Furnace-kiln system carbon balance and economic viability for charcoal production on small farm

Abstract

Small rural producers are responsible for approximately 60% of the country's charcoal production, in a carbonization process that occurs mostly in rudimentary masonry ovens, of the "hot tail" type, slope and surface, with low gravimetric yield (RG) and no control over Greenhouse Gas (GHG) emissions. The furnace kiln system allows the burning of Methane (CH4), with an innovative layout that has a chimney centered with 4 furnaces, and which allows an increase in RG when compared to traditional furnaces. In this context, the work was divided into three chapters and conducted in a rural property that produces charcoal in Lamim-MG. In chapter 1, the objective was to evaluate the carbon balance with and without the use of the furnace-furnace system for burning methane. The average annual increase in carbon (IMAC) was calculated based on two forest inventories, conducted in 2018 and 2019. GHG emissions from Eucalyptus were calculated based on the IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. The carbon balance without methane burning was 13.9465 MgCO 2e ha -1 and with burning 15.9616 MgCO 2e ha -1 . The GHG emission per unit produced was 0.6105 MgCO 2e Mg charcoal -1 with the burning of CH4 and 1.2433 MgCO 2e Mg charcoal -1 without burning GHG. In chapter 2, the objective was to compare the use of destructive and non-destructive methodologies to estimate biomass and carbon in a Eucalyptus forest. Rigorous cubing was performed on 21 trees and 3 compared methodologies. In methodology 1, control, the tree was felled, sectioned, weighed in the field and the carbon stock calculated based on these data. Methodology 2 is also destructive, with the tree felled, cubed and the estimated volume based on this data. Methodology 3 is non-destructive, with the cubed tree standing upright with the aid of equipment, pentaprism, and the estimated volume based on these data. It was concluded that the evaluated non-destructive and destructive methodologies are effective, with results equal to the control, which reduces time and cost in surveys to estimate biomass and carbon. Chapter 3 evaluated the economic feasibility of producing wood and charcoal, and how the variation in costs and revenues can impact this result, through sensitivity analysis using the Monte Carlo technique. The wood production was economically viable, with a NPV of R$212.68 ha -1 and a VPE of R$88.74 ha -1 with an average production cost of R$71.37 m3 wood-1. The mean value of VPE found in the sensitivity analysis was R$ 96.82 ha -1 . The production of charcoal was economically viable, with NPV of R$23.41 mdc charcoal -1 and VPE of R$18.57 mdc charcoal -1 . The average value of the VPE found in the risk analysis was R$51.78 mdc charcoal -1 . It was possible to conclude that the production of eucalyptus wood and charcoal is economically viable in the region. Keywords: Forest Biomass. Charcoal. Sustainable Steel Industry.

Os pequenos produtores rurais são responsáveis por aproximadamente 60% da produção de carvão vegetal no país, em um processo de carbonização que ocorre, em sua maioria, em fornos rudimentares de alvenaria, - e de superfície, com baixo rendimento gravimétrico (RG) e sem controle nas emissões de Gases de Efeito Estufa (GEE). O sistema forno fornalha que permite a queima de Metano (CH 4 ), com um layout inovador que possui uma chaminé centralizada a 4 fornos, e que permite o aumento do RG quando comparado com os fornos tradicionais. Nesse contexto, o trabalho foi dividido em três capítulos e conduzidos em uma propriedade rural produtora de carvão vegetal em Lamim-MG. No capítulo 1, o objetivo foi avaliar o balanço de carbono com e sem o uso do sistema forno-fornalha para queima do metano. O incremento médio anual em carbono (IMAC) foi calculado baseado em dois inventários florestais, conduzidos em 2018 e 2019. As emissões de GEE referentes ao Eucalipto foram calculadas baseadas no IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. O balanço de carbono sem a queima de metano foi de 13,9465 MgCO 2e ha -1 e com a queima de 15,9616 MgCO 2e ha -1 . A emissão de GEE por unidade produzida foi de 0,6105 MgCO 2e Mg carvão vegetal -1 com a queima de CH 4 e 1,2433 MgCO 2e Mg carvão vegetal -1 sem a queima de GEE. No capítulo 2, o objetivo foi comparar o uso de metodologias destrutivas e não destrutivas para estimativa de biomassa e carbono em uma floresta de Eucalipto. A cubagem rigorosa foi realizada em 21 árvores e 3 metodologias comparadas. A metodologia 1, testemunha, a árvore foi abatida, seccionada, pesada no campo e o estoque de carbono calculado baseado nesses dados. A metodologia 2 também é destrutiva, com a árvore abatida, cubada e o volume estimado baseado nesses dados. A metodologia 3 é não destrutiva, com a árvore cubada em pé com o auxílio de um equipamento, pentaprisma, e o volume estimado baseado nesses dados. Concluiu-se que as metodologias não destrutivas e destrutivas avaliadas são eficazes, com resultados iguais à testemunha, o que traz redução no tempo e custo em levantamentos para estimativa de biomassa e carbono. O capítulo 3 foi avaliada a viabilidade econômica da produção de madeira e carvão vegetal, e como a variação nos custos e receitas podem impactar esse resultado, por meio da análise de sensibilidade utilizando a técnica de Monte Carlo. A produção de madeira foi viável economicamente, com VPL de R$212,68 ha -1 e VPE de R$88,74 ha -1 com custo médio de produção de R$71,37 m 3 madeira -1 . O valor médio do VPE encontrado na análise de sensibilidade foi de R$ 96,82 ha -1 . A produção de carvão vegetal foi viável economicamente, com VPL de R$23,41 mdc carvão vegetal -1 e VPE de R$18,57 mdc carvão vegetal -1 . O valor médio do VPE encontrado na análise de risco foi de R$51,78 mdc carvão vegetal -1 . Foi possível concluir que a produção de madeira de eucalipto e de carvão vegetal é viável economicamente na região. Palavras-Chave: Biomassa Florestal. Carvão Vegetal. Siderurgia Sustentável.