POTENCIAL TÉCNICO DE COGERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL E CELULOSE

7/23/2019 POTENCIAL TÉCNICO DE COGERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL E CELULOSE

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GPT/14

17 à 22 de outubro de 1999Foz do Iguaçu – Paraná - Brasil

GRUPO IIPRODUÇÃO TÉRMICA E FONTES NÃO CONVENCIONAIS - (GPT)

POTENCIAL TÉCNICO DE COGERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL E CELULOSE NO BRASIL:PRESENTE E FUTURO

Adão Linhares Muniz* José Flávio Martins de Andrade*

ELETRONUCLEAR UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

RESUMO

Neste trabalho, foi determinado o potencial técnicoatual de cogeração do setor de papel e celulose noBrasil, considerando e extrapolando para todo o setor um sistema de cogeração básico que mantém o processo de recuperação de químicos no estágio atualde tecnologia, mas introduz uma turbina à gásqueimando gás natural, e uma caldeira de recuperaçãodo calor dos gases de combustão.Foi também determinado o potencial futuro decogeração quando as atuais caldeiras Tomlinson de

licor negro do setor, hoje com idade média de cerca de20 anos, tiverem que ser substituídas. Para esse efeito,foi efetuada uma análise comparativa dos três principais processos de gaseificação de licor negroatualmente em desenvolvimento no mundo (oChemrec, atmosférico, a ar, da Kvaerner; o processo àalta temperatura, com oxigênio, da Noell; e ogaseificador em leito fluidizado circulante, a ar, daABB), e foram calculados os incrementos adicionaisno potencial técnico de cogeração e na energia elétricaexcedente.

Os resultados da primeira parte foram utilizados no

relatório “Estimativa do Potencial de Cogeração doBrasil”, da CESG - Comissão Permanente de Estudossobre Cogeração da ELETROBRÁS, submetido aoGCPS - Grupo Coordenador do Planejamento dosSistemas Elétricos, em agosto de 1998.

PALAVRAS -CHAVE

geração de energia elétrica, cogeração, papel e celulose1.0 - INTRODUÇÃO

O setor de produção de papel e celulose caracteriza-se

por um processo produtivo que apresenta umaexcelente relação entre as demandas de eletricidade ede calor (vapor) para efeito de cogeração, além dageração de um combustível importante intrínseco ao processo, o licor negro.

O setor produz cerca de 6,6 milhões de toneladas decelulose por ano, com programação de expansão demais 2,25 milhões de toneladas por ano até 2002. Tal processo produtivo em larga escala, integrado aequipamentos de controle ambiental, exige um

acompanhamento permanente das tecnologias de produção disponíveis e da eficiência energética. Os projetos de expansão incluem a incorporação deganhos de escala e modernização tecnológica de processos, aumento da proteção ambiental e aracionalização industrial, com atualização deequipamentos, desenvolvimento de processos, aumentoda eficiência energética e maior automação industrial.

A tecnologia adotada hoje utiliza o processo Kraft, quesepara a celulose da matéria prima lenhosa por meio de produtos químicos (hidróxido de sódio/sulfito desódio), gerando uma lixívia escura, o licor negro. Este

efluente é concentrado até um teor de sólidos de cercade 60 %, quando então é queimado em uma caldeira derecuperação química, liberando calor e saisinorgânicos. Estes sais são misturados com águaresultando o licor verde, que por um processo decaustificação permite a recuperação dos produtosquímicos iniciais (hidróxido de sódio/sulfito de sódio),que retornam novamente ao processo para a separaçãoda celulose, fechando o ciclo. Assim, a concentração ea queima do licor negro são atualmente etapasnecessárias ao processo, e a liberação do calor nacaldeira de recuperação química - caldeira de licor negro - com a produção de vapor para o processo e



2

para geração de eletricidade é um “subproduto” do processo.Além do licor negro (o efluente combustível inerenteao processo, com um poder calorífico de cerca de13.400 kJ/kg), produzido a uma taxa entre 1,0 e 1,4 kg

de licor concentrado por kg de celulose, o setor contacom outros insumos energéticos agregados comocascas, lascas e resíduos de madeira, e cavacos delenha, que são utilizados como combustíveiscomplementares para atender às necessidadesenergéticas do processo.(Ref. 1)

2.0 - CÁLCULO DO POTENCIAL TÉCNICO DECOGERAÇÃO DO SETOR DE PAPEL ECELULOSE

Tomando-se uma planta típica do setor com umacapacidade de produção de 1000 toneladas de celulose por dia, têm-se as demandas médias de eletricidade evapor de processo e a produção de licor negro nosvalores mostrados na tabela 1.

TABELA 1

Demanda Potência [MW](para 1000 TC/dia)

Vapor de processo

(13 bar)

3,30 t/TC

(2,55 MWh/TC)

106,3

Vapor de processo(3 bar)

3,33 t/TC(2,52 MWh/TC)

105,0

Eletricidade(Mwh)(incluindo casa deforça)

0,85 MWh/TC 35,4

Insumo (Licornegro)

1,0 – 1,4 t/TC(3,72 - 5,21MWh/TC)

155,1 - 217,2

TCà Tonelada de celulose seca ao ar.

Nota-se então que o licor negro gerado mesmo quetenha (o que é impossível) eficiência de utilizaçãoenergetica de 100% não é suficiente para oatendimento das demandas energéticas totais do processo. A complementação, com as cascas, lascas eresíduos de madeira decorrentes do processo e comlenha, é hoje uma prática normal no setor.Esta configuração é mostrada na figura 1 destetrabalho.

Caldeira delicor negro

CaldeiraComplementar de lenha

CaldeiraComplementar de resíduos demadeira

Condensador

65 bar / 450 Cel

FIGURA 1. SISTEMA DE COGERAÇÃO BÁSICO NO PROCESSO DA CELULOSE

40 MW

Licor

Negro

CondensadoÁgua de alimentação

Vapor

Vapor

Turbina avapor decondensação(Extração)

13 bar

3 bar

G

O setor apresenta uma relação média entre asdemandas de eletricidade e de calor (relação E/H)daordem de 0,17(Ver tabela 1), o que permiterendimentos de cerca de 75,0 % com a aplicação de processos de geração combinada de eletricidade evapor (cogeração)(Ref. 3)Mantendo o processo de recuperação dos produtos

químicos com geração de calor no estado atual detecnologia(a caldeira Tomlinson de licor negro), edimensionando um sistema complementar de formaque a demanda de calor seja atendida pelos doissistemas (o básico e o complementar), chega-se a umaconfiguração de cogeração ótima, com excedente deeletricidade, mas com a necessidade de umcombustível suplementar.Com a tendência do cenário brasileiro à utilização dogás natural como insumo energético, um sistemacomplementar seria facilmente definido como umsistema de turbina ou motor a gás com uma caldeira derecuperação de calor. A caldeira de queima de lenha(o

grande insumo da produção de celulose em si) seriasuprimida. Esta configuração é mostrada na figura 2anexada[Refs.(2) e (4), modificadas].



3

Caldeira derecuperação de

calor dos gases

Caldeiracomplementar de resíduos demadeira

Caldeira delicor negro

13 bar

3 bar

Condensador

65 bar / 450 Cel

FIGURA 2. SISTEMA DE COGERAÇÃO COM TURBINA A GÁS

60 MW

12 MW

Turbina a gás

gás natural

gás exausto

vapor

vapor Turbina avapor decondensação(extração)

condensadoágua de alimentação

G

G

ar

O sistema complementar, como o caso da configuraçãotípica mostrada acima, atende às necessidades deeletricidade e calor para uma planta de celulose com processamento médio de 1000 toneladas de celulose por dia, podendo gerar um excedente de eletricidadeequivalente a uma potência instalada de cerca de36 MW [ 72 MW gerados, contra 36 MW utilizados na própria planta].A viabilidade técnica de tal configuração depende dadisponibilidade do gás como combustível suplementar e deve ser avaliada caso a caso, considerando ascaracterísticas próprias de cada planta de processamento de papel e celulose. A análise da

viabilidade econômica de tal processo dependeadicionalmente de uma estrutura de preço favorável devenda para este bloco excedente de eletricidade, emconjunção com o preço do gás natural na porta da planta.Com a aplicação da extrapolação simples para a produção total de celulose do setor (de 6.600.000toneladas por ano), pode-se concluir que um potencialde eletricidade exportável de 650,0 MW poderia ser atingido no parque de produção atual do setor, e queoutros 220,0 MW poderiam ser realizados noatendimento aos planos de expansão para os próximos4 anos.

3.0 – INCREMENTO FUTURO NA ELETRICIDADEEXPORTÁVEL, UTILIZANDO COGERAÇÃO COMGASEIFICADOR DE LICOR NEGRO E TURBINAA GÁS.

Cumpre ressaltar que as caldeiras de licor negroTomlinson, como qualquer equipamento, têm uma vidaútil predeterminada, e esta idade está avançada, a nívelmundial.

Nos últimos anos, vem ganhando terreno a opção de produção de energia elétrica a partir da gaseificação dolicor negro gerado no próprio processo Kraft, até porque a gaseificação viabiliza potencialmente arecuperação dos inorgânicos sem o emprego da

caustificação. Vários fabricantes de equipamentos játêm projetos para gaseificadores de licor negro: a ABB- Asea Brown Boveri e a MTCI para gaseificadores à baixa temperatura (abaixo de 700 °C), e Kvaerner -Chemrec e a Noell para unidades à alta temperatura(acima de 950 °C) são os principais, incluindo projetoscom ciclos combinados (os chamados BLGCC - Black Liquor Gasification-Combined Cycles). Há uma planta piloto sendo testada desde 1993 numa fábrica decelulose em Aanekoski, na Finlândia, com resultadosainda pouco divulgados.Dentre os estudos com modelagens matemáticas ecomputacionais recentes que prevêem os resultadosdesses processos, um dos mais completos é o daRef.(5). Os autores simulam, a partir de uma plantaKraft típica, do tipo sueco, qual será a produção deenergia elétrica e de vapor de processo, com cogeraçãoem ciclo simples(processo Chemrec) e ciclocombinado (processos Chemrec, ABB e Noell),comparativamente às produções correspondentes deuma caldeira de licor negro do tipo Tomlinson eturbina a vapor. Nesse estudo da ref. (5), considera-se a seguinte plantatípica, com caldeira de licor negro e produção de 1175toneladas de celulose por dia:

TABELA 2

Demanda Potência [MW](para 1175 TC/dia)


1,46 t/TC(0,94 MWh/TC)(0,84 t/ton licor negro seco)(*)

46,0


4,46 t/TC(2,819 MWh/TC)(2,56 t/ton licor negro seco)(*)

138,1

Eletricidade (Mwh)(incluindo casa deforça)

0,640 MWh/TC

31,3

Insumo produzido(Licor negro)

1,74 ton. licor negro seco (*)/TC(5,99MWh/TC) 293,6

TCà Tonelada de celulose seca ao ar.(*)à Licor negro sólido seco, com P.C.S de 14.363

kJ/kg e PCI de 12.409 kJ/kg.



4

Com os dados apresentados, a configuração básica comcaldeiras Tomlinson e turbina a vapor proposta(equivalente à da figura 1) é a da figura 3(que sesegue).

Os referidos ciclos simples e combinados, incluindo agaseificação, apresentam a configuração da figura 4deste.A tabela 3 apresenta os resultados obtidos, completos, para todos os processos estudados.Observando os resultados, nota-se que a opção deoperação em ciclo combinado ao invés de simplesapresenta, no entanto, um déficit um pouco maisacentuado na produção de vapor de processo de 4 bar requerido, que terá que ser coberto pela caldeiracomplementar. Nota-se também(v. tabelas 2 e 3) que a necessidade dautilização da caldeira complementar para geraçãoadicional de vapor de 4 bar é média ou pequena emtodos os casos, exceção feita ao processo ABB que, emcompensação, tem a maior geração de energia elétricalíquida. No que se refere ao incremento do potencial técnico decogeração no setor, no Brasil, aplicando-se por exemplo os resultados do processo de gaseificação daKvaerner-Chemrec, com ciclo combinado, comgeração total de 79,3 MW (48 MW exportáveis) sem

necessidade de combustível suplementar, obter-se-iamos valores de 739 e 990 MW para o parque produtor brasileiro atual e o previsto após a expansão do setor até 2002.

4.0 − BIBLIOGRAFIA

(1) HORTA NOGUEIRA, L. A., Cogeração eSustentabilidade Energética no Brasil, 1997.

(2) SILVEIRA, J. L., BALESTIERI, J. A. P., Usode Turbinas a Gás na Indústria de Papel eCelulose, 1995.

(3) BOISSENIN, Y., Cogeneration and EnergySavings, GEC-ALSTHOM Technical Reviewn°. 10, 1992.

(4) SILVEIRA, J. L., BALESTIERI, J.A.P,Economic and Technical Feasibility Study of aCombined-Cycle Cogeneration SystemAssociated with Cellulose Plants, ASME – COGEN TURBO, 1992.

(5) CONSONNI, S., LARSON, E.D., BERGLIN, N., Black Liquor-Gasifier/Gas TurbineCogeneration, 42nd. ASME Gas Turbine andAeroengine Congress, 1997.



5

V a p o r

4 b a r

C a l d e i r a d el i c o r n e g r o

C a l d e i r aC o m p l e m e n ta r ( r e s í d u o s )

G

6 0 b a r / 4 5 0 C e l

F I G U R A 3 . S I S T E M A D E C O G E R A Ç Ã O B Á S I C O N O P R O C E S S O D AC E L U L O S E

3 6 M W

Á g u a d e a l im e n t a ç ã o

V a p o r

T u r b i n a av a p o r ( c o n t r a- p r e s s ã o c o me x t r a ç ã o )

1 0 b a r

4 b a r

4 b a r

C a l d e i r a d er e c u p e r a ç ã o d ec a l o r d o s g a s e s

C a l d e i r ac o m p l e m e n t a r ( r e s í d u o s / g á sn a t u r a l )

G

1 0 b a r

v a p o r 1 0 b a r / 1 9 0 C e l

F I G U R A 4 . S I ST E M A D E C O G E R A Ç Ã O C O M G A S E I F I C A Ç Ã O D E L I C O R N E G R O – C I C L OS IM P L E S E C I C L O C O M B I N A D O – P R O C E S S O K V A E R N E R – C H E M R E C .

1 0 M W

G

7 3 M WT u r b i n a a g á s

g á s d e l i c o r n e g r o l im p o

g á se x a u s t o

v a p o r

T u r b i n a av a p o r ( c o n t r a- p r e s s ã o c o me x t r a ç ã o )

á g u a d e a l im e n t a ç ã o

a r

4 b a r

L i m p e z ad o s g a s e s

4 b a r4 b a r

( c . c o m b i n a d o ) v a p o r 6 0 b a r / 4 5 0 C e l

( c . s i m p l e s ) v a p o r 4 b a r

G a s e i f i c a d o r d e L i c o r

N e g r o

L i c o r N e g r o

.



6

TABELA 3

DadosTécnicos

↓

Tecnologias

→

Caldeira de Licor Negroe Turbina à Vapor

Gaseificador Chemrec eCiclo Simples

Gaseificador Chemrec -Ciclo Combinado

Gaseificador Noell eCiclo Combinado

Gaseificador ABB eCiclo Combinado

Produção de Celulose(TC/dia)

1175 1286 1239 1542 1066

Produção de Licor Negro

ton licor negro seco(*)/TC 1,74 1,74 1,74 1,74 1,74

MW (do PCS) 339,9 371,8 358,3 446,1 308,4

ton licor negro seco(*)/h 85,2 93,2 89,8 112 77,3

Vapor de Alta Produzido

ton/ton licor negro seco(*) 3,46 n.d. 0,99 1,16 2,01

Vapor de alta pressão(bar/C)

60/450 10/190 60/450 100/520 60/450

Produção de Vapor deProcesso (**)

de 10bar(ton/ton licor negroseco(*)

0,84 0,84 0,84 0,84 0,84

(MW) 46,0 48,5 48,5 60,4 41,8

de 4bar(ton/ton licor negroseco(*) )

2,37 2,52 2,15 2,16 1,44

(MW) 127,6 143,2 122,2 152,7 70,3

Total(ton/ton licor negrosêco (*) )

3,21 3,36 2,99 3,00 2,28

(MW) 173,6 191,7 170,7 213,1 112,1

Turbina à Gás (1)

Vazão de gás de licor negro(kg/s)

- 62,9 60,6 39,7 47,5

Produção de EnergiaElétrica

Turbina à gás (MW) 0 72,73 72,48 82,10 86,48

Turbina à Vapor (MW) 37,73 0 10,16 29,18 21,80

Produção Total Líquida(MW)

35,7 69,6 79,3 81,7 86,80

Índice da Prod. Líquida(MWh/TC)

729 1299 1537 1272 1954

Eficiência Elétrica ao PCI(%)

12,2 21,7 25,6 21,2 32,6

Eficiência Térmica (Vapor)ao PCI (%)

59,1 59,7 55,1 55,3 42,1

Relação Eletricidade/Vapor (E/H)

0,206 0,363 0,465 0,383 0,774

Eficiência Global(1a. Lei) aoPCI (%)

71,3 81,3 80,8 76,5 74,7

NOTAS: (*): Licor negro típico: sólidos do licor negro seco (75%) e água (25%)TC: ton. celulose seca ao ar.(1) Siemens-KWU 64.3a (s imilar à GE 6FA)(**) O caso da caldeira de licor negro e turbina à vapor deve incluir ainda 21,3 t/h de vapor a 35 bar, extraído da turbina à vapor, para os

sopradores de fuligem.

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