1 fernando cörner da costa gases combustíveis como alternativas à eletrotermia em aquecimento

211 Pages·2013·12 MB·Portuguese

1

FERNANDO CÖRNER DA COSTA

GASES COMBUSTÍVEIS COMO ALTERNATIVAS À ELETROTERMIA
EM AQUECIMENTO DIRETO E CALOR DE PROCESSO
NO SETOR INDUSTRIAL BRASILEIRO

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação
em Energia da Universidade de São Paulo (Escola
Politécnica / Faculdade de Economia e
Administração / Instituto de Eletrotécnica e
Energia / Instituto de Física) para obtenção do
título de Doutor em Ciências em Energia.

Orientador: Prof. Dr. Murilo Tadeu Werneck Fagá

Versão corrigida
(versão original disponível na Biblioteca da Unidade que aloja o Programa e a Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP)

SÃO PAULO
2013
2

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

FICHA CATALOGRÁFICA

Costa, Fernando Cörner da.
Gases combustíveis como a lternativas à eletrotermia em aquecimento
direto e calor de processo no setor industrial brasileiro./ Fernando

Cörner da Costa; orientador : Murilo Tadeu Werneck Fagá. – São

Paulo, 2013.
211 f.: il.; 30 cm.

Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação em Energia )

EP/FEA/IEE/IF da Universidade de São Paulo

1. Energia térmica. 2. Gas es combustíveis . 3. Transferência de
calor. Título
3
4

DEDICATÓRIA

Em primeiro lugar dedico este trabalho a Deus, criador
do universo e único detentor da verdade, aos meus pais,
grandes incentivadores dos meus estudos, à minha
querida esposa que sempre me apoia com carinho nas
lutas por todos os objetivos, aos meus filhos e, agora, ao
meu neto nascido há poucos dias, para que lhes sirva de
exemplo a ser seguido. Este exemplo não se reduz à
titulação obtida, mas sim à determinação em atingir
objetivos positivos, honestos e saudáveis na vida, não
importando a situação, as condições, nem a idade.
5

AGRADECIMENTOS

Meu primeiro agradecimento não poderia deixar de ser ao Prof. Dr. Edmilson Moutinho dos
Santos, quem me incentivou a fazer a pós-graduação e desenvolver esta pesquisa, quando
ainda nem havia concluído meu mestrado.
Em continuação, agradeço intensamente ao incansável, competente e dedicado orientador, o
Prof. Dr. Murilo Tadeu Werneck Fagá, pelo acompanhamento do desenvolvimento desta
tese, conselhos e sugestões.
Aos professores e funcionários do IEE – Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP,
agora em transição para IEA – Instituto de Energia e Ambiente, pelos ensinamentos
ministrados, atenção e respeito demonstrado para seus alunos.
À Cia. Ultragaz S.A., através das pessoas que representam a diretoria e as gerências, pelo
pioneirismo que sempre norteou o rumo da empresa desde a sua fundação, possibilitando
minha participação como funcionário e, posteriormente, como consultor no desenvolvimento
de novas aplicações de GLP no mercado industrial, algumas delas citadas nesta tese.
Aos inúmeros ex-colegas e amigos da AGA S.A. - Brasil, da AGA-FANO colombiana e da
matriz sueca AGA Aktiebolag, atualmente todas incorporadas à Linde, pelas inúmeras
oportunidades de treinamento e desenvolvimento tanto no Brasil como no exterior, que
também contribuíram para minha formação e proporcionaram a realização de experiências e
concretizações, entre as quais existem algumas citações neste trabalho.
Aos engenheiros Denis Pinto Monteiro, Marcelo Cesar Palmieri, M.Sc., Gustavo Portas e
William Carlos Becker Jr. pelas colaborações nesta pesquisa.
E, finalmente, às empresas que colaboraram com informações e ilustrações para esta tese, a
saber: ATM Indústria e Comércio de Queimadores; ECAL Caldeiras e Aquecedores;
PRB Combustão Industrial; e TEC – Tecnologia em Calor.
6

“Fire is the best of servants;
but what a master!”

Thomas Carlyle, 1843.
7

RESUMO

COSTA, F. C. Gases combustíveis como alternativas à eletrotermia em aquecimento
direto e calor de processo no setor industrial brasileiro, 2013, 211 f. Tese (Doutorado em
Ciências) – Programa de Pós-Graduação em Energia da Universidade de São Paulo, São
Paulo, 2013.

Este trabalho tem por objetivo analisar as perspectivas dos gases combustíveis como energia
final para a obtenção de energia útil, em aquecimento direto (AD) e calor de processo (CP),
identificando e quantificando potenciais como alternativa da eletrotermia. São comparados
dois panoramas na avaliação das economias de energia primária pela substituição da
eletrotermia: o primeiro considerando que a energia substituída oriunda de energéticos do
parque gerador; e o segundo levando em conta que a redução se refletiu nas termelétricas.
Para atingir este objetivo, o trabalho se inicia com uma revisão bibliográfica, onde são
tratados os aspectos necessários para um melhor entendimento do texto, com os conceitos de
eletrotermia, calor e termodinâmica, seguindo-se um capítulo destinado aos gases
combustíveis, suas características e disponibilidade futura para a conversão. As informações
básicas para a análise dos potenciais nos setores foram tomadas a partir do último Balanço de
Energia Útil, além de trabalhos desenvolvidos no mercado industrial pelo autor. O trabalho
discorre também sobre configurações tecnológicas usadas nas conversões, incluindo os custos
envolvidos. Na conclusão, os cálculos mostraram que significativas economias de energia
primária podem ser obtidas com a conversão da eletrotermia para gases combustíveis no setor
industrial brasileiro, considerando a eletricidade produzida a partir de plantas termelétricas.

Palavras-chave: eletrotermia, gases combustíveis, energia térmica, aquecimento direto e calor
de processo.
8

ABSTRACT

COSTA, F. C. Fuel gases as alternatives to electrothermy in direct heating and process
heat in the Brazilian industrial sector, 2013. 211 f. Doctor’s Thesis – Graduate Program on
Energy, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2013.

This paper aims to analyze the prospects of fuel gases as final energy in order to get useful
energy in direct heating and process heat, identifying and qualifying potentials as the
alternative of electrothermy. Two panoramas are compared in the evaluation of primary
energy displacement: the first one considering the replaced energy coming from energy
generating facilities and the second taking into account that the reduction was reflected in
thermoelectric power plants. To achieve this goal, the work begins with a literature review
which covers the aspects needed for a better understanding of the text, with the concepts of
electrothermy, heat and thermodynamics, followed by a chapter intended for fuel gases, their
characteristics and future readiness for conversion. The basic information for the analysis of
potential sectors were taken for the last Useful Energy Balance, and work undertaken by the
author in the industrial market. The paper also discourses about technological configurations
used in conversions, including also the costs involved. In conclusion, the calculations showed
that significant primary energy savings can be obtained through the conversion of
electrothermy by fuel gases in the Brazilian industrial sector, taking into account the
electricity produced from thermoelectric power plants.

Keywords: electrothermy, fuel gases, thermal energy, direct heating and process heat.
9

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Valores para o barril de petróleo de 1940 a 2012 .......................................... 22
Figura 2 – Produção e consumo de petróleo de 1970 a 2011 ......................................... 23
Figura 3 – Geração térmica anual-média dos 2000 cenários simulados ........................ 24
Figura 4 – Perfis de consumo eletrotérmico em situações extremas .............................. 31
Figura 5 – Perfil de consumo eletrotérmico conservador ............................................ 32
Figura 6 – Exemplo de sistema termodinâmico fechado ............................................... 44
Figura 7 – Exemplo de sistema aberto – forno de calcinação ........................................ 44
Figura 8 – Geradora de vapor saturado a gás natural ..................................................... 46
Figura 9 – Exemplo de diagrama de Sankey para geradoras de vapor ........................... 47
Figura 10 – Fluxo de massa e energia em sistema aberto e volume de controle .............. 52
Figura 11 – Eficiências da combustão do GN em função da temperatura ............. ........... 55
Figura 12 – Máquina térmica operando entre reservatórios quente e frio ........................ 56
Figura 13 – Balanço de gás natural no Brasil – malha integrada ..................................... 62
Figura 14 – Projeção do balanço de gás natural para a região norte ................................ 63
Figura 15 – Importações de GLP, de 2000 a 2012 ........................................................... 66
Figura 16 – Produção e demanda de GLP (2012-2021) ............................................... 67
Figura 17 – Market share do mercado de GLP em janeiro de 2013 ................................ 69
Figura 18 – Queimador monobloco a gás ........................................................................ 85
Figura 19 – Queimador duobloco a gás ...................................................................... 86
Figura 20 – Instalações de queimadores de duto ............................................................. 88
Figura 21 – Queimadores de duto .................................................................................... 88
Figura 22 – Queimador infravermelho ............................................................................. 89
Figura 23 – Queimador oxigênio-gás natural ................................................................... 92
Figura 24 – Algoritmo para determinação da energia equivalente na conversão para gás. 96
Figura 25 – Consumo de energéticos na indústria de cimento ......................................... 100
Figura 26 – Consumo de energéticos na indústria de ferro gusa e aço ........................... 101
Figura 27 – Tempos de fusão em FEA com e sem queimadores auxiliares .................... 104
Figura 28 – Calor contido na sucata de aço em função da temperatura .......................... 106
Figura 29 – Esquema do queimador oxi-gás em forno de indução ................................. 109
Figura 30 – Queimador móvel operando em FEA ........................................................... 110
10

Figura 31 – Consumo de energéticos na indústria de química ....................................... 139
Figura 32 – Aquecedor instantâneo de óleo térmico a GLP ............................................. 144
Figura 33 – Eficiência dos ciclos termodinâmicos ........................................................... 150
Figura 34 – Equivalência GN – energia elétrica .............................................................. 162
Figura 35 – Equivalência GLP – energia elétrica ............................................................ 162
Figura 36 – Curva de preços para queimadores monobloco para GN ............................. 166
Figura 37 – Curva de preços para queimadores monobloco para GLP ........................... 167
Figura 38 – Curva de preços para queimadores duobloco para GN ................................ 168
Figura 39 – Curva de preços para queimadores duobloco para GLP .............................. 169
Figura 40 – Preços de caldeiras flamotubulares a vapor saturado ................................... 170
Figura 41 – Tipo de chama convencional ........................................................................ 183
Figura 42 – Tipo de chama headpin ............................................................................... 183
Figura 43 – Tipo de chama esférica ................................................................................ 184
Figura 44 – Tipo de chama cônica .................................................................................. 184
Figura 45 – Tipo de chama plana .................................................................................... 185
Figura 46 – Chama longa, luminosa e flácida ................................................................. 185
Figura 47 – Chama longa, luminosa e firme ............................................................... 185
Figura 48 – Chama de alta velocidade ............................................................................ 186