BRPI0804980A2 - usinas termelétricas a bagaço de cana e biogás de alta eficiência - Google Patents

Abstract

Trata-se de patente de invenção na área de geração de energia elétrica e vapor em usinas termelétricas movidas a biomassa, em especial bagaço de cana, consorciados com biogás, gás natural, diesel, biodiesel e<sym>ou similares em ciclo combinado. A eficiência da usina pode ser aumentada em até 60<sym> através do reaquecimento do vapor gerado pela queima do bagaço de cana e usando-se o biogás gerado pela digestão anaeróbica da vinhaça resultante da produção de etanol<sym>açúcar através da cana. Primeiramente o biogás é queimado em motores adequados e sua exaustão usada no reaquecimento do vapor extraido da turbina a vapor de alta pressão. Com o reaquecimento não há necessidade do uso de altas pressões e temperaturas usadas nas usinas de ultima geração obtendo-se muito mais energia para exportação com menor custo de investimento e manutenção. A queima do biogás da vinhaça qualifica a usina para créditos de carbono através do programa MDL das Nações Unidas melhorando ainda mais a viabilidade económica do empreendimento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: USINAS TERMELÉTRICASA BAGAÇO DE CANA E BIOGÁS DE ALTA EFICIÊNCIA.

CAMPO DA INVENÇÃO

Trata-se de patente de invenção na área de geração de energia elétrica evapor em usinas termelétricas movidas a biomassa, em especial bagaço decana, consorciados com biogás, gás natural, diesel, biodiesel e/ou similares.

Em usinas termelétricas convencionais, por exemplo, compostas por motoresou turbinas movidas a gás natural ou outros combustíveis (óleo diesel,querosene, gasolina, etc.) é comum o aproveitamento da energia térmicapresente nos gases de escape das máquinas térmicas para a geração de vaporem caldeiras de recuperação. Este vapor poderá ser expandido em uma turbinaa vapor acoplada a um gerador elétrico ou usado diretamente em processosindustriais, aumentando consideravelmente o rendimento global da usina. Esteprocesso chama-se ciclo combinado e é de uso corrente em diversas usinas nomundo. Caldeiras de recuperação diferem das caldeiras convencionais, porqueos gases de escape das máquinas térmicas estão, em geral, a temperaturasmuito inferiores, menores que 700°C, àquelas comumente encontradas nosgases de caldeiras convencionais, superiores a 1000°C. Em geral usinastermelétricas movidas a combustíveis sólidos como biomassa, carvão, resíduosindustriais e/ou urbanos (lixo) geram gases quentes em um forno, onde sãoincinerados estes combustíveis sólidos, e o calor destes gases é usado paragerar vapor em uma caldeira dentro do próprio forno ou adjacente a este. Nocaso das usinas a bagaço de cana, uma grande parte do vapor produzido nacaldeira é usada no processo de produção de álcool e/ou açúcar. Para seelevar o rendimento termodinâmico de usinas termelétricas deve-se aumentar atemperatura e pressão do vapor sendo que as mais modernas usinas a bagaçode cana chegam a 100 bar/520°C o que diminui a vida útil da caldeira e/ouaumenta seu custo de capital e manutenção. Uma maneira de resolver esteproblema e aumentar ainda mais a eficiência destas usinas com menor custo éusarmos pressão e temperaturas menores na caldeira, digamos em torno de 67bar/480°C , usando uma turbina de alta pressão com extração a pressãointermediária, entre 15 e 21 bar. A quantidade de vapor de extração deve ser adiferença entre o vapor total e o vapor de processo, que em geral é usado apressão de 2,5 bar. Após a extração o vapor deve ser reaquecido usando aexaustão de motor ou turbina movidos a biogás gerado pela digestãoanaeróbica da vinhaça. A vinhaça é um resíduo líquido, altamente poluidor, queresulta do processo de obtenção do etanol e do açúcar. No biogestor além dobiogás obtem-se adubo orgânico de boa qualidade muito menos poluente doque a vinhaça e de fácil manuseio. O problema é que para as grandesquantidades de vapor associadas com usinas de cana de açúcar a quantidadede biogás disponível não permite a adoção de uma turbina e/ou motor a biogáscom porte compatível para reaquecer todo o vapor extraído da turbina de altapressão. Este problema é resolvido pelo esquema proposto neste pedido depatente do seguinte modo: usamos um motor ou turbina a biogás de portereduzido e complementamos a vazão de escape com ar puro pré-aquecido comos gases quentes após o reaquecedor do vapor extraído da turbina de altapressão. Através de um queimador de duto a biogás elevamos a temperaturada mistura de gases até o valor necessário para reaquecer o vapor na pressãointermediária. Deste modo reduzimos drasticamente o consumo de biogásviabilizando o processo para a quantidade disponível, sem perder a vantagemdo elevado rendimento termodinâmico decorrente do reaquecimento do vaporna pressão intermediária. Este vapor reaquecido é usado em uma turbina avapor de condensação enquanto o restante de vapor que não foi extraído éexpandido na turbina de contrapressão até a pressão do vapor de processo,em geral 2,5 bar.

ESTADO DA TÉCNICA

O uso de usinas com ciclo combinado consorciando gás natural ecombustíveis sólidos é comum e de uso consagrado. A usina de incineração delixo espanhola de Zabalgarbi, na cidade de Bilbao, descrita no Anexo 1, utilizaum processo de ciclo combinado modificado onde o vapor saturado, produzidoem uma caldeira convencional situada no interior do incinerador de lixo, ésuperaquecido pelos gases de escape de uma turbina a gás natural em outracaldeira de recuperação externa ao incinerador. Este processo permitesuperaquecer o vapor até 540°C na pressão de 100 bar, sem o uso demateriais especiais nos tubos, aumentando o rendimento termodinâmico dausina. O inconveniente deste sistema se deve ao elevado consumo de gásnatural que representa cerca de 78% da energia total consumida pela usina.Varias patentes nos EUA entre elas U.S.Pat. No. 5.724.807, U.S.Pat. No.4.882.903, U.S.Pat. No. 4.957.049, U.S.Pat. No. 4.852.344. e U.S.Pat. No.5.072.675 abordam a vantagem do gás natural para aumentar o rendimento dausina mas não atacam o problema do elevado consumo de gás natural, umcombustível fóssil, nem maneiras de reduzi-lo. O sistema proposto nestapatente mantém o elevado rendimento termodinâmico das usinas biomassa-energia com biogás e/ou gás natural e similares mas reduz bastante oconsumo de biogás. O autor deste pedido de patente apresentou junto ao INPIo pedido de patente PI0701249-7 para usinas termelétricas a gásnatural/resíduos sólidos urbanos(lixo) que utiliza princípio semelhante.

DESCRIÇÃO DO SISTEMA

Considere a Figura 1. Foi considerado um ciclo de vapor com duaspressões (67 bar/480°C e 16 bar/380°C) e reaquecimento, apenas para efeitode exemplificar os resultados numéricos, porém outras pressões etemperaturas compatíveis podem ser adotados sem prejuízo do processo. Amáquina térmica (10) deve ser especificada para suprir apenas o consumopróprio aproximado da usina, em geral cerca de 10% da produção total daplanta. Esta máquina recebe a energia térmica E1 do biogás (ou similar),transforma parte desta energia diretamente em energia elétrica (geradorelétrico W1), e do restante da energia uma parte vai para os gases de exaustãoe outra parcela é perdida para o meio ambiente . Os gases de exaustão damáquina térmica, em geral entre 400°C e 600°C, são misturados com ar puro,pré-aquecido a temperatura T3' entre 350°C e 400°C nos trocadores de calor(9) e (13). A mistura, à temperatura TO aproximadamente igual a 425°C,recebe energia adicional E2 no queimadores de biogás suplementar (11) demodo a elevar a temperatura do vapor de pressão intermediária (16 bar/300°C)no superaquecedor (2). Após ceder calor ao vapor no superaquecedo os gasesa temperatura T2, aproximadamente igual a 410°C, pré-aquecem o ar demistura mencionado acima a cerca de 380°C e são resfriados a valores T2'aproximadamente igual a 300°C no trocador de calor (13). Opcionalmentepodemos usar estes gases a T2' para preaquecer a água de alimentação noeconomizador (3) sendo resfriados a T2". Estes gases são misturados com arpuro pré-aquecido a 160°C no trocador de calor (9) com os gases decombustão da caldeira de bagaço, resultando numa mistura a 14' entre 160°Ce 200°C que é usada como ar de combustão na grelha da caldeira de bagaço(14) com concentração de oxigênio entre 18% e 20% em volume. Este araquecido e ligeiramente empobrecido reduz a formação de NOx no incineradoralém de promover a secagem do bagaço na ante-câmara de combustão. Avazão de ar de combustão é ajustada para que os gases recebam a energiatérmica do bagaço E4 e deixem a grelha de combustão a temperatura TI entre950°C e 1050°C. Esta temperatura é abaixada para TR, através da recirculação(25) opcional de parte dos gases que saem dos trocadores (8) e (9) àtemperatura T10. Na seção de paredes d'água a temperatura é reduzida paraTR, cerca de 750°C, e cede o calor na caldeira de recuperação composta dostrocadores de calor (4), (5), (7), (8) e (9), que são respectivamente: evaporador,superaquecedor (67 bar/480°C) economizadorl, economizador2 e pré-aquecedor de ar. Como a temperatura T7 dos gases deixando oeconomizadorl (7) é de cerca de 200°C, poderá ocorrer condensação de gasesácidos nos economizadores (8) e (9). Neste caso empregamos trocadores decalor de condensação com tubos revestidos de teflon para (8) e de vidro outeflon para (9). Os gases deixam os últimos trocadores de calor (8) e (9) àtemperatura T10 a cerca de 90°C e são dirigidos para a chaminé (16). O vaporsuperaquecido a 67 bar/480°C no superaquecedor (5) alimenta as turbinas avapor de contrapressão (17) e (23), com pressão de descarga igual a do vaporde processo de 2,5 bar gerando energia elétrica W2 e W4. O vapor extraído napressão intermediária corresponde ao excesso acima do vapor de processo e éreaquecido a cerca de 40Ò°C no reaquecedor (2) como descrito acima eexpandido na turbina de condensação (18) gerando a potência elétrica W3.

Após a turbina o vapor é condensado em (19) e (24) e bombeado por (20) até apressão de 2,5 bar retornando ao economizador (8) de baixa pressão e emseguida para o desaerador (27) retornando para o desaerador (27). Nodesaerador o líquido saturado a 2,5 bar é bombeado por (21) até a pressão de67 bar para o economizador (7) de alta pressão e em seguida ao evaporador(4), (22) onde o vapor saturado a 67 bar/283°C é gerado. Algumas usinasantigas utilizam acionamento mecânico para os dispositivos de produção deetanol e açúcar e neste caso a extração de vapor deve ser maior para acionarturbinas de contrapressão (25) descarregando na pressão de processo 2,5 barjunto com a turbina (23). O vapor de processo é direcionado para a usina decana (26) e após o processo retornando ao desaerador. Parte do vapor deprocesso (5') é usada para promover a saturação do desaerador (27).

DESCRIÇÃO DETALHADA DO SISTEMAA usina pode funcionar tanto em ciclo combinado como foi descrito acimaou como ilustrado na Figura 2, sem a turbina/motor a biogás. Neste caso bastaaumentarmos a vazão de ar puro pré-aquecido a T3' e ajustarmos asquantidades de biogás no queimador (11) de modo a superaquecer o vapor deacordo com os mesmos valores do caso anterior. No caso da Figura 1, usamosum motor a gás de 8,034 MWe com rendimento 41,9%. Com gases de escape12,453 Kg/s a 467°C. A capacidade da caldeira de bagaço é de 5340 ton/diacom PCI de 1800 Kcal/Kg, correspondendo a uma potência térmica de 466MWt. O ciclo de vapor adotado foi 67 bar e 480°C, na alta pressão; 16 bar e380°C, na baixa pressão e pressão do condensador 0,1 bar. A quantidade devapor de processo é de 356 tv/h. As eficiências isentrópicas das turbinas avapor são de 82% e 87% para alta e baixa pressão. Considerando-se que ausina toda (cana e bagaço) consome 28,3 MWe a energia elétrica líquidaexportada para a rede é de 99,3 MWe. Neste caso o consumo total de biogás éde 28 MWt. Estes valores correspondem a cerca de 112 KWh/ton de cana oucerca de 60% a mais de energia do que as modernas usinas a bagaço.

VANTAGENS E ORIGINALIDADE DO SISTEMA

A patente solicitada resolve os dois principais problemas das usinas abagaço de cana: poluição ambiental causada pela vinhaça e baixa eficiênciatermodinâmica. A principal vantagem é o reduzido consumo de biogás quecompatibiliza o biogás disponível com a quantidade de cana processada. Alémdo expressivo ganho de eficiência há também uma redução do custo da usinadevido a redução da pressão (e temperatura) da caldeira o que significatambém menor custo de O&M. Sem prejuízo das vantagens do sistemaproposto, o ciclo de vapor usado nos cálculos pode ser modificado visando aotimização da planta segundo critérios técnicos e /ou econômicos, sem prejuízoda elevada eficiência da usina. Tais critérios poderão envolver custo equantidade do biogás , custo dos equipamentos, custo de manutenção, créditosde carbono pelo biogás queimado, receitas da venda de energia, etc...

Claims (5)

1. Uma usina termelétrica movida a bagaço de cana de açúcar (biomassa, ousimilares) e biogás (ou outro(s) combustível(eis) líquido(s) ou gasoso(s))caracterizada por compreender:a) Uma caldeira de bagaço de cana com ou sem paredes d'água composta de,evaporador(es), superaquecedores e economizador(es).b) Uma ou mais turbina(s) ou motor(es) e gerador(es) elétrico(s) a biogás ououtros combustíveis líquidos ou gasososc) Um ou mais superaquecedor(es), externos ao incinerador, parareaquecimento do vapor extraído da turbina de alta pressão usando os gasesde exaustão do motor (turbina) a biogás (ou similar) misturados ao ar ambientepré-aquecido com ou sem queima de biogás suplementar.d) Uma ou mais turbinas a vapor de contra-pressão e de condensação egerador(es) elétrico(s).e) Um sistema opcional de lavagem de gases antes da chaminé.f) Um sistema de tratamento das cinzas.g) Um desaerador para remoção do oxigênio da água e controle da pressão dosistema.

2. Os superaquecedores externos da reivindicação 1 são caracterizados pelofato do(s) tubos do(s) superaquecedor(es) poderem ser aletados uma vez queos gases por serem limpos são livres da fuligem presente nos gasesprovenientes do incinerador de bagaço.

3. Os superaquecedores externos da reivindicação 1 são caracterizados pelofato de logo após os superaquecedores existir um pré-aquecedor de ar puropara recuperar a energia térmica ainda presente nos gases deixando o(s)superaquecedor(es) reduzindo o consumo de biogás suplementar parasuperaquecer o vapor antes da turbina a vapor de condensação.

4. A caldeira de bagaço da reivindicação 1 é caracterizada pelo fato de após amesma existir um economisador e um pré-aquecedor do ar ambiente paracombustão do bagaço e/ou do biogás suplementar do tipo CHX ("condenserheat exchanger" - trocador de calor de condensação, com tubos de teflon ouvidro) ou de outro material resistente à corrosão revestidos ou não com teflon.No caso do CHX pode-se abaixar a temperatura dos gases a valores bastantereduzidos, evitando a corrosão dos tubos devido a condensação dos gasesácidos, aumentando-se a eficiência da usina.

5. Uma usina termelétrica movida a bagaço de cana de açúcar (biomassa, ousimilares) e biogás (ou outro(s) combustível(eis) líquido(s) ou gasoso(s)) emtudo semelhante aquela descrita nas reivindicações 1 a 4, acima, caracterizadapelo fato da não existência da máquina térmica (turbina ou motor a biogás ousimilar). O reaquecimento no(s) superaquecedor(es) externo(s) dareivindicação 1 é obtido aumentando-se a vazão de ar ambiente pré-aquecidono trocador de calor após o(s) superaquecedor(es) usando-se biogássuplementar para se atingir a temperatura desejada para o vapor da turbina decondensação.