THERMODYNAMIC, ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL STUDY OF A COGENERATION SUGARCANE PLANT OPERATING WITH A HYBRID CYCLE THAT BURNS SUGARCANE BAGASSE AND NATURAL GAS

• Main Author: LEANDRO ANDRADE FURTADO
• Other Authors: JOSE ALBERTO DOS REIS PARISE
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2018
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=35597@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=35597@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === O crescimento da demanda por energia elétrica e investimentos governamentais em fontes renováveis incentivam produtores do setor sucro-energético no país a buscar melhorias nos processos de suas usinas. Através do aumento da produção de vapor nas caldeiras de biomassa, que operam com ciclos Rankine, é possível gerar energia elétrica excedente para comercialização. O Brasil, um dos maiores produtores de cana-de-açúcar do mundo, gera resíduos derivados da cana com alto potencial energético. Os ciclos termodinâmicos híbridos têm sido utilizados em várias usinas de biomassa no exterior utilizando como combustíveis o gás natural e resíduos sólidos urbano (waste-to-energy). Como mostrado por diferentes autores, é possível, com estes ciclos, melhorar a eficiência térmica das usinas utilizando gases quentes da exaustão de uma turbina a gás operando com gás natural. A desvantagem é que o percentual de participação do gás natural de alguns ciclos híbridos pode ser alto, tornando estes projetos economicamente inviáveis. Neste trabalho será aplicado um ciclo híbrido adaptado para usinas de cana-de-açúcar brasileiras que queimam o bagaço em caldeiras de biomassa com reaquecimento externo. Os benefícios destes ciclos termodinâmicos incluem a melhoria de eficiência da planta, acarretando a maior geração de energia elétrica e aumento da quantidade de vapor de processo produzido para a mesma quantidade de bagaço queimado originalmente. Além da melhoria da eficiência térmica, o ciclo tem como uma de suas principais vantagens o fato de não depender de grandes quantidades de gás natural, reduzindo a possibilidade de prejuízos caso haja aumento do seu preço. Por último será mostrado que, embora haja a queima deste combustível fóssil, é possível reduzir as emissões específicas de CO2/kWh devido ao seu baixo consumo na usina aliado a elevada geração de energia elétrica. === The growing electric energy demand and government investments in renewable sources motivated sugar producers in Brazil to improve the thermal efficiencies of their sugarcane plants. For this reason, to generate excess electric energy and to sell it, has become an important and extra source of revenue. This country, one of the biggest sugarcane producers in the world, employs sugar waste, with high energetic potential, in boilers operated with Rankine cycles. Thermodynamic hybrid cycles have been in use in several biomass plants abroad, using natural gas and municipal solids waste as fuels. As shown by different authors, it is possible to increase the thermal efficiency of these plants by means of the heat recovery from hot exhaust gases of a gas turbine operating with natural gas. The main disadvantage of hybrid cycles, for some cases, is the high fraction of natural gas as fuel, making these specific plants economically unfeasible. In this work, a hybrid cycle concept is presented and studied, adapted for Brazilian sugar cane plants which burn bagasse in biomass boilers with reheating systems. The benefits of these thermodynamics cycles include a thermal efficiency improvement thus allowing more power generation and higher production of process steam, for the same amount of bagasse originally burned. Besides the higher thermal efficiency, the hybrid cycle presents the advantage of not depending on large natural gas consumption. This makes the plant s economic feasibility less dependent on fluctuations on natural gas prices. Furthermore, this study shows that, although a fossil fuel is burned, it is possible to reduce CO2/kWh specific emissions due to lower consumption of fossil fuels and to higher power generation.