BR102016029305A2 - usinas termelétricas híbridas a bagaço de cana e gás natural de alta eficiência - Google Patents

Description

(54) Título: USINAS TERMELÉTRICAS HÍBRIDAS A BAGAÇO DE CANA E GÁS NATURAL DE ALTA EFICIÊNCIA (51) Int. Cl.: F22B 1/00; F22B 33/10; F01D 15/10 (73) Titular(es): SÉRGIO VIEIRA GUERREIRO RIBEIRO (72) Inventor(es): SÉRGIO VIEIRA

GUERREIRO RIBEIRO; SÉRGIO VIEIRA GUERREIRO RIBEIRO

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: USINAS TERMELÉTRICAS HÍBRIDAS A BAGAÇO DE CANA E GÁS NATURAL DE ALTA EFICIÊNCIA.

CAMPO DA INVENÇÃO [001] Trata-se de patente de invenção na área de geração de energia elétrica e vapor de processo em usinas termelétricas movidas a biomassa, em especial bagaço de cana, ou qualquer outro combustível que possa ser queimado em caldeiras como resíduos sólidos urbanos (RSU), consorciados com gás natural ou combustíveis similares como biogás, gás de síntese, diesel, biodiesel e outros combustíveis liquidos e gasosos.

[002] Em usinas termelétricas convencionais, queimando apenas um combustível como gás natural,ou óleo combustível e similares, em motores ou turbinas é comum o aproveitamento da energia térmica presente nos gases de escape destas máquinas térmicas para a geração de vapor em caldeiras de recuperação. Este vapor poderá ser expandido em uma turbina a vapor, gerando energia adicional, ou usado diretamente em processos industriais, aumentando consideravelmente o rendimento global da usina. Este processo chama-se Ciclo Combinado e/ou cogeração e é de uso corrente em diversas usinas no mundo. No caso das usinas queimando bagaço de cana, uma grande parte do vapor produzido na caldeira é usada no processo de produção de álcool e/ou açúcar. O vapor produzido na caldeira passa pela turbina onde o vapor de processo, em geral saturado a 2,5 bara, é extraído. O restante do vapor escoa até a pressão do condensador, em torno de 0,1 bara, gerando mais energia. Este processo pode ocorrer também em duas turbinas distintas uma de contrapressão e outra de condensação sendo o vapor destinado a cada uma delas separado na saída da caldeira.

[003] Em usinas termelétricas apenas para geração elétrica para se elevar o rendimento termodinâmico deve-se aumentar a temperatura e pressão do vapor sendo que as mais modernas usinas a bagaço de cana chegam a 120 bar/545°C. O problema é que neste caso a vazão total de vapor produzido na caldeira é menor, do que o caso mais comum 67 bar/480°C, e como tanto a quantidade de bagaço disponível quanto a demanda de vapor de processo são fixas, em função da quantidade de cana processada, sobra menos, ou nenhum, vapor para o ciclo de condensação mais eficiente.

[004] O ganho de eficiência da usina não é diretamente proporcional as eficiências dos ciclos de vapor (contrapressão e condensação) porque a vazão de processo, para o ciclo de contrapressão, permanece constante reduzindo a vazão no ciclo de condensação mais eficiente. Apesar de haver um ganho líquido em geral o custo desta solução não compensa o investimento. Uma maneira de resolver este problema, e aumentar a eficiência destas usinas com menor custo, é usarmos pressões elevadas, acima de 100 bar, e baixo superaquecimento, menor que 480°C, na caldeira de bagaço.

[005] Para evitar vapor úmido para o processo e umidade elevada na saída da turbina de condensação, introduzimos o reaquecimento a uma pressão intermediária entre 15 e 30 bar. Este reaquecimento é feito externamente a caldeira usando os gases de exaustão de uma pequena turbina ou motor a gás natural (ou similares). Neste caso quando há a queima de dois

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Λ/ i X' combustíveis distintos, biomassa e gás natural por exemplo, o processo é denominado Ciclo Híbrido. Se a energia dos gases de exaustão da turbina a gás for insuficiente podemos usar a queima suplementar de gás natural em queimador de duto para reaquecer o vapor de baixa pressão. Caso o gás natural/biogás não esteja disponível podemos reaquecer o vapor de baixa pressão desviando uma parte do vapor da turbina de alta pressão e misturando com o vapor de escape deste turbina.

[006] Neste ciclo, como o vapor de escape da turbina de alta pressão não retorna a caldeira como nos ciclos convencionais de reaquecimento, a produção total de vapor continua elevada sobrando mais vapor para a condensação que é o ciclo mais eficiente. Como após o reaquecedor externo a temperatura dos gases da turbina a gás ainda é elevada pode ser usada para pré-aquececer o ar de combustão da caldeira e/ou do queimador de gás natural ou ainda a água de alimentação da caldeira. Este procedimento economiza bagaço que pode ser usado na entressafra na turbina de condensação com eficiência muito elevada, superior a 30% o que viabiliza a compra adicional de bagaço para queima na entressafra se necessário.

ESTADO DA TÉCNICA [007] O uso de usinas com ciclos híbridos consorciando gás natural e combustíveis sólidos é comum e de uso consagrado. O autor deste pedido de patente de invenção já teve a Carta Patente No. PI-0804980-7 (USINAS TERMELÉTRICAS A BAGAÇO DE CANA E BIOGÁS DE ALTA EFICIÊNCIA) concedida pelo INPI em 25/03/2014. Esta compreende várias características abordadas no presente pedido porem este introduz outras não consideradas na Carta Patente citada como a possibilidade de operar, com menor potência, sem gás natural através do reaquecimento com vapor vivo e geração adicional de vapor através do dessuperaquecimento do vapor de baixa pressão ou queima suplementar de gás natural.

[008] Esta última característica aumenta a capacidade da usina de produzir instantaneamente mais vapor do que a caldeira produz podendo atender a transientes repentinos de demanda de vapor de processo. Esta capacidade da usina operar sem gás natural, ainda com elevada eficiência, remove a maior resistência aos ciclos híbridos que era a grande dependencia em relação ao gás natural.

[009] A usina de incineração de lixo espanhola de Zabalgarbi, na cidade de Bilbao, utiliza um processo de ciclo híbrido onde o vapor de alta pressão levemente superaquecido, produzido em uma caldeira convencional queimando resíduos sólidos urbanos (RSU), é superaquecido / reaquecido externamente pelos gases de escape de uma turbina a gás natural em uma caldeira de recuperação externa ao incinerador. Este processo permite superaquecer o vapor até 540°C na pressão de 100 bar, sem o uso de materiais especiais, resistentes a corrosão, nos tubos do superaquecedor da caldeira de RSU, aumentando o rendimento termodinâmico da usina. O inconveniente deste sistema se deve ao elevado consumo de gás natural que representa cerca de 78% da energia térmica total consumida pela usina. O grande consumo de gás natural, aliado a impossibilidade da usina de operar sem este combustível, tem

3/5 causado prejuízos financeiros a usina devido ao custo elevado do gás natural na Espanha.

[010] Várias 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 da usina mas não atacam o problema do elevado consumo de gás natural, um combustível fóssil, nem maneiras de reduzí-lo e muito menos abordam o problema da falta deste insumo.

[011] Também as patentes citadas não visam satisfazer a necessidade de vapor de processo nas usinas de cana de açúcar, antes da geração de energia elétrica com maior eficiência. O sistema proposto nesta patente mantém o elevado rendimento termodinâmico das usinas biomassa-energia com biogás e/ou gás natural e similares mas reduz bastante o consumo de gás para valores menores que 20% na energia total de combustível (gás + bagaço) e podem operar com menor potência, embora ainda superior aos processos convencionais sem reaquecimento, sem nenhuma queima de gás natural.

DESCRIÇÃO DO SISTEMA [012] Considere a Figura 1. O sistema utiliza uma pequena turbina a gás natural (9) (ou máquina térmica similar como motor a gás) para reaquecer o vapor de escape D da turbina de alta pressão (2) antes deste ser enviado para a turbina de baixa pressão (4). A usina pode funcionar tanto no modo normal, queimando gás natural na turbina a gás (9) e no queimador de duto (10), se necessário para controlar as temperaturas de saída do vapor 11 e J da turbina de baixa pressão (4), como no modo sem gás natural através do reaquecimento com vapor vivo C extraido da caldeira (1) a 100 bar/450°C passando pela válvula de redução de pressão (13). A temperatura de reaquecimento do vapor de baixa pressão H é ajustada através da queima suplementar de gás (E2) no queimador (10) e/ou desvio de vapor de alta pressão (F) com ou sem dessuperaquecimento com água de alimentação V1 extraída após a bomba de alimentação (14) de alta pressão da caldeira.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO SISTEMA [013] Considere a Figura 1. Foi considerado um ciclo de vapor com duas pressões (100 bar / 450°C e 22 bar /330°C) e reaquecimento, apenas para efeito de exemplificar os resultados numéricos, porém outras pressões e temperaturas compatíveis podem ser adotados sem prejuízo do processo. A turbina gás ou máquina térmica (9) deve ser especificada de modo a ter energia suficiente no escape para reaquecer o vapor antes da turbina de baixa pressão (4). Podemos usar um queimador de duto (10) para ajustar a performance do reaquecedor desde que a quantidade de gás queimada (E2) não seja muito elevada. Esta máquina recebe a energia térmica (E1) do gás natural (ou similar), transforma parte desta energia diretamente em energia elétrica (gerador elétrico W1), e do restante da energia uma parte vai para os gases de exaustão (V) e outra parcela é perdida para o meio ambiente . Os gases de exaustão (V) da turbina gás, em geral entre 400°C e 600°C, podem receber energia adicional (E2) no queimador de gás suplementar (10) de modo wAuStrig/

4/5 a elevar a temperatura do vapor de pressão intermediária (22 bar) até aproximadamente 330°C no reaquecedor externo (3). Após ceder calor ao vapor no reaquecedor os gases (Y), a temperatura maior que 350°C, podem ser usados para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira no trocador de calor (12) e/ou o condensado no trocador de calor (11). O ar de combustão (Q) da caldeira é pré-aquecido no trocador de calor (6), externo a caldeira, projeto de modo a ser resistente à corrosão pela condensação dos gases ácidos dos gases de combustão da caldeira (1).

[014] A caldeira (1) recebe bagaço, ou qualquer outro combustível compatível (T), ar de combustão pré-aquecido (S) e água de alimentação (U1) produzindo vapor superaquecido (C) a 100 bar / 450°C. Uma parte deste vapor (E) pode ser desviado através da válvula (13) para reaquecimento do vapor de baixa pressão (D) na saída da turbina a vapor de alta pressão (2). Após a turbina de alta pressão (2) o vapor (D) pode receber o vapor (F) após a vávula (13) , água de dessuperaquecimento (V1) da bomba de alimentação da caldeira (14) e o vapor resultante (X1) dirigido ao reaquecedor (3), onde recebe calor dos gases da turbina a gás (X), saindo a 22 bar/330°C (H) indo para a turbina a vapor de baixa pressão (4). Uma parte (A2) do vapor de baixa pressão (X1) pode ser usada para a saturação do desaerador antes do reaquecedor (3). O restante do vapor de baixa pressão (H) escoa pela turbina de baixa pressão (4). Esta turbina de baixa pressão (4) possui uma extração (11), em geral a 2,5 bar, parte para o processo (I) e parte (A) para pré-aquecer o condensado (K1) no trocador de calor (14) antes do desaerador (7). O restante do vapor (J) é condensado no condensador (15), misturado com o condensado proveniente do trocador (14), e bombeado por (16) até o desaerador (7) passando pelos economizadores (14) e (11), aquecido com gases da turbina a gás após o trocador de calor (12), pré-aquecedor de água de alimentação, antes da chaminé (8). Após o economizador de condensação (11) o condensado M vai para o desaerador (7). No desaerador (7), que alem do condensado (M), recebe de água de makeup (N), água subresfriada do processo (N2) e vapor a 22 bar (A2), extraído antes do reaquecedor (3), a pressão é ajustada através da extração N1 para a saturação e o líquido saturado (B) é bombeado pela bomba de alimentação (14) para a caldeira (U), passando antes pelo economizador (12) de alta pressão e daí para a caldeira (U1). Os gases provenientes da turbina a gás que deixam o reaquecedor (3) em (Y) pré-aquecem tanto a água de alimentação (U), em (12), como o condensado L, em (11), antes de irem para a chaminé (Z1). A pressão do desaerador (7) deve ser a mais alta possível para maximizar a eficiência do ciclo termodinâmico. Esta característica alem de reduzir o consumo de bagaço também reduz o tamanho, e o custo, da caldeira.

VANTAGENS E ORIGINALIDADE DO SISTEMA [015] A vantagem desta configuração, alta pressão e baixo superaquecimento é manter uma grande produção total de vapor, satisfazendo o processo de produção de açúcar e etanol, após a turbina de contrapressão e sobrando mais vapor para a turbina de condensação durante a safra.

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%0/πϋϋ^ [016} Como também há economia de bagaço na safra, tanto pela maior produção de vapor por tonelada de bagaço como pelo uso do gás natural no pré-aquecímento da água de alimentação da caldeira, haverá sobra para a operação da usina na entressafra e como não há necessidade de vapor de processo, todo o vapor é condensado permitindo a geração de energia elétrica o ano todo com uma caldeira de biomassa, em geral, com menor investimento.

[017] Mesmo que haja necessidade de pequena compra de bagaço para operação da entressafra, como a eficiência do ciclo de condensação é elevada, superior a 30%, o preço do bagaço não irá inviabilizar a operação na entressafra. Pelo contrário haverá margem de lucro elevada que trará bom retorno ao investidor com preço da energia muito menor do que as térmicas atuais a 100% a óleo e/ou a gás natural.

[018] A parcela de gás natural é menos de 20% da parcela total de combustível consumido (bagaço+gás) porem a energia gerada pode atingir valores entre 80% e 100% a mais do que seria gerado em uma usina convencional (67 bar/520°C) consumindo a mesma quantidade de bagaço.

[019] A patente solicitada também permite substituir parte do bagaço pela palha que em geral é deixada no campo pois sua queima apresenta riscos de corrosão no superaquecedor da caldeira devido a presença do cloro que é acentuada em elevadas temperaturas de superaquecimento o que não acontece no caso presente.

[020] Outra vantagem em relação as demais usinas híbridas é a possibilidade de operar sem gás natural através do reaquecimento com vapor vivo, com menor eficiência, porem ainda com eficiência maior do que as usinas convencionais sem ciclo de reaquecimento.

[021] Sem prejuízo das vantagens do sistema proposto, o ciclo de vapor usado nos cálculos pode ser modificado visando a otimização da planta segundo critérios técnicos e /ou econômicos, mantendo a elevada eficiência da usina. Tais critérios poderão envolver custo e quantidade do gás , custo dos equipamentos, custo de manutenção, receitas da venda de energia, consumo de vapor de processo, consumo próprio de energia, pressões e temperaturas do ciclo de vapor, etc...

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Claims (1)

1. REIVINDICAÇÕES:

   1. Uma usina termelétrica movida a bagaço de cana (biomassa, RSU ou similares) e gás natural (ou outro(s) combustível(eis) líquido(s) ou gasoso(s)) de alta eficiência, mostrada na Figura 1, caracterizada por compreender:

   a) Uma caldeira 1 queimando bagaço de cana T gerando vapor de alta pressão C recebendo ar de combustão S e água de alimentação U1;

   b) Uma turbina a vapor de contra-pressão e alta pressão 2 e uma turbina a vapor de baixa pressão 4 com extração para processo 11 e condensação do restante do vapor J no condensador 15 todas acionando respectivos geradores elétricos W2, W3 e W4 podendo ou não estarem no mesmo eixo;

   c) Uma turbina 9 a gás natural E1 ou outros combustíveis líquidos ou gasosos acionando o gerador elétrico W1;

   d) Um reaquecedor 3 externo a caldeira, para reaquecimento do vapor X1 proveniente da turbina de alta pressão 2 com os gases de exaustão X da turbina a gás 9 e do queimador de duto 10 queimando gás natural E2;

   e) Uma válvula de “bypass” 13 para desviar vapor E da turbina de alta pressão 2 para reaquecer o vapor de escape da turbina de alta pressão D até o estado G que recebe dessuperaquecimento com água V1 da saída da bomba de alimentação 14 da caldeira 1 resultando na mistura de vapor no estado X1 para o reaquecedor 3 onde é reaquecido até H antes da turbina a vapor de baixa pressão 4 com os gases quentes X provenientes da turbina a gás natural 9 e do queimador de duto 10 ;

   f) Um economizador 11 para pré-aquecimento do condensado L com os gases Z de escape do reaquecedor 3 após o aquecedor de água de alimentação 12 ;

   g) Um aquecedor de alta pressão 12 da água de alimentação U da caldeira 1 até U1 com os gases Y provenientes do reaquecedor de vapor 3 sendo que estes gases Z são dirigidos para o economizador 11 após o economizador 12;

   h) Um desaerador 7 que recebe condensado IVI bombeado pela bomba 16 que aspira água subresfriada K, resultante da mistura do líquido saturado J1 deixando o condensador 15 com a água subresfriada deixando o economizador 14 alimentado por vapor de extração A da turbina de baixa pressão 4, o desaerador 7 também recebe água de makeup N, água subresfriada retornando do processo N2 e vapor de baixa pressão A2 extraído antes do reaquecedor externo de vapor 3;

   i) Um economizador 14, para pré-aquecimento do condensado K1, com vapor de extração A da turbina de baixa pressão 4 localizado antes do economizador 11 descrito no item f);

   j) Um pré-aquecedor de ar de combustão 6, resistente a corrosão, na saída da caldeira 1 resfriando os gases da caldeira 1 de O a P;

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