Caracterização espacial das propriedades do carvão vegetal em estoques industriais | Spatial characterization of charcoal properties in industrial stocks

Os crescentes investimentos das empresas do setor de carvão vegetal em fornos de maiores dimensões resultaram em aumento do volume de carvão produzido a cada ciclo de carbonização. No entanto, o controle do processo foi dificultado, uma vez que a o monitoramento da distribuição dos gases, taxa de aquecimento e a temperatura ao longo do forno é mais complexo nestes tipos de fornos, o que pode refletir na variabilidade do carvão vegetal estocado. Neste sentido, é natural que se manifestem incertezas quanto a metodologia de análise de qualidade preconizada pela ABNT NBR 6923, uma vez que esta norma não faz distinção da quantidade amostral de acordo com tamanho do estoque. Deste modo, percebe-se a necessidade de estudos que contribuam para a elucidação de questões relacionadas a amostragem do carvão vegetal, principalmente nos estoques industriais. O objetivo principal deste estudo foi estudar a distribuição espacial das propriedades do carvão vegetal em estoques industriais visando melhorias no seu controle de qualidade. Para isto, foram amostrados três estoques industriais de carvão vegetal provenientes do forno RAC 700, e três estoques provenientes do RAC 220, pertencentes a empresa Aperam Bioenergia, situada no município de Veredinha, Minas Gerais. Utilizou-se uma metodologia de amostragem mecanizada, em que se estabeleceu, para o RAC 700, 25 pontos de coleta do carvão no estoque, sendo 10 pontos localizados na parte superior e 15 pontos na parte inferior do estoque. Para o RAC 220, foram coletados 15 pontos, sendo 10 localizados na parte inferior e 5 na parte superior. Determinou-se a granulometria média, teor de finos, densidade a granel, teor de carbono fixo, materiais voláteis e teor de cinzas para todas as unidades amostrais coletadas. Foi realizada a análise descritiva dos dados dos estoques dos fornos RAC 700 e RAC 220, individualmente, além dos testes de Shapiro-Wilk para normalidade e Levene para homogeneidade de variância. A determinação da relação entre as propriedades no estoque, foi realizada por meio da combinação das técnicas de análise geoespacial (IDW) e análise de componentes principais. O efeito da posição (comprimento, altura e largura) do estoque nas propriedades do carvão vegetal foi avaliado por meio da análise espacial (IDW) em conjunto a técnica de aprendizagem de máquina (random forest). As propriedades do carvão vegetal granulometria média, teor de finos, densidade a granel e teor de cinzas apresentaram coeficiente de variação médio. Enquanto o teor de carbono fixo apresentou coeficiente de variação baixo. Além disso, pressuposições da estatística paramétrica convencional não foram atendidas para todas as propriedades do carvão vegetal, indicando a necessidade de uso de outra metodologia. Foi observada uma relação negativa entre a granulometria média e teor de finos. Em relação a densidade a granel, verificou- se uma relação positiva com o teor de finos. E, por fim, o teor de carbono fixo apresentou uma relação positiva com teor de cinzas. Observou-se efeito das posições (comprimento, altura e largura) do estoque de carvão vegetal apenas para o forno RAC 700. A utilização da interpolação IDW em conjunto com a análise de componentes principais e aprendizagem de máquinas, possibilitou, por meio das avaliações dos mapas temáticos, a realização de inferências a respeito da qualidade do carvão vegetal em diferentes estoques industriais. Acredita-se que, para a gestão de uma unidade produtora, tais observações permitem a identificação de problemas ao longo processo produtivo, possibilitando solucioná-los antes que causem grandes prejuízos econômicos, melhorando o controle de qualidade da empresa.

The crescent investments of charcoal companies in larger furnaces resulted in an increase in the volume of charcoal produced at each carbonization cycle. In addition to this, there was a contingent increase of wood, which resulted in greater variability of the wood properties within the same furnace, thus reflecting the variability of the charcoal produced and stocked. In this sense, it is natural to express uncertainties regarding the methodology of quality analysis recommended by ABNT NBR 6923, since this standard does not distinguish the sample quantity according to the size of the stock. In this way, the need for studies that contribute to the elucidation of issues related to charcoal sampling, especially in industrial inventories, is perceived. The main objective of this study was to study the spatial distribution of charcoal properties in industrial stocks aiming at improvements in their quality control. For this, three industrial stocks of charcoal from the RAC 700 furnace were sampled, and three stocks from the RAC 220, belonging to the company Aperam Bioenergia, located in the municipality of Veredinha, Minas Gerais. A mechanized sampling methodology was used in which RAC 700 collected 25 collection points of the coal in the inventory, 10 points located at the top and 15 points at the bottom of the stock. For RAC 220, 15 points were collected, 10 of which were located at the bottom and 5 at the top. The mean particle size, fines content, bulk density, fixed carbon content, volatile materials and ash content were determined for all sample units collected. A descriptive analysis of the RAC 700 and RAC 220 furnace inventories was carried out individually, in addition to the Shapiro-Wilk tests for normality and Levene tests for homogeneity of variance. The determination of the relationship between the properties in the inventory was performed through a combination of geospatial analysis (IDW) and principal components analysis. The effect of the position (length, height and width) of the stock on the charcoal properties was evaluated through the spatial analysis (IDW), together with the random forest technique. The properties of the charcoal medium grain size, fines content, bulk density and ash content showed a mean coefficient of variation. While the fixed carbon content presented low coefficient of variation. Furthermore, assumptions of conventional parametric statistics were not met for all charcoal properties, indicating the need to use another methodology. A negative relationship was observed between the mean particle size and the fines content. In relation to bulk density, there was a positive relationship with the fines content. And, finally, the fixed carbon content presented a positive relation with ash content. The effect of the positions (length, height and width) of the charcoal stock was only observed for the RAC 700 furnace. The use of the IDW interpolation in conjunction with the analysis of main components and machine learning made it possible, through thematic maps, the realization of inferences about the quality of charcoal in different industrial stocks. It is believed that, for the management of a production unit, such observations allow the identification of problems throughout the production process, enabling them to be solved before they cause great economic losses, improving the quality control of the company.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais