Análise e otimização termo-econômica-ambiental aplicada à produção combinada de açúcar, álcool e eletricidade [thesis]

Luiz Felipe Pellegrini
pela confiança depositada em mim nos últimos cinco anos para desenvolvimento desse trabalho. Pela orientação segura, pelas discussões, oportunidades de expor as minhas idéias, almoços no Clube, enfim, pelo comprometimento e amizade ao longo dos anos. À Kerli Saori Ueda, minha namorada, pelo seu apoio incondicional, compreensão e carinho, um porto seguro nos momentos difíceis. À minha mãe, Rosa Maria Pescarin Pellegrini, pelo suporte e carinho durante toda a minha vida, um exemplo para mim. Esta
more » ... conquista também é dela. Ao meu irmão, Luiz Fernando Pellegrini, pela amizade e companheirismo desde sempre. Ao amigo Celso Yukio Nakashima, que no início deste trabalho mostrou alguns "atalhos" da vida acadêmica. A los compañeros del laboratorio, Héctor Iván com quem tive a oportunidade de trabalhar em diversos assuntos e também aprendi a delegar tarefas e orientar para obter os resultados adequados. Aos amigos da análise exergética em aviões, Ricardo Gandolfi, Guilherme A. L. da Silva, Cesare Tona e Paolo Raviolo. Palavras-chave: Usinas sucroalcooleiras. Otimização. Exergia. Termoeconomia. Renovabilidade. Poligeração. v ABSTRACT This thesis aims at obtaining optimal configurations of cogeneration systems for sugarcane mills, analyzing its impacts on the production of sugar, ethanol and electricity. In this sense, it is proposed the assessment of the rational use of energy inside the mill, using exergy and thermoeconomic analysis as evaluation tools of each alternative based on different criteria: thermodynamics, economics and finance, and environmental impacts. After a brief discussion regarding the different energy conversion processes used in sugarcane mill, an exergy analysis is developed in order to identify the main sources of irreversibilities, and also to propose alternatives to improve the thermo-economic-environmental performance of the mill. The cogeneration system is shown to be the process which generates more entropy among all; hence different configurations are developed, including changes in the sugar and ethanol production processes. These modifications include: higher steam temperature and pressure in the boiler, better thermal integration among the processes, electrification of the milling system, and the use of more advanced cogeneration systems, considering supercritical steam systems and biomass integrated gasification combined cycles. For the evaluation the impact of these configurations on the thermodynamic performance of the mill, it is used the exergybased cost. It is shown that the higher the generation of excess electricity is, the better is the thermodynamic performance of the mill. Advanced cogeneration systems are able to generate much more electricity than conventional ones. This means a better profitability of those, increasing the importance of electricity for the profit of the mill. Economical feasibility analyses show that the best option for power generation in conventional cogeneration systems is with steam temperature of 480°C and pressure of 67 bar, while electrification of mills are only interesting if there is a need of replacement the turbines due to increasing capacities or end of lifetime. Supercritical steam system is more economic attractive than combined cycles based on atmospheric gasification. Finally, a discussion on the renewability of processes is made based on an exergy index of renewability. Polygeneration. vi xvii GLOSSÁRIO DE TERMOS DA AGROINDÚSTRIA CANAVIEIRA Conforme destaca Fernandes (2003), a terminologia adotada pela indústria canavieira nem sempre é a mesma em todas as empresas e regiões do país. Ainda, uma série de fluxos materiais recebe nomes não usuais na literatura acadêmica, porém sem similar adequada. Portanto, a seguir serão listados os termos utilizados nessa tese para nomear alguns dos fluxos materiais relacionados a usinas. Açúcares Redutores Totais: representam todos os açúcares da cana na forma de açúcares invertidos (mistura eqüimolar de glucose e frutose, obtida pela hidrólise da sacarose) Água de Embebição: água utilizada na moenda para facilitar a extração dos açúcares da cana. Bagaço: resíduo fibroso resultante da moagem da cana de açúcar, constituído de fibra mais caldo residual. À saída da moenda, sua umidade é aproximadamente 50%. Bagacilho: a fração de partículas muito finas separada do bagaço e utilizada como auxiliar de filtração do lodo dos decantadores para separação do caldo filtrado. Brix: expressa a porcentagem em peso de sólidos solúveis contidos em uma solução. Caldo : solução de água, açúcares e outros sólidos solúveis. Caldo Bruto: caldo obtido após a passagem da cana pelas moendas. Caldo Clarificado: caldo resultante do processo de clarificação (após o tratamento). Caldo Filtrado: caldo recuperado do lodo decantado. Caldo Misto: mistura do caldo bruto com o caldo filtrado. Flegma: corrente hidroalcoólica extraída da coluna de epuração do vinho. Fibra: é a matéria insolúvel em água contida na cana. Leite de Cal: suspensão inorgânica que consiste de hidróxido de cálcio e água.
doi:10.11606/t.3.2008.tde-14052009-180026 fatcat:jypbck6gd5b3bpv33mnbfet3ei