Recuperação de calor residual para produção de eletricidade: Ciclo de Rankine Orgânico

 

Setor: Cimento e Cal

Processo: Produção de Cimento

Subprocesso: Produção de Clínquer

 

Descrição

No caso de fábricas de cimento com processo seco, cerca de 40 % do calor total fornecido encontra-se disponível como calor residual a partir dos gases de exaustão do pré-aquecedor e do arrefecedor de clínquer. O calor disponível a partir dos gases de exaustão do pré-aquecedor varia entre os 750 até 1050 MJ/t-cli a uma temperatura entre 300 e 400 °C. No arrefecedor de clínquer, o calor é de 330 a 540 MJ/t-cli a temperaturas de 200 a 300 °C no ar de exaustão dos arrefecedores de grelhas. Uma parte (ou a totalidade) deste calor é usado na secagem de matéria-prima e/ou combustíveis sólidos. Em alguns casos, pode ser economicamente rentável recuperar o restante calor disponível destas correntes de exaustão para a geração de eletricidade.

O ciclo de Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos de alta massa molecular, como o butano ou o pentano, que apresentam pontos de ebulição mais baixos, maiores pressões de vapor e maior fluxo de massa em comparação com a água. Tal permite melhores eficiências de produção de eletricidade para calor residual a temperaturas mais baixas (temperatura mínima de 150 °C). Os sistemas com ciclos de Rankine orgânicos são tipicamente desenhados com duas fases de transferência de calor. Na primeira fase o calor dos gases residuais é transferido para um fluido térmico intermediário. Na segunda fase o fluido intermediário transfere o calor para o fluido orgânico de trabalho. Estes sistemas apresentam eficiências inferiores a 15 %. Os sistemas com ciclos de Rankine orgânicos apresentam a seguintes características:

• Recuperação de calor a temperaturas mais baixas do que os sistemas convencionais a vapor;
• Operam a pressões de condensação acima da pressão atmosférica, reduzindo o risco de entrada de ar para o sistema;
• Não são suscetíveis a congelar;
• Operam a pressões relativamente baixas, permitido operar automaticamente, dependendo das regulamentações do país;
• Evitam a erosão das pás da turbina, uma vez que as propriedades do fluido orgânico permitem que este se mantenha seco ao longo da turbina;
• Utilização de condensadores a ar sem impacto negativo na performance;
• Utilização de turbinas de velocidade mais baixa, permitindo o acionamento direto do gerador sem a necessidade e ineficiência de uma engrenagem de redução;
• Utilização de equipamentos tipicamente mais pequenos do que os sistemas a vapor e a turbina geralmente tem menos andares;
• Adequados a correntes de exaustão a temperaturas mais baixas, embora consigam eficiências comparáveis às dos sistemas a vapor;
• Limitados nas dimensões e geralmente apresentam capacidades mais baixas que os sistemas a vapor;
• Dependendo da aplicação, frequentemente apresentam maiores custos específicos que o sistema a vapor (€/kW);
• Apresentam alguma ineficiência relacionada com a transferência de calor em duas fases;
• Habitualmente utilizam fluidos de transferência de calor que são combustíveis, exigindo medidas de proteção contra incêndios. Adicionalmente, podem originar preocupações ambientais relativas a possíveis fugas do sistema;
• São adequados a fornos de tamanho pequeno a médio ou matéria-prima com teores de humidade elevados. 1

 

Potencial de Poupança de Energia

Térmica: não aplicável

Elétrica: redução de 10 a 20 kWh/t-cli

 

Estimativa de Custos

Os custos de uma nova instalação ou retrofit encontram-se entre 15 a 25 M€. Os custos operacionais podem reduzir entre 0.5 a 1.4 €/t-cim.