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