犹他州生物质资源集团 (UBRG) 以一种创新的方法扩大了简单的生物炭窑,使用金属箱(称为大箱窑)减少危险燃料和生产生物炭,允许在木材内生产生物炭。 本文概述了 Big Box 生物炭窑的操作和最佳实践。
大箱式生物炭窑是露天燃烧的替代方案,允许在简单的金属箱中生产木内生物炭,没有移动部件。这种方法基于木炭制造商几个世纪以来使用的技术,但采用现代机械化方法。小型挖掘机或其他机械用于装载、照料和清空窑炉。本文将概述大箱生物炭窑的最佳实践,包括设计、运输、放置、装载、照明、淬火和倾倒程序,供初学者开发自己的大箱生物炭窑程序。
生物炭生产需要低氧燃烧环境,大箱式窑炉使用火焰帽(有时称为火焰幕)方法来燃烧烟雾产生的材料。这些窑炉的设计是为了使用足够额定的拖车轻松转移到现场。小型挖掘机或其他机械用于装载、照料和清空窑炉。作者不知道有一种更方便的方法让人们在农场、牧场或后院封存持久的碳。本文概述了 Big Box 生物炭窑的最佳实践,包括设计、运输、放置、装载、照明、淬火和倾倒程序,供初学者开发自己的 Big Box 生物炭窑程序。
危险燃料是整个西部荒地的一个主要问题 1.由于消防管理人员在控制天气方面无能为力,因此控制燃料是他们的最佳选择2.这种方法的目标是提供一种新的、可扩展的工具,用于减少废木材,同时以经济和实用的方式生产生物炭。传统上,林务员从伐木和减少燃料项目中堆放和燃烧材料,但在过去几十年中,空气质量限制和更长的火灾季节使露天堆燃烧变得更加困难3.此外,露天焚烧已被证明会因过热而对土壤造成潜在的长期损害4.所有这些挑战都提供了 UBRG 开发这种用于生物炭生产的技术的原因。UBRG 旨在提供一种低成本、高可及性的方法来减少危险燃料,从而产生有价值的产品5.这种将燃料转化为原料并试图从低价值木材中获取价值的方法充满了挑战。这种方法保留了一部分碳,否则会因燃烧或腐烂而流失,并将其加工成耐用的形式,在土壤中的半衰期接近 1,000 年6;这比大多数土壤有机质的停留时间长 10-1,000 倍7.
大箱窑的设计过程始于对起源于日本的技术的其他衍生品的审查。2011年,井上等8 报道了日本Moki公司生产的“无烟木炭窑M50”生产的生物炭的碳化效率和质量。生物炭是在这些小型锥形窑炉中生产的,在干质量的基础上,转化效率在13%至19.5%之间。作者发现,在约600°C的温度下,炭的固定碳和碳含量值等于用蒸馏法制成的木炭的值。
大盒子形状最初是由凯尔皮·威尔逊(Kelpie Wilson)在北达科他州林务局(North Dakota Forest Service)关于碳化防护林树木移除的可行性研究中提出的。威尔逊建议使用改装的钢制垃圾箱作为火焰帽窑,以处理更大尺寸的材料。大箱式窑炉设计包括对概念的几项改进,有助于提高耐用性、可用性和移动性,如下所述。威尔逊的数字包括为此目的重新利用垃圾箱和油箱等容器的建议;然而,重新利用的材料通常已经涂漆或镀锌,可能会使研讨会参与者暴露在空气中的有害化学物质中。
大箱窑的排放尚未报告,但Cornelissen等人9 对几种不同类型的Kon-Tiki窑(深锥窑)进行了排放测试,发现排放量通常低于生物质原料露天燃烧的排放量。他们还测试了为多环芳烃(PAH)生产的生物炭,发现PAH水平远低于挪威土壤的最大可容忍风险(MTR)水平。对俄勒冈窑(一种浅金字塔形窑)的生命周期分析表明,火焰帽窑的木内操作是负碳的,导致土壤中大气碳的净封存10。
Big Box 方法的一个局限性是湿原料。虽然在干旱气候和干燥原料中,这些窑炉中每天两批大直径材料是合理的预期,但在湿度和燃料湿度较高的地方,每天一批是更合理的预期。干原料的生产率更高;湿原料会限制窑炉的生产率。潮湿的天气里潮湿的原料效果不佳。直径小于 10 厘米的湿原料比大直径湿原料的热解更彻底。干燥的材料很容易在潮湿和/或下雪的天气中热解。大箱形窑已经成功地热解了直径超过 0.76 米(30 英寸)的窑长干原木,并将分支直径缩小到小于 1 厘米。
大多数空气质量监管机构将窑炉操作视为露天焚烧,在犹他州,仅提前三天获得许可,这使得规划变得困难,尤其是在我们社区周围大气逆温很常见的冬季。进行生物炭燃烧的成本远高于简单地燃烧桩,这是这种方法的另一个局限性。该技术是第一个公开发表的低技术含量的生物炭生产方法,其规模放弃了昂贵的原料预处理,例如热解前的研磨和切屑。这种方法对于大多数木质碎片很有用,这些木质碎片除了切割成可管理的块尺寸外,还没有被切碎或加工。这种方法不适用于小块尺寸的原料或将形成垫子或球状物料的原料,例如草、玉米秸秆和稻壳。
窑炉设计
BB12 是一个双壁窑,长 3.7 米(12 英尺)、宽 1.8 米(6 英尺)、高 1.2 米(4 英尺),由 14 号钢制成。大小和形状可以变化。计划可在 UBRG 网站11 上找到。除顶部外,不允许空气进入窑内;这对于开发火焰帽至关重要,当可燃物通过热柱上升时,火焰帽会消耗大部分可燃物。窑炉内角的详细信息见 图1 。例外情况是排水口,称为狗门,如 图 2 所示,因为它的大小与普通狗门相似。它有一个带手柄的滑动金属片,因此可以在操作窑炉时将其向下推关闭,并在准备倾倒窑炉时将其抬起(注意:热)。
两壁被分开以提供气隙12 ,并且顶部是开放的,底部不是完全密封的,除了窑炉的内部。有关气隙和墙壁顶部的详细信息,请参见 图 3 。避免密封空间,以避免在热膨胀和由此产生的收缩过程中出现问题。单壁窑在减少危险燃料和生产生物炭方面仍然有效,但双壁窑允许设备和操作员在较少的热暴露下靠近。如果生物炭生产是最重要的目标,那么双壁窑可能更有效。如果减少危险燃料是主要目标,而生物炭是次要目标,那么单壁窑可能就足够了。
通常,现场生产的部分生物炭由研讨会参与者收集在桶或袋子中,并应用于人们的花园或农业项目。生物炭是易碎的,可以分解成小块,以便更容易地融入土壤中,方法是用车辆驶过它,踩在下面有坚硬的表面,或者用小型挖掘机的铲斗将其捣碎。这种材料也可以称为木炭,已被收集用于户外木炭烹饪,可能提供当地采购的材料来增加膳食的烹饪特色。
将Big Box火焰帽生物炭窑与其他生物炭生产方法12进行比较,移动式炭化机每天可处理63,502公斤(70吨),而Big Box窑每天可处理12,500公斤。移动式炭化机的成本远高于大箱式窑炉,起价为 500,000 美元,而制造大箱式窑的成本不到 10,000 美元。虽然单个大箱式窑炉只能处理移动式炭化机的20%的材料,但它的成本仅为移动式炭化机购买价格的2%。
另一个例子是,加热的螺旋窑每天可以处理多达 5,443 公斤的生物质,这远低于大箱窑每天 12,500 公斤的产能。此外,材料预处理(碎裂)的成本可能超过实际热解材料的成本。此外,加热螺旋钻等精炼机器不能容忍林业作业中常见的污染原料;一铲土可以关闭一个螺旋窑,而一个大箱窑可以承受几铲土,而不会对操作产生重大影响。最后,螺旋窑的成本很容易达到大箱窑的 10 倍。
建造的第一座大箱式窑被称为 BB16,因为它长 4.9 米(16 英尺),宽 2.4 米(8 英尺),是单壁结构。它最初高 1.8 米(6 英尺),重近 1,360 公斤(3,000 磅),这需要一台更大的挖掘机、一名合格的操作员和一辆低矮的拖车,这导致了调度方面的挑战。这种方法尺寸过大,无法处理典型的犹他州燃料负荷,而且在 1.8 米(6 英尺)高处,很难点燃或看到窑内发生的事情。为了解决这些问题,为了更好地将这种方法扩展到犹他州的燃料负荷,并使普通森林管理者更容易获得,高度降低到 1.2 米(4 英尺)高。这使得它更容易被看到和点燃。它还将其降至 1,043 公斤(2,300 磅),这使得使用更可用的皮卡车和拖车进行运输,以及使用不需要任何经验的小型挖掘机移动和操作变得易于管理,并且可以从大多数设备租赁店租用。
UBRG建造的第二个窑炉是双壁结构,可以更好地保护窑炉附近的操作人员和设备,并允许在窑内更均匀地加热13。这种修改的一部分是从 12 号钢到 14 号钢,后者更薄、更轻。UBRG已经在这些窑炉中进行了数十次燃烧,虽然它们确实在斑点上有点弯曲,但它们还没有显示出任何明显的与热有关的金属疲劳迹象。当然,可能会发生额外的学习,并且有足够的空间继续创新。
双壁 BB12 是最受关注的设计,也许是山间西部最容易获得/最实用的燃料。较大的窑炉将更适合使用更多/更大的燃料,例如美国西北部。这种方法已被证明可以在 4.9 米(16 英尺长)的窑炉中得到验证。迄今为止,犹他州、科罗拉多州、蒙大拿州、德克萨斯州和纽约州的其他各方已经建造了大箱式窑炉。
窑炉可以运行以最大限度地提高生物炭产量或最大限度地减少危险燃料,或介于两者之间。如果减少危险燃料是主要目标,那么窑炉可以随机装载,只有在窑炉装满煤时才能淬火。如果周围的火灾危险性较低,例如当地面被几厘米的积雪覆盖时,可以在下班前的傍晚将窑炉堆放高高的燃料,然后燃烧一整夜;因此,在受控空间内消耗燃料。如果生物炭生产是主要目标,则可以将原料分类为相似尺寸的原料,并在窑炉中装载类似尺寸的类材料,并经常淬火以保存煤炭。通常,它是这些相反目标的混合体,窑炉在这两个极端之间运行。除非目标是具有特定特性的生物炭,否则原料的种类就不那么重要了。
从这些窑炉中排出的烟雾量有限;这个想法是,当可燃物通过热柱上升时,火焰帽会消耗它们。2019 年和 2020 年,犹他州烟雾管理系统协调员保罗·科里根 (Paul Corrigan) 将他的排放测试设备带到了犹他州北部洛根和犹他州南部摩押附近的 Big Box 生物炭窑演示。在这两种情况下,设备都没有记录到窑炉的排放增加,因为火焰帽在可燃物通过热柱上升时会消耗它们。2023 年 4 月,美国农业部林务局消防实验室的排放测试小组对犹他州图埃勒的窑炉进行了排放测试;这些结果尚不可用。
照料窑炉的工人将需要消防手动工具,如铲子、耙子、Pulaskis 和链锯。最佳做法包括让所有在场的人佩戴安全装备,如皮手套、护目镜、防火服或至少是天然纤维服;必须避免穿合成服装。安全帽和皮靴、长袖和裤子有助于保护操作员。
应急通信;应急计划:除了紧急情况的可能性和围绕紧急情况的通信需求外,还必须考虑操作的位置(通常是远程的)。了解本地手机接收效果最佳的位置至关重要;强烈建议使用卫星电话或紧急定位信标,例如 Garmin InReach.重要的是不要独自工作。
如果发生余烬/点火,必须将盖子放在窑上,以防止进一步的火花从窑中逸出。必须使用机械在现场火场周围快速挖掘火线,并且必须将燃烧的燃料与未燃烧的燃料分开。必须使用水源来灭火。如果无法立即灭火,请拨打 911。
来自大箱窑的生物炭已由加利福尼亚州沃森维尔的控制实验室使用国际生物炭倡议 (IBI) 认证计划的实验室测试进行表征,结果显示 85% 的有机碳和 8% 的灰分;这些是中等质量生物炭的特征。合作者正在尝试在底部添加滚落杯垫,类似于大型垃圾箱,以及一扇门,该门是端墙之一,以帮助去除成品生物炭。这些功能在极端高温暴露后是否仍然可操作还有待观察。
The authors have nothing to disclose.
我要感谢 Wilson Biochar 的 Kelpie Wilson、犹他州土地管理局、美国农业部林务局、犹他州林业、消防和州土地部、犹他州公共土地倡议拨款计划、犹他州立大学推广拨款计划、俄勒冈州伯恩斯的布兰登·巴伦、犹他州洛根的 ANR 制造和美国生物炭倡议。
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