UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Anlise Termoeconmica do Processo de Gerao de Vapor e Potncia do Segmento de Celulose e PapelJOSIAS DA SILVA

ORIENTADOR: PROF. DR. ROGRIO JOS DA SILVA CO-ORIENTADOR: PROF MSc. MANUEL DA SILVA VALENTE DE ALMEIDA

Dissertao de Mestrado apresentada a comisso de Ps-Graduao da Universidade Federal de Itajub UNIFEI, como requisito parcial para a obteno do Ttulo de Mestre em Cincias em Engenharia Mecnica na rea de Concentrao em Converso de Energia.

ITAJUB MG

2002

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Anlise Termoeconmica do Processo de Gerao de Vapor e Potncia do Segmento de Papel e Celulose

JOSIAS DA SILVAMembros da Bancada Examinadora

1- Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jnior (USP) 2- Prof. Dr. Sebastio Varela (UNIFEI)

3- Prof. MSc. Manuel S.V. Almeida (UNIFEI)- Co-orientador 4- Prof. Dr. Rogrio Jos da Silva (UNIFEI)- OrientadorITAJUB MG

2002

AGRADECIMENTOSInicialmente agradeo a Deus por ter me dado a oportunidade de iniciar esta to importante etapa da minha vida e, principalmente, por ter me dado foras para termin-la. Aos meus orientadores, Rogrio Jos da Silva e Manuel da Silva Valente de Almeida, que no mediram esforos para o desenvolvimento desse trabalho, e que me dedicaram muita ateno e amizade. A todos os professores e, em especial, aos professores que lecionaram no curso de ps graduao, e funcionrios da Universidade Federal de Itajub UNIFEI, que contriburam para a realizao desse trabalho; aos professores e funcionrios de Universidade Santa Ceclia UNISANTA- que tambm contriburam para a realizao desse curso. Aos colegas do curso de mestrado, em particular, quelas com os quais eu partilhei momentos de muito trabalho e alegria. Ao colega MSc Aldo Ramos, que muito contribuiu para o desenvolvimento deste trabalho, no medindo esforos e sempre esteve disposto a contribuir. Aos meus familiares, em especial a minha esposa Priscila, e aos filhos que sempre souberam entender a minha ausncia, devido ao pouco tempo disponvel, mas que nunca deixaram de me apoiar. Aos amigos da Suzano Baia Sul pelo apoio dado e liberado dados do complexo Industrial, para a obteno dos dados tcnicos, fornecendo literatura a respeito do processo.. administrao da UNISANTA pelo Convnio feito com a UNIFEI, o que me permitiu a realizao desse curso de mestrado.

Dedico esse trabalho minha querida esposa, Priscila Firmino, aos meus queridos filhos e ao meu saudoso pai, Domingos da Silva

Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca Mau Bibliotecria Jacqueline Rodrigues de Oliveira Balducci CRB_6/1698

S586a Silva, Josias da. Anlise termoeconmica do processo de gerao de Vapor e potncia do segmento de celulose e papel/por Josias da Silva; orientado por Rogrio Jos da Silva; co-orient. por Manuel da Silva Valente de Almeida. Itajub,MG : UNIFEI, 2002. 218p.il. Dissertao(Mestrado)-Universidade Federal de Itajub 1.Papel e Celulose.2.Anlise termoeconmica. 3.Exergia.4.Processos de fabricao.5.Processo de Gerao de vapor e potncia I.Silva,Rogrio Jos,orient. II.Almeida, Manuel da Silva Valente,co-orient. III.Universidade Federal de Itajub. IV. Ttulo. CDU 676.02:621.18

RESUMOO seguimento de Papel e Celulose, junto com o setor de acar e lcool est entre os maiores consumidores de biomassa e de energia do setor industrial. As indstrias de Celulose, bem como se integradas (Papel e Celulose) geram grande parte de energia consumida a partir da lixvia produzida no processo e de biomassa em geral. Neste contexto, o presente trabalho analisa um sistema de gerao de vapor e energia eltrica em uma industria de Papel e Celulose. Foram utilizados combustveis com menores emisses de poluentes, como biomassa e gs natural. Uma anlise termoeconmica e exergoeconmica aplicada ao sistema trmico, busca melhorias para o sistema, bem como menores custos na produo, aliadas ao desenvolvimento de novas tecnologias para os equipamentos. Na busca do aperfeioamento dos sistemas de converso energtica e de perda na utilizao dos recursos primrios, tem sido elaborados mtodos de anlise tcnico-econmica de progressiva complexidade. Inicialmente estes mtodos se baseiam na primeira Lei da termodinmica e constituram os mtodos energticos, na verdade uma contabilidade dos fluxos de energia, atravs da qual se quantificam as entradas e sadas de energias dos sistemas em estudos, de maneira que a energia aportada deve aparecer nos produtos. Consideram-se como perdas os fluxos de energia que no so utilizados. Assim, a anlise segundo tais mtodos sugere que a ineficincia de um dispositivo ou de um processo uma conseqncia dessas perdas, e que, a energia perdida sob este conceito quantifica a ineficincia. Atravs dos resultados obtidos nas anlises apresentados neste trabalho, pode-se avaliar e discutir as possibilidades de investimentos e melhorias no processo. A eficincia dos equipamentos e os menores custos de produo, so pontos importantes a se avaliar em termos de exergoeconomia. Assim, este trabalho tem como objetivo fazer uma anlise da eficincia trmica com base na Segunda Lei da termodinmica. Apresenta-se aqui uma analise trmica que permitir conhecer os equipamentos nos quais as melhorias de projeto tendem a ser mais significativas.

Palavras Chaves: 1 Industria de Papel e Celulose 2 Anlise Termoeconmica 3 - Exergia 4 Processo de Fabricao de Papel e Celulose 5 Processo de Gerao de Vapor e Potncia

ii

ABSTRACTThe Pulp and Paper, along with Alcohol and Sugar Industries are among the major biomass and energy consumers in all industrial business. Pulp plants, as well as integrated Pulp and Paper plants in general, generate great part of the energy consumed from black liquor and biomass produced in the process. In this context, the present Paper makes an analysis of the steam and electric energy generating system of a Pulp and Paper Plant. Low pollutant emission fuels like biomass and natural gas have been used. A thermoeconomic and exergoeconomic analysis was applied in search of improvements for the thermal-system, as well as lower production costs, combined to the development of new technologies for equipment. In the search for improvement of energy conversion systems and wastes in the use of primary resources, progressively more elaborated technic-economical methods of analysis have been elaborated. Initially these methods have been based on the First Law of Thermodynamics, known as energy methods, actually an accounting of energy flows, through which the inlet and outlet of energy flows into the systems under study have been quantified, in such a way that the net ingress of energy is shown in the products. Flows of energy that are not used are considered as losses. Thus the analysis based on this methods suggests that the inefficiency of a device or a process is a consequence of these losses and the energy lost under this concept quantifies the inefficiency. Through the results of the analysis shown in this Paper, it is possible to evaluate and argue the possibilities of investments and improvements in the process. The efficiency of the equipment and the lower production costs are the important points to be evaluated in terms of exergoeconomics. The objective of this Paper is to make an analysis of the thermal efficiency, based on the Second Law of Thermodynamics. It is presented a thermal analysis that allows us to know the possibilities of savings for each equipment as a result of project improvements.

Key words: 1 Industry of Cellulose and Paper 2 Thermoeconomic Analisys 3 - Exergy 4 Paper and Cellulose Fabrication Process 5 Steam and Power Generation Process

SUMRIO

Pgina RESUMO ABSTRACT SUMRIO SIMBOLOGIA LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS i ii iii vi viii ix

CAPTULO 1 INTRODUO 1.1 1.2 1.3 1.4 Motivao do Presente Trabalho Objeto do Presente Trabalho Contribuio do Presente Trabalho Desenvolvimento do Presente Trabalho 1 3 3 4

CAPTULO 2 O SEGMENTO DE PAPEL E CELULOSE 2.1 Introduo 2.2 A Histria do Papel 2.2.1 No Mundo 2.2.2 No Brasil 2.3 Panorama do Setor 2.4 Perspectiva de Crescimento da Demanda e as Metas de Expanso da Produo de Celulose e Papel 2.5 Processo de Fabricao de Papel e Celulose 2.5.1 Introduo 2.5.2 Processo de Fabricao da Pasta Celulsica 2.5.3 Recuperao dos Produtos Qumicos 2.5.4 Processo de Fabricao de Papel 2.5.5 Processo de Reciclagem 11 11 11 12 15 15 6 6 6 8 8 9

CAPTULO 3 CONSUMO DE ENERGIA ELTRICA NO SEGMENTO DE PAPEL E CELULOSE 3.1 Situao Atual do Segmento 3.2 Levantamento de Dados de um Grupo de Empresas Selecionadas 17 24

CAPTULO 4 GERAO DE VAPOR E ENERGIA ELTRICA NO PROCESSO DE FABRICAO DE PAPEL E CELULOSE 4.1 Introduo 4.2 Histrico do Grupo Suzano 4.3 Necessidade de Vapor e Energia Eltrica do Processo de Fabricao de Papel e Celulose. 4.4 Gerao e Distribuio de Vapor e Energia Eltrica, Alimentao de gua e Combustveis 4.4.1 Caldeira Auxiliar CBC I 4.4.2 Caldeira Auxiliar CBC II 4.4.3 Caldeira Zanini 4.4.4 Caldeira de Recuperao Qumica CBC III 4.4.5 Caldeira de Recuperao Qumica GTV 4.4.6 Distribuio de Vapor 4.5- Combustveis 4.5.1 - Introduo 4.5.2 Gs Natural 4.5.2.1 Composio do Gs Natural 4.5.3 leo Combustvel 4.5.4 - Biomassa 4.5.5 Licor Preto 4.6 Distribuio de Energia Eltrica 4.7 Sistema de Alimentao de gua para Caldeira 26 26 27 32 32 35 37 40 45 46 49 49 50 51 54 57 60 64 66

CAPTULO 5 EXERGIA: ANLISE EXERGTICA DO PROCESSO 5.1 Introduo 5.2 Conceitos Bsicos sobre Exergia 5.2.1 Exergia 5.2.2 Exergia de uma Substancia 5.3 Definio de Eficincia Racional 5.4 Analise Exergtica da Caldeira CBC III 5.4.1 Clculo da Exergia do Licor Preto 5.4.2 Clculo da Exergia do Vapor e Condensado 5.4.3 Eficincia Exergtica 5.5 - Anlise Exergtica da Caldeira de Recuperao Qumica GTV 5.5.1 Clculo da Exergia do Licor Preto 5.5.2 Clculo da Exergia do Vapor e Condensado 68 68 68 69 72 73 76 82 83 84 85 87

5.5.3 Eficincia Exergtica 5.6 Anlise Exergtica da Caldeira Auxiliar CBC I 5.6.1 Clculo da Exergia do leo Combustvel 5.6.2 Clculo da Exergia do Fluxo de Gases 5.6.3 Clculo da Exergia de Vapor e Condensado 5.6.4 Eficincia Exergtica 5.7 Anlise Exergtica da Caldeira Auxiliar da CBC II 5.7.1 Clculo da Exergias do Gs Natural 5.7.2 Clculo da Exergia do Fluxo de Gases 5.7.3 Clculo da Exergia de Vapor e Condensado 5.7.4 Eficincia Exergtica 5.8 Anlise Exergtica da Caldeira de Biomassa Zanini 5.8.1 - Clculo da Exergia do Combustvel 5.8.2 - Clculo da Exergia do Fluxo de Gases 5.8.3 - Clculo da Exergia de Vapor e Condensado 5.8.4 - Eficincia Exergtica 5.9 Anlise Exergtica das Turbinas e bombas 5.9.1 Clculo das Exergias 5.9.2 Eficincia Exergtica 5.10 Eficincia dos Equipamentos

87 88 90 91 93 93 94 96 97 100 100 100 102 102 105 105 106 108 109 109

CAPTULO 6 ANLISE TERMOECONMICA DE PROCESSO DE GERAO DE VAPOR E POTNCIA 6.1 Introduo 6.2 Teoria Termoeconmica 6.2.1 Matriz de Incidncia e Eficincia de F, P e L 6.2.2 Regra de Atribuio de Custos 6.2.3 Custos Exergoeconmicos 6.3 Anlise Termoeconmica do Processo 6.4 Custos Exergoeconmicos 6.5 Resultados e Discusses 112 112 114 117 119 120 129 136

CAPTULO 7 CONCLUSES E RECOMENDAES 7.1 Concluses 7.2 Recomendaes 141 145

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ANEXOS

147 152

SIMBOLOGIA

A) SMBOLOS LATINOS

Smbolo [A] b b B Bg BMgb g k

Descrio Matriz de incidncia de um processo Exergia por Unidade de Massa Exergia especfica associada ao Fluxo de Calor Exergia para Sistemas Trmicos Exergia para Gases Taxa de exergia Qumica da Mistura Exergia Qumica Padro Exergia do Slido Exergia do Combustvel Exergia dos Gases Custo Exergtico Bombas acionadas por Turbinas a vapor Bombas acionadas por motores eltricos Calor Especfico Gs Natural Gs Natural Associado Entalpia Entalpia Padro Irreversibilidade Irreversibilidade do Sistema Custo Unitrio Custo Exergtico Unitrio do Recurso Custo Exergtico Unitrio do Produto Perda de Energia de um Sistema Balano de Massa para Licor preto Fluxo mssico dos Fundidos Vazo mssica dos Gases Vazo Mssica dos Gases Vazo Mssica dos Gases Vazo Mssica para Biomassa Vazo Mssica dos Gases Vazo Molar Total do Ar na Sada dos Gases Vazo Molar de O2 na Sada dos Gases Vazo Molar de N2 Vazo Molar de uma Substncia

Unidade kW/kg kW/kg kW kW kJ/kmol kJ/kmol kW kW kW

Equao 6.22 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.10 5.61

Bs Bg Bgt B* BT BM cp GN GNA h ho I Ii kk *Fi k *Pi

kJ/kmol.K

kJ/kmol kJ/kmol kW kW

5.62 6.9 6.2 6.11 6.12 5.16

L

m Lp

kJ/kg kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s kmol/s kmol/s kmol/s

m St

mg

5.33 5.50 5.54 5.56 5.60

m g CBC I

m g CBC II

m m g oleom

ntnO2 n N2

nLp 63%

5.35

vii noleo ni nbio O2L s so To TRS Yi Zn Vazo Molar para leo Combustvel Vazo Molar do Gs Natural Clculo da vazo Molar do Combustvel Porcentagem de Oxignio Livre Entropia Entropia Padro Temperatura Padro Reduo Total de Slidos Porcentagem Peso do Composto Custo Varivel de Fluxo de Atribuies Externas kmol/s kmol/s kmol/s kJ/kmol.K kJ/kmol. K K 5.48 5.51 5.55 5.31

R$/s

6.26

B) SMBOLOS GREGOS Smbolos o B [] T B Descrio Exergia Qumica Industrial do Combustvel Porcentagem de Irreversibilidade Eficincia Exergtica Global Vetor Coluna que Representa os Custos Exergoeconmicos Incgnitos Eficincia Exergtica da Turbina Eficincia Exergtica das Bombas Eficincia Exergtica Correlao para Substncias Puras Unidade kJ/kmol 6.9 6.4 R$/s 5.64 5.65 5.13 5.9 Equao

viii LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 6.1 6.2 6.3 Descrio Pgina 14 16 20 21 22 28 31 33 34 34 37 38 38 40 43 44 45 46 48 65 67 74 82 83 86 87 89 93 95 99 105 106 108 111 115 121 128

Processo de Fabricao da Pasta Celulsica Processo de Fabricao de Papel Porcentagem do consumo total de energia por categorias Porcentagem do consumo total de energia do segmento Matriz energtica do segmento de papel e celulose em 1996 Distribuio de vapor e energia eltrica Fluxograma simplificado do sistema trmico de vapor Esquema do sistema de leo da caldeira CBC I Esquema dos fluxos da caldeira em operao real Esquema simplificado do sistema de ar da caldeira Esquema dos fluxos da caldeira em operao Fluxograma simplificado do sistema de alimentao de biomassa da caldeira Esquema simplificado do sistema de ar e gases de combusto da caldeira Esquema dos fluxos da caldeira em operao Sistema de ar e gs simplificado da caldeira de recuperao CBC III Esquema de alimentao do licor preto da caldeira CBC III Esquema de ar e gs simplificado da caldeira de recuperao GTV Esquema de alimentao do licor preto da caldeira GTV Distribuio do vapor para o processo Processo de gerao e distribuio de energia eltrica Sistema de alimentao de agua para caldeiras Fluxograma dos fluxos de licor preto e gua Esquema dos fluxos mssicos do combustvel, gases e fundidos (smelt) Exergia dos gases, slidos, vapor, condensado e trabalho eltrico Esquema dos fluxos mssicos do combustvel Exergia dos fluxos de gases, slidos, vapor, condensado e trabalho eltrico Fluxos mssicos da s correntes Exergia dos fluxos, em kW Fluxos mssicos das correntes Exergia dos fluxos, em kW Fluxos mssicos das correntes Exergia dos gases, vapor condensado e trabalho eltrico Esquema dos fluxos de vapor das turbinas de gerao de energia Diagrama de Grassmann para o processo de gerao de vapor e energia eltrica Esquema de um sistema energtico genrico Esquema da estrutura fsica de operao do processo Esquema da estrutura fsica de operao do processo de gerao de vapor e energia eltrica, apresentando as exergias em kW

ix LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 Descrio Pgina 10 10 11 19 20 23 24 29 33 36 39 50 52 55 56 59 59 61 62. 63 63 74 76 77 77 78 84 85 88 89 90 92 92 94 96 97

Valor de investimento no setor Valor da produo no setor Valor de acrscimo de capacidade em %, de 98 sobre 94 Consumo de eletricidade no segmento de papel e celulose, por categoria (MWh) Evoluo no consumo de eletricidade no segmento de papel e celulose, em MWh Consumo de combustvel para fins trmicos no segmento de papel e celulose (teoc, tonelada equivalente de leo combustvel) Perfil energtico do grupo de empresas selecionadas comparado ao segmento de papel e celulose Consumo de vapor e energia eltrica nas etapas de fabricao de celulose e papel Dados tcnicos operacionais comparando a condio de projeto com a real Dados tcnicos operacionais comparando a condio de projeto com a real Dados tcnicos operacionais comparando a condio de projeto coma real Classificao de combustveis industriais Composio tpica do gs natural, em % volume Composio elementar do leo combustvel Comparao entre um combustvel destilado e um craqueado Etapas do processo de pirlise Composio elementar da biomassa Composio dos slidos do licor fraco, em % peso Composio elementar dos slidos do licor fraco inorgnico , em % peso Composio elementar dos slidos do licor fraco orgnico , em % peso Valores normais do poder calorfico Composio qumica do licor preto Vazo molar dos slidos secos do licor preto, smelt e gua Coeficientes utilizados nas Eq. 5.14 e 5.15 e valores da Exergia Qumica Padro (b) Coeficientes utilizados nos clculos da entalpia e entropia dos fundidos e Exergia Qumica Padro Coeficientes utilizados nos clculos da entalpia dos gases da combusto e Exergia Qumica Padro dos fundidos Resultado do calculo das Eficincias de 1a Lei e Eficincia Racional para caldeira CBC III Vazo Molar dos slidos do licor preto Resultado do calculo das Eficincias de 1a Lei e Eficincia Racional para caldeira GTV Composio elementar do leo combustvel Vazo molar do leo combustvel Composio elementar dos gases sada da fornalha da caldeira Calor especfico e exergia qumica padro dos gases Resultado do calculo das Eficincias de 1a Lei e Eficincia Racional para caldeira CBC I Composio elementar do gs natural Exergia Padro Qumica do gs natural

x

5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16

Vazo molar e mssica dos gases sada da caldeira Calor especfico e exergia qumica padro dos gases Resultado do calculo das Eficincias de 1a Lei e Eficincia Racional para caldeira CBC II Composio elementar e vazo molar dos combustveis utilizados na caldeira de biomassa Vazo molar e mssica dos gases sada da caldeira Calor especfico e exergia qumica padro dos gases Resultado do calculo das Eficincias de 1a Lei e Eficincia Racional para caldeira Zanini Dados operacionais para o clculo da exergia das turbinas Eficincia de 2a Lei para os equipamentos do processo de gerao de vapor e energia eltrica Matriz de incidncia do sistema genrico apresentado Estrutura produtiva de um sistema genrico Descrio dos fluxos do processo Definio de Recursos, Produtos e perdas no processo Resultado dos clculos da Exergia, custo exergtico e custo exergtico unitrio Resultado do clculo de eficincia e custos nos subsistemas do processo Tabela do custo varivel dos recursos externos ao sistemas Custos fixos relacionados aos equipamentos Resultados dos clculos dos custos exergoeconmicos da produo de vapor e energia eltrica Valor dos custos exergticos do processo de gerao de vapor Custo exergtico do processo de gerao de energia eltrica, vapor de media e baixa presso Resultado dos custos exergoeconmicos para vapor superaquecido Resultado dos custos exergoeconmicos da energia eltrica gerada e vapor de mdia e baixa presso. Comparao dos custos exergoeconmicos para os geradores de vapor. Comparao dos custos exergoeconmicos para o turbo gerador II Comparao dos custos exergoeconmicos para o turbo gerador III.

98 99 100 101 104 104 106 107 110 115 116 124 125 127 128 130 131 133 134 134 135 135 139 140 140

CAPTULO 1

INTRODUO

1.1 MOTIVAO DO PRESENTE TRABALHO A principal finalidade deste estudo analisar a gerao de energia eltrica e produo de vapor no segmento de papel e celulose. Do mesmo modo que a indstria sucro-alcooleira, a produo de papel e celulose apresenta interessantes perspectivas para a produo combinada de energia eltrica e calor til, tendo em vista suas relaes de demanda de eletricidade, vapor de baixa e de mdia presso, e a disponibilidade de combustveis residuais de processo, como o licor negro e as cascas e resduos de biomassa. A tecnologia da produo de celulose mais difundida no Brasil o processo Kraft, que emprega uma soluo de hidrxido de sdio, sulfito de sdio, o licor branco, para separar a celulose da matria-prima fibrosa, na etapa denominada digesto. Nesta operao, mais da metade da madeira se solubiliza, saindo junto com os produtos qumicos na forma de uma lixvia escura, o licor negro. Este efluente, aps ter concentrado at um teor de slidos de aproximadamente 65% queimado em uma caldeira de recuperao qumica, liberando calor e produzindo um fundido de sais inorgnicos, que misturados em gua fornecem o licor verde, que posteriormente caustificado para transformar-se no licor branco novamente, fechando o ciclo. Desta forma, a concentrao e queima do licor so imposies do processo, tendo a gerao de vapor e portanto energia eltrica como subproduto. Mesmo sabendo que existem variaes entre as vrias plantas de fabricao de celulose, observa-se aqui maior homogeneidade, comparativamente ao setor sucro-alcooleiro. De acordo com as caractersticas da matria-prima e as particularidades do processo, so produzidas 1,0 a 1,4 kg de licor concentrado por kg de celulose fabricada, com um poder calorfico da ordem de 13.338 kJ/kg de licor. A energia disponvel no licor, somada energia dos resduos de biomassa, basicamente casca de eucalipto, que tambm inevitavelmente so produzidos e devem ser queimados, podem gerar quantidades de vapor suficientes para atender a todas as necessidades de calor de processo. Assim, o sistema de cogerao

2 empregado neste setor industrial adota as turbinas a vapor de extrao, contrapresso e condensao, cujas tomadas de extrao de vapor so geralmente efetuadas a 13 e 6 bar. Nestes nveis de presso, o consumo mdio especfico de vapor 3.300 a 3.330 kg de vapor por tonelada de celulose fabricada. Considerando que a demanda mdia especfica de energia eltrica de 850 kWh por tonelada de celulose, tem-se que a gerao de vapor, a partir de 65 bar e 400 C j praticamente assegura a auto-suficincia destas indstrias. A adoo de nveis mais elevados assegura a gerao de uma margem de excedentes. Em geral as indstrias de celulose brasileiras, inclusive as mais modernas, tem sido configuradas para a auto-suficincia, sendo comuns plantas com potncias instaladas de cogerao de at 100 MW. As turbinas adotadas apresentam usualmente capacidades unitrias entre 15 a 50MW. A determinao dos custos de produo de energia eltrica nestes sistemas conduz a valores bastante favorveis, entre US$25MWh e US$45MWh, inferiores aos custos marginais de expanso do setor eltrico, permitindo a obteno de prazos reduzidos para o retorno de investimentos, da ordem de 1,8 a 2 anos, em funo do cenrio financeiro empregado na anlise. Para se ter uma idia do potencial desta tecnologia de gerao eltrica para as condies brasileiras, basta verificar que adotando uma disponibilidade de 1.000 kWh por tonelada de celulose produzida, conservadora e factvel para o atual estado de desenvolvimento tecnolgico, associada produo nacional de 6.100 mil toneladas em 1994, tem-se 6.100 GWh, correspondendo, para um fator de capacidade de 80 %, a 870 MW. Vale comentar ainda, que j so possveis disponibilidades e excedentes energticos superiores adotados na anlise precedente, estimando-se que mais de 1 GW excedente pode ser considerado disponvel, em mdio prazo, neste setor BRACELPA, 2001). (Carpentieri, 1995, apud

3

1.2 OBJETIVO DO PRESENTE TRABALHO O presente trabalho, tem por objetivo, o estudo termoeconmico de um processo de gerao de energia eltrica e de produo de vapor no segmento de papel e celulose. Os dados utilizados neste estudo, foram obtidos do Sistema Digital de Controle Distribudo do processo em questo. Para o estudo termoeconmico do processo foi necessrio fazer um balano de massa para cada fluxo de combustvel e calcular as exergias envolvidas nos subsistemas. O estudo do caso possibilita avaliar a necessidade de melhorias em termos de eficincia trmica, visando diminuir o custo de produo e analisar a gerao de energia eltrica, a partir da auto-suficincia. Os fatores apresentados, associados crise ocorrida no setor eltrico brasileiro, com a falta de garantia na oferta de energia e os riscos de interrupo no fornecimento, contribuem para o estudo da cogerao a partir dos resduos gerados pelo processo.

1.3 CONTRIBUIO DO PRESENTE TRABALHO Uma das grandes contribuies do presente trabalho, foi um desenvolvimento de um estudo termoeconmico aplicado gerao de energia eltrica e produo de vapor, no segmento de papel e celulose. O processo em estudo complexo, pois envolve vrios equipamentos trmicos de diferentes caractersticas construtivas e diferentes aplicaes. A indstria de papel e celulose gera grande parte da energia eltrica consumida, a partir da lixvia (licor preto), biomassa produzida no prprio processo, leo combustvel e gs natural. Neste contexto, o presente trabalho analisa os custos exergoeconmicos do sistema de gerao de energia eltrica e produo de vapor, bem como os custos de todos os subsistemas envolvidos no processo. Todavia, o estudo apresenta os custos exergoconmicos do processo, visando com os resultados obtidos, a introduo de tecnologias mais eficientes e com menor impacto ambiental aliado a um menor custo de produo.

4 1.4 DESENVOLVIMENTO DO PRESENTE TRABALHO No Captulo 2 feito um resumo sobre o incio da industria de papel e celulose, procurando mostrar o incio da histria do papel. Tambm apresentado um panorama do setor e as perspectivas de crescimento da demanda e as metas de expanso da produo de papel e celulose. Neste captulo, tambm descrito o processo de fabricao de papel e celulose, visando um melhor entendimento do processo.Tambm so abordados os problemas ambientais que envolvem os resduos da lixvia e biomassa. O Captulo 3 apresenta o consumo de energia eltrica no segmento de papel e celulose. Tambm apresentada uma anlise do consumo de energia, bem como o consumo de combustveis. Ainda neste Captulo apresentada uma avaliao da situao dos sistemas de cogerao. No Capitulo 4 apresentado o processo de gerao de energia eltrica e trmica do sistema. O processo mostra detalhes dos equipamentos, suas caractersticas e detalhes sobre o sistema operacional. Tambm apresentada a necessidade de consumo de combustveis utilizada no processo, bem como os problemas relacionados questo ambiental. No Captulo 5 apresentam-se alguns conceitos bsicos referentes exergia, irreversibilidade e eficincia exergtica, bem como o balano de exergia visando a anlise dos subsistemas. Neste Captulo tambm se apresentam as equaes exergticas para substncias no estado slido e combustvel lquido industrial . Tambm foi feita uma anlise exergtica do processo aplicando para cada

subsistema, o conceito e equaes exergticas respectivas. Tambm foi feito um balano de massa para as reaes qumicas envolvidas nas fornalhas das caldeiras de recuperao qumica. Nos clculos de exergia so aplicadas as equaes para cada fluxo envolvido no processo. Os fluxos de combustveis envolvidos no processo foram: biomassa, licor preto, leo combustvel e gs natural. As equaes envolvidas nestes clculos foram apresentadas no Captulo 5. Os valores obtidos nos clculos esto representados em tabelas e resumidas em figuras, para uma melhor visualizao. Em seguida foi feito o clculo da eficincia dos equipamentos, com a apresentao do diagrama de Grassmann.

5 No Captulo 6 foi feita uma anlise termoeconmica do processo, onde a

ferramenta utilizada para esta anlise foi o programa Mathematica 2.2. possvel ento montar a matriz de incidncia do processo e a aplicao das regras de atribuies de custos, permitindo o clculo dos custos exergticos atravs do sistema matricial, formado pela matriz de incidncia, vetor coluna dos custos exergticos e vetor coluna dos valores externos dos fluxos de entrada no processo. Neste Captulo, ainda foram calculados os custos exergoeconmicos, que levam considerao os valores monetrios dos fluxos das entradas nos subsistemas. Nestes clculos so considerados os valores monetrios referente aos custos fixos e variveis, de manuteno e operao. A comparao e discusso dos resultados da anlise, levam em considerao os custos exergoeconmicos de produo dos subsistemas. Ainda neste captulo, foram sugeridas algumas melhorias para o sistema. No Captulo 7, so apresentadas as concluses dos resultados obtidos, a partir do presente trabalho e algumas propostas para melhorias no processo, bem como propostas para trabalhos futuros.

CAPTULO 2

O SEGMENTO DE PAPEL E CELULOSE2.1 INTRODUO Antes da criao do papel, o material mais utilizado para escrita foi um pergaminho, feito com peles de animais. Os antigos egpcios, utilizavam o talo de papiro. Sua fabricao era penosa e rudimentar. A medula de talo era cortada em tiras que eram colocadas transversalmente, umas sobre as outras, formando camadas que eram batidas com pesadas marretas de madeira, resultando numa espessura uniforme e produzindo um suco que impregnava e colocavas as tiras entre si. Neste captulo, ser feita uma abordagem sobre a histria do papel, bem como um panorama do setor na atualidade, a partir de dados do segmento levantados pela BRACELPA Associao Brasileira dos Fabricantes de Celulose e Papel.

2.2 A HISTRIA DO PAPEL 2.2.1 NO MUNDO O papel, oficialmente, foi fabricado pela primeira vez na China, no ano de 105, por Ts!Ai Lun que fragmentou em uma tina com gua, casca de amoreira, pedaos de bambu, rami, redes de pescar, roupas usadas e cal para ajudar no desfibramento. Na pasta formada, submergiu uma forma de madeira revestida por um fino tecido de seda, a forma manual, como seria conhecida. Esta forma coberta de pasta era retirada da tina e com o escorrimento da gua, deixava sobre a tela uma fina folha que era removida e estendida sobre uma mesa. Esta operao era repetida e as novas folhas eram colocadas sobre as anteriores, separadas por algum material. A partir da as folhas ento eram prensadas para perder mais gua e posteriormente eram colocadas uma a uma, em muros aquecidos para secagem. No sculo VII (ano 751), os chineses foram derrotados pelos rabes. Dentre os prisioneiros que caiam nas mos dos rabes, estavam fabricantes de papel, que levados a Samarkanda, a mais velha cidade da sia, transmitiram seus conhecimentos aos rabes. A

7 tcnica de fabricar papel evoluiu rapidamente em curto espao de tempo com o uso de amido, derivado de farinha de trigo, para a colagem das fibras no papel e o uso de sobras de linho, cnhamos e outras fibras encontradas com facilidade, para a preparao da pasta. Em 1798 teve xito a inveno, segundo a qual foi possvel fabricar papel em mquina de folha contnua. Inventada pelo Francs Nicolas Luis Robert, que por dificuldades financeiras e tcnicas no conseguiu desenvolve-la, este cedeu sua patente aos irmos Fourdrinier, que a obtiveram juntamente com a mquinaria Hall de Dartford e posteriormente com o Eng. Bryan Donkin. Assim a mquina de papel Fourdrinier (mquina de tela plana) foi a primeira mquina de folha contnua que se tem noticia. Depois da mquina Fourdrinier foram lanadas no mercado outros tipos de mquinas: a mquina cilndrica e a mquina de partida automtica. A matria-prima usada na fabricao do papel (trapos velhos) passou a ser um problema, pois com o crescimento do consumo de papel, a demanda no era suficiente. Em 1884, Fridrich Keller fabricou pastas de fibras, utilizando madeira pelo processo de desfibramento, mas ainda juntava trapos a mistura. Mais tarde, percebeu que a pasta assim obtida era formada por fibras de celulose impregnadas por outras substncias da madeira. Procurando separar as fibras da celulose da lignina foram sendo descobertos vrios processos, a saber: -processo da pasta mecnica; -processo com soda; -processo sulfito; -processo sulfato (Kraft). As introdues das novas pastas deram um importante passo na ecloso de novos processos tecnolgicos na fabricao de papel. Mquinas correndo a velocidade de 1200 metros por minuto, o uso da fibra curta (eucalipto) para obteno da celulose, a nova mquina Vertform que substituiu com vantagens a tela plana, foram alguns fatos de grande importncia ao setor (BRACELPA, 2002).

8 2.2.2 NO BRASIL No Brasil, o papel chegou por iniciativa de Dom Joo VI. Em 1848, foi inaugurada na Bahia a primeira fabrica de papel brasileira, que utilizava fibras de bananeira como matria-prima. Durante a segunda guerra mundial, surgiu um grande problema: o Brasil no pode contar com as importaes de celulose utilizada para fazer papel, que vinha toda do exterior. Esse fato acabou por dar um novo impulso fabricao nacional. As primeiras rvores utilizadas na fabricao do papel em escala industrial foram o pinheiro e o abeto das floresta de conferas, encontrados nas zonas do norte da Europa e da Amrica do Norte. Hoje em dia qualquer rvore pode servir como matria-prima, mas as mais utilizadas so o vidoeiro, a faia, o choupo preto, a bordo e principalmente o eucalipto, a partir dos anos 60. A Cia Suzano foi a primeira empresa a produzir papel de qualidade com 100% de celulose de eucalipto em 1965 (SUZANO, 2002).

2.3 PANORAMA DO SETOR Aps uma seqncia de anos difceis, caracterizados por preos internacionais deprimidos, uma relao cambial que inviabilizou as exportaes, juros altos e outros

problemas, o exerccio de 2000 encerrou-se de forma muito animadora, pois o setor pode celebrar bons resultados das empresas associadas a Bracelpa. Ainda que, no final do ano, surgissem sinais de resfriamento no mercado, esse quadro positivo do ano 2000 levou o setor de papel e celulose qinqenal de quase US$ 7 bilhes a anunciar um plano

em investimentos indispensveis para que a indstria

mantenha e solidifique sua competitividade mundial e a posio de liderana que ocupa no cenrio global. O faturamento total do setor, no ano 2000, foi de US$ 7,5 bilhes, abrangendo as atividades integradas de produtos florestais e de converso de papel. Ao mesmo tempo, o setor se orgulha de ter continuado a constituir importante indutor do desenvolvimento scio econmico, da fixao dos trabalhadores no campo e da desconcentrao industrial, com elevados investimentos sociais, tendo em vista que os projetos florestais industriais so distantes dos centros urbanos. As 220 empresas que compe o setor empregaram diretamente cerca de 100 mil pessoas em 2000, alm de propiciarem inmeras oportunidades de trabalho indireto, em todo

9 o pas. As 255 unidades industriais, esto presentes em todas as regies do Brasil, em 16 estados e 180 municpios. A produo brasileira de pasta celulsica foi de 7,5 milhes de toneladas no ltimo exerccio, registrando aumento de 3,5 % sobre o ano anterior. Enquanto isso a produo de papel teve elevao de 3,4 %, chegando a 7,2 milhes de toneladas. De outra parte, o nvel de utilizao da capacidade instalada de pasta celulsica foi de 92%, enquanto que o de papel foi de 89%. Da produo de celulose, 59 % foram consumidas pelo mercado interno, que

tambm, absorveu 84% da produo de papel, abrangendo no s as vendas domsticas, mas tambm o consumo prprio das empresas do setor. Enquanto isso, o consumo aparente brasileiro de papel cresceu em relao ao ano anterior, ao nvel de 6,8 milhes de toneladas. O consumo anual Per Capita de papel tambm cresceu em 2000, atingindo cerca de 40,1 kg, ainda muito abaixo dos patamares que se observam em pases mais desenvolvidos ou de estgio de desenvolvimento comparvel ao brasileiro. Nas exportaes, houve reduo de volume em relao ao ano anterior, tanto como para a celulose como para o papel. As vendas externas de celulose atingiram o volume de 2,9 milhes de toneladas, com queda de 3,2 %, enquanto as exportaes de papel foram 7,9% inferiores s do ano anterior, alcanando 1,2 milho de toneladas. Essa queda foi causada pela inflexo do crescimento econmico em alguns mercados e, principalmente pela prioridade atribuda ao setor de pleno abastecimento do mercado interno. No entanto, graas continuidade do processo de recuperao dos preos internacionais e ao xito da poltica cambial adotada pelo governo brasileiro, a receita de exportaes em 2000 foi superada em 18,6% do exerccio anterior, registrando US$ 2,5 bilhes (BRACELPA,2002).

2.4 PERSPECTIVAS DE CRESCIMENTO DA DEMANDA E AS METAS DE EXPANSO DA PRODUO DE CELULOSE E PAPEL O aumento do consumo mundial de papel est estimado em 3,3% ao ano, para os prximos anos, com maior dinamismo na sia e Amrica Latina. Os projetos de expanso da oferta, que venham a ser executados, encontraro um mercado mundial receptivo. No mercado interno, o consumo de papel cresceu 14,3 % ao ano no binio

1994/1995 e espera-se um aumento da ordem de 5,5 % ao ano, para os prximos dez anos. Para capturar oportunidades emergentes, o Brasil est desenvolvendo ambicioso programa de investimentos com projetos que aproveitam nossas vantagens competitivas.

10 Os projetos de investimento de celulose e papel, atualmente em andamento, j alcanaram US$ 2,2 bilhes. Os investimentos planejados envolvero recursos da ordem de US$ 5,4 bilhes no perodo 1995-2005. Alm desses, sero necessrios diversos projetos de produo de celulose e papel, alm de ampliao da base florestal, para fazer frente ao aumento da demanda interna e garantir a insero internacional do setor. Assim, o valor global do programa de investimentos para aumento da capacidade produtiva do setor, inclusive da base florestal, no perodo 1995-2005, dever ascender a US$ 13,2 bilhes, de modo a ampliar a capacidade produtiva da celulose em 74 % e de papel em 43%. Alm disso, esses projetos devero contar com um aumento de produtividade na produo florestal, embora ainda demandem plantios de aproximadamente 1,5 milho de hectares, para suportar o crescimento do setor a mdio e longo prazo (BRACELPA, 2002). Na Tabela 2.1, 2.2 e 2.3 esto representados os projetos de investimentos para o perodo de 1995 2005.

Tabela 2.1 Valor de investimento no setor, em milhes de dlares Execuo Celulose e Papel Papel Atividade Florestal al Total 2192 5449 5542 13183 1007 185 Planejados 4284 165 1000 Necessrios 2400 2400 1000 Total 8433 2750 2000

Fonte BRACELPA, 2002

Tabela 2.2 Valor da Produo do setor ( x 1000 toneladas) Celuloses e Pasta Papel 1030 326 2351 250 1519 2324 4900 2900

Fonte: BRACELPA, 2002

A Tabela 2.3, apresenta o acrscimo de capacidade da Celulose, Pasta e Papel de 1998 em relao a 1994.

11 Tabela 2.3 Valor de acrscimo de capacidade em %, de 98 sobre 94 Celulose e Pasta 15,5 35,4 22,9 73,8

Papel Fonte : BRACELPA, 2002

4,8

3,7

34,3

42,8

2.5- PROCESSO DE FABRICAO DE PAPEL E CELULOSE 2.5.1 INTRODUO Nesta seco ser apresentado um resumo sobre o processo de fabricao de papel e celulose (incluindo a recuperao de produtos qumicos) e do processo Kraft de fabricao de papel. Existem outros processos de fabricao de celulose, como por exemplo, o processo termomecnico, no includos neste trabalho, porque foge ao contexto. A madeira utilizada para a fabricao de papel a mais importante matria-prima de toda a cadeia produtiva. Ela vem de florestas bem planejadas, onde muitas rvores so plantadas, e no cortadas para garantir o desenvolvimento sustentado. O objetivo bsico suprir as necessidades de matria-prima da industria de celulose, bem como de biomassa para gerao de energia. As operaes de produo florestal, vo desde o melhoramento gentico de plantas produo de mudas, preparo do solo, plantio, colheita da floresta e transporte de madeira. O trabalho de pesquisa florestal tem como objetivo o desenvolvimento de estudos visando a formao de florestas mais produtivas e de melhor qualidade, atravs de: obteno e adequao de novas tecnologias; obteno de dados e acompanhamento do crescimento da floresta; equilbrio ambiental da floresta.

2.5.2 PROCESSO DA FABRICAO DA PASTA CELULOSICA A madeira, matria-prima utilizada na fabricao da celulose, cortada aps atingir certa idade e dimetro de toras. O transporte da madeira feito por meio de caminhes e so descarregados atravs de agarradeiras mveis que retiram as toras dos caminhes para serem colocadas nas mesas transportadoras e enviada aos tambores descascadores, que retiram e separam as cascas.

12 As toras descascadas passam pelos picadores onde so reduzidas a cavacos, que passam pelas peneiras vibratrias, onde se separam as lascas e os finos, antes de entrarem nos digestores. A alimentao dos digestores feita por meio de transportadores que eleva o material at o alimentador, regulando o fluxo de cavaco e dos qumicos de cozimento, desempenhando o papel de pressurizador e impregnador dos qumicos, introduzindo o material no topo do digestor (processo contnuo). O processo de cozimento chamado Kraft ou sulfato, que consiste em tratar os cavacos com lixvia branca (que uma mistura de soda custica e sulfeto de sdio), a uma certa temperatura, presso e tempo. O cozimento interrompido quando se atinge a dissoluo do maior grau possvel de material no celulsico, composto principalmente de lignina e extrativo, preservando, porm, a qualidade e o rendimento da celulose. Nesta etapa a celulose passa por um processo de depurao, onde so separados os materiais no cozidos, shives e outras impurezas, por meio de peneiras vibratrias de vrios tipos e formatos. O prximo passo a lavagem, que separa a massa cozida (celulose ou pasta) dos qumicos e do licor preto. Este licor, onde os qumicos j perderam a concentrao inicial, seguem do sistema de recuperao para a planta da evaporao, e da, para a caldeira onde ser queimado. O passo seguinte o processo de pr-branqueamento, onde submetida ao tratamento com oxignio, em meio alcalino, num reator pressurizado, a uma temperatura de 95 C, por aproximadamente, 60 minutos. A lignina residual dissolvida deslocada no processo de lavagem na segunda mesa plana, utilizando-se gua quente e limpa no ltimo estgio. A lixvia deslocada do primeiro estgio enviada ao chuveiro do ltimo estgio de lavagem da primeira mesa plana. A celulose pr-branqueada lavada e estocada, de onde pode ser enviada ao branqueamento, para mquinas de papel ou unidades de secagem (ABTCP, 2002).

2.5.3 RECUPERAO DOS PRODUTOS QUMICOS A recuperao dos produtos qumicos realizada em trs etapas: evaporao, caldeira de recuperao e caustificao, uma vez que sua recuperao importante por motivos econmicos e ambientais. Na primeira etapa a gua evaporada para concentrar os slidos, constitudos de lcalis e lignina, para possibilitar a queima na caldeira de recuperao.

13 A caldeira de recuperao o equipamento mais importante e complexo da planta. o maior equipamento tanto em tamanho quanto em investimento dentro de uma fabrica de celulose, que usa como combustvel a lixvia preta concentrada. A quantidade de lixvia preta gerada no mundo da ordem de 0,5 milhes de toneladas de slidos secos por dia, sendo que quase 50% desse valor gerado na Amrica do Norte. Segundo Larson e Consonni, (1997) apud Bracelpa (2002), o Brasil, junto com a Indonsia e outros pases que apresentam baixo custo de produo de madeira, tm mostrado um rpido crescimento dessa taxa de gerao, na produo de celulose. A principal funo de uma caldeira de recuperao recuperar os produtos

qumicos, transformando os sais de sdio da lixvia preta em carbonato de sdio, e sulfato em sulfeto de sdio, recuperando a energia, produzindo vapor pela reao do material orgnico solubilizado durante o cozimento. Na prtica, para minimizar corroso na fornalha e no superaquecedor a caldeira opera com presso de vapor em torno de 50 bar e temperatura dos fundidos na fornalha em torno de 950 C. Os produtos qumicos obtidos nesse processo so dissolvidos em lixvia branca fraca, formando assim a lixvia verde, que enviada a caustificao, processo este que efetiva a converso da lixvia verde em lixvia branca, reutilizvel no processo de polpamento e completa-se assim o ciclo de lcalis. O processo de branqueamento, citado anteriormente, pode ser definido como um tratamento fsico-qumico que tem por objetivo melhorar as propriedades de pasta celulsica a ele submetido. Algumas propriedades relacionadas com este processo so alvura, limpeza e pureza qumica. No branqueamento das pastas qumicas, em que a maior parte da lignina foi removida pelo processo de polpao, devem ser removidos derivados de ligninas, ainda remanescente na pasta. Aps essa remoo so aplicados produtos qumicos que modificam quimicamente as substncias coloridas, descolorando-as. Os parmetros usuais que medem a eficincia do branqueamento, so as

propriedades pticas da pasta (alvura, brancura, opacidade e estabilidade de alvura), relacionadas com absoro ou reflexo da luz. Aps isto, a pasta celulsica est pronta para ser bombeada para as mquinas de papel e/ou para extrao de celulose (ABTCP, 2002). A Figura 2.1 ilustra o processo de fabricao da pasta celulsica.

14toras descascadorlenha casca agua

caldeira de biomassa

vapor

picadorvapor

cavacos leo cavacoslicor de cozimento

caldeira a leoagua

vapor

cozimento

caldeira a gsagua gs natural

vapor turbinas

vapor 6 bar

depurao e lavagem

licor negro (15% de soda)

vapor 12 bar

evaporao

oxignio

delignificao com O2

licor negro concentrado 60 a 70% soda

agua

caldeiras de recuperao

vapor

licor

licor verde

lavagemlignina residual dissolvida

agualicor de cozimento

caustificao

vapor de extrao das turbinas

cal virgem vapor de extrao das turbinas

estoque

forno de cal

leo

agentes de branqueamento mquina de papel unidades de secagem branqueamentopasta celulsica para mquina de papel

para tratamento de efluentes

Figura 2.1 Processo de Fabricao da Pasta Celulsica

15 2.5.4 PROCESSO DE FABRICAO DE PAPEL As mquinas para fabricao de papel, so equipamentos que permitem produzir uma folha de papel de uma largura determinada e de um comprimento infinito. So por isso conhecidas como mquinas contnuas. So mquinas modernas, constitudas de vrias sees independentes, cada seo com uma caracterstica prpria e com funes definidas. A fabricao do papel consiste de trs etapas principais, partindo da matria-prima (celulose), que so: preparao da massa, formao da folha e secagem. Na primeira , realizado o desfibramento para soltar as fibras numa soluo de gua, feita a depurao, destinada a manter a pasta livre de impurezas e, tambm, a refinao que dar qualidades exigidas ao papel atravs da moagem das fibras. Alm disso feito o tingimento, a colagem, a correo do pH e adio de aditivos. A segunda etapa a formao da folha, que poder ser realizada de maneira manual, em mesa plana ou em um cilindro. A terceira e ltima etapa a secagem, que conseguida, inicialmente, prensando-se a folha, para retirar toda a gua possvel, e depois, fazendo-a passar por cilindros de ao aquecidos, dispostos em duas linhas, horizontalmente, uma sobre a outra. A alimentao de vapor e a retirada do condensado, so feitos atravs dos eixos (ABTCP, 2002 ). A Figura 2.2 mostra o processo de fabricao de papel.

2.5.5 PROCESSO DE RECICLAGEM O processo de reciclagem comea em casa, no escritrio, na escola ou onde houver consumo de papel. No mercado, so utilizados 75% de papis reciclados. Apesar disso, apenas 36% do papel retorna fbrica. No processo de reciclagem, entre a coleta dos papis, e seu processamento na fbrica, h algumas etapas que envolvem , o catador de papel, o sucateiro e o aparista. O processo de reaproveitamento de papis usados, ou aparas nas fbricas comea no sistema de preparo de massa, pois este diferenciado do processo convencional de fabricao do papel, principalmente na parte de depurao. O processo de reciclagem depende do tipo de aparas a ser processada e do tipo de papel a ser fabricado, seguindo, de modo geral, as seguintes etapas: -desagregao das aparas; -limpeza e depurao da pasta obtida;

16 -destintamento e branqueamento; -refinao da pasta. Adio ou no de fibras virgens, isto , aquelas fibras que esto sendo utilizadas pela primeira vez e adio de produtos qumicos.

Pasta Celulsica

Aditivos

Preparao de Massa

FormaoMquina de Papel gua Branca

Prensagem

SecagemPapel

Vapor

Acabamento

Papel embalado

Figura 2.2 - Processo de fabricao de papel

CAPTULO 3

CONSUMO DE ENERGIA ELTRICA NO SEGMENTO DE PAPEL E CELULOSE

3.1 SITUAO ATUAL DO SEGMENTO Neste captulo, ser feita uma anlise do consumo de energia no grupo de empresas considerada por categorias, bem como do consumo de combustveis a partir de dados levantados pela BRACELPA (Associao Brasileira dos Fabricantes de Celulose e Papel, dos dois ltimos anos disponveis , 1995/1996.). Segundo a BRACELPA as empresas do segmento esto divididas em quatro categorias: Categoria A Indstrias de Celulose; Categoria B - Indstrias de Papel; Categoria C - Indstrias de Papel para Fins Sanitrios; Categoria D - Industrias Integradas - Fabricantes de Papel e Celulose. O segmento de papel e celulose esta includo entre os mais eletro-intensivos do setor industrial. As indstrias de celulose, geram grande parte da energia eltrica consumida (80 a 85%), bem como as integradas, fabricante de papel e celulose (50 a 60 %), a partir da lixvia produzida no prprio processo e de biomassa em geral. No entanto as indstrias de papel produzem apenas 10% da eletricidade necessria no processo, sendo o restante comprado na concessionria, pelo fato de no terem disponibilidade de combustvel produzido no prprio processo (BRACELPA, 1998, apud, Velazquez, 2000). Segundo Bracelpa (1998) apud Velazquez (2000), em 1997 as atividades do segmento proporcionaram 102 mil empregos diretos, sendo que cerca de 67 mil na indstria e outros 35 mil na lavoura. Houve ainda o plantio e a reforma de 102 mil hectares de reflorestamento, sendo que ao final do ano de 1997 existiam 1,423 milhes de hectreas prprios. O consumo de madeira durante o ano de 1997 foi estimado em 48,6 milhes de m3, sendo 89% para a produo de celulose/pasta e 11% para fins energticos (BRACELPA, 1998 apud, Velazquez, 2000).

18 Em 1995, a produo nacional foi de 5,8 milhes de toneladas de papel e 5,4 milhes de toneladas de celulose. J em 1997, a produo foi de 6,5 milhes de toneladas de papel (5,5 % maior que em 1996) e 6,3 milhes de toneladas de celulose (2,1% maior que em 1996), que representou um faturamento equivalente a R$ 7,1 bilhes. A programao de expanso do segmento at 2002 para mais de 2,25 milhes de celulose (BRACELPA, 1998). A partir da dcada de 80, devido aos sucessivos aumentos de preo do petrleo, foi implantado pelo Governo Federal, um programa de substituio de combustveis importados (derivados de petrleo). Atravs deste programa, a participao destes combustveis fsseis caiu de 49% para 19% do total, em 1996 (BRACELPA, 1997). Em termos de energia eltrica, o crescimento baseou-se na eletricidade comprada das concessionrias, de 56,3% para 66,6% do total consumido de eletricidade (BRACELPA, 1991). Houve uma inverso nesses valores, e em 1996 as indstrias do segmento compraram 48,55 % do total consumido (BRACELPA, 1997). Para analisar a situao atual, ser apresentado um levantamento feito pela BRACELPA, onde foram consideradas 96 empresas informantes, 38 empresas estimadas, de um total de 104 cadastradas, utilizando todos os tipos de combustveis, independentes do fato de serem comprados ou inerentes ao processo, inclusive energia eltrica, consumida em caldeiras e capotas de mquinas de papel. A auto-produo de eletricidade no segmento de papel e celulose ainda reduzida, apenas 27% das indstrias possuem gerao prpria, correspondendo aproximadamente 48% da energia total consumida, conforme mostra a Tabela 4.2 e Figura 4.2. A maioria das empresas de papel no tem gerao prpria, apenas 15 em um total de 99 empresas no Brasil possuem gerao prpria, das quais, 13 com hidroeletricidade e 2 com gerao trmica. O contrrio observado nas indstrias integradas, onde de 26 empresas, 17 possuem gerao prpria. Nas de celulose, de um total de 6 empresas, 3 possuem gerao trmica e uma possui gerao trmica e hidreltrica (BRACELPA,1997). De acordo com os dados da Tabela 3.1, pode-se observar que, em termos de produo, as indstrias de papel e integradas apresentam uma pequena reduo (2,7% e2,2%, respectivamente), as outras obtiveram significativo aumento: 18,49 % nas de celulose, 10,70% nas de sanitrios. Considerando-se a situao econmica de recesso do pas, nessa poca, estes resultados podem ser considerados como positivos.

19 Tabela 3.1 Consumo de eletricidade no segmento de papel e celulose , por categoria (MWh) INDSTRIASCelulose* 1995 A. Produo 1.811.152 1996 2.146.009 Papel 1995 1996 Sanitrios 1995 1996 505.064 Integradas 1995 4.198.112 1996 4.104.833

1.977.359 1.922.267 456.259

B. Consumo de Eletricid. B1.Autogerada B2. Comprada B3. Consumo Total C. Consumo 1056 especfico [kWh/t] 1026 652 695 846 948 1106 1046 1.912.379 2.200.755 1.289.851 1.335.134 385.969 479.025 4.642.026 4.294.045 372.877 381.946 1.207.510 1.224.535 384.242 471.525 1.907.456 1.956.208 1.539.502 1.818.809 82.341 110.599 1.727 7.500 2.734.570 2.337.837

Fonte:BRACELPA, 1997, apud Velazquez, 2000 * - No incluem as indstrias produtoras de pastas de alto rendimento, altamente intensivas em consumo de eletricidade (2.048 kWh/t). No Brasil elas representam apenas 4,1% da produo vendvel, mas consomem 8,28% da eletricidade total consumida pelo segmento (BRACELPA, 1996, apud Velazquez, 2000).

Observou-se significativo aumento no consumo especfico de eletricidade de 1995 para 1996, nas indstrias de papel e sanitrios, como mostra a Tabela 3.1, contrariando a tendncia de conservao e utilizao racional de energia. Observa-se que o mesmo no ocorreu nas indstrias de celulose e integradas, que reduziram seu consumo especfico em 2,8% de 1995 para 1996. Na Figura 3.1 mostra um grfico com um consumo total de

energia por categoria, em porcentagem.

20

Consumo total de energia por categorias5,8 26,5 51,7 5,8

Sanitrios

Integradas

Celulose

Papel

Figura 3.1 Porcentagem do consumo total de energia por categorias. Fonte: BRACELPA,1997, apud Velazquez, 2000

Tabela 3.2 Evoluo no consumo de eletricidade no segmento de papel e celulose, em MWh Consumo eltrico Autogerada Comprada Total 1995 4.358.140 3.872.085 8.230.588 % do total 52.95 47.85 1996 4.274.745 4.034.214 8.308.959 % do total 51.45 48.55

Fonte: BRACELPA, 1997, apud Velazquez, 2000

21

Consumo total de energia do segmento

48,55 51,45

Auto-gerada

Comprada

Figura 3.2 Porcentagem do consumo total de energia do segmentoFonte: BRACELPA, 1997, apud Velazquez 2000

Nas indstrias de celulose e nas integradas consumida toda a lixvia produzida, O que reduz substancialmente o consumo de outros combustveis. Mesmo assim ocorre um consumo de leo combustvel, em particular nos fornos de cal. Recentemente vem ocorrendo o aumento de consumo deste derivado (24% de 1996 para 1997, BRACELPA, 1998), provavelmente devido aos seus preos reduzidos. Assim, nas indstrias de celulose e integradas, devido grande disponibilidade de subprodutos do processo, a auto gerao de eletricidade elevada. Nas fbricas de celulose, por exemplo, foi gerada, em 1996, 82,64% da energia eltrica consumida, principalmente a partir da origem termeltrica, queimando lixvia e biomassa, da o elevado consumo desses combustveis. Nas indstrias integradas, a situao de auto produo, apesar da quantidade de eletricidade auto-gerada (64%) ser menor quando comparada com as fbricas de celuloses (82.6%), deve-se observar o fato do consumo de eletricidade ser elevado no setor de papel da fbrica integrada. O perfil do consumo de combustveis semelhante ao das indstrias de celulose, sendo mais expressivo o consumo de leo combustvel, pela necessidade de completar a energia gerada por co-gerao.

22 Na indstria de papel, a situao diferente. Pelo fato de no haver combustvel disponvel gerado pelo prprio processo, a auto gerao de eletricidade efetuada em usinas hidreltricas ou em termeltricas com o uso de combustveis comprados, o que no vivel economicamente, devido s baixas tarifas cobradas pelas concessionrias de energia eltrica (Coelho et al., 1995 e 1993,apud Velazquez, 2000). O gs natural comea a ter uma participao significativa, principalmente nas indstrias localizadas em regies onde, atualmente h disponibilidade. Era esperado que, com o gs da Bolvia, ocorresse um deslocamento no tipo de combustvel consumido,

substituindo principalmente o leo combustvel. Porm, em vista da elevao dos preos do gs natural (cotado em dlares), em conseqncia da elevao da taxa de cmbio, h sinalizao da inviabilidade da gerao termeltrica a partir deste combustvel. Segundo os valores fornecidos pela BRACELPA, pode-se construir a Figura 3.3, que mostra a participao de cada energtico na matriz do segmento, onde se nota que a lixvia o principal combustvel utilizado, representando 48,26% de todo o combustvel utilizado. Em seguida vm os derivados de madeira (lenha, cascas e cavacos) que representam 23,68%, enquanto que os combustveis fsseis (leo combustvel, gs natural e outros) limitam-se a 21,94%. O restante composto por vrios outros energticos de pouca representatividade no segmento, como p por exemplo, bagao da cana, o carvo mineral e a energia eltrica comprada.

Matriz Energtica do Segmento de Papel e Celulose - 1996

9% 19%

10%

5% 3% 6%

48%Cavacos leo combustvel Outros Lenha Licor Negro Cascas Gs Natural

Figura 3.3 Matriz energtica do segmento de papel e celulose, em 1996Fonte: BRACELPA, 1997, apud Velazquez, 2000

23

O segmento de papel e celulose tem grande potencial para se tornar auto-suficiente em termos energticos, produzindo todo o vapor necessrio para o processo, mas observou-se, que a auto-gerao ainda bastante reduzida. So bastante conhecidas as dificuldades do setor industrial quanto garantia de disponibilidade de energia, devido s eventuais falhas e interrupes do sistema eltrico. So tambm, amplamente conhecidas as vantagens para o setor em garantir o seu suprimento, sem risco de interrupo. A Tabela 3.3 ilustra o consumo de combustvel do segmento, disponvel (1995 e 1996).

Tabela 3.3 Consumo de combustveis, para fins trmicos, no segmento de papel e celulose (teoc, tonelada equivalente de leo combustvel) 1995 A Produo [ t ] B Consumo de derivados [ t ] leo combustvel Gs natural Outros derivados Sub - Total C Consumo de alternativos [ t ] Lenha Cavacos Cascas Resduos Bagao de cana Carvo Licor preto Energia eltrica Outras alternativas Sub - Total D Consumo total (B+C) [ t ] 763.948 129.990 9.763 903.700 471.310 611.509 312.868 122.040 4.848 134.090 2.218.714 25.950 8.109 3.909.437 4.813.138 945.000 148.456 14.643 1.108.100 441.304 481.051 273.734 121.019 24.762 152.887 2.437.677 7.160 3.050 3.942.644 5.050.744 23.7% 14.21% 49.99% 22.662% -6.37% -21,33% -12.51% -0.84% 410.73% 14.02% 9.87% -72.41% -62.39% 0.85% 4.94% 8.442.882 1996 8.687.778 Variao 2.90%

Fonte:BRACELPA, 1997, apud Velazquez, 2000 Pelo exposto, a implementao da cogerao no segmento de papel e celulose aparece como uma possibilidade de produzir benefcios para os setores envolvidos, bem como para a sociedade como um todo.

24

3.2 LEVANTAMENTO DE DADOS DE UM GRUPO DE EMPRESAS SELECIONADOS O segmento de papel e celulose um dos principais do setor industrial em termos de consumo de energia eltrica, tendo consumido mais de 8.000 GWh de eletricidade em 1996, representando 8% do consumo do setor industrial (BRACELPA, 1997). Entretanto, apesar da grande quantidade de subprodutos de processo existente nas industrias integradas e de celulose, o segmento apresenta ainda capacidade reduzida de auto-gerao. Por outro lado, observou-se um aumento significativo de combustveis fsseis (20% de 1995 para 1996, BRACELPA,1997), e uma reduo nos combustveis renovveis, com uma maior emisso de poluentes (Bracelpa, 1997, apud Velazquez, 2000). Para uma anlise preliminar do potencial de cogerao nas indstrias de papel e celulose, foi selecionado um grupo de seis empresas integradas, que apresentam uma

produo de 231.265 t/ms de celulose e 181.435 t/ms de papel, correspondente a 45% da produo nacional do segmento. Em mdia, a energia eltrica produzida por cogerao (210MW) nas empresas escolhidas corresponde a 65% do consumo do grupo (234.388 MWh/ms). Os levantamentos efetuados permitem a avaliao da situao atual dos sistemas de cogerao existentes nas empresas da amostra, bem como a avaliao do potencial de gerao de eletricidade com a introduo das tecnologias mais eficientes (Velazquez 2000). A Tabela 3.4 apresenta o perfil energtico do grupo de empresas selecionadas e compara com os dados globais do segmento.

Tabela 3.4 Perfil energtico do grupo de empresas selecionadas comparada ao segmento de papel e celulose. Dados Globais** Produo de celulose [t/ms] Produo de papel [t/ms] Energia eltrica auto gerada [MWh/ms] Energia eltrica comprada [MWh/ms] Energia eltrica total [MWh/ms] 514.167 511.667 356.229 336.184 692.413 Grupo de Empresas* 231.265 181.435 151.438 82.950 234.388

Fonte:* Velzquez et al , 1999 e** BRACELPA, 1997, apud Velzquez, 2000

25 Como se pode observar na Tabela 3.4, o grupo de empresas selecionadas responsvel por cerca de 45% da celulose do papel produzida pelo segmento. A energia eltrica auto-gerada pelo grupo equivale a 65% da energia total consumida por ele e a 43% da quantidade auto-gerada pelo consumida pelo segmento. Foram analisadas, neste grupo, apenas as indstrias integradas, uma vez que trabalhos anteriores j analisaram o potencial de cogerao com a utilizao de turbinas a gs, permitindo at mesmo a gerao de excedentes (Velzquez,2000). segmento e sua energia total consumida, a 34% daquela

CAPTULO 4A GERAO DE VAPOR E ENERGIA ELTRICA NO PROCESSO DE FABRICAO DE PAPEL E CELULOSE DA CSPC4.1 INTRODUO Este captulo se inicia com um breve histrico sobre o Grupo Suzano e da CSPC Companhia Suzano de papel e celulose. Unidade de negcio de So Paulo Suzano. A seguir feitos uma descrio da rea de utilidades, com enfoque para a gerao de vapor e energia eltrica. Neste captulo ser feito um levantamento da necessidade de vapor e energia eltrica para o caso em estudo. realizada tambm uma descrio detalhada de cada rea envolvida na gerao de vapor e energia eltrica, com descrio detalhada de cada equipamento envolvido no processo.

4.2 HISTRICO DO GRUPO SUZANO

A CSPC Companhia Suzano de Papel e Celulose, foi fundada em So Paulo em 1924 com o objetivo de revender papis nacionais e importados, sua histria se confunde com a histria da industrializao brasileira. A produo prpria comeou no final da dcada de 30, com a instalao da primeira mquina de papel no bairro do Ipiranga, na capital paulista. O nome da Cia. Suzano surgiu em 1955, quando foi incorporado ao grupo de indstria de Papel Euclides Damiani. Um ano depois a empresa firmava seu pioneirismo no mercado internacional ao inaugurar a produo de papel com 100% de celulose de eucalipto. Os anos que se seguiram foram marcados por investimentos na expanso da fbrica e diversificao do mix de produtos, uma das grandes caractersticas da Suzano at hoje. A CSPC hoje a maior fabricante integrada de celulose de eucalipto e papel do Pas, somado as produes das empresas Suzano Papel e Bahia Sul. Tornou-se a primeira empresa brasileira a produzir papel ECF (Elemental Chlorine Free), substituindo o cloro elementar, uma substncia agressiva ao meio ambiente, por oxignio no processo de branqueamento de papel.

27 A unidade de negcio Suzano Papel, que desde de 1999, concentra as atividades relativas a papel e celulose, produz 510 mil toneladas/ano de papis, inclusive papel carto, e 420 mil toneladas/ano de celulose, consolidando assim, sua liderana em tecnologia e desenvolvimento de produtos de maior valor. Lder em vrios segmentos, a Suzano tem sua produo totalmente integrada, do plantio de eucalipto produo de papel e papel carto, sempre em harmonia com os parmetros de proteo ambiental. A matria-prima vem das fazendas de eucaliptos da prpria companhia, so 140 milhes de rvores de eucalipto, das quais 47% esto no estado de So Paulo. Conta atualmente com 3.500 funcionrios e detm 16.6% da produo brasileira de papel para escrita e impresso, 29% da produo nacional de papel carto de primeira linha e 8.9% do mercado de celulose, no qual trabalha com excedente de produo. Em fevereiro de 2001, a Cia Suzano passou a deter 72.81% do capital total da Bahia Sul, empresa que criou em 1992 atravs de uma joint-venture com a Vale do Rio Doce e o BNDESPAR. Sua capacidade anual de produo de 570 mil toneladas de celulose de eucalipto e de 215 mil toneladas de papel para escrita e impresso. As duas empresas mantm administrao separadas, mas totalmente integradas em seu compromisso de promover desenvolvimento econmico aliado preservao ambiental, justia social e crescimento humano (Suzano, 2002).

4.3 NECESSIDADES DE VAPOR E ENERGIA ELTRICA DO PROCESSO DE FABRICAO DE PAPEL E CELULOSE Com a descrio das etapas de fabricao de papel e celulose, abordada neste Captulo, fica evidente a necessidade de vapor e para atende-las, principalmente no cozimento da madeira nos digestores, no processo de recuperao qumica da soda utilizada e na secagem do papel. A Figura 4.1 detalha o consumo de vapor e energia eltrica, em cada etapa do processo.

28

MB 54,5 MW

CBC ITB70 t/h

MB 68,1 MW

Caldeira CBC II

MB 76,8 MW

TGIII

MB 82,2 MW 28 t/h

Caldeira CBC III

Batch100 t/h 1,3 MW

Caldeira GTV

Kamyr

2,0 MW

TGII

Central Lavagem

Caldeira Zanini200 t/h

52 t/h

4,5 MW

Evaporao10,5 MW

Branqueam.4,82 MW

MB5,MB6,MB7 e MB8 so mquinas de papel, TB, TG III e TG II so turbinas a vapor, Batch e Kamyr so equipamentos utilizados no cozimento do eucalipto.

Figura 4.1 Distribuio de vapor e energia eltrica

29

A partir da Figura 4.1, foi construda a Tabela 4.1 que ilustra, de forma resumida, o consumo de vapor e de energia eltrica nas etapas do processo de fabricao de celulose e papel.

Tabela 4.1 Consumo de vapor e energia eltrica nas etapas de fabricao de celulose e papel Etapa do Processo Consumo vapor [t/h] 6 bar Cozimento/Kamyr/Batch 10 12 bar 60 30 18 10,5 de Consumo de eletricidade [MW]

Evaporao/caustificao e Caldeira de 75 recuperao/Caldeira auxiliares Branqueamento Secagem Fonte: Suzano, 2002 15 104

0.0 27

4,5 27

O consumo de vapor em uma planta de papel e celulose considervel, devido a grande quantidade de equipamentos e principalmente mquinas de papel. Este trabalho apresenta uma planta com uma produo mdia de 470 t/h de vapor produzido pelas caldeiras. O sistema de gerao de vapor formado por um conjunto de caldeiras e algumas delas muito importante dentro da indstria de papel e celulose. Neste complexo industrial em estudo, a produo de vapor constituda por duas caldeiras auxiliares, uma caldeira de biomassa, e duas caldeiras de recuperao qumicas, no qual o combustvel o licor preto. Os principais fatores de controle so a presso e a temperatura de vapor. A utilizao do vapor tem trs nveis de aplicao: -Vapor de alta presso (50 bar). fornecido pelas caldeiras e utilizados em dois turbo geradores e em turbinas de pequeno porte que acionam equipamentos; - Vapor de mdia presso (12 bar). utilizado em caldeiras, equipamentos diversos no processo, sistema de aquecimento e soprador de fuligem;

30 Vapor de baixa presso (6 bar). consumido quase na sua maioria nas

mquinas de papel. Depois de passar pelo processo, este vapor retorna como condensado para o sistema de alimentao de gua das caldeiras. As caldeiras de recuperao e biomassa, tem importante papel na questo ambiental, pois utilizam como combustvel resduo do processo. Estes resduos so: * A biomassa que proveniente da casca e cavaco da madeira utilizada no cozimento; * O licor preto, que resultado do cozimento da madeira no digestor. Este cozimento feito com vapor, e em uma etapa do processo separam-se as fibras do licor Preto. O licor extrado passa ainda por outros processos antes de queimar nas caldeiras. Do ponto de vista ambiental, necessrio manter estes equipamentos em operao, pois sua disponibilidade operacional imprescindvel para a destruio de parcela significativa dos resduos gerados no processo, com recuperao de calor. As caldeiras auxiliares, so importantes no processo, pois mantm o estabilidade e a demanda de vapor. A gua utilizada no processo de gerao de vapor desmineralizada. A gua bombeada por bombas de alta presso multi-estgios. A gua bombeada vai para um coletor distribuda nas caldeiras. A Figura 4.2 representa o sistema trmico de vapor, produo e consumo. A gua de alimentao das caldeiras uma combinao de gua desmineralizada e condensados que retornam, principalmente, das mquinas de papel e planta de evaporao. Este condensado, eventualmente, pode ser desviado para a estao de tratamento de efluentes por contaminao de slica, alcalinidade alta ou presena de slidos suspensos. Como foi visto na Figura 4.1, o vapor, numa fbrica de papel e celulose, principalmente utilizado para o cozimento da madeira nos digestores, no processo de recuperao qumica da soda usada no cozimento e para secagem do papel nas mquinas, consumindo, respectivamente, em mdia 13%, 25% e 38% de todo vapor gerado.

31gua industrial Tratamento de agua desmin Condensado Cavaco

Digestor Biomassa

Vapor

gua desmin Gs/leo Biomassa

Fibra p/ processo

Licor preto

Tanque de estocagem

CBC I CBC II 140 t/h

ZANINI

CBC III GTV 90 t/h 240 t/h

Coletor de gua Coletor de vapor Vapor 252 t/h

400C 50 bar 128 t/h 90 t/h

Desaerador

TG II

TG III

T

28 t/h 100 t/h 200 t/h 52 t/h Tanque de alimentao Coletor vapor

Coletor vapor 180C 6 bar 220C 12 bar

Condensado 12 bar Processo Papel e Celulose

Condensado

Condensado 6 bar Condensado gua a 130C

Figura 4. 2 Fluxograma simplificado do sistema trmico de vapor

32

4.4 - GERAO E DISTRIBUIO DE VAPOR, ENERGIA ELTRICA ALIMENTAO DE GUA PARA CALDEIRA E COMBUSTVEIS.

4.4.1 CALDEIRA AUXILIAR CBC I

A caldeira fabricada pela CBC Indstria de Equipamentos Pesados do tipoaquotubular, com quatro paredes de gua. Utiliza leo combustvel industrial fornecido pela Petrobrs e fornece vapor superaquecido a uma presso de 50 bar e 400 C. Sua capacidade de produo em regime contnuo de 90 t/h. Mas neste estudo, tem uma produo de 70 t/h de vapor. Para esta produo consome em mdia 5,85 t/h de leo combustvel. Este leo aquecido em um aquecedor de leo a uma temperatura de 140 C, e depois bombeado atravs de bombas de engrenagem a uma presso de 14 bar. Este leo passa por uma vlvula de controle, que controla a presso do leo que vai para a queima entre 6 a 8 bar. O sistema de atomizao com vapor de 12 bar, onde uma vlvula controla a presso do vapor atomizado em 1,5 bar acima da presso do leo no maarico. O sistema de ar utiliza um ventilador de ar para insuflamento. O ventilador mantm a caldeira pressurizada insuflando o ar para o seu interior, onde fica a cmara de combusto. O ar na temperatura ambiente insuflado para o pr-aquecedor de ar, onde aquecido pela troca trmica dos gases da combusto antes de seu sada para a chamin. Os gases saem pela chamin a uma temperatura de aproximadamente 200 C. A Figura 4.5 representa um esquema simplificado do sistema de distribuio de ar. A ignio dada automaticamente pelo sistema. Os gases assim formados circulam entre os tubos da caldeira, entrando em contato com a superfcie de aquecimento e cedendo a maior parte do contedo trmico gua existente na tubulao, comeando ento a formar o vapor, que circula nos tubos da caldeira. A Figura 4.3 mostra o esquema do sistema de leo da caldeira e a Figura 4.4 mostra os fluxos envolvidos no processo. O tubulo inferior est cheio de gua enquanto que o superior, gua e vapor. O vapor do tubulo passa pelos filtros a existentes da caldeira com pequeno teor de umidade. A seguir levado para o coletor de vapor saturado. Deste coletor flui atravs dos elementos do superaquecedor onde ele superaquecido, e chega ao coletor de vapor seguindo para a utilizao no sistema. Na Tabela 4.2 so apresentados dados operacionais, onde se pode comparar os valores de projetos com os reais.

33Entrada de leo

Tanque de estocage m de leo

Vlvula de controle

85 Cleo Aquecedor Condensado

130 CVapor 12 bar 210 C

Figura 4.3 Sistema de leo da caldeira CBC I.

Tabela 4.2 Dados tcnicos operacionais comparando a condio de projeto com a real. D Descrio tcnica da caldeira CBC I (leo) Capacidade mxima contnua de vapor Capacidade de ponta Presso de projeto da caldeira Presso de vapor na sada do vapor Temperatura de vapor na sada Temperatura de gua de alimentao Excesso de ar Oxignio livre na combusto Sistema de tiragem Rendimento ao pci Consumo de combustvel ( leo ) 3A Consumo de combustvel ( gs natural ) Fluxo de ar Fluxo de gs Temperatura do gs na sada da caldeira Temperatura do gs na sada do pr-aquecedor Projeto 90 t/h 100 t/h 58 bar 50 bar 400 C 130 C 15 % 6,5 % Forado 88 % 6,4 t/h 0 Nm3/H 107,8 t/h 114,3t/h 370 C 220 C 25 C 190 C 50 bar 400C 127C 11 % 2,5% Forado 74,80 % 5,85 t/h 0 Nm3/H 95,64 t/h 101,48t/h 350 C 200 C 25 C 195 C Real 70 t/h

Temperatura do ar na entrada do pr-aquecedor Temperatura do ar na sada do pr-aquecedor

3470 t/h de vapor

95,64 t/h de ar 101,4 t/h de gs

Caldeira CBC I5,85 t/h leo

72 t/h de agua

2 t/h purga

448 kW Energia eltrica

Figura 4.4 Esquema dos fluxos da caldeira em operao real

O sistema de purga contnua mantm a pureza da gua de alimentao no tubulo superior, a fim de manter os ndices de slidos, alcalinidade em nveis pr-estabelecidos e evitar incrustaes nas paredes dos tubos das caldeiras.

Pr-gs

Tubulo superior

Gs Gs

Tubulo inferior Maaricos

Ar Ar

Gs

Figura 4.5 Esquema simplificado do sistema de ar da caldeira

35 4.4.2 CALDEIRA AUXILIAR CBC II Esta caldeira tem as mesmas caractersticas da caldeira citada no item anterior. A produo de vapor de 80 t/h a presso de 50 bar e temperatura de 400 C. Seu vapor tambm distribudo no coletor de alta presso. O sistema de ar utiliza o mesmo mtodo da caldeira citada no item anterior. A diferena desta caldeira em relao a CBC I o combustvel utilizado na queima. Esta utiliza gs natural fornecido pela Comgas. O gs chega na caldeira a uma presso de 7 bar, depois o gs passa por uma vlvula redutora de presso aonde a presso chega a 3 bar. Da o gs passa por uma vlvula de controle de fluxo. A presso do gs para queima varia de acordo com a necessidade do processo, e em torno de 0,2 a 0,45 bar antes de ir para a queima. A caldeira utiliza quatro queimadores de gs. Tambm pode utilizar leo

combustvel se necessrio. O gs utilizado na queima, entra na caldeira na temperatura ambiente. O valor apresentado na Tabela 4.3, uma comparao do sistema em operao, com os valores de projeto. Os valores adotados foram do processo, como sendo uma mdia mensal, devido variao diria no processo. O sistema de ar idntico as da caldeira do item anterior, alterando apenas os fluxos envolvidos no processo. A Figura 4.5 do item anterior representa o esquema simplificado de ar desta caldeira. Para o sistema de leo considera-se tambm o mesmo esquema representado pela Figura 4.3, pois o sistema o mesmo para as duas caldeiras. Quando se faz a troca de combustveis utilizados em caldeiras, deve-se atentar para o comprimento da chama, pois no caso da troca de leo combustvel para gs natural, pode haver alterao do comprimento da chama, e isto pode prejudicar as paredes da caldeira. A utilizao do gs natural em uma caldeira extremamente importante para a vida til do equipamento. Devido ao gs natural no ser um combustvel poluente, no causa incrustaes nos internos da caldeira, dispensando a sopragem nos pontos essenciais na troca trmica. Esta caldeira, pela norma NR 13 tem paradas para manuteno a cada dois anos, onde so feitos testes hidrostticos, testes de vlvulas de segurana .

Tabela 4.3 Dados tcnicos operacionais comparando a condio de projeto com a real.

36 D Descrio tcnica da caldeira CBC II ( gs ) Capacidade mxima contnua de vapor Capacidade de ponta Presso de projeto da caldeira Presso de vapor na sada do vapor Temperatura de vapor na sada Temperatura da gua de alimentao Excesso de ar Oxignio livre na combusto Sistema de tiragem Rendimento ao Pci Consumo de combustvel ( leo ) Consumo de combustvel ( gs natural ) Fluxo de ar Fluxo de gs Temperatura do gs na sada da caldeira Temperatura do gs na sada do Projeto 90 t/h 100 t/h 58 bar 50 bar 420 C 130 C 15 % 6,5 % Forado 88 % - t/h 4500 kg/h 370 C Real 80 t/h 50 bar 420 C 127 C 11 % 2,5% Forado 87,6% - t/h 4464 kg/h 122,14 t/h 126,6,48 t/h 390 C 220 C 25 C 210 C

pr-aquecedor 220 C 25 C 190 C

Temperatura do ar na entrada do pr-aquecedor Temperatura do ar na sada do pr-aquecedorFonte: Suzano , 2001

O valor apresentado na Figura 4.6 , uma mdia mensal, devido variao diria no processo. Esta caldeira foi modificada para utilizar gs natural, e no mais utiliza leo

combustvel.

3780 t/h de vapor

95,64 t/h de ar 126,6 t/h de gs

Caldeira CBC II4,46 t/h gs natural

8 2 t/h de agua

2 t/h purga 448 kW Energia eltrica

Figura 4.6 Esquema dos fluxos correntes da caldeira em operao .

4.4.3 CALDEIRA ZANINI

Alm do auxilio na gerao de vapor, tem um papel importante para a indstria de celulose na questo econmica e ambiental, porque utiliza como combustvel principal a casca e o cavaco do eucalipto, resduo da matria-prima utilizada no processo de cozimento, no digestor. Sua operao continua importante para o meio ambiente, pois uma parada muito longa acarreta acmulo de casca, e isto prejudicial para o processo. Tambm utiliza como queima auxiliar dois maaricos de leo para manter a temperatura do vapor constante. O transporte da biomassa feito atravs da rosca extratora de biomassa BC29, esta abastece o transportador TC13 e este na seqncia alimenta o transportador TC14. Do TC14 a biomassa vai para o transportador BC26, onde a biomassa distribuda em cinco alimentadores, que direcionam a biomassa para a fornalha. A Figura 4.7 mostra um

fluxograma simplificado do sistema de alimentao de biomassa da caldeira.

38

BC 26

TC 14

Caldeira

AlimentadoresTC 13

TC 15

CinzasTransportadores de correia.

RejeitoBC 29

Cavaco

Figura 4.7 Fluxograma simplificado do sistema de alimentao de biomassa da caldeira

O sistema de combusto da caldeira consiste de uma grelha rotativa, onde na superfcie da grelha mantida uma camada fina e uniforme de biomassa, obtida por

distribuio controlada atravs de distribuidores pneumticos, para manter em suspenso a biomassa e garantir uma boa combusto. O ar captado pelo ventilador e insuflado na caldeira passando antes pelo pr-aquecedor. Os gases de combusto so extrados da fornalha com auxilio do ventilador de tiragem. Na Figura 4.8, apresenta um esquema simplificado do sistema de ar/gs de combusto da caldeira

Tiragem

Vapor

GsesPrecipitador eletrosttico

Ciclone

GsesGrelha

Cinzas Cinzas Ar forado

Ar

Gases

Chamin

Figura 4.8 Esquema simplificado do sistema de ar/gases de combusto da caldeira

39 As cinzas em suspenso arrastadas pelos gases da combusto, passam por um pro-

cesso de descarte atravs de ciclones centrfugos e peneiras vibratrias, onde os slidos mais pesados precipitam e so descartados, e na seqncia as cinzas remanescentes passam pelo precipitador eletrosttico, onde tambm so descartadas. Na Tabela 4.4 apresentamos dados operacionais da caldeira de com projeto. O valor apresentado na Tabela 4.4 , uma mdia mensal, devido variao diria no processo. O combustvel utilizado uma mistura de biomassa e leo combustvel. So utilizados os cincos alimentadores de biomassa, mais dois dos quatros maaricos de leo combustvel. Para uma produo de vapor de 90 t/h, a caldeira consome 20,4 t/h de biomassa e 0,62 t/h de leo. Para essa produo utiliza os cinco alimentadores e dois maaricos de leo. biomassa, onde podemos comparar as condies operacionais

Tabela 4.4 Dados tcnicos operacionais comparando a condio de projeto com a real. D Descrio tcnica da caldeira Zanini (biomassa/ leo) Capacidade mxima continua de vapor Capacidade de ponta Presso de projeto da caldeira Presso de vapor na sada do vapor Temperatura de vapor na sada Temperatura de gua de alimentao Excesso de ar Oxignio livre na combusto Rendimento ao PCI (biomassa) Rendimento ao PCI (leo) Consumo de combustvel (leo) Consumo de combustvel (biomassa) Fluxo de ar (biomassa) Fluxo de gs (biomassa) Fluxo de ar (leo) Fluxo de gs (leo) Temperatura do gs na sada da caldeira Temperatura do gs na sada do pr-aquecedor Temperatura do ar na entrada do pr-aquecedor Temperatura do ar na sada do pr-aquecedor Fonte: Suzano,2001 Projeto 90 t/h 100 t/h 58 bar 50 bar 420 C 130 C 15 % 6,5 % 88 % 93,04% 67,9t/h 31 t/h 145,2t/h 177,t/h 107,t/h 114,t/h 410 C 230 C 25 C 170 C Real 90 t/h 50 bar 400 C 127 C 11 % 4,5% 57,4% 73,26 % 1,875 t/h 20,4 t/h 117,63 t/h 112,48 t/h 95,64 t/h 27,44 t/h 390 C 205 C 25 C 160 C

Na Figura 4.9 apresentamos um esquema dos fluxos correntes volume de controle da caldeira de biomassa.

que atravessam o

40 O sistema de leo combustvel composto por um aquecedor de leo, um tanque de estocagem e duas bombas de transferncia de leo. Existem quatro maaricos para queima de leo sem biomassa se necessrio, mas geralmente utiliza-se dois maaricos como queima suplementar para manter uma temperatura constante do vapor. O leo utilizado na queima o 3A. A presso de leo para queima de 13 bar e o vapor de atomizao de 14,5 bar.

90 t/h de vapor

117,63 t/h de ar

20,4 t/h biomassa1,875 t/h leo

Caldeira Zanini

139,52 t/h de gs

92 t/h de agua

2 t/h purga2200 kW Energia eltrica

Figura 4.9 Esquema dos fluxos da caldeira em operao .

4.4.4 CALDEIRA DE RECUPERAO QUMICA CBC III A caldeira de recuperao ao mesmo tempo um reator qumico e um gerador de vapor. Como reator qumico, tem a funo de produzir fundidos com mxima eficincia de reduo do sulfato de sdio original contido no licor preto queimado, a sulfeto de sdio. A composio dos fundidos so: Na2S, Na2CO3, Na2SO4, e NaCl. Como gerador de vapor, tem a funo de produzir vapor para processo aproveitando o calor liberado na combusto da frao orgnica do licor preto. Esta caldeira utiliza como combustvel a matria orgnica que corresponde aproximadamente 2/3 da composio do licor preto. Fatores ambientais e energticos condicionaram o desenvolvimento da tecnologia das caldeiras de recuperao.

41 Ambientais: -fornalhas low odor ou de baixo odor; -emisso mxima de 5 ppm de TRS; -eliminao de ECD ou oxidao do licor; Energticos: -aumento de presso e temperatura, at 110 bar e 500 C no vapor; -aumento de slidos ( eficincia 70% ); -aumento da capacidade (at 2700 toneladas/dia). O objetivo da recuperao qumica recuperar os reagentes usados no cozimento da madeira ou outras matrias-primas utilizadas na produo de celulose, e recuperao da energia liberada na combusto dos componentes orgnicos dissolvidos. Basicamente o objetivo da caldeira recuperar Na e o S do licor dos digestores, buscando a recomposio do licor de cozimento e a recuperao dos valores energticos do licor em forma de vapor (Schreiber, 2001) A caracterstica singular da operao da caldeira de recuperao a necessidade de se manter uma atmosfera redutora em certa parte da fornalha a fim de recuperar S como Na2S. Quanto combusto, uma vez em forma de gases os volteis formados durante a desidratao, pirlise e gaseificao reagem rapidamente com oxignio para formar CO2 e H2O. Essas reaes so extremamente exotrmicas. Desidratao o primeiro processo pelo qual passa o licor preto ao ser introduzido na fornalha, e um dos estgios que controla a velocidade do processo como um todo, pois a temperatura do licor permanece constante at que toda gua tenha sido removida. O calor deve ser transferido para o licor de forma a suprir a evaporao da gua e o vapor formado deve ser removido. A transferncia de calor se faz basicamente por radiao e conveco pelos gases

quentes para a superfcie exposta do licor. O transporte do vapor, por sua vez, depende da porosidade do slido que est sendo secado, e se seu fluxo impedido geram-se presses internas no elemento e este pode explodir. Os fatores que influenciam na desidratao, depende da tcnica utilizada para efetuar a introduo do licor na fornalha. Aps a desidratao, a temperatura aumenta mais e ocorre a pirlise. Reaes de pirlise so reaes de degradaes irreversveis causadas por efeitos trmicos isolados, que produzem combustveis volteis de compostos orgnicos complexos.

42 No so reaes de oxidao, portanto no necessitam de oxignio, mas podem ser acompanhados por reaes paralelas de oxidao se o oxignio estiver presente. Pirlise

ocorre principalmente quando as partculas de licor esto suspensas, mas se a pirlise no for completada antes que o material chegue no fundo, ela ocorre do mesmo jeito na camada do licor. Pirlise importante porque ela afeta a produo de combustveis volteis e um fator preponderante no desempenho de gases sulfurosos. Geralmente as reaes de pirlise so endotrmicas, mas quando os gases produzidos pela pirlise so ao mesmo tempo

queimados, existe no final desprendimento de calor. Desprendimento de sdio e enxofre com liga orgnica. Como parte do processo de pirlise, sdios de ligas orgnicos e enxofres so desprendidos das molculas orgnicas. O sdio desprendido na forma de NaOH que reage com CO2 para forma Na2CO3. O enxofre de liga orgnica desprendido como H2S. A maioria dos H2S confinado nas partculas para ser convertido em Na2S. Essas reaes e seus mecanismos so objetos, ainda hoje, de profundos estudos. Gaseificao o processo que ocorre durante a queima da camada, o carbono em excesso ao requerido na reduo gaseificando tambm CO2 (Schreiber, 2001). Este trabalho apresenta um estudo, sobre a caldeira de recuperao utilizam concentraes de 72% de slidos secos no combustvel. A caldeira queima em mdia 800 t/h de slidos secos de licor negro, para uma produo de vapor de 130 t/h. O sistema de ar de combusto feito por trs ventiladores, de tiragem, forado e induzido. A Figura 4.10 apresenta um esquema simplificado do ar e gs da caldeira. A fornalha revestida de tubos, ligados ao sistema de gerao de vapor, formando paredes resfriadas. O ambiente na parte inferior da fornalha redutivo, promovendo a reduo do sulfato a sulfeto de sdio. A cinza da combusto, representada pela substncia inorgnica da lixvia, composta de diversos sais de sdio com ponto de fuso ao redor de 150C. Assim a cinza retirada da fornalha atravs de bicas resfriadas e dissolvida em lixvia branca fraca, proveniente da caustificao, formando lixvia verde. qumica que formando combustveis como CO e H2 e

43

Ar tercirio 25C

Caldeira CBC IIIAr secundrio 152CPrecipitador

185C

Ar primrio 154C

Gases 190C185C

Precipitador

Figura 4.10 Esquema de ar e gs simplificado da caldeira de recuperao

Para evitar exploses no contato entre a cinza fundida e a lixvia verde, injeta-se vapor e grandes quantidades de lixvia verde em circulao. A cinza consiste basicamente de carbonato de sdio, com pequenas quantidades de sulfato no reduzido a cloretos. Devido natureza do sistema de queima, inevitvel que pequenas partculas de licor preto seja arrastada pelos gases, solidificando-se nos tubos da parte superior da fornalha. Necessita-se por isso, de um sistema de sopragem com vapor, para manter os tubos limpos. Uma parte dos sais de sdio arrastada pelos gases, sendo recuperada em um precipitador eletrosttico e retorna ao sistema, nos tanques de licor negro a 72%. O licor preto proveniente da evaporao 700t, com um teor de slidos de aproximadamente de 72% recolhido no tanque de mistura I, onde misturada com cinza captada pelo precipitador eletrosttico, no qual adiciona-se licor residual proveniente da fbrica de dixido de cloro e sulfato de sdio a granel, necessrio para completar a queima de sdio no sistema. A calha recebe a cinza retirada pela sopragem. O tanque I alimenta os maaricos de queima, injetando-se licor preto no fundo da fornalha. A Figura 4.11 apresenta um esquema do sistema de alimentao do licor preto.

44

Licor residual Tanque LP 72%

Caldeira

Licor p/ queima

Tanque de mistura IVapor

Figura 4.11 - Esquema de alimentao do Licor preto da caldeira CBC III

Ainda no possvel um padro fixo de volume de ar, para o volume de LP queimado no reator, e no s por causa do volume mas devido a sua variao na concentrao de slidos. O ar primrio