Summary
قامت مجموعة موارد الكتلة الحيوية في ولاية يوتا (UBRG) بتوسيع نطاق أفران الفحم الحيوي البسيطة في نهج مبتكر لتقليل الوقود الخطير وإنتاج الفحم الحيوي باستخدام صناديق معدنية ، تسمى أفران Big Box ، والتي تسمح بإنتاج الفحم الحيوي في الأخشاب. توضح هذه المقالة تشغيل فرن الفحم الحيوي Big Box وأفضل الممارسات.
Abstract
أفران الفحم الحيوي ذات الصندوق الكبير هي بديل لحرق الركائز المفتوحة التي تسمح بإنتاج الفحم الحيوي في الغابة في صندوق معدني بسيط بدون أجزاء متحركة. يعتمد هذا النهج على التكنولوجيا المستخدمة من قبل صانعي الفحم لعدة قرون ولكن مع نهج ميكانيكي حديث. يتم استخدام حفارة صغيرة أو قطعة أخرى من الآلات لتحميل الأفران ورعايتها وتفريغها. ستوضح هذه المقالة أفضل ممارسات فرن الفحم الحيوي Big Box ، بما في ذلك إجراءات التصميم والنقل والتنسيب والتحميل والإضاءة والتبريد والإغراق للمبتدئين الذين يطورون برامج فرن الفحم الحيوي الخاصة بهم في Big Box.
يتطلب إنتاج الفحم الحيوي بيئة حرق منخفضة الأكسجين ، وتستخدم أفران الصندوق الكبير طريقة غطاء اللهب (يشار إليها أحيانا باسم ستارة اللهب) لحرق المواد ذات الإنتاج المحدود للدخان. وقد صممت هذه الأفران بحيث يسهل نقلها إلى الموقع باستخدام مقطورة مصنفة بشكل مناسب. يتم استخدام حفارة صغيرة أو قطعة أخرى من الآلات لتحميل الأفران ورعايتها وتفريغها. لا يدرك المؤلف وسيلة يسهل الوصول إليها للناس لعزل الكربون المعمر في المزرعة أو المزرعة أو في الفناء الخلفي. توضح هذه المقالة أفضل ممارسات فرن الفحم الحيوي Big Box ، بما في ذلك إجراءات التصميم والنقل والتنسيب والتحميل والإضاءة والتبريد والإغراق للمبتدئين الذين يطورون برامج فرن الفحم الحيوي Big Box الخاصة بهم.
Introduction
يمثل الوقود الخطير مشكلة كبيرة في الأراضي البرية في جميع أنحاء الغرب1. نظرا لأن مديري الحرائق لا يستطيعون فعل الكثير للتحكم في الطقس ، فإن التحكم في الوقود هو أفضل خيار2. الهدف من هذه الطريقة هو توفير أداة جديدة قابلة للتطوير لتقليل نفايات الخشب أثناء إنتاج الفحم الحيوي بطريقة يمكن الوصول إليها اقتصاديا وعمليا. يقوم عمال الغابات تقليديا بتكديس وحرق المواد من مشاريع قطع الأشجار وتقليل الوقود ، لكن قيود جودة الهواء ومواسم الحرائق الأطول جعلت حرق الأكوام المفتوحة أكثر صعوبة على مدى العقود الماضية3. علاوة على ذلك ، ثبت أن حرق الأكوام المفتوحة يسبب أضرارا محتملة طويلة الأجل للتربة من الحرارة المفرطة4. كل هذه التحديات توفر السبب وراء قيام UBRG بتطوير هذه التقنية لإنتاج الفحم الحيوي. شرعت UBRG في توفير نهج منخفض التكلفة وإمكانية الوصول إليه لتقليل الوقود الخطير الذي ينتج عنه منتج قيم5. هذا النهج المتمثل في تحويل الوقود إلى مواد وسيطة ومحاولة تحقيق قيمة من الخشب منخفض القيمة مليء بالتحديات. يحافظ هذا النهج على جزء من هذا الكربون ، الذي يفقد بطريقة أخرى بسبب الاحتراق أو التعفن ، ويعالجه في شكل دائم ، مع عمر نصف يقترب من 1000 عام في التربة6 ؛ هذا أطول 10-1000 مرة من أوقات الإقامة لمعظم المواد العضويةفي التربة 7.
بدأت عملية تصميم فرن الصندوق الكبير بمراجعة المشتقات الأخرى لتقنية نشأت في اليابان. في عام 2011 ، أبلغ Inoue et al.8 عن كفاءة الكربنة وجودة الفحم الحيوي المنتج في "فرن الفحم الذي لا يدخن M50" الذي تصنعه شركة Moki في اليابان. Biochar تم إنتاجه في هذه الأفران الصغيرة المخروطية الشكل بكفاءة تحويل تتراوح بين 13٪ و 19.5٪ على أساس الكتلة الجافة. وجد المؤلفون أن قيم الكربون الثابت ومحتوى الكربون في الفحم كانت مساوية لقيم الفحم المصنوع بطريقة معوجة عند درجة حرارة حوالي 600 درجة مئوية.
تم اقتراح شكل الصندوق الكبير لأول مرة من قبل Kelpie Wilson في دراسة جدوى لخدمة غابات داكوتا الشمالية حول تفحيم إزالة أشجار حزام الحماية. اقترح ويلسون استخدام مكب نفايات فولاذي معدل كفرن غطاء اللهب لمعالجة المواد الأكبر حجما. يتضمن تصميم فرن Big Box العديد من التحسينات على المفهوم التي تساعد في المتانة وسهولة الاستخدام والتنقل ، كما هو موضح أدناه. يتضمن رقم ويلسون اقتراحات لإعادة استخدام الحاويات مثل حاويات القمامة وخزانات النفط لهذا الغرض. ومع ذلك ، فإن المواد المعاد استخدامها بشكل عام قد تم طلاؤها أو جلفنتها وقد تعرض المشاركين في ورشة العمل لمواد كيميائية ضارة في الهواء.
ولم يبلغ بعد عن الانبعاثات من قمائن الصندوق الكبير، ولكن Cornelissen et al.9 أجرت اختبارات الانبعاثات على عدة أنواع مختلفة من قمائن Kon-Tiki (قمائن مخروطية عميقة) ووجدت أن الانبعاثات كانت عموما أقل من الانبعاثات الناتجة عن الحرق المكشوف للمواد الأولية للكتلة الحيوية. كما اختبروا الفحم الحيوي المنتج للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAH) ووجدوا أن مستويات PAH كانت أقل بكثير من مستوى الخطر الأقصى المسموح به في النرويج (MTR) للتربة. أظهر تحليل دورة حياة فرن أوريغون (فرن ضحل على شكل هرم) أن التشغيل في الأخشاب لفرن غطاء اللهب كان سلبيا للكربون ، مما أدى إلى عزل صاف للكربون في الغلاف الجوي في التربة10.
أحد قيود نهج الصندوق الكبير هو المواد الأولية الرطبة. وفي حين أن دفعتين يوميا من المواد ذات القطر الكبير في هذه الأفران هي توقع معقول في المناخات القاحلة والمواد الأولية الجافة، فإن دفعة واحدة في اليوم هي توقع أكثر معقولية في المواقع ذات الرطوبة العالية ورطوبة الوقود. المواد الخام الجافة أكثر إنتاجية. المواد الخام الرطبة سوف تحد من إنتاجية الفرن. المواد الخام الرطبة في يوم رطب لا تعمل بشكل جيد. المواد الخام الرطبة التي يقل قطرها عن 10 سم سوف تتحلل حراريا بشكل كامل أكثر من المواد الخام الرطبة ذات القطر الأكبر. يمكن بسهولة تحلل المواد الجافة حراريا في الطقس الرطب و / أو الثلجي. وقد نجحت الأفران ذات الصندوق الكبير في التحلل الحراري لجذوع الأشجار الجافة بطول الفرن بحيث يصل قطرها إلى 0.76 متر (30 بوصة) وتتفرع إلى أقل من 1 سم في القطر.
يتم التعامل مع تشغيل الفرن مثل حرق الركائز المفتوحة من قبل معظم منظمي جودة الهواء ، وفي ولاية يوتا ، يتم منح الإذن قبل ثلاثة أيام فقط ، مما يجعل التخطيط صعبا ، خاصة في أشهر الشتاء عندما تكون انعكاسات الغلاف الجوي شائعة حول مجتمعاتنا. تكلفة إجراء حرق الفحم الحيوي أعلى بكثير من مجرد حرق الأكوام ، مما يمثل قيدا آخر على هذا النهج. هذه التقنية هي أول طريقة منشورة منخفضة التقنية لإنتاج الفحم الحيوي على نطاق يتخلى عن المعالجة المسبقة باهظة الثمن للمواد الأولية مثل الطحن والتقطيع قبل التحلل الحراري. هذه الطريقة مفيدة لمعظم الحطام الخشبي الذي لم يتم تقطيعه أو معالجته بعد تقطيعه إلى أحجام قطع يمكن التحكم فيها. هذه الطريقة ليست مفيدة للمواد الأولية الصغيرة الحجم أو المواد الأولية التي ستشكل حصائر أو كرات من المواد مثل الأعشاب وقشور الذرة وقشور الأرز.
تصميم الفرن
BB12 عبارة عن فرن مزدوج الجدران يبلغ طوله 3.7 مترا (12 قدما) وعرضه 1.8 مترا (6 أقدام) وارتفاعه 1.2 مترا (4 أقدام) ، وهو مصنوع من الفولاذ عيار 14. يمكن أن يختلف الحجم والشكل. الخطط متاحة على موقع UBRG11. لا يسمح بدخول الهواء إلى الفرن إلا في الأعلى ؛ هذا أمر بالغ الأهمية لتطوير غطاء اللهب الذي يستهلك معظم المواد القابلة للاحتراق أثناء ارتفاعها عبر عمود الحرارة. انظر الشكل 1 للحصول على تفاصيل الزوايا الداخلية للفرن. الاستثناء هو منفذ الصرف ، المشار إليه باسم باب ، كما هو موضح في الشكل 2 لأنه مشابه في الحجم لباب العادي. تحتوي على قطعة معدنية منزلقة بمقبض بحيث يمكن دفعها لأسفل عند تشغيل الفرن ورفعها (تنبيه: ساخن) عندما تكون جاهزة لتفريغ الفرن.
يتم فصل الجدارين لتوفير فجوة هوائية12 وهما مفتوحان من الأعلى وغير مغلقين تماما في الأسفل ، باستثناء الجزء الداخلي من الفرن. انظر الشكل 3 للحصول على تفاصيل فجوة الهواء وأعلى الجدران. تجنب المساحات المغلقة لتجنب المشاكل أثناء تمدد الحرارة والانكماش الناتج. لا تزال الأفران أحادية الجدار فعالة في تقليل الوقود الخطير وإنتاج الفحم الحيوي ، لكن الفرن مزدوج الجدران يسمح للمعدات والمشغلين بالاقتراب مع تعرض أقل للحرارة. إذا كان إنتاج الفحم الحيوي هو الهدف الأكثر أهمية ، فقد يكون الفرن ذو الجدران المزدوجة أكثر فعالية. إذا كان الحد من الوقود الخطير هو الهدف الأساسي والفحم الحيوي ثانوي ، فمن المحتمل أن يكون الفرن أحادي الجدار كافيا.
Protocol
1. النقل إلى الموقع
- قم بتحميل BB12 على مقطورة للنقل باستخدام حفارة صغيرة (مع إبهام) وسلاسل أو رافعة شوكية 4 × 4 ، باستخدام جيوب الشوكة.
ملاحظة: تفترض جميع الإشارات الإضافية إلى الحفار الصغير أن لديه إبهاما قابلا للتشغيل مع الجرافة. - ثبت الفرن بالمقطورة باستخدام أحزمة السقاطة بقوة كسر تزيد عن 1361 كجم (3000 رطل) لكل منها. انظر الشكل 4 للحصول على مثال.
- قم بتفريغ الفرن باستخدام الحفار الصغير أو الرافعة الشوكية أو اربطه بشجرة / مركبة وابتعد ، مما يسمح له بالسقوط على الأرض. بمجرد الوصول إلى الموقع ، اسحب الفرن على الأرض على زلاقته باستخدام شاحنة صغيرة وأشرطة.
2. التحضير في الموقع
- ضع BB12 على سطح مستو نسبيا (المنحدرات < 10٪) بالقرب من كومة الخشب ، مع التأكد من أن لوحة تصريف باب على الجانب المنحدر ، إذا كانت على منحدر.
ملاحظة: حافظ على لوحة تصريف باب مغلقة أثناء التشغيل. - حدد المواد الأولية ، والتي يمكن أن تكون أي نوع خشبي. استخدم مادة صغيرة وجافة لتشغيل الفرن ، خاصة عند العمل مع المواد الخام الرطبة.
- جمع وتكديس كمية كافية من المواد الخام لتغذية الفرن. قم بقص جميع المواد الخام بطول أقصر من الحد الأقصى لأبعاد الفرن بحيث يتم تركيبها بسهولة.
3. الحد من المخاطر
- قبل الاشتعال ، تحقق مع سلطات الحريق وجودة الهواء المحلية للتأكد من أن خطر الحريق ليس مرتفعا جدا للاشتعال وأن لوائح جودة الهواء لا تؤثر على خطط الحرق. تأكد من تنبيه سلطات الإطفاء المحلية بالخطط قبل الاشتعال.
- قبل الاشتعال ، قم ببناء خط نار (1 مسار بعرض قدم كشط وصولا إلى التربة المعدنية) بالكامل حول الفرن لمنع الحريق من الزحف بعيدا. تأكد من وجود خرطوم مشحون متصل بإمدادات مياه كافية ، تعتمد على خطر الحريق الحالي ، للسيطرة على الحريق قبل إشعال الفرن.
4. فرن التحميل والإضاءة
- تحميل الفرن بشكل عشوائي مع المواد الخام باستخدام حفارة صغيرة ؛ لا يهم حجم / ترتيب إضافة المواد الأولية. انظر الشكل 5 للحصول على صورة لفرن محمل.
- قم بتكديس طبقة من الوقود ذي القطر الأصغر (المواد الأولية) أعلى الفرن للمساعدة في الاشتعال السريع.
- بمجرد التحميل ، قم بإضاءة الفرن بشعلة بالتنقيط أو شعلة البروبان أو أي جهاز إشعال آخر عن طريق إضاءة الجزء العلوي من الفرن أولا. انظر الشكل 6 للحصول على صور لإضاءة الفرن وتشغيل القمينة.
5. فرن الرعاية
- السماح للفرن بالاحتراق وإضافة الوقود حسب ما تسمح به النار ؛ توقع فترة قصيرة من إنتاج الدخان بعد إضافة المواد إلى الفرن. لاحظ أن غطاء اللهب سيصلح قريبا ويستمر في استهلاك المواد القابلة للاحتراق أثناء ارتفاعها عبر عمود الحرارة / الدخان. تميل الفرن على غرار نار المخيم. إن إضافة الكثير من الوقود دفعة واحدة سيخنق النار ، لكن القليل جدا سيؤدي إلى إطفاء الحريق. انظر الشكل 7 للحصول على صورة لغطاء اللهب.
- راقب الفرن والنباتات المحيطة بحثا عن الشرر أو الجمر الذي يمكن أن يسبب اشتعالا غير مرغوب فيه.
- استمر في رعاية / تحميل الفرن بهذه الطريقة حتى يمتلئ الفرن / يتم استنفاد المواد الخام / نهاية الوردية.
6. التبريد
- عندما يكون الفرن ممتلئا أو شبه ممتلئ بالفحم ويفسح الاحتراق المشتعل المجال للاحتراق المشتعل أو المتوهج ، قم بإخماده لوقف الاحتراق والحفاظ على الفحم. يوضح الشكل 8 فرنا جاهزا للتبريد.
- استخدم خرطوما بقطر 3.8 سم (1.5 بوصة) ومضخة مياه (يشار إليها غالبا باسم مضخة الحجم أو مضخة القمامة في متاجر التأجير) من مصدر مياه أو شاحنة مياه لإخماد الفرن باستخدام ما يقرب من 300 جالون من الماء. يغرق الفحم. استمر في إضافة الماء حتى يصبح الفحم في الماء الراكد وحركه باستخدام الحفارة الصغيرة للتخلص من البقع الساخنة الجافة والاحتراق المستمر. يوضح الشكل 9 التبريد بخرطوم.
- بمجرد إخماد الفرن بالكامل ، افتح باب لتصريف المياه ، مما يجعل الفرن أخف وزنا لقلب الفحم الحيوي.
7. البقشيش
- بمجرد إخماد الفرن وتصريفه بالكامل ، قم بتفريغ المحتويات على الأرض المجاورة للقمائن.
- قم بإعداد المنطقة أولا باستخدام الآلة لإنشاء خط نار حول المساحة التي سيكون فيها الفحم ، وكشط أي وقود ، بما في ذلك العشب والعصي والفرشاة وجذوع الأشجار من هذه المساحة.
- استخدم الماكينة والسلاسل/الأشرطة لسحب الفرن باتجاه الماكينة. يوضح الشكل 10 أن القمين يميل بواسطة الحفار الصغير.
- مراقبة ذراع الرافعة / الخراطيم / الهيدروليكية / التجهيزات للحفارة الصغيرة للتعرض للحرارة ؛ من حين لآخر ، ضع ظهر اليد أولا بالقرب من هذه الأجزاء وفي النهاية عليها للتأكد من أنها ليست ساخنة جدا بحيث لا يمكن لمسها ؛ إذا كان الأمر كذلك ، اتركها لتبرد على الفور.
8. زائدة الباردة
- قبل مغادرة الموقع ، تأكد من إطفاء الحريق عن طريق تحريك اليدين عبر كامل كمية biochar التي تم إنتاجها. تأكد من أنه بارد تماما عند اللمس لاستدعاء النار.
ملاحظة: يأتي BB12 مع أغطية يمكن استخدامها لأغراض السلامة ؛ في حالة حدوث حالة طوارئ ، مثل نجاة حريق أو إصابة ، يمكن وضع الأغطية على الفرن لمنع الشرر / الجمر من الخروج من الفرن ويمكن إخلاء المنطقة بأمان. يمكن إيقاف الإجراء في أي وقت. في المواقع عالية الرطوبة حيث يكون خطر الحريق منخفضا بشكل عام ، قد لا تكون الأغطية ضرورية.
Representative Results
من أكتوبر إلى مارس ، قامت أفران Big Box بتحلل أنواع مختلفة من المواد الأولية بالحرارة إلى biochar (الجدول 1). كلما كان الوقود أكثر جفافا ونظافة ، زادت إنتاجية الأفران. قطر الوقود أقل أهمية ، وقد انحللت القمائن بالحرارة جذوع كاملة الطول يصل قطرها إلى 76 سم ؛ ومع ذلك ، إذا كان إنتاج الفحم الحيوي هو أهم جانب في المشروع ، فمن الضروري ملاحظة أن ملء الأفران بمواد وسيطة ذات حجم أكثر اتساقا قد ينتج أعلى إنتاج من الفحم الحيوي. يمكن تشغيل الأفران بطريقة تزيد من إنتاج الفحم الحيوي ، أو يمكن تشغيلها لزيادة استهلاك الوقود الخطير إلى أقصى حد ، أو يمكن تشغيلها للتركيز على أي نقطة على طول السلسلة المستمرة بين هذه الأهداف المتعارضة إلى حد ما.
الأغطية ثقيلة وحادة ويجب عدم التعامل معها بمفردها. يوضح الشكل 11 الغطاء الذي يحركه شخصان. من الأفضل أن يكون لديك 2-3 أشخاص يعتنون بالفرن ؛ أحدهما يشغل الآلة ، والآخرون يراقبون الحرائق الموضعية الهاربة ، ويقطعون أي مادة بمنشار كهربائي طويل جدا بحيث لا يمكن إدخاله إلى الفرن ، ويلتقطون قطعا صغيرة من المواد المحترقة التي ربما تكون قد سقطت من الفرن.
تسمح الانزلاقات الموجودة أسفل الفرن بسحبها لمسافات قصيرة. يمكن سحب الأفران على الأقل ربع ميل ، على الطرق الترابية وفوق الأرض. يوضح الشكل 12 الفرن الذي يتم سحبه. عندما يوضع الجزء الأخير من كومة المواد الخام في القمينة، بدلا من إكمال الدفعة وإخماد قمائن ممتلئة جزئيا، يكون سحب الفرن بين الركائز أثناء تشغيله أكثر كفاءة، باستخدام شاحنة صغيرة وأشرطة. توجد ثقوب بالقرب من قاع الفرن لربط الأشرطة أو السلاسل للسحب. بعد ذلك ، بمجرد الوصول إلى كومة جديدة ، يمكن للمشغلين الاستمرار في تحميل الفرن وفقا للتوجيهات.
عادة ما تكون هناك جذوع الأشجار التي لا تتحلل حراريا تماما في biochar يمكن إضافتها إلى حرق الفرن التالي أو يمكن نشرها في الغابة كحطام خشبي خشن ، مما يوفر مزايا بيئية أو يمكن استخدامه لتطبيقات Hügelkultur (يتم تكديس الخشب ودفنه لإنشاء سرير حديقة مرتفع). يوضح الشكل 13 جذوع الأشجار المحللة حراريا بشكل غير كامل ، والتي تسمى أحيانا العظام.
الشكل 1: داخل الفرن الفارغ. داخل فرن فارغ ؛ لاحظ عدم وجود فجوات هوائية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: فتح باب. يتم فتح باب جزئيا ويتدفق الماء من الفرن بعد اكتمال التبريد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الفجوة بين الجدران. الفجوة بين جدران الفرن ، مما يدل على عدم وجود تجاويف مغلقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: فرن مؤمن للنقل. يتم استخدام الربط والمقطورة لنقل الفرن بأمان. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: تحميل الفرن. يتم تحميل الفرن بخشب الزيتون الروسي ، مما يدل على طريقة التحميل وعدم التنظيم داخل الفرن. مثال على فرن محمل بمواد أولية خفيفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: فرن الإضاءة. يستخدم المشغل شعلة التنقيط لإضاءة الفرن المحمل. مثال على فرن محمل بمواد ثقيلة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: غطاء اللهب. تشكل غطاء اللهب فوق الجزء العلوي من الفرن ، وقليل جدا من الدخان المرئي القادم من الفرن ؛ عرض نظيف للمناظر الطبيعية في الخلفية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: جاهز للتبريد. فرن ممتلئ تقريبا يتحول من الاحتراق المشتعل إلى الاحتراق المتوهج ؛ النقطة التي يبدأ عندها التبريد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: إخماد. يتم استخدام خرطوم حريق لوضع ما يقرب من 1100 لتر من الماء على الفحم في الفرن لوقف الاحتراق والحفاظ على الفحم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 10: البقشيش. يتم استخدام حفارة صغيرة لقلب فرن الفحم الحيوي BB16 Big Box لتفريغ الفحم وبدء دفعة أخرى. لاحظ وجود فرن ثان يعمل في الخلفية؛ يمكن لآلة واحدة تشغيل عدة أفران في وقت واحد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 11: الأغطية. يعمل مشغلان يرتديان قفازات جلدية ثقيلة معا لوضع غطاء على الفرن. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 12: القطر. تستخدم الأشرطة لربط الفرن (الذي لا يزال يحترق) من الثقوب السفلية بشاحنة صغيرة والمخدرات عبر طريق ترابي إلى الكومة التالية من المواد الأولية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 13: العظام. تتم إضافة مادة محللة حراريا بشكل غير كامل ، تسمى العظام ، من الدفعة السابقة إلى الفرن قبل بدء دفعة جديدة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| أفران الصندوق الكبير في | الانحلال الحراري ل | الفحم الحيوي | |
| منطقة لوجان رينجر في غابة أوينتا واساتش كاش الوطنية في نوفمبر | 22,000 كجم | عرعر | 14 متر مكعب |
| موآب ، يوتا في يناير | 1,200 كجم | لقيم الزيتون الروسي | 8 متر مكعب |
| مطحنة جوفاء في غابة Uinta-Wsatch-Cache الوطنية في نوفمبر | 25,000 كجم | شجرة التنوب إنجلمان ذات القطر الكبير والتنوب الفرعي | 16 متر مكعب |
| بالقرب من ديلون ، مونتانا ، في أكتوبر | 10000 كجم | دوغلاس التنوب المواد الخام | 10 متر مكعب |
| مزرعة باين فالي ، يوتا ، في مارس | 24000 كجم | الحور الرجراج ، التنوب تحت جبال الألب ، المواد الأولية Engelmann شجرة التنوب | 14 متر مكعب |
الجدول 1: الانحلال الحراري لمختلف المواد الأولية بواسطة أفران الصندوق الكبير.
Discussion
عادة ، يتم جمع جزء من biochar المنتج في الموقع من قبل المشاركين في ورشة العمل في دلاء أو أكياس وتطبيقها على حدائق الناس أو المشاريع الزراعية. Biochar قابل للتفتيت ويمكن تقسيمه إلى قطع صغيرة لدمجه بسهولة أكبر في التربة عن طريق القيادة فوقه بمركبة ، أو الدوس عليه بسطح صلب تحته ، أو هرسه بدلو الحفارة الصغيرة. يمكن أيضا الإشارة إلى هذه المادة باسم الفحم وقد تم جمعها للطهي بالفحم في الهواء الطلق ، مما قد يوفر مادة من مصادر محلية لإضافتها إلى ميزات الطهي للوجبة.
بمقارنة أفران الفحم الحيوي ذات غطاء اللهب Big Box بطرق إنتاج الفحم الحيوي الأخرى12 ، يمكن للمكربنات المتنقلة معالجة 63,502 كجم يوميا (70 طنا) ، مقارنة ب 12,500 كجم يوميا مع فرن Big Box. تكلفة الكربونات المتنقلة أعلى بكثير من فرن Big Box ، بدءا من 500,000 دولار للشراء ، مقابل أقل من 10,000 دولار لتصنيع فرن Big Box. على الرغم من أن فرن Big Box واحد يمكنه معالجة 20٪ فقط من المواد التي يمكن أن يقوم بها الكربنة المتنقلة ، إلا أنه سيكلف 2٪ فقط من سعر شراء الكربنة المتنقلة.
يمكن لأفران البريمة المسخنة معالجة ما يصل إلى 5,443 كجم من الكتلة الحيوية يوميا ، كمثال آخر ، وهو أقل بكثير من سعة 12,500 كجم يوميا لأفران Big Box. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون تكلفة المعالجة المسبقة (التقطيع) للمادة أكثر من التحلل الحراري للمادة. علاوة على ذلك ، فإن الآلات المكررة مثل البريمة الساخنة لن تتسامح مع المواد الخام المتسخة الشائعة في عمليات الغابات ؛ يمكن لمجرفة التربة أن تغلق فرن البريمة بينما يمكن لفرن الصندوق الكبير أن يتحمل عدة معاول من التربة دون التأثير بشكل كبير على العملية. أخيرا ، يمكن بسهولة أن تكون تكلفة فرن البريمة 10 أضعاف تكلفة فرن الصندوق الكبير.
يشار إلى أول فرن Big Box تم بناؤه باسم BB16 حيث يبلغ طوله 4.9 مترا (16 قدما) وعرضه 2.4 مترا (8 أقدام) وهو عبارة عن بناء أحادي الجدار. كان ارتفاعه في الأصل 1.8 متر (6 أقدام) ووزنه يقترب من 1,360 كجم (3,000 رطل) ، الأمر الذي تطلب حفارة أكبر ومشغل مؤهل ومقطورة منخفضة الصبي ، مما أدى إلى تحديات في الجدولة. كان هذا النهج كبيرا للتعامل مع أحمال الوقود النموذجية في ولاية يوتا ، وبارتفاع 1.8 متر (6 أقدام) ، كان من الصعب جدا إضاءة أو رؤية ما يجري داخل الفرن. لمعالجة هذه المشكلات ، لتوسيع نطاق هذا النهج بشكل أفضل لأحمال الوقود في ولاية يوتا ، ولجعله في متناول مدير الغابات العادي ، تم تقليل الارتفاع إلى 1.2 متر (4 أقدام) طول. هذا يجعل من السهل الرؤية والاشتعال. كما خفضت وزنها إلى 1,043 كجم (2,300 رطل) ، مما جعلها قابلة للإدارة للنقل باستخدام شاحنة صغيرة ومقطورة أكثر توفرا ، والتحرك والعمل باستخدام حفارة صغيرة لا تتطلب خبرة سابقة ويمكن استئجارها من معظم متاجر تأجير المعدات.
الفرن الثاني الذي بنته UBRG هو بناء مزدوج الجدران ، مما يسمح بحماية أفضل للحرارة للمشغلين والمعدات القريبة من الفرن ويسمح بمزيد من التسخين المتساوي داخل الفرن13. كان جزء من هذا التعديل هو الانتقال من الفولاذ ذي 12 قياسا إلى الفولاذ ذي المقياس 14 ، وهو أرق وأخف وزنا. قامت UBRG بعشرات الحروق في هذه الأفران ، وبينما تنحني قليلا في البقع ، إلا أنها لا تظهر بعد أي علامات واضحة على التعب المعدني المرتبط بالحرارة. بالتأكيد ، من المحتمل أن يحدث تعلم إضافي وهناك مجال واسع لمواصلة الابتكار.
BB12 ذو الجدران المزدوجة هو التصميم الذي حظي بأكبر قدر من الاهتمام وربما يكون الأكثر سهولة / عملية للوقود في Intermountain West. ستكون الأفران الأكبر أكثر ملاءمة مع أنواع الوقود الأكثر / الأكبر ، مثل شمال غرب الولايات المتحدة. وقد ثبت أن هذه الطريقة تصل إلى 4.9 متر (فرن بطول 16 قدما). حتى الآن ، تم بناء أفران Big Box من قبل أطراف أخرى في يوتا وكولورادو ومونتانا وتكساس ونيويورك.
يمكن تشغيل الأفران لزيادة إنتاج الفحم الحيوي إلى أقصى حد أو تعظيم الحد من الوقود الخطير ، أو في مكان ما بينهما. إذا كان الحد من الوقود الخطير هو الهدف الأساسي ، فلا يمكن تحميل الأفران بشكل عشوائي وإخمادها إلا عندما يكون الفرن ممتلئا بالفحم. إذا كان خطر الحريق المحيط منخفضا ، كما هو الحال عندما تكون الأرض مغطاة بعدة سنتيمترات من الثلج ، يمكن تكديس الأفران عاليا بالوقود في المساء قبل نهاية الوردية وتركها تحترق طوال الليل ؛ وبالتالي ، تستهلك الوقود في مساحة خاضعة للرقابة. إذا كان إنتاج الفحم الحيوي هو الهدف الأساسي ، فيمكن فرز المواد الخام إلى أحجام مماثلة والأفران المحملة بمواد فئة مماثلة الحجم وإخمادها بشكل متكرر للحفاظ على الفحم. عادة ما يكون مزيجا من هذه الأهداف المتعارضة ويتم تشغيل الأفران بين هذين النقيضين. أنواع المواد الأولية أقل أهمية ما لم يكن الهدف هو biochar مع خصائص محددة.
كمية محدودة من الدخان تخرج من هذه الأفران. الفكرة هي أن غطاء اللهب يستهلك المواد القابلة للاحتراق أثناء ارتفاعها عبر عمود الحرارة. في عامي 2019 و 2020 ، أحضر منسق نظام إدارة الدخان في ولاية يوتا بول كوريجان معدات اختبار الانبعاثات الخاصة به إلى عروض فرن الفحم الحيوي Big Box بالقرب من لوجان ، في شمال ولاية يوتا ، وموآب ، في جنوب ولاية يوتا. وفي كلتا الحالتين، لم تسجل المعدات أي زيادة في الانبعاثات من القمائن لأن غطاء اللهب يستهلك المواد القابلة للاحتراق أثناء ارتفاعها عبر عمود الحرارة. في أبريل من عام 2023 ، يجري فريق اختبار الانبعاثات التابع لمختبر إطفاء الغابات التابع لوزارة الزراعة الأمريكية اختبار الانبعاثات على الأفران في تويلي ، يوتا. هذه النتائج ليست متاحة بعد.
سيحتاج العمال الذين يعتنون بالفرن إلى أدوات يدوية لمكافحة الحرائق مثل المجارف والمكابس و Pulaskis والمناشير. تشمل أفضل الممارسات جعل جميع الأشخاص الحاضرين يرتدون معدات السلامة مثل القفازات الجلدية أو حماية العين أو الملابس المقاومة للحريق أو على الأقل الملابس المصنوعة من الألياف الطبيعية. يجب تجنب الملابس الاصطناعية. تساعد القبعات الصلبة والأحذية الجلدية والأكمام الطويلة والسراويل على حماية المشغلين.
الاتصالات في حالات الطوارئ؛ التخطيط للطوارئ: يجب مراعاة موقع العملية (غالبا ما يكون بعيدا) بالإضافة إلى إمكانية حدوث حالة طوارئ واحتياجات الاتصال حول ذلك. من الأهمية بمكان معرفة المكان الذي قد يعمل فيه استقبال الهاتف الخلوي المحلي بشكل أفضل. يوصى بشدة باستخدام هاتف يعمل بالأقمار الصناعية أو منارة تحديد مواقع الطوارئ مثل Garmin InReach. من المهم عدم العمل بمفردك.
في حالة نجاة الجمرة / الحريق الموضعي ، يجب وضع الغطاء على الفرن لمنع المزيد من الشرر من الخروج من الفرن. يجب استخدام الماكينة لحفر خط حريق بسرعة حول بقعة النار ، ويجب فصل الوقود المحترق عن الوقود غير المحترق. يجب استخدام مصدر المياه لإطفاء الحريق. إذا تعذر الحصول على الإطفاء على الفور ، فاتصل برقم 911.
تم تمييز Biochar من أفران Big Box بواسطة مختبرات التحكم في واتسونفيل ، كاليفورنيا باستخدام الاختبارات المعملية لمبادرة الفحم الحيوي الدولية (IBI) لبرنامج الشهادات وتظهر النتائج 85٪ كربون عضوي و 8٪ رماد ؛ هذه هي خصائص biochar عالية الجودة إلى حد ما. يقوم المتعاونون بتجربة إضافة الوقايات القابلة للطي في الأسفل ، على غرار حاويات القمامة الكبيرة ، بالإضافة إلى باب يعد أحد الجدران النهائية للمساعدة في إزالة الفحم الحيوي النهائي. يبقى أن نرى ما إذا كانت هذه الميزات لا تزال قابلة للتشغيل بعد التعرض للحرارة الشديدة.
Disclosures
ليس لدى صاحب البلاغ أي تضارب في المصالح ليعلن.
Acknowledgments
أود أن أنوه ب Kelpie Wilson of Wilson Biochar ، ومكتب يوتا لإدارة الأراضي ، وخدمة الغابات التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية ، وقسم الغابات والنار وأراضي الولاية في ولاية يوتا ، وبرنامج منح مبادرة الأراضي العامة في ولاية يوتا ، وبرنامج منحة الإرشاد بجامعة ولاية يوتا ، وبراندون بارون من بيرنز ، أوريغون ، وتصنيع ANR في لوغان ، ويوتا ، ومبادرة الفحم الحيوي الأمريكية.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Big Box biochar kiln | ANR Fabrication | BB12 | Phone: 435-753-0310 |
| Chainsaw | Ace Hardware | #7000565 | Or similar |
| Drip torch | Forestry Suppliers | 7.58182E+11 | Fill with: 30% gasoline, 70% diesel (or propane torch) |
| Garmin InReach | Best Buy | 6499326 | Or similar |
| Honda self priming water pump | Northern Tool | Item# 109418 | Or similar |
| lighter / matches | Amazon | ||
| Log chains | Tractor Supply Co. | SKU: 358788199 | Or similar; for moving/lifting kiln |
| Mini-excavator with thumb | Local rental company | Must have a bucket with thumb | |
| Pulaski | Grainger | 485C27 | Or similar |
| Rachet straps | US Cargo Control | 3,000 lbs strength per | |
| Rags / cardboard | Grainger | 9JZ92 | To protect straps from abrasion while transporting kiln |
| Rake | Grainger | 1WG30 | Or similar |
| Shovel | Grainger | 12N166 | Or similar |
| Truck / trailer | Own/rent locally | For transporting kiln | |
| Water discharge hoses | Grainger | 45DT92 | |
| Water: 300 gallons per quench | Plus more for fire control | ||
| Personal Protective Equipment | |||
| Chainsaw chaps | Global industrial | T9FB2019133 | Or similar |
| Ear protection | Global industrial | T9F708377 | Or similar |
| Eye protection | Global industrial | T9F708119CLAF | Or similar |
| Fire pants | Grainger | 12R487 | Or similar |
| Fire shirt | Grainger | 39EM96 | Or similar |
| Hard hat | Global industrial | T9FB2278977 | Or similar |
| Leather gloves | Global industrial | T9FB1145414 | Or similar |
| Smokejumper fire boots | Whites Boots | Or similar |
References
- Hardy, C. C. Wildland fire hazard and risk: Problems, definitions, and context. Forest Ecology and Management. 211 (1-2), 73-82 (2005).
- Wollstein, K., O'Connor, C., Gear, J., Hoagland, R. Minimize the bad days: Wildland fire response and suppression success. Rangelands. 44 (3), 187-193 (2022).
- Hessburg, P., Reynolds, K., Keane, R., James, K., Salter, R. Evaluating wildland fire danger and prioritizing vegetation and fuels treatments. Forest Ecology and Management. 247 (1-3), 1-17 (2007).
- Busse, M. D., Shestak, C. J., Hubbert, K. R. Soil heating during burning of forest slash piles and wood piles. International Journal of Wildland Fire. 22 (6), 786-796 (2013).
- Galinato, S. P., Yoder, J. K., Granatstein, D. The economic value of biochar in crop production and carbon sequestration. Energy Policy. 39 (10), 6344-6350 (2011).
- Spokas, K. A. Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios. Carbon Management. 1 (2), 289 (2010).
- Duku, M. H., Gu, S., Hagan, E. B. Biochar production potential in Ghana-A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15 (8), 3539-3551 (2011).
- Inoue, Y., Mogi, K., Yoshizawa, S. Properties of cinders from red pine, black locust, and henon bamboo. Asia Pacific Biochar Conference, APBC Kyoto. , (2011).
- Cornelissen, G., et al. Emissions and char quality of flame-curtain "Kon-Tiki" kilns for farmer-scale charcoal/biochar production. PLoS ONE. 11 (5), e0154617 (2016).
- Puettmann, M., Kamalakanta, S., Wilson, K., Oneil, E. Life cycle assessments of biochar produced from forest residues using portable systems. Journal of Cleaner Production. 250 (2020), 119564 (2020).
- McAvoy, D. J. Utah Biomass Resources Website. , Available from: https://www.usu.edu/ubrg/biochar/simple-kiln-technology (2017).
- Adam, J. C. Improved and more environmentally friendly charcoal production system using a low-cost retort-kiln (Eco-charcoal). Renewable Energy. 34 (8), 1923-1925 (2009).
- Amonette, J. E., et al. Biomass to biochar: Maximizing the carbon value. Pullman, WA: Washington State University, Center for Sustaining Agriculture and Natural Resources. , Available from: https://csanr.wsu.edu/biomass2biochar/ (2021).
