Producing, Characterizing and Quantifying Biochar in the Woods Using Portable Flame Cap Kilns

Kelpie J. Wilson; Wihan Bekker; Stephen I. Feher

doi:10.3791/65543

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Umwelt

휴대용 화염 캡 가마를 사용하여 숲에서 바이오 숯을 생산, 특성화 및 정량화합니다.

Published: January 05, 2024

doi:

10.3791/65543

Kelpie J. Wilson¹, Wihan Bekker², Stephen I. Feher³

¹Wilson Biochar Associates,US Biochar Initiative, ²African Data Technologies (Pty) Ltd., ³Sustainable Community Development Institute,Butte Community College

Summary

산림 벌채를 제자리에 배치하는 새로운 방법은 산림 토양의 건강을 회복하고 탄소 제거 및 격리를 위해 발열성 탄소를 생성합니다. 여기에서는 새로운 탄소 제거 회계 방법론과 디지털 애플리케이션을 통합한 바이오 숯 생산 방법을 제시합니다.

Abstract

비상업적 산림 바이오매스를 활용하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 널리 분포된 특성입니다. 바이오매스 문제에 대한 가장 좋은 해결책은 비싸고 탄소 집약적인 처리(치핑) 및 운송 비용을 피하기 위해 현장에서 처리하는 것입니다. 그러나 기존의 연소 더미는 산림 토양에 파괴적인 영향을 미치며 연료 절감 이외의 이점을 제공하지 않습니다. 산림 슬래시를 현장에서 바이오 숯으로 전환하면 토양 난방 및 미립자 배출 감소를 포함하여 화상 더미에서 소각하여 슬래시 처리의 현재 관행에 비해 많은 생태학적 이점이 있으며, 바이오 숯이 산림 토양 건강 및 수분 보유 능력에 미치는 여러 가지 이점이 있습니다. 숲에서 현장에서 바이오 숯을 만드는 것은 최근 화재 진압의 역사로 인해 누락된 산림 토양에 발열성 탄소 성분을 되돌리는 방법입니다. Biochar 또한 기후 변화 완화를 위한 탄소 제거 및 격리의 선도적인 방법입니다. 이 연구에서는 휴대용 바이오 숯 가마를 사용하여 바이오 숯을 만드는 방법을 문서화합니다. 이 저비용 방법은 바이오 숯이 재로 타기 전에 가마를 담금질하기 위해 물을 갖춘 수작업을 사용합니다. 생산된 바이오 숯을 정량화하고 특성화하는 간단한 기술은 영향을 측정하고 작업 비용을 지불하는 데 도움이 되는 탄소 제거 인증서를 받을 수 있도록 방법에 통합됩니다. 우리는 프로세스의 세 단계에서 GHG 이점을 정량화하기 위한 표준화된 절차를 제공하는 CM002 구성 요소 방법론을 설명합니다.: 폐기물 바이오매스 소싱, 바이오 숯 생산 및 바이오 숯 토양 적용. CM002 방법론은 최신 VCS 방법론 VM0044 표준 및 EBC C-Sink Artisan 표준을 포함한 국제 모범 사례를 기반으로 합니다. 적절한 안전 계수를 활용한 신뢰할 수 있는 정량화 방법은 탄소 제거 금융 자격을 얻기 위한 첫 번째 필수 단계입니다.

Introduction

미국 서부를 포함한 많은 세계 지역에서 기후 변화, 가뭄 및 외래 침입종으로 인해 생태계와 지역 사회를 위협하는 산불 위기가 발생했습니다. 숲과 삼림 지대가 걷잡을 수 없이 불타면서 많은 양의 미립자와 온실 가스가 대기 중으로 방출되어 인간의 건강과 기후에 치명적인 결과를 초래합니다. 예를 들어, 2020년 캘리포니아에서 발생한 산불은 약 1억 2,700만 메가톤의 온실 가스를 배출한 것으로 추정되며, 이는 2003년부터 2019년까지 캘리포니아의 총 GHG 배출량 감소량의 약 2배입니다¹. 점점 더 많은 과학자들과 토지 관리자들이 이러한 숲과 삼림 지대 및 생태계 서비스를 복원하는 데 도움이 될 수 있는 인간의 행동을 조사하고 있습니다. 과도한 바이오매스를 수동으로 희석하고 제거하는 것은 취해야 할 가장 중요한 조치^{중 하나입니다 2}. 바이오매스 제거에는 폐기가 포함되며, 바이오매스가 멀리 떨어져 있고 접근하기 어려운 위치에 있는 경우 관리되지 않는 슬래시 더미에서 현장에서 소각하는 것 외에는 옵션이 거의 없습니다. 관리되지 않은 연소 더미는 풍경에서 연료를 제거하는 역할을 하지만 더미 아래의 집중된 열이 토양의 유기적 지평선을 태우고 침입종에 의한 침식과 식민지화에 취약한 맨땅을 남기기 때문에 산림 토양을 손상시킵니다. 화상 더미 흉터에서 유기 토양 지평선을 재생하는 데 수십 년이 걸릴 수 있습니다³. 관리되지 않는 연소 더미는 미립자 및 온실 가스 배출의 원인이기도 합니다. 슬래시 더미 연소로 인한 연기는 또한 공기질이 제한된 유역의 연소 창을 제한하여 작업을 수행하기가 더 어렵게 만듭니다.

USDA 산림청의 연구원들은 슬래시 재료에서 바이오 숯을 생산하는 대안을 조사했으며 숲에서 작고 이동식 바이오 숯 가마를 사용하는 옵션을 포함하여 몇 가지 유망한 기술을 확인했습니다⁴. 산림 슬래시를 현장에서 바이오 숯으로 전환하면 토양 가열 및 미립자 배출 감소를 포함하여 화상 더미에서 소각하여 슬래시 처리의 현재 관행에 비해 많은 생태학적 이점이 있습니다. 현장에서 생산된 바이오 숯은 제거하여 농업에 활용하거나 산림 건강을 회복하고 기후 변화 및 가뭄에 대한 적응을 개선하는 데 여러 기능을 수행하는 곳에 그대로 둘 수 있습니다. 많은 산림 토양의 총 탄소의 최대 50%가 역사적인 자연 화재로 인한 숯이기 때문에⁵, 바이오 숯이 만들어진 현장에 바이오 숯을 남겨두면 화재 진압으로 인해 최근 토양 지평선에서 종종 누락된 산림 토양 숯을 복원할 수 있으며 생태계 과정에 알려지지 않은 영향⁶. 산림 토양에 남겨진 바이오 숯은 자연 화재로 생성된 숯의 효과를 모방할 수 있으며 토양 탄소 함량과 토양의 물리적, 화학적 및 생물학적 특성에 유사한 영향을 미칠 수 있습니다⁷.

최근 몇 년 동안 임업 종사자, 삼림 소유자, 연구원 및 바이오 숯 컨설턴트로 구성된 국제 네트워크는 슬래시 더미 소각의 대안으로 산림 슬래시를 현장에서 바이오 숯으로 변환하는 일련의 탄화 방법을 개발했습니다. 이러한 방법은 화염 탄화 원리를 기반으로 하며, Moki^8사가 제공하는 “무연 탄화 가마”로 일본에서 처음 개발 및 상용화되었습니다. 이 강철 링 가마는 사용된 공급 원료에 따라 13%에서 20%의 보고된 바이오매스-바이오 숯 변환 효율로 잘 탄화된 바이오 숯을 만듭니다⁹.

바이오 숯 또는 숯을 생산하는 과정은 종종 열분해라고 하며, 산소가 없는 상태에서 열로 바이오매스 성분을 분리합니다. 이것은 일반적으로 레토르트 열분해로 생각되며, 바이오매스는 외부에서 가열된 용기의 공기와 물리적으로 분리됩니다. 그러나 열분해는 나무와 같은 고체 연료가 단계적으로 연소되기 때문에 가스화 및 화염 탄화와 같이 제한된 공기가 있는 곳에서도 발생할 수 있습니다. 바이오매스에 열이 가해지면 연소의 첫 번째 단계는 재료에서 물이 증발하기 때문에 탈수입니다. 그 다음에는 탈휘발화와 동시 숯 형성이 뒤따르며, 이는 열분해라고도 합니다. 수소와 산소를 함유한 휘발성 가스가 방출되어 화염 속에서 연소되어 공정에 지속적으로 열을 가합니다. 가스가 방출되면 나머지 탄소는 방향족 탄소 또는 숯으로 전환됩니다. 연소의 마지막 단계는 숯을 광물재¹⁰으로 산화시키는 것이다.

이들은 개방 연소 과정에서 발생하는 개별 단계이기 때문에 공기나 열을 제거하여 숯 형성 후 공정을 중지할 수 있습니다. 이것은 바이오 숯 생산 과정에서 연소 더미에 새로운 재료를 지속적으로 추가하여 뜨거운 숯이 산소의 흐름을 차단하는 새로운 재료에 묻히도록 함으로써 달성됩니다. 뜨거운 숯은 더미 바닥에 축적되며 화염이 사용 가능한 산소의 대부분을 소비하기 때문에 화염이 존재하는 한 재로 타는 것을 방지합니다. 모든 연료가 더미에 추가되면 불꽃이 사그라들기 시작합니다. 이 시점에서 뜨거운 숯은 산소와 열을 제거하여 보존할 수 있으며, 일반적으로 석탄에 물을 뿌리고 얇게 긁어 식혀¹¹.

작동의 기본 원리는 역류 연소의 원리입니다. 역류 연소 공기는 화염을 낮게 유지하고 불씨나 스파크의 방출을 방지합니다. 화염은 또한 대부분의 연기를 태워 배출을 줄입니다. 요약하면, 다음 원리는 화염 캡 가마에서 역류 연소의 작동을 설명합니다 : (1) 연소 공기는 아래로 흐르는 동안 가스는 위쪽으로 흐르고, (2) 연소 연료가 공기를 아래로 끌어 당기면서 역류 흐름이 설정됩니다. (3) 화염은 낮고 연료에 가깝게 유지되어 불씨 탈출을 최소화합니다. (4) 연기는 고온 지역에서 연소됩니다. (5) 모든 연소 공기가 위에서 나오기 때문에, 그것은 화염에 의해 소멸된다 (6) 가마 바닥으로 떨어지는 연소되지 않은 석탄에 도달할 수 있는 공기가 거의 없다. (7) 석탄은 담금질되거나 흡입될 때 공정이 끝날 때까지 보존된다.

토양에 대한 이점 외에도 바이오 숯은 기후 변화 완화를 위한 탄소 제거의 주요 방법이기도 합니다. 목질 바이오매스에 있는 탄소의 최대 절반은 바이오 숯 형태의 안정하고 방향족 탄소로 전환될 수 있습니다¹². 그러나 모든 열분해 기술이 토양에서 100년 이상 안정적으로 유지되는 동일한 양의 난치성 탄소를 생성하는 것은 아닙니다(탄소 제거 값을 결정하는 핵심 지표). Biochar 안정성은 생산 온도와 밀접한 관련이 있습니다. 나무를 태우는 단열 화염 온도는 프로판의 온도인 1,977°C에 가까운 것으로 추정된다¹³. 화염 캡 가마에서의 바이오 숯 생산은 레토르트 열분해에서와 같이 금속 벽을 통한 전도에 의한 열 전달 손실 없이 화염과 밀접하게 결합됩니다. 따라서 공정 중에 화염이 유지되는 한 생산 온도가 높을 것으로 예상합니다. 라만 분광법¹⁴ 를 사용한 숯 조사에 따르면 화염 캡 가마의 바이오 숯 샘플(수석 저자 Kelpie Wilson이 제공)은 900°C 범위에서 숯 형성의 겉보기 온도가 가장 높은 세 개의 샘플 중 하나였습니다.

열전대는 화상 내부에 접근하여 화염 캡 가마 또는 연소 더미에서 바이오 숯의 생산 온도를 정확하게 측정해야 하며, 이는 비싸고 저기술 생산자에게는 제공되지 않습니다. 그러므로, 우리는 브라질 아마존에서 일하는 연구원들이 설명한 방법을 사용했는데, 그것은 보정된 온도(¹⁵)에서 녹는 열 크레용(용접공이 금속 부품의 온도를 확인하기 위해 사용)을 사용하는 것이다. 벽돌은 크레용으로 표시하고 알루미늄 호일로 싸서 생산 중 가마의 여러 곳에 놓습니다. 이 방법을 여러 번 사용했는데 크레용 자국이 완전히 녹았기 때문에 가마 온도가 650°C를 초과한 것으로 확인되었습니다. 이것은 필요한 경우 생산 온도를 확인하는 데 유용한 방법이 될 것입니다. 그러나 주요 검증 포인트는 전체에 화염의 존재를 문서화하는 것입니다.

저기술 화염 탄화 방법으로 만든 바이오 숯의 특성에 대한 발표된 데이터는 많지 않습니다. 그러나 Cornellissen et al.은 여러 가마 유형에서 화염 탄화 방법으로 만든 바이오 숯 샘플을 분석한 결과 낮은 PAH 함량과 높은 바이오 숯 안정성을 포함하여 바이오 숯에 대한 유럽 바이오 숯 인증서(EBC) 표준을 충족하는 것으로 나타났습니다. 또한, 목본 및 초본 공급 원료 모두에서 생산된 바이오 숯은 평균 탄소 함량이 76%였습니다¹¹. 미국 산림청 로키산맥 연구소¹⁶은 2022년 캘리포니아의 한 현장에서 만든 화염 뚜껑 가마와 화상 더미에서 나온 5개의 바이오 숯 샘플을 분석했습니다. 샘플의 평균 탄소 함량은 85%였습니다. 이러한 결과를 감안할 때 화염 캡 가마의 목질 잔류물로 만든 바이오 숯이 검증된 탄소 제거를 위한 기본 요구 사항인 높은 탄소 함량 및 높은 바이오 숯 안정성을 충족할 가능성이 높다는 결론을 내릴 수 있습니다.

저기술 장소 기반 바이오 숯 생산을 위한 두 가지 탄소 제거 프로토콜이 이제 Verra¹⁷ 및 European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink 프로토콜¹⁸에 의해 발표되었습니다. 새로 개발된 이러한 프로토콜은 유망합니다. 그러나 가뭄과 산불의 위협을 받고 있는 숲, 삼림 및 기타 풍경에 적용할 때 몇 가지 한계가 있습니다. 따라서 이 논문에서는 식생 관리 및 연료 부하 감소 활동의 일환으로 목질 잔해의 화염 탄화를 위해 특별히 개발되고 있는 AD Tech 19의 새로운 방법론인 CM002^V1.0에 대해 설명합니다. 수명 주기 분석에 따르면 화염 캡 가마의 목질 바이오매스에서 현장 바이오 숯 생산을 사용하는 바이오 숯 탄소 격리는 순 탄소 제거 이점²⁰을 생성합니다. 탄소 제거 프로토콜의 성공적인 구현은 산불과 생태계 파괴로부터 지역 사회와 생태계를 보호하기 위해 필요한 중요한 연료 감소 작업을 재정적으로 지원하는 데 도움이 될 수 있습니다. 탄소 제거 지불에 액세스하기 위해 현장 측정 및 디지털 모니터링, 보고 및 검증(D-MRV) 방법은 여기에 설명된 바이오 숯 생산 방법론에 일상적인 관행으로 통합됩니다. 플랫폼에 대한 자세한 내용은 보충 정보(보충 파일 1)에 설명되어 있습니다.

화염 캡 가마의 여러 오픈 소스 설계가 개인이 자신의 사용을 위해 제조하고 있지만(²¹), 우리가 아는 한, 현재 북미에서 판매를 위해 대량 생산되고 있는 1입방 미터 이상의 용량을 가진 화염 캡 가마는 단 하나, Ring of Fire Kiln²², 핸드 크루를 사용하여 쉽게 이동할 수 있도록 설계된 가벼운 휴대용 플레임 캡 가마입니다. 가마는 함께 고정된 6장의 연강 시트로 구성된 내부 링으로 구성됩니다. 더 가벼운 게이지 강철로 구성된 외부 링은 내부 링을 함께 고정하는 브래킷에 볼트로 고정됩니다. 외부 링은 더 나은 효율을 위해 열을 유지하는 열 차폐 역할을 합니다. 가마의 꼭대기는 공기에 열려 있으며 여기에서 화염 뚜껑이 형성됩니다. 메인 킬른 본체와 방열판 사이의 환형 틈을 통해 위로 흐르는 공기는 예열된 연소 공기를 킬른에 제공하여 연소 효율을 더욱 높입니다(그림 1)

그림 1: Ring of Fire Kiln의 공기 흐름, 화염 특성 및 숯 축적을 보여주는 개략도. 역류 연소 공기는 연기를 뜨거운 영역으로 끌어당겨 연소시킵니다. 메인 킬른 본체와 방열판 사이의 환형 틈새를 통해 위로 흐르는 공기는 예열된 연소 공기를 킬른에 제공하여 연소 효율을 더욱 높입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

가마 직경은 2.35m로 높이 1m, 총 부피 4.3m3의 원통형을 형성합니다. 실제로 가마는 상단까지 완전히 채워지지 않으므로 일반적인 생산 배치는 1에서 3 입방 미터 사이의 바이오 숯에 대해 3/4에서 2/3 사이에서 가마를 채웁니다.

Ring of Fire Kiln은 표준화된 설계이기 때문에 온실 가스(GHG) 혜택의 정량화를 위한 표준화된 절차를 제공하는 CM002 구성 요소 방법론에 사용하기 위한 최초의 인증 기술로 채택되고 있습니다. CM002의 요구 사항을 충족하는 측정 및 데이터 수집 단계가 이 방법에 통합됩니다. 보고는 스마트폰 애플리케이션을 통해 프로세스 전반에 걸쳐 간단한 설문지에 답하고 모바일 앱에 사진과 비디오 클립을 업로드하여 수행됩니다.

Protocol

참고: 이 방법론은 Ikhala 스마트폰 애플리케이션(이하 D-MRV 애플리케이션이라고 함)을 사용합니다. 재료 목차) 탄소 제거 지불, 현장 측정 및 디지털 모니터링, 보고 및 검증에 액세스할 수 있습니다. 1. 공급 원료 수집 및 적합성 확인 공급 원료 크기를 선택하고 보고합니다. 직경 15cm 미만의 우디 소재를 선택하십시오. 모든 재료가 가지가 있거나 모양이 균일하지 않은지 확인하여 단단히 포장되지 않고 가마의 공기 흐름을 방해하지 않도록 합니다. D-MRV 응용 프로그램에서 공급 원료 섹션의 사진 찍기 버튼을 클릭하여 카메라를 엽니다. 카메라를 연 상태에서 피사체(측정 스틱으로 건조 공급 원료 더미)를 조준하고 화면의 셔터 버튼을 눌러 이미지를 캡처합니다. 사료 원료 종 보고: D-MRV 애플리케이션을 열고 각 종 유형의 양을 보고하는 짧은 디지털 설문지에 답합니다. 보고는 시각적 추정을 기반으로 합니다. 공급 원료 수분을 측정하고 보고합니다.표준 장작 수분 측정기를 사용하여 각 유형의 공급 원료 중 가장 큰 조각의 중간에 핀을 삽입하여 판독합니다. D-MRV 애플리케이션에서 각 수분 측정기 판독값의 사진을 찍습니다. 수분 측정기 섹션에서 사진 찍 기 버튼을 클릭하고 수분 측정기에 표시된 값을 텍스트 필드에 입력합니다. 각 수분 측정기 판독값에 대해 하나의 사진과 텍스트 항목을 제출하십시오. 2. 가마의 조립, 적재 및 조명 평평한 지면에서 직경 약 3m의 원에서 가연성 유기 물질을 제거합니다. 커넥터 브래킷을 사용하여 6개의 내부 가마 패널을 실린더로 조립하고, 삽이나 이와 유사한 도구를 사용하여 실린더의 하단 가장자리를 미네랄 흙이나 점토의 작은 벼랑으로 밀봉하여 공기가 바닥에서 가마로 들어갈 수 없도록 합니다. 6개의 방열판 패널을 커넥터 브래킷에 부착하여 방열판 바닥에 에어 갭이 남아 있어 공기가 내부 실린더와 외부 실린더 사이의 환형 틈을 통해 흐를 수 있도록 합니다. 킬른 ID 부착 tag 방열판 하드웨어를 사용하여 방열판에 부착합니다. 배치에 사용된 가마를 식별합니다. 굽기 준비 섹션에서 사진 찍기 버튼을 클릭하여 조립된 가마와 ID 태그의 사진을 찍어 현장의 각 가마에 제출합니다. 가마 적재: 가마의 초기 적재를 위해 더 작은(2-6cm 두께가 이상적임) 더 건조한 재료를 사용하십시오. 재료를 가마 가장자리까지 포장하고 기둥과 같이 가지가 아닌 재료를 배열하여 너무 꽉 조여져 공기 흐름을 제한하지 않도록 합니다.알림: 목표는 재료가 화염을 견딜 수 있을 만큼 충분히 단단히 포장되어 있는지 확인하면서도 연소 공기가 더미 바닥에 도달할 수 있도록 하는 것입니다. 가마에 불을 붙이다: 적재된 가마 위에 작고 마른 점화 재료를 추가합니다. 필요한 경우 촉진제를 사용하고 성냥으로 불을 붙이거나 프로판 토치를 사용하십시오. 가마 상단의 여러 곳에 불을 붙여 화염 뚜껑이 전체 가마 전체에 빠르게 발전하도록 합니다. D-MRV 앱을 사용하여 플레임 캡이 설정되는 즉시 30초 비디오 클립을 찍습니다. 굽기 시작 섹션에서 비디오 찍기 버튼을 클릭한 다음 비디오 제출 버튼을 클릭합니다. 3. 가마에 먹이를 주고 가꾸기 첫 번째 작업 단계에서는 공기가 가마의 위에서 아래로 흡입되는 반면, 초기 하중은 대부분 석탄 층으로 연소됩니다. 더 많은 재료를 추가하기 전에 첫 번째 부하가 양호한 석탄층을 생성하는지 확인하십시오. 이전 레이어에 화이트 애쉬 필름이 표시되기 시작하면 공급 원료의 새 레이어를 추가합니다. 연속 로딩으로 전환: 일정한 속도로 가마에 새 재료를 로드합니다. 탄화가 고르게 되도록 나무의 각 층을 동일한 직경으로 유지하십시오.불꽃을 적재 속도의 지표로 사용: 불꽃이 새로운 재료를 추가하기 위한 가이드가 되도록 하십시오. 숯을 만들기 위한 열원이기 때문에 위쪽에 좋은 강한 불꽃이 유지되는지 확인하십시오. 작업자가 너무 많이, 너무 빨리 로드하면 화염이 질식합니다. 그런 일이 발생하면 잠시 멈추고 불꽃이 다시 올라올 때까지 기다리십시오. 작업자가 충분한 재료를 적재하지 않으면 화염이 사그라들고 숯이 재로 타기 시작합니다. 그런 일이 일어나기 시작하면 불꽃을 유지하기 위해 더 많은 재료를 추가하십시오. 메탄 배출을 최소화하고 안정적인 숯 형성을 극대화하는 깨끗하고 뜨거운 연소의 지표로 연소 중 화염 존재를 확인하십시오.D-MRV 애플리케이션을 사용하여 가마에 불을 붙인 후 약 30시간 후에 불꽃을 1초 동안 촬영합니다. Burn Quality Proof 섹션으로 이동하여 Proof of Burn at First Hour 버튼을 클릭합니다. 동영상 촬영 버튼을 클릭하고 최소 30초 동안 녹화를 누른 다음 동영상 제출 버튼을 클릭합니다. 화상의 중간 단계에서 가장 큰 재료를 추가하여 완전히 탄화될 시간을 갖도록 합니다. 가마는 바이오 숯으로 채워집니다., 공급 원료의 종류에 따라, 크기, 및 수분에 따라. D-MRV 애플리케이션을 사용하여 연소 후 두 번째 시간이 끝날 때 화염의 30초 비디오를 촬영합니다. Proof of Burn at Second Hour 버튼을 클릭한 다음 Take Video 버튼을 클릭합니다. 최소 30초 동안 녹화 를 누르고 비디오 제출 버튼을 클릭합니다. D-MRV 애플리케이션을 사용하여 연소 후 세 번째 시간이 끝날 때 화염의 30초 비디오를 촬영합니다. Proof of Burn at Third Hour 버튼을 클릭한 다음 Take Video 버튼을 클릭합니다. 최소 30초 동안 녹화 를 누르고 비디오 제출 버튼을 클릭합니다. 가마가 빨갛게 뜨겁게 빛나는 석탄으로 채워지면 더 큰 조각이 탄화될 수 있도록 중간 크기의 재료의 마지막 몇 층을 만듭니다. 4. 마무리, 담금질 및 측정 바이오 숯 축적된 바이오 숯이 가마 상단 테두리에서 10-20cm 이내에 있을 때, 공급 원료가 모두 사용되었을 때 또는 작업이 끝나면 화상을 종료하십시오. 더 이상 불꽃이 없으면 탄화가 완료된 것입니다. 마지막 공급 원료를 추가한 후 화염이 사그라들 때까지 10-15분 동안 기다립니다. 완전히 탄화되지 않는 몇 가지 더 큰 조각이 항상 있을 것이므로 문제가 되지 않습니다. 담금질하기 전에 강철 갈퀴를 사용하여 가마에서 뜨겁고 빛나는 석탄을 평평하게 하십시오.한쪽 끝이 수평 숯에 닿도록 가마 벽에 대항하여 가마에 수직으로 측정 막대를 놓습니다. D-MRV 응용 프로그램에서 Biochar 측정 섹션으로 이동하여 가마의 숯 깊이를 보여주는 측정 스틱의 사진을 찍고 사진 찍기 버튼을 클릭합니다. 질문에 대한 텍스트 입력 필드에 바이오 숯 상단에서 가마 상단까지의 판독값은 무엇입니까, 측정 스틱에 값을 입력합니다. Submit and Add Another Photo(다른 사진 제출 및 추가) 버튼을 클릭하여 가마 내의 다른 위치에서 이 측정과 사진 녹화를 두 번 더 반복합니다. 숯 깊이 측정을 보고한 직후 확인을 위해 가마 식별 태그의 사진을 찍습니다. 숯 부피 밀도를 측정합니다.바이오 숯 배치가 완료되었지만 담금질하기 전에 금속 양동이에 가마에서 삽으로 퍼낸 뜨거운 빛나는 석탄을 채웁니다. 걸이형 저울을 사용하여 용기 중량을 얻기 위해 양동이의 무게를 잰다. 무게를 기록하기 위해 사진을 찍습니다. 양동이에 뜨거운 석탄을 채우고 무게를 측정하고 사진을 찍어 무게를 기록합니다. 샘플링 절차(4.5.1-4.5.2)를 두 번 더 반복하여 가마의 다른 부분에서 샘플을 채취하고 사진으로 값을 기록합니다. 물로 담금질하십시오.방열판이 닿을 수 있을 만큼 식을 때까지 가마에 저압으로 물을 뿌리기 시작합니다. 모든 방열판 패널을 제거하고 방해가 되지 않도록 쌓으십시오. 물을 뿌리는 동안 여러 개의 가마 패널을 제거하고 숯을 얇은 층으로 긁어 식힙니다. 숯이 완전히 식을 때까지 계속 뿌리고 긁습니다. 바이오 숯은 손을 넣을 수 있을 만큼 충분히 차가워야 합니다. 타지 않은 조각을 제거하고 기록하십시오. 부분적으로 탄 조각을 제거하고 가마 패널 중 하나에 단일 층으로 배열하고 측정 막대를 나란히 놓습니다. D-MRV 응용 프로그램을 사용하여 불완전하게 탄 조각의 사진을 찍습니다.

Representative Results

Ring of Fire 가마를 사용하여 잘 조직되고 구현된 바이오 숯 배치는 2-3시간의 연소 시간에 3-4m5의 바이오 숯을 생산합니다. CM002 구성 요소 방법론을 사용하고 D-MRV 애플리케이션에서 연소 매개변수를 기록하는 것은 인증된 검증자가 배치 biochar 생산량 및 biochar 품질을 확인할 수 있도록 하기 위한 것입니다. 방법론에 대한 자세한 내용은 보충 정보(보충 파일 1)에 나와 있습니다. 불의 고리 가마에서 만든 일반적인 바이오 숯 배치에 대한 공정 검증 포인트가 여기에 나열되어 있습니다(그림 2). 표 1 은 현장에서 측정되거나 검증에 의해 결정되는 일반적인 값을 제공합니다. 1. 공급 원료 유형을 보고합니다.2. 공급 원료 크기: 통치자를 가진 공급 원료 더미의 그림.3. 공급 원료 수분 : 각 공급 원료 종의 가장 큰 조각에서 수분 측정기 판독 값을 보여주는 하나의 사진.4. 점화 : 가마 연소의 시작과 시작 녹화 시간을 보여주는 30 초 비디오 1 개. 비디오는 강한 화염 캡이 발달했음을 보여줍니다.5. 화염 유무에 따른 생산 온도 확인: 3개의 30초 비디오는 연소 중 강한 화염 존재를 보여줍니다.6. Biochar 부피: 세 위치에서 가마의 평평한 숯 높이를 보여주기 위해 가마에 있는 잣대의 세 장의 사진. 가마 상단에서 숯까지 측정된 거리는 계산을 위해 하나의 값으로 평균화됩니다.7. 대량 조밀도: 물통의 빈 무게를 보여주는 가늠자의 1개의 그림. 숯과 양동이의 무게를 보여주는 저울 사진 3장. 가마의 3 곳에서 가져온 숯. 세 가지 가중치 측정값은 계산을 위해 하나의 값으로 평균화됩니다 그림 2: 공정 검증 포인트를 보여주는 인포그래픽. 불의 고리 가마에서 만든 일반적인 바이오 숯 배치에 대한 공정 검증 포인트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 데이터 포인트 #1 데이터 포인트 #2 데이터 포인트 #3 공급 원료 종 소나무 50% 전나무 50% 수분 측정기 판독 19% 23% 빈 가마 실린더의 부피 4.3 미터3 킬른 실린더의 높이 1개 m 가마의 숯 높이 60cm 61cm 59cm 전후 7리터 버킷의 용기 중량 0.6kg 숯을 가진 물통의 무게 1.8kg 1.9kg 2.0kg 숯 탄소 함량의 데이터베이스 값 86.8% 탄소 안정성 계수 0.74 표 1: 링 오브 파이어 바이오 숯 가마에서 생산된 일반적인 바이오 숯 배치에 대한 생산 결과 및 처리 매개변수를 확인하는 데 사용되는 대표 값. 이러한 제어 지점을 사용하여 검증기는 바이오 숯이 장기 안정성을 위한 CM002 구성 요소 방법론의 요구 사항을 충족하기 위해 적절한 공급 원료와 600°C 이상의 온도에서 만들어졌는지 확인합니다. 이를 통해 0.74년 영구성을 위한 100의 탄소 안정성 계수를 바이오 숯 배치에 적용할 수 있습니다. 바이오 숯 배치의 부피를 결정하기 위해 검증기는 가마 ID 태그(4.3m3)로 확인된 빈 가마의 부피와 가마의 숯 높이(1m – 0.4m = 0.6m)를 사용합니다. 가마가 60 % 찼기 때문에 숯의 부피는 0.6 x 4.3m3 = 2.6m3입니다. 그런 다음 검증기는 버킷 측정을 기반으로 바이오 숯의 부피 밀도를 계산합니다. 각 측정값에서 버킷 중량 0.6kg을 빼면 1.2kg, 1.3kg 및 1.4kg의 값이 제공되며 평균은 1.3kg/7L입니다. 이는 185.7kg/m3에 해당합니다. 따라서 생산된 바이오 숯의 건조 중량은 (185.7kg/m3) x (2.6m3) = 483kg입니다. 검증자는 데이터베이스에서 바이오 숯의 탄소 함량을 가져올 수 있으며, 이 경우 86.8년 캘리포니아 소노마 카운티의 Ring of Fire Kiln에서 생산된 혼합 침엽수 배치에서 2021%의 탄소 함량을 확인한 간단한 실험실 테스트에서 얻을 수 있습니다. 이 테스트는 캘리포니아 왓슨빌의 Control Laboratories,CA 23에서 수행되었습니다. 탄소 안정성 계수 0.74가 적용됩니다. 따라서 바이오 숯의 건조 중량 기준에서 안정적인 유기 탄소 함량은 바이오 숯의 질량, 유기 탄소 함량 및 100년 안정성 계수에서 파생됩니다.483) x (0.868) = 0.74kg의 안정적인 탄소. 탄소 제거의 최종 값에 도달하기 위해 프로젝트 누출을 빼고 보충 파일 1에 설명된 대로 고체 탄소에서 이산화탄소로의 변환 계수와 함께 적절한 보안 마진을 적용합니다. 바이오 숯의 인증된 바이오 숯 제거 값은 바이오 숯이 토양이나 퇴비에 적용되었으며 타거나 산화되지 않았는지에 대한 최종 검증에 달려 있습니다. 보충 파일 1: 방법론 및 계산에 대한 자세한 정보. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

다른 바이오매스 종은 바이오매스²⁴의 원소 구성으로 인해 생산 온도에 관계없이 탄소와 회분의 분율이 다른 바이오 숯을 생산합니다. 다른 공급 원료에 대한 바이오 숯 특성의 기존 데이터베이스가 완전하지 않기 때문에 프로젝트는 바이오 숯의 유기 탄소 함량을 확인하기 위해 실험실 분석을 위해 샘플을 제출해야 할 수 있습니다. 프로젝트 비용을 낮추기 위해 고등학교 또는 커뮤니티 칼리지 레벨²⁵의 학교 실험실에서 학생들이 저렴한 비용으로 수행할 수 있는 간단한 실험실 절차를 권장합니다. 시간이 지남에 따라 더 많은 프로젝트가 현장에서 구현됨에 따라 다양한 공급 원료 유형에 대한 바이오 숯 탄소 함량 값 데이터베이스가 성장하고 더 유용해질 것입니다.

많은 D-MRV 측정은 생산 조건이 데이터베이스 값과 밀접하게 일치하는 특성을 가진 바이오 숯을 생산하는 데 최적인지 확인하기 위한 것입니다. 이러한 주요 측정은 공급 원료 수분과 바이오 숯에서 생산 온도와 그에 따른 탄소의 안정성을 결정하는 화염 연소 품질을 문서화하는 비디오 시리즈입니다.

가마에서 생산되는 바이오 숯의 부피를 측정하는 것은 간단하지만 생산된 바이오 숯의 건조 질량을 결정하는 것은 쉽지 않습니다. 바이오 숯으로 작업하는 것은 재료의 복잡한 입자 밀도로 인해 벌크 밀도 측정을 결정하기 어렵기 때문에^{어렵습니다 26}. 일단 바이오 숯 담금질되면 현장에서 일정량의 바이오 숯의 건조 중량을 얻을 수 없습니다. 그러나 바이오 숯의 건조 부피 밀도는 알려진 부피의 금속 양동이에 뜨거운 석탄을 채우고 무게를 측정하여 현장에서 측정할 수 있습니다. 이 절차는 바이오 숯의 건조 질량에 대한 좋은 근사치를 제공할 수 있습니다.

이 방법론의 주요 단점은 공급 원료의 가변성과 작업자의 기술 수준을 포함한 현장 작업의 고유한 가변성입니다. 작업자는 공급 원료 적재 속도를 결정하고 가마에서 강한 화염을 유지하기 위해 작업해야 합니다. 과부하로 인해 화염을 유지하지 못하면 숯 형성 온도에 영향을 미치므로 숯 안정성에 영향을 미칩니다. 이 문제는 작업자를 위한 효과적인 교육 프로그램을 통해 가장 잘 해결할 수 있습니다. 작업자 교육 및 안전 프로토콜은 현장 바이오 숯 생산의 성공에 매우 중요합니다. 노동 요구 사항을 감안할 때 교육 프로그램은 잘 조직되고 널리 이용 가능해야 합니다²⁷.

이 방법론의 또 다른 한계는 D-MRV 측정 구현의 가변성입니다. 공급 원료 수분은 주어진 배치 내에서 매우 가변적일 수 있으며, 모든 공급 원료가 균일하더라도 마찬가지입니다. 적절한 온도에 도달했는지 확인하기 위해 프로세스 중에 불꽃의 스냅샷 비디오 3개를 촬영하는 방법은 화상의 동적 특성에 의해 제한됩니다. 세 개의 스냅샷 비디오가 전체 프로세스를 대표하지 않을 수 있습니다. 이 측정에 대한 실행 가능한 교차 확인은 단순히 연소에 걸린 시간과 얼마나 많은 바이오 숯이 생성되었는지 아는 것입니다 최적이 아닌 온도 조건으로 인해 생산량이 줄어들기 때문입니다. 벌크 밀도 및 부피의 현장 D-MRV 측정은 정밀도가 제한됩니다. 그러나 이는 최종 값이 보수적이고 탄소 제거를 과대평가하지 않도록 보안 마진을 사용하여 보상됩니다.

운영 물류는 또한 바이오 숯 생산 매개변수의 가변성과 프로젝트의 성공에 기여합니다. 운영 물류는 날씨, 지형, 접근, 작업자 안전, 교육, 도구 및 장비, 물 가용성과 같은 요소를 고려해야 합니다. 바이오 숯을 만드는 데 필요한 대부분의 도구와 용품은 소방관과 임업 대원에게 제공되는 표준 장비입니다. 불의 고리 바이오 숯 가마로 D-MRV를 구현하는 데 필요한 특정 도구는 재료 표 파일에 나열되어 있습니다.

폐기물 바이오매스로 현장에서 바이오 숯을 만드는 것은 매우 저렴한 비용의 장점이 있는 개방형 연소 또는 소각의 대안과 경쟁해야 합니다. 바이오 숯 대 개방형 연소를 만드는 한계 비용은 단순 화염 캡 가마의 자본 비용이 낮기 때문에 주로 노동 요구 사항 증가와 관련이 있습니다²⁷. 현재까지 소각에 대한 바이오 숯 생산의 실제 한계 비용을 정확히 찾아낼 수 있는 강력한 데이터 수집을 갖춘 대규모 프로젝트가 충분하지 않습니다. 그러나 한 가지 예는 탄소 금융이 그 격차를 메울 수 있는 잠재력을 보여줄 수 있습니다.

몬태나주 미줄라에 있는 Watershed Consulting은 2021년 Ring of Fire 바이오 숯 가마²⁸을 사용하여 서부 몬태나에 있는 21에이커의 혼합 침엽수림에서 솎아낸 슬래시를 처리했습니다. 총 프로젝트 비용은 $42,302.00이고 총 바이오 숯 생산량은 112.5입방야드였습니다. 화염 캡 가마에서 만든 바이오 숯 특성에 대한 자체 표준 가정을 사용하여 프로젝트가 톤당 $31.75에 2미터톤의_CO2 를 격리한 것으로 추정합니다. 재료를 쌓고 소각하는 비용은 $15,750.00였을 것이며, 소각 대신 바이오 숯을 만드는 데 $26,552.00의 한계 비용 또는 생산된 바이오 숯 톤당 $836.28의 한계 비용을 남겼습니다. 이러한 한계 비용은_CO2 톤당 $100에서 $200의 탄소 제거 지불로 적어도 부분적으로 보상될 수 있으며, 이는 D-MRV 공정의 중요성을 입증합니다. 프로젝트의 경제적 그림을 완성하기 위해서는 자금 조달 당국이 불 더미 흉터로 인한 토양 손상 방지, 온실 가스 배출 감소 및 미립자 대기 오염의 생태계 이점을 인정하고 수분 유지, 영양 순환 및 토양 건강을 위해 산림 토양으로 숯을 되돌려 놓는 것이 중요합니다.

이 논문에 설명된 자세한 방법은 외래 침입종, 가뭄 및 산불의 영향을 받는 생태계에서 일하는 개인과 그룹이 온실 가스 배출을 피하고 기후 완화를 위해 탄소를 격리하면서 토양과 토착 생태계를 개선하고 복원할 수 있는 경제적으로 실현 가능한 바이오매스-바이오 숯 프로젝트를 구현하는 데 도움이 될 것입니다. 이 실용적인 현장 방법론의 측정 및 검증 지점의 가변성과 정밀도 부족에도 불구하고, 바이오매스를 산업용 열분해 시설로 운송하는 것과 같은 다른 접근 방식이 실용적이지 않은 현장 상황에서 탄소를 격리하는 것이 여전히 가치 있는 접근 방식이라는 결론을 내렸습니다.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

환경 관리 및 기후 완화를 위해 바이오 숯을 만들고 사용하는 방법을 발명하고 개선하는 다양한 실무자들 사이에서 정보를 공유하기 위해 Biochar in the Woods 네트워크를 후원하고 지원해 주신 US Biochar Initiative와 USDA 산림청에 감사드립니다.

Materials

Digital hanging scale	AvaWeigh	HSD40	44 pound scale for weighing produce
Ikhala smart phone app	AD Tech	N/A	download from Android or Apple app store
Metal ruler	Azbvek	ZG0044-New	Stainless Steel 100 cm Ruler
Ring of Fire Kiln	Wilson Biochar	ROF 1.2	Panel style flame cap kiln with heatshield
Smart phone	any	N/A	must use either I-OS or Android operating system
Steel utility pail – 7 liter	Behrens	120GS	galvanized steel utility bucket
Wood moisture meter	General Tools	MMD4E	Digital moisture meter, pin type with LCD display

Referenzen

Jerrett, M., Jina, A. S., Marlier, M. E. Up in smoke: California’s greenhouse gas reductions could be wiped out by 2020 wildfires. Environmental Pollution. 310, 119888 (2022).
Case, M. J., Johnson, B. G., Bartowitz, K. J., Hudiburg, T. W. Forests of the future: Climate change impacts and implications for carbon storage in the Pacific Northwest, USA. Forest Ecology and Management. 482, 118886 (2021).
Korb, J. E., Johnson, N. C., Covington, W. W. Slash pile burning effects on soil biotic and chemical properties and plant establishment: Recommendations for amelioration. Restoration Ecology. 12 (1), 52-62 (2004).
Page-Dumroese, D. S., Busse, M. D., Archuleta, J. G., McAvoy, D., Roussel, E. Methods to reduce forest residue volume after timber harvesting and produce black carbon. Scientifica. 2017, 2745764 (2017).
Pingree, M. R. A., Homann, P. S., Morrissette, B., Darbyshire, R. Long and short-term effects of fire on soil charcoal of a conifer forest in Southwest Oregon. Forests. 3 (4), 353-369 (2012).
DeLuca, T. H., Aplet, G. H. Charcoal and carbon storage in forest soils of the Rocky Mountain West. Frontiers in Ecology and the Environment. 6 (1), 18-24 (2008).
Page-Dumroese, D. S., Coleman, M. D., Thomas, S. C., Uzun, B. B., Apayd?n Varol, E., Liu, J., Bruckman, V. J. Opportunities and Uses of Biochar on Forest Sites in North America. Biochar: A Regional Supply Chain Approach in View of Climate Change Mitigation. , (2016).
Ogawa, M., Okimori, Y. Pioneering works in biochar research, Japan. Soil Research. 48 (7), 489-500 (2010).
Inoue, Y., Mogi, K., Yoshizawa, S. J. A. K. . Properties of cinders from red pine, black locust and henon bamboo. , (2019).
Boateng, A. A., Garcia-Perez, M., Mašek, O., Brown, R., del Campo, B. Biochar Production Technology. Biochar for Environmental Management. , 63-87 (2015).
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).
Lehmann, J., Gaunt, J., Rondon, M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 11 (2), 403-427 (2006).
Babrauskas, V. Temperatures in flames and fires. Fire Science and Technology Inc. 18, 369-374 (2006).
McDonald-Wharry, J. 2013-2014 survey of chars using Raman spectroscopy. C. Journal of Carbon Research. 7, 63 (2021).
Swami, S. N., Steiner, C., Teixeira, W. G., Lehmann, J., Woods, W. I., Teixeira, W. G., Lehmann, J., Steiner, C., WinklerPrins, A., Rebellato, L. . Charcoal making in the Brazilian Amazon: Economic Aspects of Production and Carbon Conversion Efficiencies of Kilns. Amazonian Dark Earths: Wim Sombroek’s Vision. , (2009).
. Available from: https://www.fs.usda.gov/research/rmrs (2023)
Etter, H., Vera, A., Aggarwal, C., Delaney, M., Manley, S. Methodology for biochar utilization in soil and non-soil applications. Verified Carbon Standard. , (2021).
. Available from: https://www.carbon-standards.com/docs/7c831c99c4c1f3639703621518a5cd87_artisan-c-sink-guidelines_v1_0.pdf (2022)
. Available from: https://www.africandata.tech (2023)
Puettmann, M., Sahoo, K., Wilson, K., Oneil, E. Life cycle assessment of biochar produced from forest residues using portable systems. Journal of Cleaner Production. 250, 119564 (2020).
Robillard, T. (2019). Innovations in Biochar – new CSP enhancement helps forest owners convert tree debris to soil-friendly, carbon-storing biochar. Natural Resources Conservation Service. , (2023).
Young, G. . Potter Valley Tribe Biochar Results. , (2023).
Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresource Technology. 114, 644-653 (2012).
. Simple lab method for determining carbon content of biochar Available from: https://biochar-us.org/simple-lab-method-determining-carbon-content-biochar-2022 (2023)
Brewer, C. E., Levine, J. Weight or volume for handling biochar and biomass. The Biochar Journal. , (2015).
Wilson, K. e. l. p. i. e. . J. A carbon conservation corps to restore forests with biochar using flame cap kilns. 2021 ASABE Annual International Virtual Meeting. , 2100361 (2021).
VanderMeer, M. Time and motion study results using an in-woods flame-cap kiln. US Biochar Initiative, Biochar in the Woods Symposium. , (2023).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Diesen Artikel zitieren

Wilson, K. J., Bekker, W., Feher, S. I. Producing, Characterizing and Quantifying Biochar in the Woods Using Portable Flame Cap Kilns. J. Vis. Exp. (203), e65543, doi:10.3791/65543 (2024).