dissertação
Characterization, hygroscopicity, and NIR modelling of charcoals from logging wastes under sustainable forest management for steelmaking use
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Universidade Federal de Lavras
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Escola de Ciências Agrárias de Lavras (ESAL)
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Departamento de Ciências Florestais
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia da Madeira
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Tipo de impacto
Tecnológico
Áreas Temáticas da Extenção
Meio ambiente
Tecnologia e produção
Tecnologia e produção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
ODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
ODS 7: Energia limpa e acessível
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
ODS 7: Energia limpa e acessível
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
Dados abertos
Resumo
Desde a remoção do carvão vegetal do forno até seu uso final, várias etapas estão envolvidas, expondo o material a diversas condições atmosféricas, incluindo variações na umidade relativa. Na Amazônia, condições climáticas como alta umidade e altas temperaturas agravam esse cenário, influenciando diretamente a qualidade do carvão vegetal produzido na região. O teor de água no carvão vegetal destinado à siderurgia varia de 5% na estação seca a 10% na estação chuvosa, refletindo a influência das condições climáticas na qualidade do biorredutor. Essa variação afeta a densidade energética e o valor calorífico do material, bem como a eficiência dos processos siderúrgicos, o que é essencial para otimizar o consumo de energia e reduzir custos. Este estudo investiga a higroscopicidade do carvão vegetal produzido a partir de resíduos de três espécies de madeira amazônicas: Dinizia excelsaDucke (angelim-vermelho), Inga spp. (inga) e Parkia pendula (faveira), carbonizadas em duas temperaturas finais, 400 °C e 800 °C. As amostras foram condicionadas em câmara climática sob seis níveis controlados de umidade relativa, variando de 40% a 90% a 30 °C. As análises realizadas no carvão vegetal incluíram densidade aparente, composição química imediata e elementar, poder calorífico superior (PCS), área superficial (BET), porosidade, microscopia eletrônica de varredura (MEV), FTIR, análise termogravimétrica (TGA) e determinação da umidade de equilíbrio. As assinaturas espectrais no infravermelho próximo (NIR) foram coletadas usando o espectrômetro MicroNIR portátil, e modelos quimiométricos multivariados foram desenvolvidos para classificar as amostras com base nas espécies de madeira e nas condições de umidade. Os resultados mostraram que os rendimentos gravimétricos foram maiores para Dinizia excelsa carbonizada a 400 °C (média de 37%) e menores para Parkia pendula carbonizada a 800 °C (média de 33%). O poder calorífico superior aumentou com a temperatura de carbonização, atingindo 33,86 MJ/kg para Dinizia excelsa a 800 °C. A análise elementar revelou aumento no teor de carbono com a temperatura, até 93,52% para Dinizia excelsa a 800 °C. A umidade de equilíbrio variou com a temperatura de pirólise e as espécies.O carvão vegetal carbonizado a 400 °C apresentou menor higroscopicidade (média de 5,64% para Dinizia excelsa), enquanto o carvão vegetal a 800 °C absorveu mais umidade, com valores máximos observados em Parkia pendula (20,60%). Esse aumento no teor de umidade provavelmente está relacionado a mudanças estruturais na porosidade causadas por elevadas temperaturas de carbonização. A análise de componentes principais (PCA) indicou variação espectral associada a esses fatores, e os modelos de análise discriminante de mínimos quadrados parciais (PLS-DA) alcançaram alta precisão de classificação para as espécies estudadas (acima de 89%) e condições de umidade (acima de 94%). A validação cruzada confirmou a robustez do modelo, com mais de 97% de classificação correta para os níveis de umidade relativa. Este estudo demonstra a viabilidade do uso da espectroscopia NIR portátil combinada com modelagem quimiométrica para avaliação rápida e não destrutiva da umidade do carvão vegetal. A compreensão do comportamento higroscópico do carvão vegetal amazônico contribui para a melhoria das práticas de produção e o uso mais eficiente desses materiais na cadeia de produção de ferro gusa e aço, com relevância industrial especialmente em regiões com elevada umidade relativa e temperatura ambiente.
Abstract
From the removal of charcoal from the oven to its final use, several steps are involved, exposing the material to various atmospheric conditions, including variations in relative humidity. In the Amazonia, climatic conditions such as high humidity and high temperatures aggravate this scenario, directly influencing the quality of charcoal produced in the region. The water content in charcoal intended for steelmaking varies from 5% in the dry season to 10% in the rainy season, reflecting the influence of climatic conditions on the quality of the bioreductant. This variation affects the energy density and calorific value of the material, as well as the efficiency of steelmaking processes, which is essential for optimizing energy consumption and reducing costs. This study investigates the hygroscopicity of charcoal produced from the residues of three Amazonian wood species: Dinizia excelsa Ducke (angelim-vermelho), Inga spp. (inga), and Parkia pendula (faveira), carbonized at two final temperatures, 400 °C and 800 °C. The samples were conditioned in a climatic chamber under six controlled levels of relative humidity, ranging from 40% to 90% at 30 °C. The analyses performed on the charcoal included bulk density, proximate and ultimate chemical composition, higher heating value (HHV), surface area (BET), porosity, scanning electron microscopy (SEM), FTIR, thermogravimetric analysis (TGA), and equilibrium moisture determination. Near-infrared (NIR) spectral signatures were collected using the portable MicroNIR spectrometer, and multivariate chemometric models were developed to classify the samples based on wood species and moisture conditions. The results showed that gravimetric yields were highest for Dinizia excelsa carbonized at 400 °C (average of 37%) and lowest for Parkia pendula carbonized at 800 °C (average of 33%). The higher heating value increased with carbonization temperature, reaching 33.86 MJ/kg for Dinizia excelsa at 800 °C. Ultimate analysis revealed an increase in carbon content with temperature, up to 93.52% for Dinizia excelsa at 800 °C. Equilibrium moisture varied with pyrolysis temperature and species: charcoal carbonized at 400 °C showed lower hygroscopicity (average of 5.64% for Dinizia excelsa). C charcoal at 800 °C absorbed more moisture, with maximum values observed in Parkia pendula (20.60%). This increase in moisture content is likely related to structural changes in porosity caused by high carbonization temperatures. Principal component analysis (PCA) indicated spectral variation associated with these factors, and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) models achieved high classification accuracy for the species studied (above 89%) and moisture conditions (above 94%). Cross-validation confirmed the robustness of the model, with over 97% correct classification for relative humidity levels. This study demonstrates the feasibility of using portable NIR spectroscopy combined with chemometric modeling for rapid and non-destructive assessment of charcoal moisture content. Understanding the hygroscopic behavior of Amazonian charcoal contributes to the improvement of production practices and the more efficient use of these materials in the pig iron and steel production chain, with industrial relevance especially in regions with high relative humidity and ambient temperature.
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ARAÚJO, Valdenia Medeiros de. Characterization, hygroscopicity, and NIR modelling of charcoals from logging wastes under sustainable forest management for steelmaking use. Lavras, 2025. 113 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) — Universidade Federal de Lavras, lavras, 2025.
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