5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 1/7

1

REUSO DE ÁGUA NA COGERAÇÃO DE ENERGIA

Por : ARNO ROTHBARTH

INTRODUÇÃO

Há muito tempo a preocupação com o consumo de água é uma constante nos assuntospertinentes ao meio ambiente. A água é um bem comum, e, portanto, um direito difuso de todosos cidadãos. Também tem sido objeto de discussão a reutilização da água em alguns processos esempre é mencionado o desperdício deste bem renovável. A água tem inúmeras aplicações,sendo a mais importante a água potável para a população. Entretanto, cada dia que passa, atecnologia avança e novos processos industriais são desenvolvidos para fornecer outros tipos deserviços ao bem estar social, como a energia elétrica e o calor. A água está presente nesteprocesso através da Cogeração de Energia, que é o aproveitamento de diferentes tipos deenergia desenvolvido em um mesmo processo. Na cogeração o reuso da água produz doisbenefícios simultâneos que é o não desperdício de energia (calor) e da própria água.

A ÁGUA NA COGERAÇÃO DE ENERGIA

Como sabemos, o Brasil é um país que tem sua matriz energética estabelecida na geração deenergia hidráulica através de dezenas de hidroelétricas com turbinas do tipo Pelton ou turbinasFrancis, como é o caso da hidroelétrica de Itaipu.

As grandes hidroelétricas mais as PCH – Pequenas Centrais Hidroelétricas são responsáveis poraproximadamente 93% da energia consumida no Brasil .

Com o desenvolvimento da indústria e as constantes dúvidas sobre o futuro do petróleo e do

carvão, principalmente no hemisfério norte, foram desenvolvidos novos sistemas de geração devapor, já com a conscientização do maior aproveitamento possível das energias envolvidas(mecânica, térmica, cinética, etc.) e de outros recursos naturais envolvidos  –  combustíveisrenováveis (biomassa, cana de açúcar) e a água. Surgiu então o processo de cogeração, que acada dia toma mais força na análise energética das empresas e dos países em todo o planeta.

A água tem uma distinção muito merecida na cogeração, pois é um recurso natural e é oprincipal meio de transporte de energia (térmica) nos processos industriais. Podemos listar osprincipais usos da água nos processos industriais, incluindo a cogeração:

  Diluição M. Prima   Refrigeração   Geração de vapor

  Resfriamento   Água potável   Processo

Especificamente na cogeração a água é utilizada na geração de vapor, nas torres de resfriamentoatravés de trocadores de calor, e nos procedimentos de tratamento de água para regeneração deresinas ou limpeza de filtros de membranas.

A GERAÇÃO DE ENERGIA

Atualmente quase 40% de toda a energia elétrica produzida no mundo é feita através da geraçãode vapor a partir do carvão mineral. Diferente do modelo mundial, no Brasil a energia elétrica é  produzida através da água “in natura”, ou seja, através das hidroelétricas que corresponde a 

aproximadamente 93%.

5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 2/7

2

Em vários setores industriais, passou-se a utilizar a biomassa como uma fonte nobre de geraçãode energia, tais como os setores de celulose, sucroalcooleiro e agroindústrias. Resíduosflorestais (casca de pinus, eucalipto, acículas) e o bagaço de cana de açúcar deram impulso àcogeração de energia.

Para fazer o melhor uso destes combustíveis na geração de eletricidade, as empresas destes

setores passaram a utilizar caldeiras de alta pressão ( acima de 85 bar ) gerando vapor para asturbinas e o vapor remanescente é utilizado nos processos industriais como agente deaquecimento, ou seja, como transportador de calor.

A escolha do processo de cogeração será definida a partir de balanços de massa e de energia,objetivando o melhor rendimento em cada etapa. As escolhas que nos referimos são sobre o tipode turbina que será utilizada na geração de vapor e de energia elétrica:

  Turbina de contrapressão

  Turbina de contrapressão com extração

  Turbina de condensação

  Turbina de condensação com extração

A escolha recai sobre o rendimento energético e a aplicação do vapor no processo. Orendimento energético inclui o rendimento do combustível, do gerador de vapor, do gerador deeletricidade e da dissipação de calor para a atmosfera. Na figura abaixo está um ciclo decogeração com geração de vapor em uma caldeira em uma turbina de contrapressão comextração. O combustível pode ser gás natural, lixívia, biomassa ( madeira, bagaço de cana).

Figura – 01 - Sistema com contra-pressão

Os rendimentos são calculados separados: rendimento da caldeira, rendimento da turbina erendimento do gerador de energia elétrica. De forma geral, quanto maior for a “entalpia” dovapor enviado ao turbo gerador, maior deverá ser o rendimento do conjunto.

Na próxima figura, é apresentado um ciclo mais completo, com extração e condensação.

5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 3/7

3

Figura – 02 - Ciclo com extração e condensação

Ainda existe o ciclo combinado, onde se utiliza uma turbina a gás que gera calor e energiaelétrica no primeiro ciclo e aproveita o calor dos gases de exaustão para gerar vapor em umacaldeira, chamada de recuperadora, onde completa o ciclo utilizando uma turbina a vapor queirá gerar mais uma quantidade de energia elétrica.

O TRATAMENTO DA ÁGUA E DO VAPOR

Nestes processos de cogeração a água é utilizada principalmente na caldeira e na torre deresfriamento. Dependendo da localização da indústria ou da termoelétrica, teremos diferentestipos de água, quanto a sua natureza físico-química. A água pode ser captada de rios, lagos,poços artesianos e até mesmo do mar. Então, a água pode ter qualquer origem, mas, o

tratamento que será necessário varia de acordo com a qualidade da água.A água dos rios traz dissolvido ou em suspensão, gases, matéria orgânica, sais de diferentestipos de metais, e antes de ser utilizada precisa ser tratada para a eliminação seletiva decontaminantes. O exemplo mais simples é a água de consumo doméstico e para o consumohumano (potável). As companhias de saneamento básico são as responsáveis pelo tratamento deágua para a população.

A água para uso industrial requer um tratamento para preservação dos equipamentos onde amesma irá circular ou irá ser transformada em vapor.

Em torres de resfriamento o problema se agrava devido ao ciclo de concentração provocado pelataxa de evaporação e temperatura da água na torre. Em geradores de vapor o problema torna-se

muito maior, pois a taxa de evaporação (concentração) é elevada e os sólidos antes dissolvidoscomeçam a precipitar ou incrustar nas tubulações.

A água utilizada na torre de resfriamento requer o mesmo tratamento primário da água para ascaldeiras, até o tanque de água clarificada. A partir da clarificação, a escolha do tratamento daágua para a torre e para as caldeiras serão diferentes. Após a clarificação, a água poderá serpotabilizada com hipoclorito de cálcio, e a água para a torre de resfriamento receberá tratamentocom produtos específicos para o ambiente biológico que se manifesta na água da piscina datorre. Mais adiante será mostrado um diagrama de bloco com os tratamentos maisconvencionais.

Em algumas plantas também é realizada a potabilização da água para uso em refeitórios,bebedouros, etc. Pouco tem se investido em recuperação de água das chuvas, que pode ser

aproveitada, também, para os banheiros e usos gerais.Os tipos de tratamentos convencionais para caldeiras e torres de resfriamento são os seguintes:

5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 4/7

4

  Tratamento primário - pré-cloração / clarificação / cloração / filtração  Tratamento secundário – filtração carvão ativado / abrandamento / desmineralização  Tratamento interno da água da torre de resfriamento – controle biológico  Tratamento do condensado recuperado – filtração / aeração / desmineralização  Tratamento interno da água da caldeira  – controle de alcalinidade, sólidos dissolvidos,

controle do pH e nível de corrosividade.  Tratamento do vapor  – este tratamento é realizado através da água de alimentação da

caldeira e também do condicionamento da água dentro da caldeira.

RECUPERAÇÃO DE ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO

As torres de resfriamento são utilizadas para remover o calor de um sistema, através de trocanatural com o ar atmosférico ou com um líquido refrigerante através de um “chiller” que é uma“grande geladeira”. (figura A ) 

Em sistemas grandes, onde a troca térmica é muito elevada, como é o caso de turbinas ougrandes trocadores de calor, condensadores, etc., as torres abertas são mais econômicas pois

troca o calor com o ar atmosférico, dispensando o consumo de energia elétrica do chiller. Dequalquer forma a torre sempre estará presente, pois é necessário resfriar o fluido que circula nochiller e o condensado extraído da turbina. Neste caso são torres compactas, como mostra afigura B, abaixo.

Figura A Figura B

Os sistemas com “chiller” são utilizados para conforto ( ar condicionado central) em processosconhecidos como HVAC – Heating, Ventilating, Air , Conditioning .

Vamos analisar um balanço de massa e energia de uma torre de refrigeração utilizada em umsistema com turbinas de condensação.

DIAGRAMA DE BLOCO DE UM TRATAMENTO CONVENCIONAL

CAPTAÇÃO

TRAT. PRIMÁRIO

TORRE

TRAT. SECUNDÁRIO

CONDENSADOR

CALDEIRA

PROCESSOTRAT. CONDENS.

5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 5/7

5

Vapor

No esquema apresentado na figura 03 está um sistema básico de troca térmica por torres deresfriamento, mostrando os pontos principais para um balanço.

  Evaporado: é o percentual de água que se perde por evaporação. Usa-se como base decálculo, 1% de perda mássica para cada 5ºC ou 6ºC de queda de temperatura.

  Respingo: é o quanto de perde por remoção mecânica de água devido aos ventiladores,ventos, pressão e volume de água. Calcula-se em média uma perda de 0,05 a 0,2% dototal de água que circula na torre.

  Drenagem: a função da drenagem contínua é a manutenção do ciclo de concentração de

sólidos totais dissolvidos (STD) no sistema. Dependendo da qualidade de água quealimenta a torre, via “make up” ou reposição, os ciclos de concentração podem variar de3 a 8 vezes, calculado geralmente por STD ou por algum rastreador químico (tracer).

  O ciclo de concentração também pode ser determinado, levando-se em conta aconcentração microbiológica do sistema.

Através da figura 03 podemos estabelecer, em teoria, um balanço de massa, a fim de determinara quantidade da água de reposição:

Make up = E + R + D

Entretanto, na prática, o “ make up” de água será definido a partir de dados de controle, sendoos mais importantes: incrustação, corrosão, STD e controle microbiológico. A água de reposição

é utilizada nos limites de concentração para evitar danos aos trocadores de calor e seusperiféricos. O reuso de água de outras áreas, pode participar totalmente ou parcialmente dovolume de “make up”, procedendo assim a uma economia de água de processo.Para o aproveitamento de água de outras áreas do processo no “make up” da torre, deve -seconsiderar a qualidade desta água e a qualidade da água que já recircula na torre. Os parâmetrosmais importantes para serem observados são: condutividade e STD.Um ciclo de concentração muito elevado pode levar a incrustação de tubulações e comprometeras trocas térmicas nos trocadores de calor e condensadores. (ver Figuras – 04 e 05 )

Figura – 04 – Condensador Figura – 05 - Tubo de condensado

Quando a água da torre está comprometida com STD, S. Suspensos, Condutividade, ou pormicroorganismos, ainda é possível utilizar esta água em lavagem de pisos, lavar a cana deaçúcar nas usinas, lavar toras de pinus ou eucalipto na fábricas de celulose, etc.

Cogeração com turbina de condensação Evaporado (E)

Vapor Respingo (R)

Condensado Make up Drenagem (D) ( Figura – 03 )

TG CTorre

5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 6/7

6

RECUPERAÇÃO DE ÁGUA DO VAPOR DE PROCESSO

Estamos falando, agora, de água que foi utilizada na geração de vapor e por isso foicondicionada com produtos químicos após ter passado por sistemas de pré-tratamento comdesmineralização por resinas ou pelo processo de osmose reversa.Como foi visto anteriormente, o processo de cogeração de alto rendimento requer um vapor dealta pressão e alta temperatura. Entretanto, vamos considerar, neste trabalho, a cogeração emturbinas a vapor com pressões entre 45 e 85 bar e temperaturas de saturação de 257ºC e de298ºC, respectivamente. A temperatura de superaquecimento geralmente é de 60 a 72% acimada temperatura de saturação.Vamos considerar o sistema de cogeração com extração e condensação mostrado na figura 02.As extrações normalmente ocorrem em média e baixa pressão, para serem utilizadas noprocesso como fontes de calor, seja por forma direta ou indireta de aquecimento.No aquecimento por forma direta, o vapor tem contato direto com o produto ou matéria prima.Quando se utiliza este recurso em soluções, o vapor se condensa naquele meio diluindo asolução, que é uma forma de recuperação de água.No aquecimento indireto, o vapor passa por trocadores de calor e acabam se condensando.

Posteriormente são removidos através de purgadores ou bombas de condensado para o sistemade tratamento de condensados ou para um tanque de armazenagem.A recuperação deste condensado significa uma recuperação de massa de água e também decalor, pois o calor latente mantém a temperatura do condensado entre 70 e 90ºC. Estecondensado deve passar pelo menos por um processo de filtração para depois ser devolvido aotanque de água de alimentação das caldeiras, passando pelo desaerador.Nas figuras 04 e 05 um modelo de desaerador e um sistema de filtro de condensado.

Figura – 06 Figura – 07

Outra fonte de recuperação do vapor / água, é o condensado obtido na turbina. O vapor admitidona turbina gera energia elétrica e o vapor que não é extraído em pressões menores, vaicondensar no final da turbina. O vapor passa por um condensador e troca calor com a água datorre de resfriamento, sendo coletado em um tanque de condensado. Teoricamente estecondensado é água pura, entretanto, a mesma pode estar contaminada por resíduos de corrosão,arraste da água da caldeira ou ainda por contaminação da água da torre devido a algumrompimento de tubos no trocador de calor.

5/5/2018 tubinas de contrapress o - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tubinas-de-contrapressao 7/7

7

Condensador Turbina Estágios de Turbina

Para segurança do sistema, um condutivímetro para mediação “on line” deve ser instalado nosistema de condensados para avaliar a qualidade da água do condensado.Quando é feito o condicionamento da água da caldeira, utilizam-se também produtos(geralmente aminas) para o condicionamento do vapor e do condensado.Em alguns casos, os condensados precisam ser tratados com filtração, aeração,desmineralização, etc. O mais importante é a recuperação da água e do calor latente deste

condensado como reposição da água da caldeira. Este retorno ou reuso da água pode atingir78% em sistemas bem projetados. Um condensado de ótima qualidade reduz o custo dotratamento final e recupera produtos químicos de condicionamento da água de processo.Muito desperdício de água e calor é encontrado em projetos de linhas de condensado, compurgadores mal dimensionados, bombas de condensado adaptadas, vazamentos em conexões eselos de bombas, tanques e linhas sem isolamento térmico, vazamentos em geral nas linhas devapor e de condensado.Condensados de processo ou da turbina podem sofrer algum tipo de contaminação, e não seraproveitado como água de alimentação de caldeiras, mas podem ser aproveitados nas torres deresfriamento como água de reposição.Em alguns países como o Japão, Canadá e países da Escandinávia, têm sido freqüentes osprojetos com coleta de água da chuva por toda a área da indústria, com um sistema central detratamento da água. Esta água, dependendo das suas características, pode ser utilizada noprocesso, no tratamento primário e secundário da água para caldeiras e principalmente paratorres de resfriamento.

CONCLUSÃO

Apresentamos aqui neste trabalho, algumas alternativas para a recuperação de água nosprocessos de cogeração de energia, que, observados com atenção, promovem a economia devários recursos e insumos para as indústrias; água, combustível, energia elétrica, produtosquímicos, redução de carga nos efluentes, dentre outros. O assunto é recorrente, mas sempreserá importante a abordagem da redução do desperdício (waste minimisation) e da máxima

eficiência dos processos industriais.Em outro artigo será discutido o “fechamento de circuito” em diferentes processos industriais.  

ARNO ROTHBARTH, é engenheiro químico especialista em Utilidades e Cogeração,com 30 anos de experiência em indústrias nacionais e internacionais. Atua nos setoresde Celulose & Papel e Agroindústria como consultor e palestrante. É diretor técnicoda RTH – CONSULTORIA TÉCNICA Ltda - www.rthconsult.com.br