FACULDADE SATC
GUILHERME DELFINO VIEIRA
ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA EM
UMA MÁQUINA DE SECADOR ROTATIVO NO PROCESSO
CERÂMICO: ESTUDO DE CASO DA CERÂMICA PISO FORTE.
Criciúma
Dezembro – 2016
GUILHERME DELFINO VIEIRA
ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA EM
UMA MÁQUINA DE SECADOR ROTATIVO NO PROCESSO
CERÂMICO: ESTUDO DE CASO DA CERÂMICA PISO FORTE.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso
de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade
SATC, como requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. André Abelardo Tavares.
Coordenador do Curso: Prof. Dr. André Abelardo Tavares.
Criciúma
Dezembro - 2016
GUILHERME DELFINO VIEIRA
ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA EM
UMA MÁQUINA DE SECADOR ROTATIVO NO PROCESSO
CERÂMICO: ESTUDO DE CASO DA CERÂMICA PISO FORTE.
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado
adequado à obtenção do título de bacharel em
Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo
Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da
Faculdade SATC.
Criciúma, (dia) de (mês) de (ano da defesa).
______________________________________________________
Professor e orientador André Abelardo Tavares, Doutor.
Faculdade SATC
______________________________________________________
Prof. Nome do Professor, Título.
Faculdade SATC
______________________________________________________
Prof. Nome do Professor, Título.
Faculdade SATC
Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.
Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.
Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.
Texto das dedicatórias.
AGRADECIMENTOS
Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.
Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.
Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.
Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.
Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.
Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.
“Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto
da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe.” (Autor, ano, p.)
RESUMO
As empresas buscam constantemente crescer no mercado a fim de se destacar dos concorrentes
e ter um maior alcance comercial. Reduzir os custos dos produtos e possuir uma boa qualidade
é uma das formas encontradas para obter esse destaque necessário. Em uma empresa cerâmica,
um dos maiores gastos de produção é com a energia elétrica e gás natural utilizados. Sendo
assim, a presente pesquisa aborda uma análise de viabilidade para modificação no sistema
térmico utilizado em um secador rotativo em uma indústria cerâmica, apresentando um estudo
de caso da Cerâmica Piso Forte, com o propósito de reduzir os gastos com a produção, e
consequentemente, o valor final do produto. Este projeto expõe por meio de conceitos descritos
na fundamentação teórica uma base sobre o processo de fabricação cerâmica de revestimentos,
caracteriza alguns tipos de fontes de energia, e a energia térmica produzida pelas
mesmas. Trata-se de uma pesquisa exploratória e de caráter qualitativo e quantitativo, que se
utilizando das análises técnicas e econômicas apresenta quais as vantagens que a substituição
de uma fornalha a gás natural por uma fornalha à biomassa, utilizando briquetes, pode trazer
econômica e ambientalmente à empresa.
Palavras-chave: Cerâmica, Fontes Energéticas, Fornalha.
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1 – Processo de fabricação Cerâmica [Do autor, 2016] .................................................... 15
Fig. 2 – Secador Rotativo contínuo para secagem de argila [2, adaptado]............................... 16
Fig. 3 – Gráfico Divisão de Fontes Energéticas no Brasil 2014 e 2015 [9; 10, adaptado] ...... 18
Fig. 4 – Gráfico consumo energia Mundial [11, adaptado] ...................................................... 19
Fig. 5 – Menu de navegação ferramenta GHG [19, adaptado] ................................................. 27
Fig. 6 – Gráfico Consumo Setorial Gás Natural [9, adaptado] ................................................ 28
Fig. 7 – Modelo Cíclico de uma Máquina Térmica [31, adaptado].......................................... 36
Fig. 8 – Tipos de fornalhas para diferentes tipos de combustíveis [8, adaptado] ..................... 36
Fig. 9 – Tipo de queimador de gás natural [35] ........................................................................ 40
LISTA DE TABELAS
Tab. 1 – Poderes caloríficos de algumas fontes energéticas [11; 15] ....................................... 21
Tab. 2 – Densidades de diferentes tipos de fontes energéticas [11; 15] ................................... 22
Tab. 3 – Composição molecular de diferentes fontes energéticas [17] .................................... 22
Tab. 4 – Custos de Empreendimento Termelétrico de Diferentes Fontes [Do Autor, 2016] ... 23
Tab. 5 – Custos por tipo de Biomassa [Do Autor, 2016] ......................................................... 24
Tab. 6 – Descrição do tipo da frota de veículos no método GHG [19, adaptado] .................... 28
Tab. 7 – Custos m³ Gás Natural Industrial [24, adaptado] ....................................................... 32
LISTA DE ABREVIAÇÕES
SIGLAS
ANP ___ Agência Nacional do Petróleo
ANEEL ___ Agência Nacional de Energia Elétrica
BEN ___ Balanço Energético Nacional
CA ___ Consumo Aparente do combustível
CAUE ___ Custo Anual Equivalente
CC ___ Cálculo do Consumo de Energia
CO ___ Monóxido de Carbono
CO2 ___ Dióxido de Carbono
CONAMA ___ Conselho Nacional do Meio Ambiente
EPE ___ Empresa de Pesquisa Energética
EUA ___ Estados Unidos da América
FCfix ___ Fração de Carbono Fixado
FCO ___ Fração Fixada de Carbono
Fcorr ___ Fator de correção
Fconv ___ Fator de conversão
Femiss ___ Fator de emissão de Carbono
GEE ___ Gases do Efeito Estufa
GNL ___ Gás Liquefeito
H ___ Hidrogênio
IPCC ___ Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas
Mbio ___ Massa da Biomassa
Mbio granel ___ Resíduos de massa até encher volume
NOx ___ Óxido de Carbono
OEEE ___ Oferta Interna de Energia Elétrica
SATC ___ Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina
SOx ___ Dióxido de Enxofre
TGx ___ Tarifa Industrial de Gás natural do tipo x
TGCC ___ Turbina a gás de ciclo combinado
TGCS ___ Turbina a gás de ciclo simples
TIR ___ Taxa Interna de Retorno
TMA ___ Taxa Mínima de Atratividade
VAUE ___ Valor Anual Equivalente
VPL ___ Valor Presente Líquido
WRI ___ World Resources Institute
SÍMBOLOS
Cm Cm Unidade de medida em centímetros
Cm² Cm² Unidade de área em centímetros quadrados
D Kg/m³ Densidade
EJ J ExaJoule
ELC GgC Emissões Líquidas de Carbono
ERC GgC Emissões Reais de Carbono
ERCO2 GgC Emissões Reais de CO2
IW Kcal/Sm³ Índice de Wobbe
PCI kcal/kg Poder Calorifíco Inferior
PCS kcal/kg Poder Calorifíco Superior
QA KW/m² Potência Térmica Superfície da Grelha
QC GgC Quantidade de Carbono
QCF GgC Quantidade de Carbono Fixado
QV KW/m³ Potência Térmica Volumétrica da Fornalha
Kg Kg Unidade de peso em quilogramas
KWh KWh Unidade de Potência em kilowatt/hora
MWh MWh Unidade de Potência em Megawatt/hora
M² M² Unidade de área em metros quadrados
M³ M³ Unidade de volume em metros cúbicos
Tep J Tonelada equivalente de petróleo
Ton Kg Tonelada
TWh TWh Unidade de Potência em Terawatt/hora
V M³ Volume da biomassa
Vf M³ Volume da Fornalha
Kg/m³ Massa específica
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 13
1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES ........................................................................ 13
1.2 OBJETIVO GERAL ........................................................................................................ 14
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 15
2.1 PROCESSOS CERÂMICOS ........................................................................................... 15
2.2 BIOMASSA ..................................................................................................................... 18
2.2.1 PROPRIEDADES DA BIOMASSA .......................................................................... 20
2.2.2 ASPECTOS ECONÔMICOS .................................................................................... 23
2.2.3 IMPACTO AMBIENTAL .......................................................................................... 24
2.3 GÁS NATURAL ............................................................................................................. 28
2.3.1 PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL .................................................................. 30
2.3.2 ASPECTOS ECONÔMICOS .................................................................................... 31
2.3.3 IMPACTO AMBIENTAL .......................................................................................... 32
2.4 VIABILIDADE DO PROJETO ....................................................................................... 33
2.4.1 VPL ............................................................................................................................... 33
2.4.2 TIR ................................................................................................................................ 34
2.4.3 PAYBACK ..................................................................................................................... 35
2.5 MÁQUINAS TÉRMICAS ............................................................................................... 35
2.5.1 FORNALHA À BIOMASSA ...................................................................................... 37
2.5.2 FORNALHA À GÁS NATURAL .............................................................................. 39
3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................................... 41
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .......................................................... 42
5 CONCLUSÕES ................................................................................................................. 43
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 44
13
1 INTRODUÇÃO
Com o aumento da industrialização, o surgimento de novas empresas e,
consequentemente, o crescimento da demanda de energia elétrica utilizada no Brasil, a
sociedade vem se preocupando mais com o meio ambiente e buscando novas alternativas de
fontes de energias e uma geração mais sustentável.
Reduzir o desperdício de energia e optar por fonte renováveis, além de diminuir o
impacto ambiental reflete também na questão econômica das empresas. Essa preocupação com
os custos de produção é um fator também que vem sendo bastante debatido. Para produzir um
produto com uma boa qualidade e se destacar da concorrência, as empresas vêm investindo
cada vez mais em maquinários e em profissionais capacitados, o que gera um aumento de
despesas na empresa e dos produtos.
Partindo então desse princípio, da sustentabilidade e economia, o presente estudo,
que aborda a temática de energia térmica, visa a solucionar o problema de como a substituição
de uma fornalha a gás por uma de biomassa pode reduzir os gastos de produção de uma cerâmica
do sul catarinense. O trabalho apresenta um estudo de caso da cerâmica Piso Forte
Revestimentos Cerâmicos, de Criciúma/SC, onde a fornalha à biomassa será aplicada em um
secador rotativo utilizado no processo produtivo da fábrica.
Para atingir os resultados desejados, fez-se necessária uma abordagem teórica, que
apresenta uma breve introdução ao processo de fabricação cerâmica de revestimentos, expõe
conceitos de fontes de energias e energia térmica. Já para a parte da análise, foram
desenvolvidos estudos de viabilidade técnica e econômica da utilização de briquete na fornalha
à biomassa, a fim de determinar as vantagens que a implantação dessa fornalha pode trazer à
indústria, o retorno financeiro desse investimento, o impacto na qualidade do produto e no meio
ambiente.
1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES
Com a grande competitividade no mercado, as indústrias estão buscando
alternativas para redução dos custos de produção, fazendo seus produtos se destacarem dentre
os demais e assim obterem mais lucros.
No mercado cerâmico, o gás natural é um dos elementos que gera o maior custo de
produção. Uma alternativa para a redução seria a implantação de uma fornalha à biomassa para
geração de energia térmica em um secador rotativo para substituição de uma fornalha a gás.
14
O projeto torna-se de grande importância para a empresa, pois diminuirá os custos
de produção, tendo maior estabilidade no processo e, consequentemente, melhor qualidade no
produto final. Além disso, existe a possibilidade da empresa permanecer com as duas opções
de fornalhas, podendo alterar os combustíveis caso haja mudanças nos preços dos materiais no
mercado.
Na área de engenharia o estudo se mostra relevante por mostrar a utilização de uma
energia mais limpa aliada a preocupação com o meio ambiente, um fator importante nos dias
atuais, onde a preservação dos recursos naturais e a diminuição da poluição vem sendo bastante
discutido. Essa questão ambiental proporciona também uma melhor imagem para a empresa no
mercado.
O projeto para o autor é importante pois contribui com o seu crescimento
profissional dentro de sua área de atuação, a indústria cerâmica.
1.2 OBJETIVO GERAL
Analisar a viabilidade técnico-econômica e o impacto ambiental da implantação de
uma fornalha à biomassa para substituição de uma fornalha a gás, em uma indústria cerâmica
de via seca do sul catarinense, a fim de reduzir os custos de produção.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Diferenciar o funcionamento de fornalhas a gás natural e à biomassa;
- Analisar a possibilidade técnica de implantação de uma fornalha à biomassa;
- Determinar o impacto dessa substituição no processo de fabricação e na qualidade
final da peça cerâmica;
- Verificar o impacto ambiental provocado por ambas as tecnologias; e
- Calcular a viabilidade para implantação da fornalha à biomassa, analisando o
retorno financeiro e ambiental.
15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo apresentará os conceitos dos assuntos abordados neste projeto para
auxiliar na compreensão da pesquisa. Fornecerá - por meio de conceitos referentes ao processo
de fabricação cerâmica, fontes de energia e sobre energia térmica - o embasamento teórico
necessário para o desenvolvimento desta pesquisa.
2.1 PROCESSOS CERÂMICOS
Os processos cerâmicos podem se diferenciar de acordo com o tipo de material
desejado. Em uma visão macro, entende-se que esses se resumem em preparação da matéria-
prima e massa, conformação das peças, tratamento térmico e acabamento, o que pode ser
melhor observado na Fig. 1 [1].
Fig. 1 – Processo de fabricação Cerâmica [Do autor, 2016]
Como observado na Fig. 1, o processo de fabricação cerâmica inicia pela preparação
da massa. As cerâmicas são normalmente fabricadas por dois ou mais tipos de matérias-primas,
basicamente argilas. Devido aos diferentes tipos de argilas utilizadas, é necessário passar pelo
processo de dosagem que segue uma rigorosa formulação, esta influenciará nos processos
posteriores e na qualidade das placas [1].
16
Dentro dessa fase de preparação da massa são utilizados secadores rotativos de
funcionamento contínuo com intuito de retirar a umidade do material de acordo com a Fig. 2.
Fig. 2 – Secador Rotativo contínuo para secagem de argila [2, adaptado]
O material entra no secador com umidade de aproximadamente 20%, já em contato
com o ar quente gerado pela fornalha. O tambor possui formato cilíndrico, gira em torno do seu
próprio eixo e possui uma inclinação referente ao plano horizontal no sentido da saída para
facilitar a ida do material ao fim e sair com umidade máxima de 3,5%.
Nesse secador, o calor é transferido por meio das paredes metálicas e convecção
com auxílio de corrente gasosa gerada pelo ventilador que também tem o objetivo de retirar o
vapor produzido pela evaporação e transportar ao filtro manga, que tem a função de separar os
gases e as partículas [3].
Passada a etapa de composição do material, a massa (matérias-primas) passa pelo
processo de moagem, que tem por objetivo a fragmentação e homogeneização dela. O grau de
moagem, além de alguns fatores físico-químicos, pode intervir na velocidade de decomposição
das partes inorgânicas durante a queima. Também se destaca que nesse processo com a alta
reatividade, gera-se uma melhor característica mecânica do material queimado [4; 5].
Regularmente, após a moagem, os resíduos para massas monoporosa e biqueima
são em torno de 4 a 6%, e nas massas vermelhas inferiores a 4% [4; 5].
Depois da moagem, as matérias passam pela granulação, que é o processo que
consiste em fazer com que partículas muito finas (pó) se juntem e formem uma partícula maior.
Nesse processo, tem-se também outro objetivo: ter um controle da umidade do processo que é
de acordo com a massa utilizada, seca ou úmida [6].
17
Depois da massa pronta e armazenada em silos, passa-se para a etapa de
conformação. Nesse processo, a massa é inserida nas cavidades da prensa hidráulica onde são
submetidos a uma alta pressão com o objetivo de alcançar a máxima homogeneização dos
grânulos que a compõem e uma elevada densidade a verde, mas sendo obedecidos os requisitos
para que não haja problemas na queima, como coração negro.
Após a conformação da peça, tem-se o processo de secagem cuja função é de
eliminar uniformemente a umidade de todas as peças, deixando-as menor que 1% e, com isso,
aumentando também a resistência do biscoito. Assim, é possível passar pelos próximos esforços
mecânicos e manter a temperatura na saída constante, não variando o processo da esmaltação
[3; 5].
A etapa de esmaltação abrange a aplicação dos esmaltes impermeabilizantes e a
serigrafia na cobertura da peça, para dar o toque estético da peça e fornecer algumas melhoras
relacionadas, por exemplo, à higiene e à resistência. O esmalte e o engobe são normalmente
aplicados por campanas, tem uma aplicação de véu contínuo com velocidade e espessura
constantes [1; 5].
Com as peças decoradas e esmaltadas, chega-se à etapa de queima do produto, que
consiste na parte de maior importância do processo onde será feita a parte de fusão de todos os
componentes da massa e do esmalte. Tais reações têm como consequência estar dentro de
limites pré-estabelecidos de retração e absorção de água.
Pode-se dividir em três etapas: a) a pré-queima (que faz evaporar os materiais
orgânicos antes da queima); b) a queima, com temperaturas que podem chegar a 1200ºC, define
também a perda do material (retração) e soldagem dos grãos; c) e o resfriamento, tem o intuito
de baixar a temperatura da peça por meio da ventilação forçada [3; 4].
Com as peças prontas, têm-se a última etapa do processo, a classificação, que tem
o objetivo de distribuí-las em classes ou grupos. Após a classificação, as peças estão prontas
para o encaixotamento e paletização, para assim seguirem para a expedição, onde serão
estocadas e, posteriormente, comercializadas [3].
Em algumas etapas do processo cerâmico como no secador rotativo é utilizado a
fornalha, ou seja, é necessário um combustível para a queima. Nos próximos subitens serão
analisados a biomassa e o gás natural como fonte energética.
18
2.2 BIOMASSA
Em épocas passadas, a 1.000.000 a.C., as preocupações com as fontes energéticas
eram poucas devido à baixa população. Naquela época, geralmente se utilizava a biomassa e
não havia a preocupação com a falta de recursos.
Mas, com o passar dos anos, o aumento de população e o acréscimo do consumo de
energia solicitou a busca por fontes de energias primárias alternativas. Assim, outros tipos de
fontes energéticas surgiram para geração, como o hidráulico, o carvão mineral, petróleo e os
derivados, como gás natural [7].
Dentre esses vários tipos de fontes energéticas, elas podem ser classificadas de
acordo com a origem (fóssil, renovável e nuclear), com a obtenção (natural ou derivados) e
estado físico (sólido, líquido e gasoso) [8]. Como exemplos de energias renováveis, pode ser
citada a biomassa e os potenciais hidráulicos, e para os não-renováveis (fóssil e nuclear), têm-
se o carvão mineral, petróleo e derivados, materiais fósseis e gás natural [7].
Conforme o BEN 2016 (Balanço Energético Nacional 2016), o consumo final por
fontes apresentou um total de 260.684 10³ tep, destes a biomassa foi responsável por um
consumo de 71.413 10³ tep e desses foram absorvidos pela cerâmica um total de 2.356 10³ tep
[9].
Em 2014, teve-se uma Oferta Interna de Energia Elétrica (OEEE) no Brasil de
624,3 TWh, desses 46,2 TWh são oriundos da biomassa. Em 2015, foram oferecidos 615,9
TWh, onde 49 TWh disponibilizados pela mesma, passando a produção de energia renovável
de 74,5 % para 75,5 %, de acordo com a Fig. 3 [9; 10].
Fig. 3 – Gráfico Divisão de Fontes Energéticas no Brasil 2014 e 2015 [9; 10, adaptado]
A capacidade instalada de geração elétrica no Brasil teve um aumento de 5,18%
passando de 133.913 MW para 140.858 MW. Seguindo a mesma linha de aumento do Brasil,
19
conforme a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) a biomassa também apresentou
um acréscimo da capacidade, passou de 12.341 MW para 13.257 MW [9; 10].
Já no âmbito mundial tem-se a maior contribuição de energia renovável do mundo
nessa fonte e possui a possibilidade de expansão para geração de calor, eletricidade e
combustíveis. Fornece 52 EJ globalmente, o que representa cerca de 10% do consumo da
energia global. Desses, 65% é de uso residencial e 35% industrial, de acordo com a Fig. 4 [11].
Fig. 4 – Gráfico consumo energia Mundial [11, adaptado]
A biomassa foi uma das primeiras matérias-primas a ser utilizada pelo homem,
principalmente para o uso térmico. Ela provém de matérias vivas e resíduos de sólidos urbanos,
agricultura e industriais. Pode ser dividida em:
Sólidos: Resíduos de madeira, bagaço de cana-de-açúcar, briquete;
Líquidos: Etanol, biodiesel; e
Gasoso: Decomposição de resíduos de animais.
Com os avanços tecnológicos, houve um retrocesso nessa utilização e passou-se a
ter como principal fonte de energia os combustíveis fósseis com destaque ao carvão, ao petróleo
e ao gás natural [12].
A disponibilidade tem como base as atividades rurais e urbanas. Na rural um fator
relevante é a necessidade de uma área grande, mas em contrapartida podem ser gerados por
meio de atividades que não tem o objetivo de aproveitamento energético, mas sim gerando-se
biomassa como subprodutos. Na geração de biomassa por meio de resíduos urbanos alguns
fatores precisam ser ressaltados, como a população, renda e serviço de coleta [13].
No Brasil em 2014, teve-se uma ocupação agrícola de 80 milhões de hectares, tendo
a perspectiva de crescimento de 79%, passando à 137 milhões de hectares em 2050. O meio
20
rural tem a maior contribuição da fonte com a cana-de-açúcar, que é um dos casos de sucessos
no Brasil. A matéria é utilizada para se fazer açúcar, etanol e, por fim, com os restos do bagaço,
folhas secas e podas têm-se a possibilidade da queima direta em fornalhas ou a fabricação de
briquetes. Está atividade disponibilizou para bioeletricidade em torno de 27 Mtep, em 2050 a
biomassa de cana deve atingir 47 Mtep [13].
Os resíduos sólidos são formados por materiais da coleta residencial, restos de
podas e varrição. No Brasil a produção per capita em 2015 é de 0,37 toneladas por ano, projeta-
se que em 2050 alcançara até 0,50 ton./ano [13].
Baseado nas projeções da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a oferta de
biomassa em modo geral continuará crescendo, também faz necessário a análise em questão da
logística, onde é preciso o uso de transporte rodoviário ou ferroviário, consequentemente
gerando um valor agregado elevado, também acrescentando na dificuldade a pouca densidade
do material, que fica em torno de 300 kg/m³, diferente dos outros combustíveis como o gás
natural que tem uma maior facilidade de transporte por meio de tubulações [12].
Um dos fatores associado diretamente com a logística são as propriedades da
biomassa como a densidade e massa específica.
2.2.1 PROPRIEDADES DA BIOMASSA
As principais propriedades para caracterização da biomassa são os poderes
caloríficos, teor de umidade, massa específica e densidade.
Os materiais que possuem hidrogênio (H), quando queimados, geram água que pode
ser liberada na forma líquida ou de vapor. Então, esses combustíveis apresentam dois tipos de
poderes caloríficos: a) o superior que é a quantidade de calor liberado na queima quando a água
produzida na combustão está no estado líquido; b) e inferior equivalente à liberação de vapor
d’água durante a queima [14].
A Tab. 1 apresenta os valores dos poderes caloríficos superior (PCS) e poderes
caloríficos inferiores (PCI), de diferentes fontes energéticas.
21
Tab. 1 – Poderes caloríficos de algumas fontes energéticas [11; 15]
Poder calorífico Superior
kcal/kg
Poder calorífico Inferior
kcal/kg
Bagaço da cana 2257 2130
Carvão Vegetal 6800 6460
Gás Natural Seco 9256 8800
Gás Natural Úmido 10454 9930
Lenha Comercial 3300 3100
Petróleo 10800 10800
Casca de Arroz 3800 -
Analisando os dados da Tab. 1, verifica-se que o poder calorífico da biomassa está
relacionado diretamente com o tipo de material utilizado, outro fator que interfere nas fontes
energéticas é o teor de umidade.
O teor de umidade é definido pela quantidade de água contida na biomassa e tem
relação com a sua origem, ou seja, podem ser divididos em duas situações: a) se são deixados
à exposição do tempo chegam à ter umidade de até 55%; b) e quando as matérias são secas por
processos térmicos chegam a 8%. O teor da biomassa está relacionado inversamente com a
energia liberada durante a queima e a eficiência do processo [15; 16]. Além da umidade e
poderes caloríficos é necessário mencionar a massa específica para definir as propriedades da
biomassa.
A massa específica é denominada por dois tipos, massa específica e massa
específica aparente. A primeira é a relação entre a massa contínua de biomassa e pelo volume
que ocupa, de acordo com a Eq. (1):
𝜌 =𝑚𝑏𝑖𝑜
𝑉 (
𝑘𝑔
𝑚3) (1)
Onde:
mbio = Massa da biomassa [kg]; e
V = Volume da biomassa [m³].
A Eq. (1) se aplica apenas quando a matéria for contínua, não se aplica a resíduos
que, nesse caso, é utilizado o conceito da massa específica aparente, de acordo com a Eq. (2)
[16].
22
𝜌 =𝑚𝑏𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑛𝑒𝑙
𝑉 (
𝑘𝑔
𝑚3) (2)
Onde:
mbiogranel = Resíduos da massa até encher volume [kg]; e
V = Volume da biomassa [m³].
A Eq. (2) é definida pela massa total armazenada num volume dividido pelo valor
desse volume, outra propriedade que está relacionada com a massa específica é a densidade
[16].
A densidade é um parâmetro importante em relação à compactação, quanto maior
a densidade maior a razão entre energia/volume. Outro fator relevante é a questão da logística
que influenciará diretamente no transporte e armazenamento. Essa pode ser dividida em dois
tipos, densidade aparente e densidade a granel. A primeira é importante em relação à qualidade
do produto, já a segunda é importante em relação ao transporte e armazenamento [15]. A Tab.
2 apresenta valores de densidades de diferentes tipos de fontes energéticas.
Tab. 2 – Densidades de diferentes tipos de fontes energéticas [11; 15]
Densidade
kg/m³
Densidade
kg/m³
Briquete (Bagaço da cana) 130 Lenha comercial 390
Briquete (Casca de Arroz) 1100 Petróleo 884
Carvão Vegetal 250
Gás Natural Seco 0,740
Gás Natural Úmido 0,740
Analisando a Tab. 2, verifica-se que o gás natural possui menor densidade,
enquanto o briquete possui a maior. Além da dessa propriedades, pode-se definir a composição
química da biomassa, de acordo com a Tab. 3:
Tab. 3 – Composição molecular de diferentes fontes energéticas [17]
Material Elementos (%)
C H N S O
Briquetes de cana 45,3 6,8 0,5 0,3 47,1
Briquetes de madeira 48,2 6,5 0,1 0,2 45,1
Briquete de arroz 39,1 5,8 0,3 0,1 54,7
23
Na Tab. 3, verifica-se que a composição principal dos briquetes são Carbono (C),
Hidrogênio (H) e Oxigênio (O), e não chegando a 1% o Nitrogênio (N) e o Enxofre (S).
Algumas dessas propriedades das fontes energéticas, são diretamente relacionadas aos custos
dos combustíveis.
2.2.2 ASPECTOS ECONÔMICOS
Apresentam-se neste item alguns parâmetros técnicos e econômicos que serão
utilizados no estudo e são empregados nas duas tecnologias, tais como: vida útil do
equipamento e a taxa de desconto1. O valor habitual da duração destes tipos de equipamento
são de 20 anos, a taxa de desconto em 10%. Outros custos referentes a cada matéria-prima de
biomassa utilizada serão mencionados.
Alguns custos de empreendimentos de termelétrica com uso da biomassa e gás
natural podem ser analisados, no gás é dividido em dois modos: a) turbina a gás de ciclo simples
(TGCS); b) e turbina a gás de ciclo combinado (TGCC) [13].
Na Tab. 4, é demonstrado os valores de alguns empreendimentos.
Tab. 4 – Custos de Empreendimento Termelétrico de Diferentes Fontes [Do Autor, 2016]
Custo Mínimo Custo Máximo
Biomassa de cana US$ 337/kW US$ 2.002/kW
Biomassa florestal US$ 1133/kW US$ 1199/kW
Biomassa de resíduos - US$ 1565/kW
Gás natural – TGCS US$ 500/kW US$ 933/kW
Gás natural – TGCC US$ 627/kW US$ 1289/kW
Analisando a Tab. 4, verifica-se que alguns fatores estão relacionados diretamente
ao custo de implantação da termelétrica à biomassa, o principal é a distância entre
empreendimento/fornecedor. As variações de valores deve-se a relação com a potência, que
quanto maior essa menor será o custo do empreendimento.
Após a análise de custo de empreendimento, necessita-se o levantamento dos custos
dos combustíveis. A biomassa pode ser obtida a partir de materiais sólidos, líquidos e gasosos.
A Tab. 5, apresenta os custos de cada matéria e também as suas possíveis derivações.
1 Taxa de Desconto é considerado 10% em alterações de projeto em que a tecnologia seja nacional, caso seja
internacional é 15%.
24
Tab. 5 – Custos por tipo de Biomassa [Do Autor, 2016]
Custo
Picado a granel US$ 11~24 /t
Peletização US$ 24~29 /t
Briquetagem US$ 40~47 /t
Biomassa Florestal Lenha US$ 15/m³
Biomassa de Resíduos
Resíduos Agrícolas US$ 37,5 /t
Resíduos de Pecuária Confinada US$ 15 /t
Resíduos de Sólidos Urbanos US$ 3,3 ~ 18 /t
Na Tab. 5, verifica-se uma variação nos valores da biomassa de cana, um dos
motivos é a densidade que está diretamente relacionada ao preço, e também a distância do local
de uso.
A biomassa apresenta algumas vantagens em relação aos demais combustíveis,
como técnico-operacionais, socioambientais e a possibilidade de implantação da usina próxima
ao centro de carga diminuindo as linhas de transmissões.
Tem-se nessa fonte uma energia renovável e com emissão de Dióxido de Carbono
(CO2) na queima considerado nulo, isto é, a liberação do CO2 é a mesma necessitada pela planta
para fazer a fotossíntese. Outra vantagem também é a reutilização dos materiais não os
descartando de forma inadequada [13].
Esse tipo de fonte é altamente confiável, enfatizando a biomassa sólida observa-se
uma estrutura barata e também uma menor corrosão dos equipamentos [13].
Além de algumas vantagens do uso da biomassa, essa possui alguns impactos
ambientais que são necessários identificar no estudo do projeto.
2.2.3 IMPACTO AMBIENTAL
Considerando que o uso da biomassa é basicamente térmico, os impactos são mais
incisivos na construção e operação da usina. Alguns itens serão analisados para a compreensão
do impacto, são eles:
Uso e ocupação do solo: no geral os impactos não são expressivos, pois ocupam
uma pequena área;
25
Transporte da biomassa: Impacto na questão onde haverá poluição do ar e sonora
ocasionado pelo tráfego de veículos e mudanças no trânsito local. Com esses
casos geram-se a saída da fauna local;
Produção de rejeito líquido: A água utilizada no processo se lançada de maneira
incorreta podem afetar a qualidade da água e do solo;
Emissões de gases: Considera-se a biomassa uma fonte benéfica, devido à
consideração de que a biomassa plantada, o CO2 emitido é o mesmo que foi
absorvido da atmosfera, tornando-o nulo; e
Recursos hídricos: Redução da disponibilidade hídrica [13].
A biomassa necessita de transporte para fazer a sua utilização, ou seja, nesse
processo há geração de emissão de CO2 que interfere no efeito estufa. Há três métodos para a
quantificação dessa emissão em relação ao transporte rodoviário: Método Top-Down, Método
Bottom-up e ferramenta GHG Protocol.
Na metodologia Top-Down é definido os valores de emissões CO2, por intermédio
dos dados de produção e consumo de energia, sem ênfase no modo que é consumida a energia.
Esse método é formado por seis passos, que possibilitará no final a real emissão de CO2 [18].
No primeiro passo é realizado o Cálculo do Consumo de Energia (CC), que é
definido pela Eq. (3):
𝐶𝐶 = 𝐶𝐴 𝑥 𝐹𝑐𝑜𝑛𝑣 𝑥 45,2𝑥10−3 𝑥 𝐹𝑐𝑜𝑛𝑣 (𝐺𝑔𝐶) (3)
Onde:
CA = Consumo Aparente do Combustível [m³];
Fconv = Fator de conversão [tep/unidade física]; e
Fcorr = Fator de correção [adimensional];
No próximo passo é realizado o cálculo do Quantidade de Carbono (QC), que é
definido pela multiplicação de CC por Femiss (Fator de Emissão de Carbono), de acordo com a
Eq. (4):
𝑄𝐶 = 𝐶𝐶 𝑥 𝐹𝑒𝑚𝑖𝑠𝑠 𝑥10−3 (𝐺𝑔𝐶) (4)
26
No terceiro passo é mensurado a Quantidade de Carbono Fixado (QCF). É
mensurado quando os combustíveis são usados para fins não energéticos. O cálculo é realizado
pela multiplicação QC por Fração de Carbono Fixado (FCfix) que é variável de acordo com o
combustível utilizado, o passo é representado pela Eq. (5) [18]:
𝑄𝐶𝐹 = 𝑄𝐶 𝑥 𝐹𝐶𝑓𝑖𝑥 (𝐺𝑔𝐶) (5)
No quarto passo é definido as Emissões Líquidas de Carbono (ELC), representa a
subtração do carbono existente no combustível pelo QCF, como é descrito na Eq. (6):
𝐸𝐿𝐶 = 𝑄𝐶 − 𝑄𝐶𝐹 (𝐺𝑔𝐶) (6)
O quinto passo determina as Emissões Reais de Carbono (ERC), ou seja, é definido
que o carbono não é oxidado totalmente e portanto tem a necessidade da correção da emissão.
É calculado pela multiplicação ELC por Fração de Carbono Oxidada (FCO), de acordo com a
Eq. (7) [18]:
𝐸𝑅𝐶 = 𝐸𝐿𝐶 𝑥 𝐹𝐶𝑂 (𝐺𝑔𝐶) (7)
No último passo é feito o cálculo das Emissões Reais de CO2 (ERCO2). É calculado
através da quantidade de carbono em uma molécula de CO2. Então é realizado a multiplicação
de ERC pela razão do peso molecular do CO2 e do CO, de acordo com a Eq. (8) [18]:
𝐸𝑅𝐶𝑂2 = 𝐸𝑅𝐶 𝑥 44
12 (𝐺𝑔𝐶) (8)
Dessa forma, é apresentado o método top-down, que tem fácil levantamento dos
dados para definir a emissão dos diferentes combustíveis. O segundo método a ser apresentado
é o Bottom-up [18].
Já no método Bottom-up, todos os gases causadores do efeito estufa independentes
são definidos de forma completa, ou seja, só é obtido o resultado quando se têm todos os dados
disponíveis como: modo de transporte, combustível utilizado, características operacionais,
controle de emissão, métodos de manutenção e idade da frota. No setor de transporte é
determinado de forma geral pela Eq. (9) [18]:
27
𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠õ𝑒𝑠𝑖 = 𝐹𝐸𝑖𝑎𝑏𝑐 𝑥 𝐴𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑎𝑏𝑐 (9)
Onde:
Emissõesi = Emissões de uma gás i;
FE = Fator de emissão do gás i;
Atividade = Quantidade de energia consumida por uma fonte móvel;
i = Gás ( CO2, CO, NOx, CH4, etc.);
a = Tipo de combustível;
b = Tipo de veículo; e
c = Controle de emissão.
Outro método para quantificar as emissões de gases do efeito estufa (GEE) é por
meio da ferramenta GHG Protocol, que foi desenvolvida nos EUA em 1998 pela World
Resources Institute (WRI). É o método mais utilizado pelas empresas para inventários de GEE,
está de acordo com a norma ISO 14.0642 e com o Painel Intergovernamental de Mudanças
Climáticas (IPCC) [19].
Nesse método é definido as emissões de GEE em separados escopos, de acordo com
a Fig. 5:
Fig. 5 – Menu de navegação ferramenta GHG [19, adaptado]
No primeiro passo é definido na aba introdução o ano do inventario, após é
determinado no escopo 1 a combustão estacionária, onde é realizado o preenchimento do
combustível utilizado e quantidade. Já na combustão móvel, é mensurado as emissões causadas
pelo transporte para o uso do combustível, de acordo com a Tab. 6 [19].
2 ISO 14.064 é uma norma internacional que expõe as emissões de gases do efeito estufa espontaneamente
analisados.
28
Tab. 6 – Descrição do tipo da frota de veículos no método GHG [19, adaptado]
Registro da Frota Descrição da fonte Tipo da frota de veículos Ano da frota Distância anual
(km)
Frota- 016 Motos-Unidade MG Motocicleta flex etanol 2011 20000
Na Tab. 6, é estabelecido o tipo de veículo, ano e a distância anual percorrida. Após
realizar a análise da combustão estacionária e móvel, é gerado um relatório com todos as
emissões do GEE e quantidade de cada [19].
As emissões de CO2 pela biomassa e outros tipos de energias renováveis é a grande
diferença na questão ambiental entre essas fontes e as alternativas fósseis, como por exemplo,
o gás natural [12].
2.3 GÁS NATURAL
A condição de renovabilidade da biomassa é um dos principais fatores para sua
utilização em substituição aos combustíveis fósseis, entretanto, questões como as novas
tecnologias fizeram os combustíveis como gás natural, carvão mineral e petróleo se tornarem
as principais fontes de energia atualmente [12].
O gás natural vem sendo considerado cada dia mais importante para a geração de
energia mundial, devido a sua estabilidade e o baixo número de emissões de poluentes em
comparação a outras fontes fósseis, como o carvão e os derivados de petróleo [20].
O gás natural teve diminuições no consumo final por fonte e na OEEE. Esta fonte
apresentou uma média diária de produção no total de 96.200 10³ m³/dia, nestes já incluídos os
50.400 10³ m³/dia importados. Com isso, a participação na matriz energética brasileira é de 13,7
%. A Fig. 6, apresenta o consumo por setor do gás natural [9].
Fig. 6 – Gráfico Consumo Setorial Gás Natural [9, adaptado]
29
De acordo com a Fig. 6, o consumo industrial em 2015 foi de 9.941 10³ tep,
apresentando um aumento de 25,4% à 26,4%. Já a participação do gás natural na geração de
energia elétrica teve um retrocesso de 0,4% em relação a 2014, seguindo a mesma linha da
redução os demais setores, sendo o uso não energético o único que se manteve estável em 1,8%.
O gás apresentou um decréscimo de 2,0% na geração térmica incluindo
autoprodutores e usinas de serviços públicos. Em 2015 apresentou um total de 79.490 GWh
contra 81.073 GWh em 2014, sendo que o total da geração de todas as fontes em 2015 teve uma
redução, passou de 624,3 TWh para 615,9 TWh. Essa fonte teve uma participação de 39,7% de
todas as termelétricas em 2015, incluindo biomassa 24,5%, derivados de petróleo 18,3% e os
17,5 % restantes sendo nuclear e carvão [9; 10].
Em relação a fonte no cenário mundial tem-se um aumento de 1,1% no consumo,
chegando a 3,3 trilhões de m³, sendo os principais responsáveis por este incremento à China
com 15,3 bilhões de m³ e os Estados Unidos (EUA) com 14,2 bilhões de m³. Com relação aos
maiores consumidores estão os EUA, seguidos pela Rússia [21].
Por região o maior consumo se encontra na Europa e Ex-União Soviética com 1,06
trilhões de m³, após a América do Norte com 923,5 bilhões de m³ [22].
Entretanto, com o aumento do consumo do gás natural é necessário o estudo da
disponibilidade do combustível, ou seja, depende de alguns fatores por ser de origem fóssil. As
quantidades disponíveis estão ligadas a quantidades comprovadas, prováveis e possíveis, onde
são:
Comprovado: Quantidade de petróleo e gás natural que tem razoável
certeza, são considerados que no mínimo 90% da estimativa da reserva seja
extraído;
Provável: Quantidade de petróleo e gás natural menos provável que a
comprovada, são considerados que no mínimo 50% da estimativa da reserva
seja extraído; e
Possível: Tem razão de certeza menor que a provável, neste é considerado
que no mínimo 10% da estimativa da reserva seja extraído [20].
No Brasil tem-se reserva de gás natural comprovada de 429,457 bilhões de m³,
sendo considerados provável mais 308,646 bilhões de m³ e possível de 84,054 bilhões de m³.
Gerando um total de 822,157 bilhões de m³ [9].
30
Porém, é necessário o estudo dos tipos de transportes do gás natural no Brasil. Esse
pode ser feito de três maneiras: a) gasodutos; b) sob a forma liquefeita, em navios criogênicos;
c) e sob a forma de compostos líquidos ou sólidos [22].
O transporte por gasodutos é o método mais utilizado, ou seja, é realizado por
intermédio de dutos onde são inseridos sob pressão. Devido as características físicas tem uma
perda de pressão ao longo do trecho, sendo assim necessário uma estação de compressão a uma
distância que no máximo chegue a pressão mínima contratual [23].
Nos dutos as pressões chegam de 100 a 150 kg/cm² após a estação, chegando até o
mínimo de 30 a 40 kg/cm² na entrada da próxima compressão. Entretanto, na distribuição
urbana a pressão é reduzida para 5 a 6 kg/cm² na tubulação principal, já nas unidades
consumidoras chegam de 15 a 30 cm/coluna d’água, devido a questão de segurança [22].
Já no transporte de gás natural liquefeito (GNL), é realizado a temperatura de 162°
C negativos em navios criogênicos, é considerado viável para grandes volumes e distâncias.
Normalmente se utiliza esse transporte quando não se tem outra possibilidade e os navios
utilizados tem a capacidade de 100 mil m³ [22].
Por fim, o transporte sob a forma de compostos líquidos e sólidos, em algumas
vezes é a condição mais econômica. A forma mais utilizada nesse processo é a produção de
metanol, mas no Brasil há restrições, por ser agressivo no contato com as pessoas e caso ser
ingerido pode causar a morte [22].
Definido as disponibilidades e processos de transportes, para comercializar o gás
natural no Brasil é respeitado algumas normas propostas pela Agência Nacional do Petróleo
(ANP), trata-se da resolução ANP N° 16, de 17.06.2008 – DOU 18.06.2008 com base na Lei
n° 9.478, de 6 de agosto de 1997. Nessa resolução é definido alguns critérios como: odorização
do gás natural, especificações, transporte, entre outros [23].
Após caracterizado os processos do gás natural, é definido no próximo subitem as
propriedades do gás natural.
2.3.1 PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Algumas das características marcantes do gás são que não possuem cheiro, são
incolores e inflamáveis no estado natural. Tem-se pelo processo de odorização a adição de
composto de enxofre para lhe dar um cheiro diferenciado.
31
O gás natural pode ser encontrado em duas situações: a) gás associado, o
combustível predominante na jazida é o petróleo onde o gás será utilizado apenas se possuir
condição de viabilidade, ao contrário é feito a combustão de forma controlada; b) gás não-
associado, da qual o fóssil predominante é o gás e o petróleo é em segundo plano. As maiores
ocorrências e exploração deste combustível é de forma não-associada [8].
Os gases podem ser extraídos de duas formas: a) gás seco, na qual permanece em
fase gasosa em qualquer condição de armazenamento ou superfície, estes também possuem um
PCS de 9256 kcal/kg, PCI de 8800 kcal/kg e densidade de 0,740 kg/m³; b) e gás úmido, onde
são naturalmente gasosos, mas que podem apresentar formação de líquidos em diferentes tipos
de armazenamento e superfície, possuem um PCS de 10454 kcal/kg, PCI de 9930 kcal/kg e
densidade de 0,740 kg/m³ [8; 9].
Para a medição da energia disponibilizada por um gás no sistema de combustão e
também como base para a troca deste, tem-se o Índice de Wobbe (IW), Eq.(10):
𝐼𝑊 = 𝑃𝐶𝑠
√𝑑 (
𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑚3 ) (10)
Onde:
PCs = Poder Calorífico Superior [kcal/m³]; e
d = Densidade relativa [adimensional].
Outro fator de estudo das propriedades do gás natural é o ponto de orvalho, ou seja,
um fenômeno que ocorre a criação de água quando o fóssil é resfriado ou comprimido em uma
determinada temperatura, pois ao longo das redes a água pode causar danos nas linhas de
instrumentações, válvulas de controle e filtros. Por fim, outros aspectos são a quantidade de
oxigênio, hidrogênio, teores de carbono e componentes sulfurosos [8].
Algumas dessas propriedades, como o poder calorífico, são de grande relevância
para as questões econômicas de um projeto a gás natural, pois refletem em pontos como
consumo e, consequentemente, nos custos do empreendimento.
2.3.2 ASPECTOS ECONÔMICOS
Apresenta-se nesse tópico os valores referentes ao m³ do gás natural, este é um dos
principais requisitos para uma análise de viabilidade econômica.
32
Atualmente possui três tipos de tarifações do combustível nas industrias: a) TG1,
onde paga-se o mínimo de 90% da demanda contratada; b) TG2, onde paga-se o mínimo de
70% da demanda contratada; c) e o TG3, usado para contratos com demanda fixa e consumo
variável. Na Tab. 7 tem-se o custo do combustível [24].
Tab. 7 – Custos m³ Gás Natural Industrial [24, adaptado]
TG1 TG2 TG3
Faixa de Consumo (M³) Custo (R$/M³) Custo (R$/M³) Custo (R$/M³)
Até 5 2,9109 2,9109 2,5866
6 a 10 2,1072 2,1072 1,7833
11 a 70 2,0421 2,0421 1,7179
71 a 1.000 1,3019 1,3019 0,9778
1.001 a 5.000 1,2563 1,4125 1,0999
5.001 a 10.001 1,2069 1,3671 1,0816
10.001 a 25.000 1,1734 1,3305 1,0628
25.001 a 50.000 1,1500 1,3084 1,0453
50.001 a 100.000 1,1250 1,2865 1,0258
100.001 a 150.000 1,0552 1,2119 0,9640
150.001 a 200.000 1,0468 1,2079 0,9602
200.001 a 1.000.000 1,0396 1,2040 0,9602
A Tab. 7, apresenta os valores do m³ do gás natural e são cobrados da seguinte
forma: É consumido 100 m³, os primeiros 5m³ são da primeira faixa no valor de R$ 2,9109, a
segunda parte é até 10 m³ no valor de R$ 2,1072, na terceira parte é aplicado o valor de R$
2,0421 até 70 m³ e o restante é imposto o valor de R$ 1,3019, o preço total para esse consumo
é de R$ 186,67.
2.3.3 IMPACTO AMBIENTAL
Os gases naturais mesmo tendo vantagens em relação aos combustíveis fósseis
como petróleo e carvão, geram alguns tipos de impactos ambientais positivos e negativos em
relação às demais fontes energéticas. Esses pontos são definidos de acordo com a lei n°
6.938/91, 9.478/97 e na resolução Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) 001/86
[25].
Positivos:
33
Redução do transporte rodo-ferro-hidroviário;
Não exige tratamento dos gases de combustão;
Baixa presença de contaminantes;
Devido a sua densidade ser menor que a do ar possui uma rápida dispersão;
e
Não emissão de cinzas na combustão sendo, consequentemente, mais limpa
[22];
Negativos:
Emissão de Oxido de Nitrogênio (NOx) e Dióxido de Enxofre (SOx);
Emissão de gases de efeito estufa, principalmente CO2, mas em quantidade
menores quando comparados aos outros fósseis; e
Alteração da vida marinha, caso a exploração seja no mar [25];
2.4 VIABILIDADE DO PROJETO
Nesta etapa tem-se o objetivo de fazer um estudo da viabilidade técnico-econômica
do projeto antes da implantação, ou seja, analisar a melhor forma de se garantir que haja
vantagem econômica no futuro e em quanto tempo isto ocorrerá.
O estudo econômico-financeiro pode ser solucionados por meio de técnicas de
análises da engenharia econômica. Essa utiliza procedimentos especiais, das quais são
utilizadas para a decisão de critérios econômicos, financeiros e do imponderável [26].
Existem alguns métodos para a análise de investimentos, os mais tradicionais são:
o Valor Presente Líquido (VPL), Taxa Interna de Retorno (TIR) e Payback.
2.4.1 VPL
O método do VPL tem como finalidade por meio do valor presente calcular o
impacto dos eventos futuros a uma alternativa de investimento. É determinado a partir da
subtração do valor inicial do projeto e do valor presente dos fluxos de entrada de caixas,
descontados a uma taxa igual ao custo do capital da empresa. De acordo com a Eq. (11) tem-se
o método de cálculo do VPL [26].
34
𝑉𝑃𝐿 = −𝐼 + ∑𝐹𝑐𝑡
(1+𝑘)𝑡𝑛𝑡=1 (11)
Onde:
I = Investimento Inicial [R$];
Fct = Fluxo de Caixa [R$];
T = Período [Anos];
N = Tempo total do projeto [Anos]; e
k = Taxa de juros do capital [%].
Analisando a Eq. (11), tem-se que para encontrar o VPL é necessário trazer para o
presente o fluxo de caixa de “n’’ períodos do projeto, em uma taxa de juros conhecida e
descontar o valor inicial do investimento. O resultado do VPL pode ser negativo ou positivo,
caso seja a primeira opção o projeto é rejeitado, ou se faz necessário um novo estudo. A
viabilidade econômica só se dá quando o valor final é positivo, ou seja, quando o valor de
recuperação for maior que o valor inicial de investimento [26; 27].
2.4.2 TIR
A taxa interna de retorno é considerado um método sofisticado para a análise de
investimento, por empresários e pesquisadores. Tem como finalidade obter a taxa mínima que
iguala o VPL a zero, ou seja, é aquele valor de TIR que satisfaz a Eq. (12):
𝑉𝑃𝐿 = −𝐼 + ∑𝐹𝑐𝑡
(1+𝑇𝐼𝑅)𝑡 = 0𝑛𝑡=1 (12)
Onde:
I = Investimento Inicial [R$];
Fct = Fluxo de Caixa [R$];
T = Período [Anos];
N = Tempo total do projeto [Anos]; e
TIR = Taxa Interna de Retorno [%].
Algumas considerações tem-se a fazer com a TIR em relação a Taxa Mínima de
Atratividade (TMA), na qual as empresas a utilizam como os custos dos financiamentos, índices
econômicos e também o risco do projeto.
35
Se a TIR for maior que a TMA, o projeto deve ser aceito;
Se a TIR for igual a TMA, que a implantação do projeto é indiferente; e
Se a TIR for menor que a TMA, o projeto deve ser rejeitado [26; 27].
2.4.3 PAYBACK
O payback é um método muito utilizado no meio empresarial, devido seu fácil
entendimento e aplicação. Têm-se dois métodos comumente utilizados, o payback simples e o
payback descontado. O primeiro consiste em achar o número de períodos na qual terá o retorno
de investimento, apenas fazendo o somatório dos resultados obtidos pelo fluxo de caixa e
diminuindo-os o valor do capital inicial, é vantajoso pela sua facilidade de cálculo. Já o payback
descontado é calculado através da aplicação de uma TMA como desconto para atualizar o fluxo
de caixa obtido pelo projeto, este método é mais preciso em longo prazos. Na Eq. (13), é
definido o método de cálculo do payback descontado [26]:
−𝐼 + ∑(𝑅𝑗−𝐶𝑗)
(1+𝑖)𝑗𝑡𝑗=1 (13)
Onde:
I = Investimento Inicial [R$];
Rj = Receita proveniente do ano j [R$];
Cj = Custo proveniente do ano j [R$];
i = Taxa de Juros Empregada [%]; e
j = Índice genérico que representa os períodos de j=1 a t [28].
2.5 MÁQUINAS TÉRMICAS
A máquina térmica é definida como um equipamento que transforma a energia de
um combustível em energia mecânica, outra atribuição é a capacidade de converter calor em
trabalho. O trabalho e calor são determinados em um processo cíclico, são formas de transferir
a energia de um corpo para outro [29; 30].
O funcionamento das máquina térmicas tem relação com o incremento da energia
interna dos materiais e o trabalho efetuado, essas duas condições dependem da intensidade de
36
energia na forma de calor que foi deslocado a substância. Na Fig. 7, é definido um processo
cíclico de uma máquina térmica [29].
Fig. 7 – Modelo Cíclico de uma Máquina Térmica [31, adaptado]
As fornalhas são exemplos comuns de máquinas térmicas, são equipamentos
desenvolvidos para garantir a combustão completa dos materiais, fornecendo assim, por meio
da queima dos combustíveis, energia térmica [8; 32]. A Fig. 8, apresenta diferentes tipos de
fornalhas.
Fig. 8 – Tipos de fornalhas para diferentes tipos de combustíveis [8, adaptado]
De acordo com a Fig. 8, o tipo de fornalha a ser utilizada é determinado pelo estado
físico dos combustíveis a serem queimados. Há fornalhas para combustíveis sólidos (grelha,
leito fluidizado, suspensão, queima e etc) e para líquidos e gasosos (por queimadores) [8; 32].
As fornalhas podem ser classificadas em diferentes fatores, quanto ao seu
funcionamento (forma de aquecimento do ar), em relação a automação e ao tipo de queima e
combustão [32].
37
A forma de aquecimento do ar nas fornalhas pode ser de fogo direto ou indireto. No
caso do aquecimento direto os gases são proveniente da própria queima dos combustíveis e são
misturados ao ar ambiente. No indireto, os gases da combustão são inseridos em um trocador
de calor e por meio desse aquecerá o ar de secagem [32].
Podem ser classificadas em relação a automação em três tipos: a) não mecanizadas,
que todo o trabalho é realizado manualmente; b) semimecanizadas, que tem um ou mais
processos mecanizados; c) e mecanizadas, que o processo é realizado totalmente mecanizado
[32].
As fornalhas não mecanizadas e semimecanizadas possuem construção e operação
simples. Dispõem de grelhas fixas e a alimentação é feita manualmente ou por meio de sistemas
mecânicos ou pneumáticos, são utilizadas em pequenas demandas. As fornalhas mecanizadas
são equipamentos de grandes demandas, a alimentação é realizada por meio de sistema
mecânicos ou pneumáticos, as grelhas são móveis e possuem remoção automático das cinzas
[32].
Por fim a última classificação é em relação ao tipo de queima, onde o principal
determinante para a escolha é o tipo de material utilizado. Para fornalhas de biomassa o sistema
de queima mais utilizado é em suspensão, já para fornalhas à gás natural a queima é feito por
meio de queimadores.
2.5.1 FORNALHA À BIOMASSA
Fornalhas são equipamentos projetados com o intuito de garantir a queima completa
do combustível e enfatizando a eficiência, ou seja, ter o máximo rendimento na conversão da
energia química do combustível em energia térmica [33].
Nas fornalhas à biomassa a queima é feita em suporte por meio de grelhas fixas,
porém precisam de alimentação de ar primário e secundário. O primário é insuflado embaixo
das grelhas por intermédio de ventiladores, já o secundário é feito na câmara de combustão com
a ajuda de um ventilador que tem a finalidade de misturar os gases combustíveis e,
consequentemente, ajudar na queima [33].
De acordo com a Eq. (14), é definido a potência térmica da superfície da grelha
(Qa):
𝑄𝑎 = 𝐶.𝑃𝐶𝐼
𝐴𝑔 (
𝑘𝑊
𝑚²) (14)
38
Onde:
C = Consumo do combustível [kg/s];
PCI = Poder calorífico inferior [kcal/kg]; e
Ag = Superfície total da grelha [m²].
Em fornalhas que queimam biomassa, o valor de Qa fica em torno de 0,4 a 2,1
MW/m², dependendo do combustível utilizado e da forma construtiva, com isso, operando com
valores acima que o recomendado irá ocasionar temperaturas altas que, consequentemente,
diminuem a vida útil do equipamento [33].
Também é necessário definir a potência térmica volumétrica da fornalha (Qv) pela
Eq. (15):
𝑄𝑣 = 𝐶.𝑃𝐶𝐼
𝑉𝑓 (
𝑘𝑊
𝑚³) (15)
Onde:
C = Consumo do combustível [kg/s];
PCI = Poder calorífico inferior [kcal/kg]; e
Vf = Volume da fornalha [m³].
Em fornalhas que utilizam biomassa o Qv fica em torno de 0,5 e 0,9 MW/m³. É
indicado manter essa faixa, pois assim haverá a queima total do combustível, caso contrário
tem-se a queima incompleta do material diminuindo a eficiência [33].
Entretanto, para garantir a queima total do combustível é incrementado três passos:
a) massa de ar comburente; b) massa de ar comburente total; c) e excesso de ar.
No primeiro passo é realizado o cálculo da quantidade mínima de ar para a
combustão de 1 kg da fonte energética, de acordo com a Eq. (16) [32]:
𝑚𝑎𝑟 =100
23,2(2,7𝐶 + 𝑆 + 8𝐻 − 𝑂) (16)
Onde:
mar = Massa de ar comburente [adimensional];
C = Carbono [%];
S = Enxofre [%];
39
H = Hidrogênio [%]; e
O = Oxigênio [%].
A realização do segundo passo é definido pela Eq. (17):
𝑚𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑎𝑟 𝑥 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 (𝑘𝑔/ℎ) (17)
Onde:
Mar total = Massa de ar comburente total; e
Mcomb = Quantidade de combustível necessária [kg/h];
Por fim, para se garantir a queima total é efetuado o cálculo de excesso de ar, pois
esse é normalmente superior ao teórico de acordo com a Eq. (18):
𝑚𝑎𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑚𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑥 𝛼 (𝑘𝑔/ℎ) (18)
Onde:
Mar real = Massa de ar comburente total corrigida; e
α = Excesso de ar [%].
Na Eq. (18), o excesso de ar para fontes sólidas ficam em torno de 35% e gasosa de
5 a 10% [32].
2.5.2 FORNALHA À GÁS NATURAL
Nas fornalhas a gás natural é necessário um queimador, no qual esse tem o intuito
de realizar a queima de uma mistura ar/combustível por meio da câmara de combustão. O
combustível em qualquer estado físico só terá uma boa combustão se possuir os requisitos
mínimos necessários e adequados. A parte construtiva do queimador depende de algumas
condições, como: consumo, pressão da rede do combustível, pressão do ar na entrada, entre
outros.
A principal função do queimador é estabelecer que o combustível e o oxidante
tenham uma completa combustão. Para a melhor eficiência depende de fatores como: tempo,
da temperatura e da turbulência [34].
40
Os queimadores a gás podem ser divididos em dois tipos, de acordo com que é feita
a mistura ar/combustível: aspirantes e de queima direta.
Nos queimadores aspirantes, tem que a principal parte do ar da combustão seja
aspirado pelo aumento do gás em um Venturi3, assim haverá a mistura ar/combustível. A única
função do ar primário é a vazão do combustível. Algumas características são próprias desse tipo
de queimador como chama curta e baixa capacidade. Por fim, são indicados apenas quando
precisa-se ter uma distribuição de calor homogênea [34].
Já nos queimadores de queima direta, o gás é injetado diretamente na zona de
combustão por intermédio de bicos injetores com furos de pequeno diâmetro. Esse queimadores
tem como características o baixo nível de ruído, as chamas longas e precisam de ajustes
constantes, pois a vazão de ar é de acordo com a tiragem [34].
No setor cerâmico é feito a utilização desse queimador a gás no setor de preparação
de massa (secador rotativo), onde necessitam dos gases gerados para retirar a umidade da
matéria-prima. Na Fig. 9, é verificado a montagem de um queimador a gás.
Fig. 9 – Tipo de queimador de gás natural [35]
3 Venturi é parte mecânica interna do queimador onde haverá a mistura do ar/combustível.
41
3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Este capítulo apresentará os procedimentos metodológicos aplicados na elaboração
desta pesquisa. A metodologia científica nada mais é que um caminho para se chegar ao final,
é um conjunto de procedimentos adotados para a elaboração de um projeto [33].
O presente estudo, que tem como objetivo analisar a viabilidade técnico-econômica
e o impacto ambiental da implantação de uma fornalha à biomassa em uma indústria cerâmica,
se classifica, pelo ponto de vista de sua natureza, como uma pesquisa aplicada. Projetos deste
tipo possuem a finalidade de fornecer conhecimento para solucionar um problema existente, ou
seja, a redução de custos da empresa cerâmica [34].
Sob o ponto de vista da abordagem do problema, esta pesquisa pode ser classifica
em dois métodos distintos: a) Qualitativa; b) e Quantitativa.
A parte de pesquisa qualitativa reúne as informações descritivas, que não podem
ser apresentadas em números. Nesta abordagem o pesquisador vai coletar os dados necessários
para a elaboração do projeto, apresentará o processo de realização do trabalho e os conceitos e
significados. É caracterizado como um método de análise indutiva, onde irá levantar os dados,
analisar e chegar a uma conclusão geral [34; 35].
Quanto a pesquisa quantitativa, diferente da qualitativa, as informações
apresentadas utilizam de números e estatísticas para serem fundamentadas. Parte da premissa
de que tudo pode ser quantificável. Os dados coletados são traduzidos em números para serem
analisados. Esta abordagem é caracterizada pelo modo de análise dedutiva, pelo método
estatístico [34].
42
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Nesta etapa, você analisará os dados obtidos na pesquisa e mostrará os resultados
obtidos. Para iniciar a escrita, questione: Como os dados coletados serão analisados?
A partir da sua resposta, procure confirmar ou refutar hipótese anunciada,
sintetizando os resultados obtidos.
43
5 CONCLUSÕES
Etapa esta que servirá para você evidenciar as conquistas alcançadas com o estudo
e indicar as limitações e as reconsiderações. Além disso, você poderá apontar a relação entre
fatos verificados e teoria e mostrar a contribuição da pesquisa para o meio acadêmico,
empresarial e/ou para o desenvolvimento da ciência e tecnologia. Além disso, você poderá
sugerir temas complementares a sua pesquisa para estudos futuros.
Responda aqui a sua pergunta-problema de pesquisa (esta que deve estar presente
na introdução)
44
REFERÊNCIAS
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Disponível em: < http://abceram.org.br/processo-de-fabricacao/> Acesso em: 01 agos. 2016.
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https://ben.epe.gov.br/downloads/S%c3%adntese%20do%20Relat%c3%b3rio%20Final_2016
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