade. Apresentam-se tambm exemplos de

tecnologias mais avanadas que esto em pesquisa e testes. Descreve-se tambm o

funcionamento e as principais caractersticas construtivas de cada equipamento que

faz parte de uma usina termeltrica de grande porte. Algumas tecnologias para

obteno de menores emisses de poluentes so, aqui tambm discutidas. O Captulo

3 destinado ao carvo mineral, onde feita uma breve abordagem sobre a origem do

carvo e as anlises necessrias sua caracterizao e determinao de suas

propriedades. Mostra-se a classificao do carvo pelo grau de carbonificao sofrido

ao longo do tempo (Rank), as reservas, localizao e produo do mesmo no mundo,

assim como no Brasil, atravs de mapas e tabelas. Apresenta-se tambm a evoluo

dos preos do carvo em vrios pases do mundo ao longo destes ltimos anos.

Termina falando sobre as caractersticas e propriedades tcnicas das usinas

termeltricas a carvo do sul do Pas, em funcionamento e outras que possivelmente

estaro concludas at 2007. O Captulo 4 est totalmente dirigido Termoeconomia e

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se destina a apresentao de equaes necessrias avaliao da exergia dos vrios

fluxos que aparecem em uma usina termeltrica de grande porte, alm do

equacionamento que define vrios parmetros para a anlise exergtica e a

apresentao das proposies da Teoria do custo exergtico para a atribuio dos

custos exergticos e exergoeconmicos para uma instalao trmica. Um roteiro paraaplicao da metodologia tambm apresentado neste captulo.

O Captulo 5 destina-se a apresentao da instalao de potncia de Drax, na

Inglaterra, que teve as trs primeiras unidades inauguradas em 1974 e as outras trs

concludas e disponibilizadas em 1986. A localizao da estao, a descrio e as

caractersticas principais dos equipamentos utilizados em cada uma de suas seis

unidades, so discutidos, assim como, os sistemas de controle dos poluentes e o

sistema de recepo e preparao do carvo para uso nas caldeiras. A polticaambiental da estao Drax aqui tambm apresentada.

O Captulo 6 dirigido a um estudo de caso, onde se faz a anlise exergtica e

exergoeconmica da unidade Drax 6, pertencente a estao trmica de Drax , em

Selby, na Inglaterra, finalizada em 1986, utilizando a teoria termoeconmica a partir dos

dados fornecidos Tabela 6.1 e da aplicao da metodologia proposta pela Teoria do

custo exergtico discutida no Captulo 4. Ainda neste captulo se faz a discusso dos

resultados obtidos a partir das anlises exergtica e exergoeconmica realizadas.

O Captulo 7 destinado s concluses e sugestes para trabalhos futuros. No

Apndice A so apresentadas as equaes de balano de calor e massa, empregadas

para clculo e obteno das vazes mssicas de sangrias das turbinas e que entram

nos aquecedores de gua de alimentao de baixa e alta presso.

No Apndice B so apresentadas as equaes usadas para o clculo e

determinao das eficincias e irreversibilidades dos equipamentos constituintes da

unidade Drax 6, analisada no estudo de caso.

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CAPTULO 2

USINAS TERMELTRICAS DE GRANDE PORTE

2.1 - Introduo:

O sculo XX ficou marcado pelos grandes avanos tecnolgicos em vrias reas

do conhecimento. A tecnologia de gerao termeltrica foi uma delas. Mas mesmo com

o desenvolvimento dos sistemas de potncia nessas ltimas dcadas, o ciclo de

potncia bsico usado em sistemas gua-vapor, com tecnologia marcada pelo alto grau

de maturidade, segurana e com aplicao desde o final do sculo XIX, permanecem

sendo o ciclo termodinmico de Rankine. A Figura 2.1 mostra um ciclo bsico terico

de Rankine superaquecido em linha contnua e com reaquecimento em linha tracejada.

Figura 2.1: Ciclo bsico terico de Rankine com a adio do reaquecedor (linhatracejada). Fonte: Adaptado de Saad (1997).

O rendimento trmico de um ciclo a vapor melhora quando a presso e a

temperatura do vapor na sada da caldeira aumentam e a presso no condensador

diminui. Contudo, o aumento da presso e temperatura do vapor vivo eleva o

investimento de capital da instalao devido utilizao de materiais com melhorescondies metalrgicas e mecnicas, aliado a equipamentos com maiores espessuras

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trabalho e com isso a eficincia do ciclo. Para uma presso de vapor de cerca de (10,2

MPa) manomtricos o consumo na bomba de alimentao pode variar de 1,5 a 2% da

produo da turbina, no caso da presso de vapor ser de (15,98 MPa) manomtricos

este consumo pode ser de cerca de 2,5 a 2,9%, segundo Kearton (1964).

Figura 2.2: Reduo percentual no consumo especfico de calor com o nmero deaquecedores da gua de alimentao.Fonte: Faires (1983).

Para que seja factvel a aplicao de um dado ciclo motor preciso que o

mesmo apresente uma alta relao de trabalho, isto , o trabalho consumido no

acionamento das bombas seja uma frao pequena do trabalho total produzido nasturbinas. Dessa forma, uma importante modificao pode ser feita usando-se uma

bomba de gua de alimentao da caldeira acionada por turbina de contrapresso, e

as extraes e exausto do vapor, usados para alimentao dos aquecedores da linha

de alta presso, como mostrado nas Figuras 2.3 e 2.4, ou usando uma turbina de

condensao, na qual o vapor mido que sofreu exausto vai para o condensador

principal, como mostram as Figuras 2.6 e 2.7.

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Figura 2.3: Ciclo incorporando bomba de alimentao acionada por turbina.Fonte: Kearton (1964).

Figura 2.4: Ciclo de uma planta de potncia com bomba acionada por turbina de contrapresso. Fonte: Siemens (2003). 1- Gerador de vapor 2- Turbina-Gerador, 3- Turbinade acionamento da bomba, 4- Estaes de converso de vapor, 5- Processo de cargade vapor, 6- Tanque de armazenagem de condensado, 7- Preaquecedor decondensado, 8- Planta de desmineralizao, 9- Resfriador de ar do gerador 10Drenagem para o condensador de vapor, 11- Preaquecedor de gua, 12- Desaerador,

13- Bombas de alimentao do gerador de vapor, 14- Aquecedor de alta presso dagua de alimentao.

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2.2 - Ciclos Termodinmicos

Usualmente em usinas termeltricas de grande porte adota-se o ciclo de

Rankine regenerativo com reaquecimento. A Figura 2.5 mostra um diagrama

temperatura x entropia de um ciclo regenerativo com um nico reaquecimento e doisestgios de aquecimento da gua de alimentao. O diagrama da Figura 2.5 se

apresenta em forma bidimensional, mais prtica, porm, deve-se tomar bastante

cuidado em sua interpretao, pois a quantidade de fluido de trabalho no constante

ao longo de todo o ciclo. A rigor, o ciclo regenerativo idealmente deve ser representado

num sistema de coordenadas tridimensionais, em que a terceira dimenso indica a

frao em massa do fluido de trabalho. Em grandes instalaes, o reaquecimento torna

possvel uma melhora de aproximadamente 5% no rendimento trmico e reduzsubstancialmente o calor rejeitado gua de resfriamento do condensador, que

usada para aquecimento distrital, em algumas usinas existentes e para fabricao

industrial. As caractersticas operacionais e econmicas de instalaes modernas

justificam a instalao de somente um estgio de reaquecimento, exceto para unidades

operando com presso supercrtica ou bem prximas da presso crtica da gua,

conforme ciclo na Figura 2.6.

Figura 2.5: Diagrama terico de um ciclo regenerativo com reaquecimento e doisestgios de aquecimento da gua de alimentao da caldeira. Fonte: Moran e Shapiro(1998). SA superaquecimento, EV evaporao, AAP aquecedor de alta presso,ABP aquecedor de baixa presso, CD condensao, TAP turbina de alta presso,

RA reaquecimento, TBP turbina de baixa presso.

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Figura 2.6: Ciclo termodinmico supercrtico terico com dois estgios de

reaquecimento. Fonte: Moran e Shapiro (1998).

2.2.1 Unidades Operando em Ciclo Termodinmico em Presso Subcrtica

Unidades subcrticas so caracterizadas pelas presses no evaporador da

caldeira que ficam abaixo da presso crtica da gua (22,09 MPa). Sob esta condio

real a ebulio pode ocorrer, permitindo a separao do vapor e gua, tipicamente, em

um tubulo de vapor. Tais unidades tm vantagens de operao no qual a temperaturada mistura gua-vapor do lado interno das paredes dgua permanece constante

enquanto a ebulio est ocorrendo. Unidades subcrticas com carvo pulverizado,

possuem uma longa histria de satisfatrias operaes. Em variadas dimenses, e em

lugares onde o controle restrito da poluio requerido, elas so opes de menor

custo de capital, alm de sua comprovada confiabilidade e segurana. Instalaes

queimando carvo pulverizado subcrticas so teis para uma faixa de potncia eltrica

de 50 MW a 1000 MW. A Figura 2.7 mostra o fluxograma e o balano trmico de umaunidade subcrtica com reaquecimento para 600 MW queimando combustvel fssil

projetado para condies de entrada na turbina a vapor de (17,35 MPa) e 537,8 C.

Seis aquecedores da gua de alimentao so supridos pela exausto de vapor

da turbina de alta presso e extraes de vapor das turbinas intermedirias e de baixa

presso. Excetuando o aquecedor desaerador (3 aquecedor), todos os outros

aquecedores mostrados so de superfcie. Trs bombas so mostradas, sendo:

(1) A bomba de condensado que bombeia o condensado atravs dos resfriadores deleo e gs de hidrognio, condensador de ventilao, ejetor de ar, 1 e 2 aquecedorese desaerador.

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(2) A bomba de alta presso que bombeia o condensado atravs do 4 e 5aquecedores.(3) A bomba de alimentao da caldeira que bombeia o condensado atravs do 6aquecedor ao economizador e caldeira. Os fluxos mssicos so apresentados em kg/spara operao a plena carga.

Figura 2.7: Ciclo regenerativo com reaquecimento, instalao de potncia fssil com

presso subcrtica, gerao de 600 MW. Fonte: Singer (1981). m= fluxo de massa(kg/s); h= entalpia (kJ/kg); P= presso (kgf/cm2); C= graus centgrados (C); RVS=Reservatrio de vapores de selagem.

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2.2.2 Unidades Operando em Ciclo Termodinmico a Presso Supercr tica

Como existe uma relao definida entre temperatura de operao e presso

tima de um sistema, o ciclo a presso supercrtica est em uso geral para se obter as

maiores eficincias termodinmicas possveis com equipamentos de gerao de vaporqueimando combustveis fsseis, com maiores presses e temperaturas do vapor vivo.

O uso de reaquecimento necessrio para se evitar a passagem de grande

quantidade de lquido (umidade) nos ltimos estgios da turbina, devido alta presso

do vapor na sada da caldeira e entrada na turbina, que pode comprometer a

integridade das ps do rotor nos ltimos estgios de expanso e a eficincia da

mesma. O ciclo supercrtico uma boa opo para se alcanar menores emisses, isto

por causa da melhora na eficincia de converso de energia do combustvel. Um cicloregenerativo com reaquecimento usado com 6 a 9 estgios de aquecimento da gua

de alimentao e, devido temperatura e presso altas de entrada, dois estgios de

reaquecimento podem ser justificados e tem sido usado em vrias instalaes no

Japo e USA. Segundo Vieira (1997), pode-se chegar a 10 estgios de aquecimento,

quando se desejam altos parmetros do vapor e altos fatores de capacidade

associados a combustveis de custo elevado. A Figura 2.8 mostra o fluxograma e um

tpico balano trmico de um ciclo a vapor com presso supercrtica. Sete aquecedores

da gua de alimentao so mostrados e os suprimentos de vapor vindos das

extraes nos corpos das turbinas (de alta, intermediria e de baixa presso) suprindo

energia para o processo de aquecimento regenerativo. Instalaes com presso

supercrtica tm excedido a 40% de eficincia do ciclo, chegando hoje a mais de 45%

em pases como China, Japo, frica do Sul, ndia e continente Europeu, com menores

taxas de emisses de NOX, CO2, SOX e particulados. Atualmente, mais de 1000

instalaes supercrticas monotubulares do tipo Benson esto em operao no mundo

(Siemens, 2004). Com respeito s emisses, o NOXgerado pela combusto do carvo

pode ser dividido em dois: NOXdo combustvel que deriva do nitrognio N contido no

carvo e o NOXtrmico que deriva do nitrognio N2 do ar. De acordo com Kazuyoshi

et al. (2001) e Macintyre (1990), o NOXdo combustvel pode ser reduzido pelo uso de

carvo contendo menos nitrognio e o NOX trmico, diminuindo a temperatura de

combusto, reduzindo as concentraes de oxignio e reduzindo o tempo de residncia

em alta temperatura. Quase todo o NOX gerado em uma caldeira (NO e NO2) pode ser

reduzido pelo mtodo de aperfeioamento da combusto ou pelo uso de equipamento

de desnitrificao dos gases de chamin. Usualmente ambos so usados em

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combinao. O aperfeioamento do mtodo de combusto objetiva principalmente a

reduo do NOX do combustvel pelo abaixamento da temperatura de chama na

fornalha da caldeira. Dois, trs ou mais estgios de combusto, circulao dos gases e

queimadores de baixo NOX, tm sido colocados em uso prtico. Bruce Partlow et al.

(2003) reportam que em unidades queimando carvo, cerca de 75% do NOX NOXdocombustvel e que um mecanismo efetivo para reduzir o NOX do combustvel a

reduo no suprimento de oxignio na zona de combusto. Outra tcnica igualmente

efetiva para reduo do NOXdo combustvel o estgio vertical do ar de combusto na

fornalha pela inclinao do ar e combustvel dentro da fornalha (tipo queimador

basculante). Nesse trabalho utiliza-se tambm o sistema de combusto com queimador

tangencial de ultra-baixo NOX.

A Babcock & Wilcox (B&W) desenvolveu um queimador que proporciona ummximo de reduo na emisso do NOX em aplicaes onde se queima carvo. Este

queimador o DRB 4Z Burner (BABCOCK, 2004). Para o processo de

desnitrificao dos gases de chamin, a reduo cataltica seletiva (SCR-Selective

Catalytic Reduction) tem sido usada. O SCR um processo em que amnia

adicionada aos gases e o NOX decomposto em nitrognio e gua atravs de um leito

cataltico (xido de titnio ou xido de vandio) a 300 400C. O equipamento

simples, no gera subproduto e trata uma grande quantidade de gases de chamin. A

injeo normalmente feita entre o economizador e o preaquecedor de ar, na caldeira.

Laux, Grusha e Rosin (2004), discutem a melhoria na combusto e emisses em

sistemas que queimam carvo pulverizado, quando se usa a tecnologia Electric

Charge Transfer ECT, desenvolvida pela Foster Wheeler. O ECT um sistema que

promove o balano estequiomtrico no fluxo de ar e combustvel para cada queimador

da fornalha via on-line. Assim, pode-se alcanar uma maior eficincia da caldeira,

uma baixssima emisso de NOX, menor consumo de amnia no processo SCR,

reduo no carbono no queimado, dentre outros benefcios. Com respeito reduo

seletiva no cataltica, ela no comumente usada em usinas de grande porte.

2.2.3 - Ciclos Combinados

Apesar de Macchi (1991) ter dito que o desenvolvimento dos ciclos de Rankine

com turbinas a vapor tinha atingido um ponto limite de rendimento em torno de 38 a

40% em termeltricas com centenas de MW de potncia e complexas configuraescom temperaturas de vapor na faixa dos 540 a 560C, Dreier (1996) cita que os

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avanos das pesquisas na rea das perdas termodinmicas e o desenvolvimento de

solues tcnicas na dcada de 1990 possibilitaram a melhora do rendimento desses

ciclos, chegando aos 48%, contudo tais solues tm aumentado os custos de

investimento e operao, principalmente com o crescimento das restries ambientais.

Figura 2.8: Ciclo regenerativo com reaquecimento, instalao de potncia fssil compresso supercrtica, gerao de 800 MW. Fonte: Singer (1981).

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No entanto, est emergindo como uma melhor tecnologia disponvel os ciclos

combinados. Um ciclo combinado (Brayton/Rankine) qualquer uma de vrias

combinaes de turbina a gs, gerador de vapor ou caldeira de recuperao de calor,

turbina a vapor e condensador, montados para a reduo de custos em instalaes ou

melhoria do rendimento do ciclo no processo de gerao de potncia (exclusivamente)e diminuio dos impactos ambientais. Para isto, o calor existente nos gases de

exausto da turbina a gs (de combusto interna) recuperado, produzindo o vapor

necessrio ao acionamento da turbina a vapor (de combusto externa). Este tipo de

ciclo vem sendo adotado em todo o mundo, desde a dcada de 1980, podendo vir a ser

uma opo para as possveis termeltricas brasileiras, a gs natural, a serem

construdas nos prximos anos, de acordo com a portaria MME n 84 de 17 de abril de

2000.O nico ponto desfavorvel causado pelo arranjo (ciclo Brayton) o trabalho

requerido pelo compressor da turbina a gs, j que ambos esto ligados ao mesmo

eixo. No ciclo combinado h a possibilidade de uso do carvo mineral gaseificado para

queima nas turbinas a gs, chamada plantas de potncia IGCC de acordo com Benito

(1996) e Hurtado (1993) ou CIG/CC Coal Integrated Gasifier with Combined Cycle

segundo Williams e Larson (1992). A gaseificao baseia-se em princpios fsico-

qumicos bem conhecidos, como secagem, pirlise, reduo e combusto, cujas

reaes so apresentadas na Tabela 2.1. O gaseificador pode ser construdo junto

central ou nas proximidades das jazidas e o gs produzido pode ser transportado por

gasodutos. Esse sistema usado nos Estados Unidos, Frana e Inglaterra. Pode-se

optar tambm pelo uso do processo de liquefao do carvo, para transporte a longas

distncias (transporte hidrulico), com tecnologia bem dominada pelos Estados Unidos.

Tecnologias de gerao de potncia em ciclo combinado com clula combustvel

e gaseificao e tecnologias de plantas IGCC com caldeiras de leito fluidizado esto

sendo estudadas na atualidade, como podem ser vistas nos trabalhos de Yamaguchi et

al. (2001), Bozzuto et al. (2001) e Benito (1996), que levam o nome de sistemas

hbridos, pois combinam duas ou mais tecnologias de fontes de gerao; os paises

com estudos mais avanados nessa rea e j com plantas piloto e de demonstrao

so os Estados Unidos e o Japo.

De acordo com Corra Neto e Tomasquim (2001), o rendimento global dos

ciclos combinados comerciais atinge valores em torno dos 55 a 60%.

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2.2.3.1 Configuraes Bsicas de Ciclos Combinados

A nova tecnologia contempla quatro configuraes bsicas de ciclos combinados

dependentes principalmente de como o gerador de vapor de recuperao de calor

(HRSG) usado em conjugao com a turbina a gs.Devido a sua grande flexibilidade, os ciclos combinados admitem uma variedade

de configuraes atravs da introduo de equipamentos adicionais. Esta diversidade

de opes melhora o rendimento trmico, diminui os impactos ambientais e tambm

contribui na converso de instalaes antigas para a modalidade combinada.

O gerador de vapor que tem a funo de integrar a turbina a gs e o ciclo a

vapor pode gerar vapor em um, dois ou at trs nveis de presso, conforme Wunsch

(1978), Gyarmathy (1989) e Cunha (2000).

Tabela 2.1 Reaes por zonas dos Gaseificadores

Zona de combusto

C + O2 CO2Na presena de Hidrognio:

H2+2

1O2 H2O (gasoso)

Zona de Reduo

C + CO2 2 COC + H2O CO + H2

C + 2 H2O CO2+ 2 H2CO + H2O CO2+ H2

C + 2 H2 CH4Zona de Pirlise H2O (gasoso) + Metanol + cido Actico + Alcatres

Zona de Secagem H2O (gasoso)Fonte: D vila (1984).

Nesse ciclo a energia trmica contida nos gases quentes que sofreram exausto

na turbina a gs utilizada em um HRSG para produzir vapor, que em seguida

expandido em uma turbina a vapor. Dessa forma, tem-se gerao de energia eltricano gerador da turbina a gs e no gerador da turbina a vapor. Aps a expanso na

turbina a vapor o vapor mido ento dirigido ao condensador, um grande trocador de

calor de superfcie, onde condensado. Atravs de uma bomba o condensado formado

retorna em ciclo fechado ao HRSG. Os quatro ciclos bsicos so os seguintes:

1- Turbina a gs mais HRSG sem queima suplementar, Figura 2.9.

2- Turbina a gs mais HRSG com queima suplementar, Figura 2.10.

3- Turbina a gs mais HRSG com queima em fornalha, Figura 2.11.

4- Turbina a gs mais HRSG superalimentado com queima em fornalha, Figura

2.12.

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A opo por uma nica turbina a gs limita a capacidade total da usina

termeltrica e causa problemas srios de funcionamento da instalao se uma das

mquinas apresentar defeitos. Dessa forma, a preferncia para as instalaes com

mais de uma turbina a gs, como apresentado na Figura 2.9. Um modelo clssico

composto com duas turbinas a gs iguais, cada uma com seu HRSG, e uma turbina avapor de mesma capacidade.

A combinao no se limita ao arranjo citado, podendo haver mais turbinas a

gs, associadas a uma s a vapor. H tambm a possibilidade de se ter um eixo

comum ligando a turbina a gs com a turbina a vapor. Isto mostrado na Figura 2.13.

O rendimento trmico das CCPSs (Estaes de Potncia a Ciclo Combinado),

queimando gs natural, combustvel fssil menos poluente, melhor que da maioria

das mais modernas usinas termeltricas a carvo mineral ou a leo.A Figura 2.14 apresenta um esquema simplificado de uma instalao de

potncia em ciclo combinado com um nico eixo e dois nveis de presso no HRSG.

A turbina a vapor pode apresentar estgios de alta, media e baixa presses, com

uma ou mais de uma extrao para aquecimento da gua de alimentao que vai para

o HRSG. As CCPSs mais antigas j ultrapassavam os 47% de rendimento trmico

enquanto as mais modernas so capazes de ultrapassarem os 56% de rendimento

trmico. Kwak et al. (2001) fazem uma anlise exergtica e termoeconmica de uma

planta de potncia em ciclo combinado na qual o HRSG possui trs nveis de presso,

a turbina a vapor composta por estgios de alta intermediria e baixa presso, no

mesmo eixo, e uma turbina a gs. No aspecto ambiental as CCPSs no necessitam

das onerosas instalaes de dessulfurizao, eliminao de cinzas e precipitadores

eletrostticos e/ou filtros de manga baghouse que so necessrias nas termeltricas

a carvo mineral e a leo.Em contrapartida o problema ambiental mais acentuado nas

instalaes CCPSs a gs natural o da emisso de NOXe conseqentes, chuva cida

e smog, alm da emisso de CO2 e da possibilidade de SOX devido presena

espordica de enxofre no gs natural.

A emisso de NOX ocorre devido ao fato de maiores relaes ar/combustvel

serem necessrias na cmara de combusto da turbina a gs. Os ltimos

desenvolvimentos tcnicos prevem a utilizao de queimadores com injeo de vapor,

vindo da HRSG, na zona de combusto das cmaras, o que alm de reduzir a

formao de NOX, ainda eleva a potncia de eixo da turbina, possvel atravs do

aumento do fluxo mssico e da injeo de um fluido de maior calor especfico do que o

dos gases de combusto, conforme Royo et al. (1992), Walter e Nogueira (1997) e

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Saad (1997), e tambm, atravs do uso de caldeiras de leito fluidizado que diminuem o

NOXtrmico e o SOX dos produtos da combusto.

Figura 2.9: Turbina a gs mais HRSG sem queima suplementar.Fonte: Modificado de Cunha (2000).

Figura 2.10: Turbina a gs mais HRSG com queima suplementar.Fonte: Saad (1997).

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Figura 2.11: Turbina a gs mais gerador HRSG com queima em fornalha.Fonte: Singer (1981).

Figura 2.12: Turbina a gs mais HRSG superalimentado com queima em fornalha.Fonte: Singer (1981).

Segundo a ANEEL, a tecnologia de combusto em leito fluidizado permite a

reduo de enxofre em cerca de 90% e de NOXentre 70 e 80% (ANEEL, 2003). Ainda

segundo a ANEEL, a tecnologia de gaseificao integrada do carvo, possibilita a

remoo de cerca de 95% do enxofre e a captura de aproximadamente 90% do

nitrognio (ANEEL, 2003). A tcnica de injeo j utilizada no ciclo chamado Cheng

ou STIG.

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Figura 2.13: Termeltrica de ciclo combinado com um nico eixo ligando a turbina ags com as duas turbinas a vapor. Fonte: Siemens (2003). 1- Turbina a Gs; 2- HRSGcom dois nveis de presso; 3- Turbinas a Vapor de condensao; 4 e 5- vlvulas.

Figura 2.14: Esquema simplificado de uma instalao de potncia em ciclo combinadocom um nico eixo e dois nveis de presso no HRSG. Fonte: Siemens (2003). 1-turbina a gs, 2- HRSG com dois nveis de presso, 3- turbinas a vapor decondensao, 4- linha de condensado.

Essa tcnica mais adequada s turbinas a gs aeroderivativas que trabalham

com maiores relaes de compresso. Guarinelo Jr. et al. (1999) fazem a anlise

energtica, exergtica e termoeconmica, usando a Teoria do Custo Exergtico para

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um sistema simples de cogerao e um STIG, onde se determinam os custos de

produo de eletricidade e vapor e se discutem os resultados.

Traverso (2003) faz em seu trabalho a anlise termoeconmica dos ciclos STIG,

RWI e HAT. Kwak et al. (2001) realizam a anlise exergtica e termoeconmica de

uma planta de potncia em ciclo combinado com turbinas de alta, intermediria e debaixa potncia utilizando um HRSG de alta, intermediria e de baixa presso, gerando

500 MW. No caso da emisso de CO2, Bolland e Ertesvag (2004), da Universidade de

Cincias e Tecnologia da Noruega, apresentam uma anlise exergtica de um ciclo

combinado queimando gs natural com queima suplementar apresentando um conceito

de captura de CO2usando o processo ATR.

Outros processos como o de absoro qumica, adsoro fsica, e combusto

estequiomtrica com oxignio quase puro, tm sido sugeridos para a captura do CO2de instalaes de potncia proporcionando menores emisses do mesmo, que

juntamente com o vapor dgua, CFCs e o metano intensificam o efeito estufa ou

aquecimento global. Segundo Kashiwahara e Tagushi (2003), as tecnologias

avanadas de plantas de potncia queimando carvo, USC (Ultra-Super Critical), PFBC

(Pressurized Fluidized Bed Combustion), IGCC e MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

contribuiro para a melhoria do rendimento trmico e diminuio das emisses de CO2

ao ambiente. A instalao de potncia ELCOGAS em Puertollano, na Espanha, a

maior planta IGCC operando com sucesso no mundo (Pea et al., 2004)

Segundo Altafini (1999) o rendimento da instalao IGCC de Puertollano

ultrapassa os 60%. Ela conta com o sistema TDG Thermoeconomic DiaGnosis

system desenvolvido pela ELCOGAS em parceria com a CIRCE da Universidade de

Zaragoza, Espanha (Pea et al., 2004). Outras informaes e tecnologias sobre a

captura de CO2 podem ser encontradas nos trabalhos de Corti et al. (1998), Corti

(2001), Groscurth et al. (1990), Groscurth e Kmmel (1989) e Sabugal et al. (2004).

Depois de capturado e comprimido o CO2necessita ser armazenado em local

separado da atmosfera. As opes consideradas para o armazenamento so: fundo do

oceano, poos vazios de petrleo, poos vazios de gs, reservatrios de saline

waters e armazenagem geolgica. Maiores informaes sobre seqestro de CO2, que

envolvem a captura e armazenamento, podem ser ob