Cogeração de Energia

1

e-xacta, Belo Horizonte, v. 5, n. 1, p. 133-158. (2012). Editora UniBH. Disponvel em: www.unibh.br/revistas/exacta/

ISSN: 1984-3151

COGERAO DE ENERGIA ATRAVS DO TRATAMENTO DE SOLOS CONTAMINADOS COM HIDROCARBONETOS

COGENERATION OF POWER THROUGH THE TREATMENT OF SOIL CONTAMINATED WITH OIL

Maecilei Gonalves Leal1; Moiss Coelho Perptuo Moura2; Arlete Vieira da Silva3

Recebido em: 15/06/2012 - Aprovado em: 30/06/2012 - Disponibilizado em: 30/07/2012

RESUMO: O presente artigo tem como principal objetivo apresentar um estudo de viabilidade tcnica de implantao de um sistema de cogerao de energia em uma Usina de Incinerao existente. O trabalho aborda a utilizao de recursos naturais derivados do petrleo desde o ano de 1939 no Brasil. O processamento destes recursos tem causado cada vez mais impacto ambiental devido aos resduos provenientes de seu refino, os riscos de contaminao ambiental aumentam progressivamente medida que se aumenta a explorao e processamento deste recurso natural. A busca por novos meios de gerao que possam ser alinhados com o tratamento destes resduos tem se tornado cada vez maior. A incinerao aliada a cogerao de energia tem se mostrado uma forma vivel de sustentar a produo e ao mesmo tempo reduzir os rejeitos. Estudos tem mostrado que o processo de cogerao empregados em sistemas de incinerao tem sido capaz no s de gerar energia eltrica para alimentar o processo como tambm disponibilizar excedentes de energia para serem comercializadas ou aplicadas em outros processos. PALAVRAS-CHAVE: Incinerao de Resduos. Hidrocarbonetos. Resduos de Refinaria de Petrleo. Cogerao de Energia. ABSTRACT: The natural resources derived from oil has been used since the year 1939 in Brazil. The processing of these resources has caused increasing environmental impacts due to waste from refining, the risk of environmental contamination increases progressively as increasing the exploration and processing of this natural resource. The requirements of energy demand for increased production has also been a major obstacle. The search for new means of generation that can be aligned with the treatment of this waste has become increasingly larger. The incineration combined with energy cogeneration has proved a viable way to sustain production while reducing waste.Studies have shown that the cogeneration process used in incineration systems have been able not only to generate electricity to power the process as well as provide excess energy to be sold or applied in other processes. KEYWORDS: Waste Incineration, Hydrocarbons, Waste Oil Refinery, Cogeneration Power.

____________________________________________________________________________

1 INTRODUO

A partir da dcada de 60 comearam a surgir as

primeiras preocupaes com a questo da disposio

final dos resduos industriais. Isto porque o ritmo de

explorao dos recursos naturais, exigidos pelo

desenvolvimento econmico, no correspondia ao

tempo que o meio ambiente necessitava para

1 Engenheiro Eletricista. Centro Universitrio de Belo Horizonte UniBH. Senior Engenharia - Belo Horizonte, MG. [email protected],

2 Engenheiro Eletricista. Centro Universitrio de Belo Horizonte UniBH. EcoBras - Belo Horizonte, MG. [email protected].

3 Mestre em Geografia e Anlise Ambiental, UFMG, 2002. Professora do Centro Universitrio de Belo Horizonte UniBH, Belo Horizonte, MG [email protected].

134


decompor parte destes. O que contribuiria,

gradativamente, com a degradao ambiental e para

um colapso dos recursos naturais em curto perodo,

se medidas para cont-los no tivessem sido

tomadas.

A busca por novas fontes de petrleo tem sido

intensificada, uma vez que este o responsvel pela

movimentao econmica dos pases que tm este

recurso natural.

A disposio de resduos provenientes do refino e

extrao do petrleo um problema crescente para as

administraes ambientais, tendo em vista os

elevados potenciais de poluio do meio ambiente.

Portanto, a busca de novas tecnologias para o

tratamento e disposio final dos resduos industriais

faz-se necessrio e urgente.

Nesse contexto usinas de incinerao possuem

grande potencial para instalar um sistema de

cogerao de energia com bases nos gases a alta

temperatura gerados durante o processo. Desta

forma, podem-se obter ganhos significativos no

processo, tratamento e destinao final dos resduos

industriais. Adicionalmente, a utilizao de sistemas

de gerao de energia em processos de tratamento

trmico vem ao encontro da busca de fontes

alternativas para a gerao de energia.

2 REFERENCIAL TERICO

2.1 HIDROCARBONETOS E SEUS IMPACTOS

AMBIENTAIS

Os hidrocarbonetos so constitudos basicamente de

carbono e hidrognio, formando compostos altamente

txicos, que geralmente tm efeitos carcinognicos ou

mutagnicos. Esses compostos tendem

recalcitrncia, devido elevada hidrofobicidade e

consequente baixa solubilidade em gua. Quanto

resistncia ao ataque microbiano, eles so

diretamente proporcionais ao seu peso molecular, e

inversamente proporcionais a sua solubilidade em

gua (URURAHY et al.,1998).

O mesmo autor afirma que na maioria dos casos os

hidrocarbonetos so caracterizados como borras

oleosas geradas pelas refinarias de petrleo atravs

do processo de limpeza de tanques, separadores

gua e leo (SAO) e pelo prprio processo de refino.

No incio da dcada de 1950, segundo Carmo (2003)

no havia tecnologia para tratamento e/ou

reaproveitamento de borras oleosas geradas pela

indstria do petrleo. Sendo assim, o destino destas

eram lagoas ou diques. Em alguns casos, a borra era

simplesmente descartada em trincheiras, valas ou

colocadas em tambores e depois enterrado, sem

nenhum preparo da rea, e com isso aumentando os

riscos ambientais, que este material traria ao meio

ambiente, ou seja, sem uma gesto ambiental

adequada.

O mesmo autor afirma que com o passar dos anos,

estes locais tornaram-se o principal foco de

contaminao do solo e, posteriormente, devido

liquefao da borra, percolao e infiltrao das guas

pluviais, acarretou sua migrao e de seus

contaminantes para o lenol fretico. As principais

contaminaes originadas so de hidrocarbonetos

alifticos (TPH), hidrocarbonetos policclicos

aromticos (PAH) e BTEX (benzeno, tolueno,

etilbenzeno e xilenos).

Segundo Grillo (2003), a atividade industrial de uma

refinaria produz fortes impactos ao meio ambiente,

onde ela instalada, pois, alm de sua planta ter

grandes dimenses, ela gera, atravs de seu processo

produtivo, grandes quantidades de resduos,

emanaes, efluentes, riscos inerentes atividade e

transporte de seus produtos.

Souza e Holanda (2003) afirmam que, diariamente, a

indstria petrolfera produz enormes quantidades de

135


resduos, com nveis de periculosidade em suas

quatro reas principais (extrao de leo cru,

transporte para refinarias e centros de distribuio de

produtos, refino de produtos acabados e venda dos

produtos aos consumidores). Que so, basicamente,

constitudos de hidrocarbonetos na forma de leo,

gua e slidos em diferentes propores de acordo

com cada rea. O resduo mais abundante o oleoso,

o qual apresenta capacidade abrasiva de aglomerar

areia ou p de pedra, podendo formar uma massa de

resduo final entre 10 a 20 vezes a massa do resduo

inicial.

Os mesmos autores afirmam que inicialmente os

resduos oleosos gerados pela indstria petrolfera so

destinados a diques construdos sobre o solo, valas,

trincheiras ou tambores para posterior destinao em

aterros (FIG. 1).

Eles ainda ressaltam que as destinaes incorretas

destes resduos podem acarretar em contaminao de

corpos hdricos adjacentes, cujas consequncias

podem ser o assoreamento dos rios, mortandade de

peixes, contaminao pela presena de metais

pesados, substncias txicas, degradao do solo

devido a alta salinidade presente na gua produzida e

impactos negativos em reas de preservao

ambiental.

Figura 1 Remoo da borra oleosa para posterior coprocessamento.

Fonte - VIRGOLINO, 2007, p.44.

Gripp (1998) afirma que, devido ao enorme impacto

ambiental causado por estes acmulos de materiais

orgnicos, a demanda por tecnologias de

destinao/disposio no gerenciamento de resduos

perigosos (slidos, lquidos e gasosos) vem

aumentando significativamente. Atualmente no Brasil,

podem-se encontrar usinas dedicadas destruio

trmica dos resduos gerados nos mais diversos

campos da indstria. Com o crescente aumento da

gerao de resduos e a busca por tecnologias

ambientalmente corretas para destinao final dos

mesmos. Alguns tratamentos podem apresentar

solues eficazes dependendo do resduo, so eles:

Pirlise - Processo de destruio trmica, que consiste

na transferncia de calor, onde o processo ocorre em

uma rea redutora, ou seja, com baixo teor de

136


oxignio. Nesse processo, os materiais base de

carbono so decompostos em combustveis gasosos,

lquidos e slidos (carvo). O sistema consiste em

uma cmara metlica onde os resduos so

acomodados, cmara esta, dotada de um circuito de

externo de fluido trmico ou gs aquecido,

responsveis pela transferncia de calor.

Autoclavagem - Originalmente utilizado na

esterilizao de material cirrgico, este processo foi

adaptado e desenvolvido para a esterilizao de

resduos. Em linhas gerais, consiste em um sistema

de alimentao que conduz os resduos at uma

cmara metlica, trabalhando em presso negativa,

onde vapor d'gua (entre 105 e 150C) injetado no

interior da cmara, sob determinada condio de

presso.

Microondas - Nesse processo os resduos so

triturados, umedecidos com vapor d'gua (150C) e

conduzido cmara (forno) de microondas. No interior

da cmara encontram-se dispositivos cujas funes

so revolver e deslocar o material para que o mesmo

receba, de forma uniforme, a radiao de microondas.

Eletrotrmica - Este processo consiste numa dupla

triturao prvia ao tratamento, seguida pela

exposio da massa triturada a um campo eltrico de

alta potncia, gerado por ondas eletromagnticas de

baixa frequncia, atingindo uma temperatura final

entre 95 e 98C.

Incinerao - O processo consiste em uma cmara

metlica rotativa, onde os resduos so submetidos a

altas temperaturas em uma rea oxidante, ou seja,

com significativa presena de oxignio. Em seu

interior, um queimador responsvel pela formao

de uma chama, que em contato direto e/ou indireto,

proporciona a liberao dos compostos volteis. A

incinerao dos resduos industriais com

aproveitamento energtico quer seja para a gerao

de energia eltrica, quer seja para gerao de vapor

ou ar refrigerado, uma alternativa que vem sendo

empregada para solucionar os problemas de

disposio final dos resduos industriais,

principalmente nos pases da Europa, Estados Unidos

e Japo (GRIPP, 1998).

Dada a crise energtica dos ltimos anos e a busca

por tecnologias alternativas de gerao de energia,

que venha complementar a matriz energtica

brasileira, calcada na hidroeletricidade, ganha espao

no Pas a utilizao de resduos slidos em processos

termoeltricos de cogerao. A queima de pneus

usados e outros resduos em fornos de clnquer,

inclusive com regulamentao no Conselho Nacional

de Meio Ambiente (CONAMA, 1999), e a utilizao da

biomassa do bagao de cana em processos de

cogerao com gs natural so exemplos dessa

busca por novas tecnologias que contribuem para a

gerao de energia e, ao mesmo tempo, propiciam

uma destinao final adequada aos resduos slidos.

2.2 TIPOS DE INCINERADORES

Segundo Dempsey e Oppelt (1999), existem vrios

tipos de incineradores, mas cinco principais se

destacam, so eles: Cmaras Mltiplas Fixas; de Leito

Fluidizado; de Injeo Lquida; de Plasma e o de

Cmara Rotativa.

Dar-se- nfase ao incinerador de cmara rotativa, por

ser considerado um dos objetos principais deste

estudo.

2.2.1 INCINERADOR CMARA ROTATIVA

Incineradores de Cmaras Rotativas (FIG. 2) so os

mais versteis, devido ao fato de serem aplicveis

destruio de resduos slidos, lamas e resduos em

contineres, assim como os lquidos. Devido a isto,

estas unidades esto frequentemente incorporadas

em projetos de plantas de incinerao comerciais. A

cmara rotativa um cilindro horizontal revestido

137


internamente com materiais refratrios e isolantes. A

rotao da cmara induz o transporte do resduo e

melhora a mistura (homogeneizao) do resduo a ser

queimado. O resduo pode mover-se tanto

concorrente quanto em contracorrente em relao ao

fluxo de gases (DEMPSEY; OPPELT, 1999).

Figura 2 - Processo de incinerao.

Fonte ECOLING, 2011.

O processo de tratamento de solos contaminados com

hidrocarbonetos, segundo Dempsey e Oppelt (1999),

consiste em uma cmara rotativa, onde os solos

contaminados so aquecidos temperatura de 800C.

Os contaminantes (hidrocarbonetos), presentes nos

solos, passam pelo processo de dessoro trmica

nas temperaturas entre 260 e 500C, onde frao dos

contaminantes incinerada na cmara rotativa e a

frao restante direcionada cmara de combusto

para incinerao.

Os autores ressaltam que, aps a passagem pela

cmara de combusto, os gases contaminados com

materiais particulados so direcionados ao resfriador

para resfriar os gases rapidamente at a temperatura

de saturao. Posteriormente, os gases so

direcionados ao Lavador de Gases Venturi e

Hidrociclone, cujos objetivos so, respectivamente, a

separao de um conjunto de particulados e

contaminantes gasosos presentes no gs, mediante a

lavagem do mesmo com gua e promover a

separao das fases lquida e gasosa provenientes do

Lavador de Gases Venturi. Os gases aps a

passagem nos equipamentos de controle ambiental

so ento direcionados chamin.

Os mesmos autores ainda afirmam que devido ao

considervel PCI dos solos necessrio um controle

rigoroso da temperatura interna da cmara rotativa,

podendo ocorrer a fuso e vitrificao dos inertes (solo

descontaminado). O controle da temperatura interna

138


da cmara realizado com a introduo de ar

atmosfrico no interior da mesma.

O controle da frao incinerada de gases realizado

exclusivamente com a introduo de ar atmosfrico na

cmara rotativa, uma vez que a cmara estar

operando com temperatura superior temperatura de

ignio (210C) dos hidrocarbonetos (decano)

(DEMPSEY; OPPELT, 1999).

Os autores afirmam que a utilizao do processo de

dessoro trmica combinado com a incinerao dos

gases na cmara rotativa resulta em um consumo

inferior de gs combustvel e reduo dimensional dos

equipamentos.

O incinerador de cmara rotativa composto

principalmente por cmara principal, caixa de

passagem, sistema de combusto. A cmara rotativa

tem como objetivo o tratamento dos solos

contaminados em conjunto com o escoamento em

contracorrente aos gases.

Os mesmos autores ressaltam que o sistema de

combusto tem como principal finalidade realizar a

transformao de energia qumica do gs combustvel

em calor. Este sistema realiza o controle da

temperatura interna da cmara de combusto, o

consumo de gs combustvel, a estabilizao de

chama e promove a recirculao dos gases da chama,

de modo a aquecer a mistura ar/gs combustvel.

O gs combustvel e o ar, de acordo com Dempsey e

Oppelt (1999), so transportados por canais no interior

do queimador de processo at o cabeote. Esta zona

promove a introduo de combustvel e de ar na

cmara de combusto (a reao no ocorre no interior

do queimador), onde, devido elevada velocidade do

ar, estes se misturam. Aps esta mistura, ocorre a

ignio acompanhada da libertao de calor

pretendida. A ignio realizada atravs de uma

chama piloto que ir provocar a ignio da chama

principal. Aps o incio da reao a chama

autossustentada, e a alimentao de ar efetuada de

duas formas: o ar primrio que introduzido junto ou

simultaneamente com o combustvel e o ar secundrio

que introduzido para prximo da zona de chama e

que por arrastamento ir ser misturado e no deixar

que a chama se extinga.

O excesso de ar a quantidade extra de ar

introduzida, acima da necessria para uma reao

estequiomtrica. O objetivo utilizar a quantidade

mnima de excesso de ar que proporcione segurana,

minimizar o gasto de gs combustvel e controlar a

temperatura interna da cmara de combusto

(DEMPSEY; OPPELT, 1999).

2.3 TURBINA

Segundo Ossberger (1998), uma turbina a vapor um

motor trmico rotativo no qual a energia potencial do

vapor transformada em energia cintica devido a

sua expanso atravs dos bocais. Esta energia ento

transformada em energia mecnica de rotao

devido fora do vapor agindo nas ps rotativas.

O mesmo autor afirma que o elemento bsico da

turbina a roda ou rotor, que conta com paletas,

hlices, lminas ou cubos colocados ao redor de sua

circunferncia, de forma que o fluido em movimento

produza uma fora tangencial que impulsiona a roda,

fazendo-a girar. Essa energia mecnica transferida

atravs de um eixo para movimentar uma mquina,

um compressor, um gerador eltrico ou uma hlice.

Atualmente, a maior parte da energia eltrica mundial

produzida com o uso de geradores movidos por

turbinas.

Ainda de acordo com o autor, a turbina a vapor

atualmente o mais usado entre os diversos tipos de

acionadores primrios existentes. Uma srie favorvel

de caractersticas concorreu para que a turbina a

vapor se destacasse na competio com outros

139


acionadores primrios, como a turbina hidrulica, o

motor de combusto interna, a turbina a gs.

3 METODOLOGIA

O trabalho se classifica, segundo Gil (2002), como

uma pesquisa experimental do tipo estudo de caso,

pois apresenta as caractersticas de anlise, avaliao

e viabilidade tcnica para instalao de sistema de

cogerao de energia.

Os procedimentos metodolgicos foram iniciados com

uma reviso bibliogrfica que teve por objetivo nivelar

o conhecimento do grupo sobre o tema em questo e

obter dados para discusso dos resultados.

O segundo passo consistiu em avaliar os materiais

que possussem caractersticas compatveis com o

processo.

A seleo dos materiais que possuam caractersticas

compatveis com o processo foi realizada no terceiro

passo.

O quarto passo consistiu em realizar clculos

dimensionais para especificao dos equipamentos

compatveis com o processo.

Os resultados que comprovam a viabilidade tcnica da

instalao do sistema de cogerao de energia

eltrica foram demonstrados no quinto passo.

O sexto passo caracterizou-se em avaliar a viabilidade

financeira da instalao do sistema de cogerao.

4. RESULTADOS E DISCUSSO

Visando avaliar a viabilidade tcnica da implantao

do sistema de cogerao de energia eltrica em

plantas de incinerao, utilizou-se como base o

fluxograma de processos de uma unidade de

incinerao existente representado pela FIG. 3.

Figura 3 Fluxograma de processos.

Foi realizado um estudo para anlise do potencial de

gerao de energia em cada ponto do sistema da

FIG. 3, para a escolha do ponto de instalao foram

consideradas as seguintes condies em relao aos

gases de processo:

Vazo volumtrica de gases;

Temperatura dos gases;

Concentrao de materiais particulados na

corrente gasosa;

Densidade dos gases;

Composio qumica dos gases.

140


A FIG. 4 busca demonstrar, por meio de um

fluxograma, os principais equipamentos que devero

ser instalados para o sistema de cogerao e tambm

demonstra a relao existente entre eles.

Figura 4 Ciclo de cogerao de energia.

4.1. PONTOS DE ANLISE

Os dados informados na TAB.1 foram obtidos no

processo de incinerao atualmente utilizado no polo

petroqumico e esto tambm baseados nas seguintes

consideraes:

Resduo: solo contaminado com 30% de

C10H22 e umidade de 25%;

Vazo mssica de alimentao de resduos:

4.000 kg/h;

Autonomia: 624 h/ms.

Analisando a TAB. 1, pode-se identificar que o

ponto 02 apresenta dados caractersticos

importantes como vazo volumtrica de

135.028 Am3/h e a temperatura de 1.100C. Os

dados citados so importantes porque, percebe-

se, neste caso, que os gases do ponto 02

oferecem as melhores condies de serem

utilizados como meio de troca de calor.

141


Tabela 1

Dados caractersticos dos pontos de anlise (01, 02, 03 e 04).

Item Ponto 01 Ponto 02 Ponto 03 Ponto 04

Vazo volumtrica (Am3/h) 18.693 135.028 77.964 63.528

Vazo volumtrica (Nm3/h) 5.245 26.848 44.522 43.940

Vazo mssica (kg/h) 6.598 33.376 44.490 48.244

Temperatura (C) 700 1.100 250 120

Concentrao de materiais

particulados (mg/Nm3) 1.101 215 129,8 35,1

Densidade (kg/m3) 0,35 0,25 0,57 0,87

Fonte Polo petroqumico Camaari, 2012.

4.2. DADOS CARACTERSTICOS

Utilizando as informaes obtidas na TAB. 2 realizou-

se a separao das composies mssica e molar dos

gases do ponto escolhido para a instalao do sistema

de cogerao, como j foi definido anteriormente. A

partir destas informaes foi possvel identificar o calor

especfico dos gases envolvidos no processo

conforme TAB. 3.

Tabela 2

Informaes do processo fornecidas pela usina de incinerao do Polo Petroqumico de Camaari/BA.

Componente Frao Mssica Frao Molar

Base Seca Base mida Base Seca Base mida

Gs carbnico (CO2) 0,111 0,100 0,074 0,063

Oxignio (O2) 0,108 0,097 0,100 0,085

Nitrognio (N2) 0,781 0,705 0,826 0,700

Hidrocarboneto (C10H22) - - - -

gua (H2O) - 0,098 - 0,152

Total 1,000 1,000 1,000 1,000

142


Tabela 3

Calor especfico dos gases do processo.

Calor Especfico dos Gases

Cp CO2 [kJ/kg. C] 1,22

Cp O2 [kJ/kg. C] 1,08

Cp N2 [kJ/kg. C] 1,11

Cp H2O [kJ/kg. C] 2,22

Fonte - Perrys Chemical Engineers

Handbook, 1999.

4.2.1 CALDEIRA

Com as caractersticas dos gases j

estabelecidas e a classe de caldeiras j

definida, adotou-se a empresa IPE (Indrustrial

Process Engineering) como base de

informaes para consulta do processo de

gerao de energia.

Utilizaram-se os conceitos de caldeira de

gerao de vapor e a experincia da empresa

IPE para selecionar as possveis classes de

caldeiras, que melhor se adequaram ao

processo de gerao de vapor com utilizao

de gases de processo. As classes de caldeiras

estudadas se resumem a aquatubulares e

flamotubulares. Para facilitar a seleo da

classe de caldeira buscou-se apresentar as

principais caractersticas de cada caldeira,

sejam pontos negativos ou positivos, mas que

possam influenciar no processo de gerao de

vapor.

A TAB. 4 apresenta as vantagens e

desvantagens das caldeiras selecionadas para

estudo. Estas vantagens e desvantagens

sero analisadas a fim de selecionar a classe

de caldeira cujos benefcios resultem em

facilidade de operao, segurana de

processo, tecnologia, capacidade de produo

de vapor e condies de aproveitamento do

potencial energtico da usina.

Tabela 4

Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares e flamotubulares.

Vantagens

Aquatubular Flamotubular

Maior taxa de produo de vapor por unidade

de rea de troca de calor. Construo fcil e de custos relativamente baixos.

Possibilidade de utilizao de temperaturas

superiores a 450C e presses acima de 60

kgf/cm

Construo robusta.

Partida rpida em razo do volume reduzido de

gua nos tubos.

Exigem pouca alvenaria, tornando fcil sua

locao.

Vida til pode chegar a 30 anos. Utilizam qualquer tipo de combustvel, seja ele:

lquido, gasoso ou slido.

143


Desvantagens

Pode custar at 50% mais que uma caldeira

flamotubular de capacidade equivalente.

Presso limitada em torno de 15kgf/cm, devido

espessura da chapa dos corpos cilndricos

crescer com o dimetro.

Construo mais complexa. Partida lenta, em funo de se aquecer todo o

volume de gua.

Exigem tratamento de gua muito cuidadoso. Baixa capacidade e baixa produo de vapor por

unidade de rea de troca de calor.

Quando operando em altas presses a bomba

de circulao apresenta problemas constantes. Circulao de gua deficiente.

Custo de manuteno relativamente alto. Dificuldade para instalao de superaquecedores,

economizadores e preaquecedores de ar.

As vantagens da classe de caldeiras

aquatubulares se encaixam no perfil do ponto

02 pelas seguintes caractersticas:

1.) Maior taxa de produo de vapor por

unidade de rea de troca de calor;

2.) Possibilidade de utilizao de

temperaturas superiores a 450C e presses

acima de 60 kgf/cm2;

3.) Vida til pode chegar a 30 anos;

4.) Exigem tratamento de gua muito

cuidadoso (*).

(*) No polo industrial onde a usina de

incinerao em estudo est implantada, j

existe um rigoroso sistema de ETE (Estao

de Tratamento de Efluentes) que abastece

todo o polo. Sendo assim, a desvantagem de

um tratamento de gua muito cuidadoso

amenizada.

Os dados contidos nas TAB. 1, 2 e 3 foram

enviados a IPE para consulta de um sistema

de gerao de energia a partir de gases de

processo. A Tabela 5 mostra os resultados

fornecidos pela IPE.

As caldeiras aquatubulares so as mais

comuns em se tratando de plantas

termeltricas ou gerao de energia eltrica.

Definindo a caldeira a ser utilizada como

aquatubular, o seu princpio de funcionamento

baseado na gerao de vapor dagua

realizada por meio de transferncia de calor

com os gases de processo, no havendo

necessidade de queimadores para gerao de

gases aquecidos. (FIG. 5).

144


Tabela 5

Caldeira Aquatubular

Caldeira

Item Descrio

Tipo Aquatubular

Circulao Natural

Dados Tcnicos

Item Descrio

Temperatura do Vapor na Sada (C) 350

Presso do Vapor na Sada (kgf/cm) 42

Capacidade de Produo de Vapor (toneladas/h) 12

Potncia de Sada da Caldeira no Vapor (MW) 10,3

Eficincia Trmica Calculada (%) 85,5

Temperatura de Agua de Alimentao (C) 110

Temperatura dos Gases de Sada (C) 200

Perifricos

Item Descrio

Paredes de Fechamento

Tambm chamadas de superfcies de radiao e conveco. Construdas por paredes dagua do tipo membrana, propiciando alta absoro trmica e minimizando a utilizao de revestimentos refratrios.

Balo de Vapor Dimensionado de forma a absorver as possveis flutuaes na demanda de vapor, com o mnimo de variao no nvel da caldeira.

Bancos Geradores Construdos por feixes de tubos verticais, soldados aos coletores e conectados ao tambor de vapor.

Superaquecedores de Vapor Construdos por feixes de tubos com a finalidade de aquecer o vapor de sada de 257C para 350C.

Economizadores Tem como objetivo o aumento da eficincia de gerao de vapor, atravs da troca trmica entre gua de alimentao e os gases de sada da caldeira.

Sistema de Limpeza dos Tubos do Banco.

Utiliza um sistema de barras vibratrias (martelos batedores) nas partes mais quentes e sopradores de fuligem nas partes mais frias (economizadores).

Fonte - Industrial Process Engineering (IPE), 2011.

145


Figura 5 Caldeira Aquatubular

Fonte - SOTOFILHOS, 2012, p. 4

4.2.2 TURBINA

Com a caldeira definida, realizou-se a anlise

do tipo de turbina que poderia ser utilizada no

processo considerando as seguintes

invariveis de entrada:

Presso de Vapor de Admisso: 42

kgf/cm2;

Temperatura de Vapor de Admisso:

350 C;

Vazo de Vapor: 15.000 kg/h.

Analisando os dados acima chegou-se a

concluso que uma turbina a vapor do tipo

condensao (FIG. 6) seria suficiente para

atender as necessidades do processo. Este

tipo de turbina recebe esse nome pelo fato da

presso de sada (presso de vapor de

escape) ser menor que a presso atmosfrica

(1,03 kgf/cm2). As tabelas 6a a 6d apresentam

quatro simulaes de desempenho realizadas

pelo fabricante em diferentes situaes. Estas

simulaes so importantes para definir as

condies de trabalho que a turbina estar

exposta, tambm servem como base para a

definio das capacidades de gerao em

cada situao proposta. Os dados tcnicos da

turbina selecionada esto representados na

TAB. 7.

Figura 6 Turbina a Vapor do tipo

condensao.

Fonte - TGM TURBINAS, 2012, p.8

146


Tabela 6a

Dados de operao

Condio 01 Vcuo 0,16 kgf/cm

Dados de Operao

Item Descrio

Presso de Vapor de Admisso (kgf/cm) 42

Temperatura de Vapor de Admisso (C) 350

Presso de vapor de escape* (kgf/cm) 0,16

Vazo de Vapor (kg/h) 15.000

Potncia Gerada nos Bornes do Gerador (kW) 2.400

Rotao Nominal (rpm) 7.000

Consumo especfico** (kg/kWh) 6,25

Eficincia (%) 34

Tabela 6b


Dados de Operao

Item Descrio








Eficincia (%) 31

147


Tabela 6c


Dados de Operao

Item Descrio








Eficincia (%) 27

Tabela 6d

Condio 04 Atmosfrico 1,03 kgf/cm

Dados de Operao

Item Descrio








Eficincia (%) 26

(*) Presso de vapor de escape no vcuo;

(**) Consumo especfico nos bornes do gerador;

148


Tabela 7

Dados Tcnicos da Turbina selecionada para o processo.

Dados Tcnicos

Item Descrio

Fabricante Turbimaq

Modelo TBQ MEGA400MC

Tipo Condensao


Rotao de Desarme * (rpm) 7.700

Rotao de sada do Redutor (rpm) 1.800

Regulador de Velocidade Eletrnico Woodward 2301D-ST

Conversor de Sinal Eltrico Hidrulico Woodward CPC

Servo Atuador Hidrulico

Sistema de Fechamento Rpido Hidrulico

Nmero de Vlvulas de Admisso 02

Selagem de Vapor Labirinto

Selagem de leo Labirinto

Tipo de Lubrificao Forada

Presso Mxima de Vapor na Admisso (kgf/cm) 45

Temperatura mxima do Vapor na Admisso (C) 420

Fonte: TURBIMAQ, 2012

(*) TRIP.

A condio atmosfrica (condio 04 da

TAB. 6) possibilita o condensador ser gua ou

ar, sendo que cada um demandar torres de

resfriamento de diferentes dimenses.

O sistema de refrigerao do condensador a

gua (sistema que utiliza torres e bombas para

resfriamento da gua de refrigerao)

demandar um investimento significativamente

maior em relao ao sistema de refrigerao a

ar, porm ter uma rea de ocupao muito

menor. O motivo da rea de ocupao ser

menor devido ao fato de que a gua possui

coeficiente de troca de calor maior,

necessitando de uma rea de ocupao menor

que o ar. (TAB. 8)

149


Tabela 8

Dados Tcnicos do Condensador

Dados Tcnicos

Valores (kgf/cm) 0,16 0,30 0,70 1,03 (gua) 1,03 (ar)

Condio Vcuo Vcuo Vcuo Atm. Atm.

Montagem Horizontal

Presso de Trabalho (kgf/cm) 0,16 0,30 0,70 1,03 (gua) 1,03 (ar)

Vazo Mssica (kg/h) 15.000

Refrigerao gua

Temperatura de Agua Refrigerao (C) 30 30 30 - -

Temperatura de Ar Refrigerao (C) - - - 30 30

Fonte TURBIMAQ, 2012.

4.2.3 GERADOR

Para dimensionamento do gerador trifsico

utilizado no sistema, consultou-se a empresa

WEG, que realizou a seleo do gerador

dentro da sua linha de produtos. O gerador

trifsico indicado para o processo possui

sistema de excitao do tipo Brushless, ou

seja, sem escovas (TAB. 9).

Com os sistemas de excitao o gerador de

corrente contnua ou com excitatriz de corrente

alternada mais retificadores, a potncia de

excitao deve ser transferida de um

equipamento excitatriz C.C, retificador - para o

campo do gerador, exigindo para isto anis

coletores e escovas.

A FIG. 7 mostra esquematicamente o sistema

simplificado de excitao sem escovas. O

sistema mostrado consiste de uma excitatriz

de corrente alternada e um retificador rotativo

montado no mesmo eixo do turbo-gerador.

Tambm montado no mesmo eixo est um

gerador a m permanente, cujo sinal de sada

retificado e comparado, no regulador de

tenso, com o sinal retificado da tenso

terminal. O erro resultante alimenta o campo

da excitatriz de corrente alternada, que se

assemelha a uma mquina de corrente

contnua sem comutador, com enrolamento de

campo no estator e armadura no rotor. A sada

da armadura rotativa da excitatriz de corrente

alternada conduzida ao longo do eixo para o

retificador rotativo, a sada do qual, por sua

vez, alimenta o campo do gerador, ainda ao

longo do eixo.

150


Figura 7 Sistema de Excitao sem Escovas

Fonte - WEG, 2012

Tabela 9

Dados tcnicos do Gerador.

Dados Tcnicos

Item Descrio

Fabricante WEG

Modelo SPW 630

Potncia Aparente (kVA) 3.750

Polaridade 4 (IV)

Tenso Nominal (kV) 13,8

Frequncia (Hz) 60

Fator de Potncia 0,8

Grau de Proteo IP 54

Sistema de Refrigerao Trocador de Calor ar-gua (IC81W)

Tipo de Excitao Brushless PMG

Forma Construtiva B3

Classe de Isolamento F

Fonte - WEG, 2012.

151


O rotor do gerador acomoda o enrolamento de

campo e um enrolamento em gaiola para

amortecimento, que compensa servios em

paralelo e com carga irregular.

Nos geradores de polos lisos o rotor possui o

entreferro constante. Cada volta isolada com

material de isolao classe F. O espao entre

cada volta completamente preenchido com

verniz. As bobinas de campo so tambm

isoladas por meio de colares isolantes e

laminado de vidro epxi. Em mquinas de

polos lisos o enrolamento amortecedor

construdo ao longo de toda periferia do rotor,

o que de fundamental importncia para

suportar cargas repentinas, tais como de

partidas de motores, desligamento e

religamento de grandes cargas. H tambm

significativa reduo na taxa de distoro

harmnica com relao s mquinas de polos

salientes. O rotor de polos lisos no possui

salincias e reentrncias, sendo praticamente

um monobloco. Assim, ele se torna mais

robusto e resistente s sobrevelocidades e

disparos das turbinas.

No sistema Brushless (sem escovas), a

potncia para excitao do gerador obtida

atravs de uma excitatriz principal, que

dependendo da forma construtiva da mquina

pode ser montada do lado de fora da mesma,

prxima ao mancal do lado no acionado. A

excitatriz principal constituda de: polos fixos

que acomodam as bobinas do campo de

excitao ligado em srie, armadura e ponte

retificadora girante. A tenso de sada do

gerador permanece constante pelo controle do

regulador eletrnico de tenso. O mesmo

supervisiona a tenso de sada e alimenta o

campo da excitatriz principal com a corrente

necessria para gerar a tenso alternada, que

depois de retificada pelos diodos girantes,

alimenta o campo do gerador.

4.3. GERAO DE ENERGIA

Com base na seleo e especificao dos

equipamentos citados nos itens anteriores

realizou-se um pequeno resumo dos

componentes a serem utilizados:

Caldeira a vapor tipo aquatubular;

Turbina a vapor tipo condensao;

Gerador trifsico com excitao

Brushless.

Os clculos da capacidade de gerao de

energia foram baseados no ponto 02 da

instalao (ponto considerado ideal para

instalao do sistema de cogerao) e

tambm foram considerados como base dos

clculos todos os equipamentos especificados

no item 4.2.

Er = Wc x Cpmdio x [(T1 + T2)/2] (1)

1000

Er = energia recuperada no resfriamento dos

gases (MW);

Wc = vazo mssica de gases de combusto

(kg/s);

Cpmdio = calor especfico mdio (kJ/kgC);

T1 = temperatura de entrada dos gases na

caldeira (C);

T2 = temperatura de sada dos gases na

caldeira (C).

Assim,

152


(33376kg/h)x(1,22kJ/kgC)x(1100C+35C)

Er= 3600 2

1000

Er = 8,2 MW

4.3.1 TOTAL DE ENERGIA RECUPERADA

NA CALDEIRA

Conforme informado na TAB. 5, a eficincia de

recuperao trmica considerada da caldeira a

vapor de 85,5% ficando assim:

Tec = Er x Ec (2)

Tec = (8,20MW) x (85,5%)

Tec = 7,01 MW

Onde:

Tec = total de energia recuperada na caldeira

(MW);

Er = energia recuperada no resfriamento dos

gases (MW);

Ec = eficincia de recuperao trmica da

caldeira.

A partir da Eq. 2, realizaram-se os clculos

para energia recuperada na turbina

considerando as quatro condies citadas na

TAB.6.

Invariveis de processo:

- Presso de Vapor de Admisso: 42 kgf/cm2;

- Temperatura de Vapor de Admisso: 257 -

350 C;

- Vazo de Vapor: 15.000 kg/h.

Tet = Tec x Et (3)

Onde:

Tet = Total de energia recuperada na turbina

(MW);

Tec = Total de energia recuperada na caldeira

(MW);

Et = Eficincia de recuperao trmica da

turbina (%).

Sendo assim, aplicando a Eq. 3 pode-se

calcular o Total de energia recuperada na

caldeira em todas as condies:

Condio 01

Tet = (7,01 MW) x (34%)

Tet = 2,38 MW

Condio 02

Tet = (7,01 MW) x (31%)

Tet = 2,17 MW

Condio 03

Tet = (7,01 MW) x (27%)

Tet = 1,89 MW

Condio 04

Tet = (7,01 MW) x (26%)

Tet = 1,82 MW

Analisando os resultados, dados

anteriormente, possvel verificar que a

condio 01 apresenta a melhor eficincia,

porm deve ser considerado o pior caso

(condio 04) devido variao do teor de

hidrocarbonetos presente nos resduos, que

podem ocasionar variao nos resultados.

Todos os clculos relacionados viabilidade

tcnica levou em considerao a condio 04

153


por oferecer margem de segurana adequada

instalao do sistema.

Adotando os extremos inferior e superior das

condies 01 a 04, realizou-se o clculo de

potncia gerada (Eq. 4), considerando fator de

potncia de 0,80 para o gerador especificado.

S = Tet (4)

0,80

Onde:

S = Potncia aparente em VA.

Condio 01

S = 2,38 MW S = 2,97 kVA

0,80

Condio 04

S = 1,82 MW S = 2,27 Kva

0,80

4.4. CUSTOS DE IMPLEMENTAO

A partir das informaes obtidas com a

definio de caldeira, turbina e gerador,

realizou-se uma estimativa dos principais

custos para instalao.

Os custos reais de implantao no foram

possveis de serem analisados, uma vez que

no foram fornecidos pela usina os projetos

detalhados. Projetos mecnicos seriam

necessrios para avaliar com exatido as

modificaes a serem realizadas na estrutura

existente. Diagramas eltricos e de automao

seriam necessrios para avaliar a integrao

entre o sistema supervisrio existente e o

sistema de cogerao proposto.

A TAB. 10 apresenta um resumo de custos

dos principais equipamentos em discusso

neste trabalho.

Tabela 10

Planilha de custos.

Planilha de Custos Componentes Principais Item Descrio Custo Parcial Custo Total

Caldeira

R$ 7.820,000,00

01 Caldeira Aquatubular

R$ 2.500,000,00

02 Balo de Vapor 03 Banco Geradores 04 Superaquecedores de Vapor 05 Economizadores 06 Desaerador 07 Perifricos

Turbina

08 Turbina Mltiplo Estgio de Condensao

R$ 4.620.000,00

09 Condensador 10 Turbo Redutor Mltiplo Estgio de Condensao 11 Torre de Resfriamento 12 Bombas de Recirculao 13 Perifricos

Gerador 14 Gerador Trifsico R$ 700.000,00

Fonte: WEG, TURBMAQ, IPE, 2011.

154


Obs.: Os custos informados na TAB.10, alm

do fornecimento do equipamento tambm

contemplam superviso integral de montagem,

comissionamento, treinamentos e start-up.

O cronograma de instalao da TAB. 11 foi

elaborado com base nos prazos de entrega

fornecidos pelos fabricantes dos referidos

componentes.

Tabela 11

Cronograma.

Cronograma

Item Componente Prazo de Entrega Montagem Trmino

01 Caldeira Aquatubular

120 dias corridos

(88 dias teis)

60 dias corridos

(44 dias teis)

375 dias corridos

(*)

02 Balo de Vapor

03 Bancos Geradores

04 Superaquecedores de Vapor

05 Economizadores

06 Desaerador

07 Perifricos

08 Turbina Mltiplo Estgio de

Condensao

270 dias corridos

(198 dias teis)

75 dias corridos

(55 dias teis)

09 Condensador

10 Turbo Redutor Mltiplo

Estgio de Condensao

11 Torre de Resfriamento

12 Bombas de Recirculao

13 Perifricos

14 Gerador Trifsico 210 dias corridos

(154 dias teis)

60 dias corridos

(44 dias teis)

Fonte: WEG, TURBMAQ, IPE, 2011.

(*) Considerou-se que todos os componentes

sero fabricados e montados em 345 dias

corridos. Comissionamento, treinamentos e

start-up considerou-se um perodo de 30 dias

corridos, resultando em 365 dias corridos para

a entrega do equipamento.

155


Para estimativa de custos de mo de obra,

foram considerados os profissionais

necessrios para execuo da obra. Os custos

dos profissionais esto inclusos no

fornecimento de cada componente

referenciado na TAB. 10. Para os dados da

TAB. 12 as seguintes restries foram

consideradas:

- Perodo de trabalho: 75 dias corridos (55 dias

teis);

- Expediente: 08:00 s 12:00 hs e 13:00 s

17:00 hs;

-Dias trabalhados (semana): 05 (segunda-feira

sexta-feira);

- Dias trabalhados (ms): 22;

- Horas trabalhadas por dia: 08;

- Horas trabalhadas por ms: 176.

Tabela 12

Custos da mo de obra

Planilha de Custos Mo de Obra

Profissional Qtd. R$/h Custo Parcial R$ (*) Custo Total R$ (**)

Coordenador de Montagem 01 150,00 66.000,00

356.400,00

Ajudante 04 22,00 38.720,00

Montador 06 30,00 79.200,00

Soldador/ Montador 04 38,00 26.400,00

Eletricista 02 30,00 26.400,00

Tcnico em Eletrotcnica 01 60,00 26.400,00

Engenheiro de Automao 01 120,00 52.800,00

Tabela 13

Resumo de investimentos

Item Descrio Custo Parcial

(R$)

Investimento

(R$)

01 Caldeira Geradora de Vapor 2.500.000,00

8.176.400,00 02 Turbina Mltiplo Estgio de Condensao 4.620.000,00

03 Gerador Trifsico 700.000,00

04 Mo de Obra 356.000,00

156


Tabela 14

Clculo do retorno de investimento

Anlise de Consumo

Consumo Atual

(kWh) R$/kWh

Gerao

(kWh)

Excedente

(kWh)

Retorno Mensal

(R$)

550 0,175 1.820 1.270 160.020,00

Anlise de Gerao

Gerao

Mensal (MW)

Gerao Anual

(MW)

Excedente anual

(MW) Investimento (R$)

Retorno de

Investimento

1.310,4 15.724,8 10.972,8 8.176.400,00 4 anos e 3 meses

A Tabela 13 foi definida com base nos custos

dos equipamentos que j tinham sido definidos

neste trabalho e, a TAB. 14, foi elaborada com

base nas informaes de consumo energtico

adquiridas no polo petroqumico.

A COELBA (Companhia de Eletricidade do

Estado da Bahia) a responsvel pelo

fornecimento de energia eltrica no Polo

Petroqumico, sendo, as informaes de

consumo e custo de energia fornecido pela

usina. Para os custos referentes gerao de

energia, retorno mensal e retorno de

investimento considerou-se a possibilidade de

comercializar a energia excedente pelo

mesmo valor de aquisio, ou seja,

R$ 0,175/kWh. O retorno mensal foi calculado

considerando-se a energia excedente de 1.270

kWh e o custo de R$ 0,175/kWh. Para os

custos de retorno de investimento foram

considerados os valores de investimento

(R$ 8.176.400,00) e a comercializao do

excedente anual (R$ 10.972,8 MW) com a

tarifa de R$ 0,175/kWh.

5. CONCLUSO

Pode-se verificar que a usina apresenta

potencial de gerao de energia significativo.

Os clculos apresentados justificam

tecnicamente a instalao do sistema de

cogerao de energia na usina, porm, a

viabilidade de instalao est diretamente

relacionada ao custo de implantao do

sistema. Na usina em estudo, a empresa

responsvel pela operao e gerenciamento

do projeto optou por no instalar o sistema de

cogerao. O motivo est relacionado ao custo

de investimento e retorno financeiro da usina,

segundo a gerncia, somente aps a usina

apresentar retorno financeiro significativo, o

sistema de cogerao poder ser instalado. A

usina foi construda j concebendo um futuro

sistema de cogerao, considerando rea de

ocupao de um sistema similar, uma vez que,

os custos com combustvel (gs natural)

necessrio para funcionamento do incinerador

muito elevado, podendo resultar na no

viabilidade financeira da usina. A cogerao

157


apesar de ser bem vista como complemento

de um processo de incinerao ainda sofre

bastante resistncia por parte dos grupos

ambientais que enxergam o processo de

incinerao, em geral, como um problema

ambiental.

6 CONSIDERAES FINAIS

Um sistema de cogerao de energia quando

bem dimensionado pode oferecer grande

economia para o processo de incinerao de

hidrocarbonetos. Os equipamentos (caldeira,

turbina e gerador) possuem custos altos, mas

a durabilidade e economia que so capazes

de fornecer justificam a sua instalao.

O ideal para amenizar os custos que o

sistema de cogerao seja implantando junto

com a instalao do incinerador durante sua

construo, j sua posterior instalao pode

elevar de forma considervel os custos.

AGRADECIMENTOS

s Empresas WEG, TURBMAQ e IPE pelo

fornecimento dos dados de seus

equipamentos que foram de extrema

importncia para a realizao deste estudo.

_________________________________________________________________________________

REFERNCIAS

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