Generation of bioelectricity in ethanol mill using bagasse sugarcane straw and sorghum

Orientador: Waldir Antônio BizzoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O avanço na geração de bioeletricidade nas usinas sucroalcooleiras em níveis economicamente atrativos está restrito à utilização de sistemas de cogeração mais eficientes e ao melhor aproveitamento energético da biomassa residual da cadeia produtiva da cana. Neste trabalho, foi elaborada uma proposta conceitual de uma usina de geração de bioeletricidade anexa a uma usina sucroalcooleira, através do aproveitamento dos resíduos de biomassa (bagaço, palha de cana) e sorgo biomassa. A disponibilidade e a produtividade de palha de cana foram avaliadas e foi estimado o consumo de energia em três sistemas de recolhimento de palha. O recolhimento integral da palha junto a cana apresentou o menor consumo de energia, com um consumo 43% menor em relação a rota de enfardamento, e 56% menor em relação ao recolhimento granel por forrageira. A utilização da palha de cana em sistemas de cogeração está condicionada aos possíveis problemas de incrustações e corrosão em geradores de vapor. Foi realizada a caracterização das biomassas estudadas, considerando as propriedades críticas na formação de incrustações e depósitos em superfícies de troca térmica da caldeira. Os sistemas de cogeração convencionais apresentam baixa eficiência no ciclo térmico e alto consumo de energia no processo produtivo, identificados através de análise do consumo e geração de energia em uma planta típica de produção de etanol. Foram analisadas possíveis melhorias para redução do consumo nas etapas de produção, como a eletrificação dos acionamentos e a possível redução da demanda de vapor para o processo de produção. Neste trabalho, foi considerado um ciclo térmico a vapor com temperatura máxima do vapor em 450°C. Os casos avaliados foram configurados utilizando recursos tecnológicos para aumento do desempenho dos ciclos: aumento da pressão de vapor gerado, reaquecimento e regeneração, avaliando desempenho térmico de uma usina com capacidade de 500 t h-1. A produção de eletricidade excedente para comercialização no período de safra atingiu índices acima de 200 kWh t-1 com capacidade total de geração na safra entre 100 e 130 MWAbstract: The growing of bioelectricity generation in sugar and alcohol plants in economically attractive levels depends on the use of more efficient cogeneration systems and better use of residual biomass from the sugar cane industry for energy production. This work presents a conceptual proposal of a bioelectricity plant attached to an ethanol mill, through the use of biomass waste (bagasse and sugarcane straw) and sorghum. The availability and productivity of sugarcane straw were assessed and it was estimated the energy consumption in three straw gathering systems. The whole plant harvesting presented the lowest energy consumption, approximately 43% lower than the baling route, and 56% lower than the forage system. The use of sugarcane straw in cogeneration systems is related to potential problems of fouling and corrosion in steam generators. The characterization of the biomass was performed, considering the critical properties related to fouling formation and deposits on heat exchange surfaces of the boiler. The analysis of consumption and energy generaton in conventional mills presented low thermal efficiency in eletricity generation an high energy consumption in the ethanol production process. We analyzed possible improvements for energy consumption reduction in the production steps, such as electrification of the drives and the steam demand reduction for the production process. In this work, it was considered a thermal steam cycle with maximum temperature of steam at 450°C. The evaluated cases were configured using technological solutions to increase the performance of the thermal cycle: increasing of steam pressure, reheating and regeneration, and we assessed the thermal performance of a plant with processing capacity of 500 t h-1 of sugar cane. The production of surplus electricity for sale in harvest period reached values above 200 kWh t-1 with total of power generation between 100 and 130 MWDoutoradoTermica e FluidosDoutor em Engenharia MecânicaCAPE