ייצור רציף בתוך העץ של ביו-פחם באמצעות מבער וילון אוויר המותקן על נגרר
Summary
אנו מתארים את השימוש ביחידת פירוליזה ניידת מבוססת מקום המצוידת בווילון אוויר כדי ליצור ביו-פחם באופן רציף. הטכנולוגיה מפחיתה את הצורך בשריפת כלונסאות פתוחים, מה שמביא לפליטות נמוכות יותר ופחות פגיעות בקרקע. הפרוטוקול כולל הנחיות לבחירה, טעינה ומרווה של אתרים.
Abstract
טיפולי דלק ושיטות אחרות לדילול יערות נועדו להפחית את הסיכון לשריפות תוך בניית עמידות היער לבצורת, חרקים ומחלות והגדלת תפיסת הפחמן (C) מעל פני הקרקע. עם זאת, טיפולי דלק מייצרים כמויות גדולות של שאריות ביומסה עצית בלתי סחירות שנשרפות לעתים קרובות בערימות פתוחות, משחררות כמויות משמעותיות של גזי חממה וחלקיקים, ועלולות לגרום נזק לקרקע שמתחת לערימה. מבערי מסך אוויר מציעים פתרון להפחתת בעיות אלה, עוזרים להפחית עשן וחלקיקים מפעולות שריפה, לשרוף באופן מלא יותר שאריות ביומסה בהשוואה לשריפת ערימות, ולחסל את מגע האש הישיר והאינטנסיבי שיכול לפגוע באדמה מתחת לערימת הלוכסן. במבער וילון אוויר, השריפה מתרחשת בסביבה מבוקרת. העשן נבלם ומוחזר על ידי מסך האוויר, ולכן השריפה יכולה להתבצע במגוון תנאי אקלים (למשל, רוח, גשם, שלג), מה שמאריך את עונת השריפה לסילוק חומר נטוי. יחידת הפירוליזה הניידת שיוצרת ביו-פחם באופן רציף תוכננה במיוחד כדי להיפטר משאריות ביומסה עצית בנחיתות עצים, עץ ירוק במזבלות, או חומרים שנכרתו וליצור ביו-פחם בתהליך. ניתן להשתמש בתפוקת ביו-פחם עתירת פחמן זו כדי לשפר את עמידות הקרקע על ידי שיפור תכונותיה הכימיות, הפיסיקליות והביולוגיות, ויש לה יישומים פוטנציאליים בתיקון קרקעות מזוהמות, כולל אלה באתרי מכרות נטושים. במאמר זה נתאר את השימוש הכללי בציוד זה, ישיבה מתאימה, שיטות טעינה, דרישות מרווה ולקחים שנלמדו על הפעלת טכנולוגיה חדשה זו.
Introduction
ברחבי ארה”ב, דוכני יער רבים גדלו בנפח העצים העומדים בהיעדר שריפות תכופות בעצימות נמוכה, שנקבעו היסטורית על ידי הילידים ודוכאו בתקופה המודרנית 1,2. כתוצאה מהחרגת שריפות זו, המלאי העודף שנוצר כתוצאה מכך מציב אתגרים בפני מנהלי קרקעות השואפים לשפר את עמידות היער מפני שריפות, מזיקים, מחלות והשפעות בצורת3. שיטות ניהול סטנדרטיות להפחתת נפח העצים כוללות שריפות במרשם, דילול טרום מסחרי וכריתת דוכנים בוגרים. פעולות אלה מייצרות כמויות משמעותיות של ביומסה עצית בעלת ערך נמוך וחסר ערך, הנקראות לעתים קרובות שאריות. לדוגמה, ב-15 מדינות מערב ארה”ב, מעריכים כי פעולות הקציר מייצרות כמעט 8 מיליון טונות יבשות של שאריות מדי שנה4. יתר על כן, שירות היערות של USDA יישם תוכנית משבר שריפות, אשר יטפל 50 מיליון דונם נוספים (20 מיליון דונם) על פני תקופה של 10 שנים. זה יגרום לצורך להיפטר מחומר בלתי סחיר נוסף וככל הנראה ידרוש שימוש במגוון אפשרויות מבוססות מקום. למרות שצמרות, גפיים ועצים בלתי סחירים יכולים לשמש לביו-אנרגיה או דלקים ביולוגיים, הזדמנויות שוק מוגבלות מובילות לעתים קרובות לערימה ולשריפה של שאריות אלה. בניית כלונסאות נועדה להפחית את הסיכון לשריפות ולחרקים, ליצור שטחי גידול לצמחים תת-קרקעיים ולתת מענה ליעדי ניהול קרקע אחרים.
שריפת כלונסאות פתוחה היא שיטה זולה ומהירה יחסית להקטנת נפח העץ, אך היא מייצרת גם עשן ומזהמי אוויר, כולל גזי חממה5. יתר על כן, הוא עלול גם לגרום להשפעות בלתי רצויות על תכונות פיזיות, כימיות וביולוגיות של הקרקע, מה שמוביל לצלקות כוויות שיכולות להימשך עשרות שנים6. כדי למתן את תופעות הלוואי המזיקות של שריפה פתוחה, יש צורך בגישות חלופיות המפחיתות את ההשפעות השליליות על שינויי אקלים, סיכון שריפות ובריאות הקרקע7.
כאן, אנו מתמקדים בשימוש בשיטה חדשנית לייצור ביו-פחם מתמשך שפותחה באמצעות הסכם מחקר ופיתוח משותף (CRADA) בין משרד החקלאות של ארה”ב, שירות היערות, תחנת המחקר של הרי הרוקי ו-Air Burners, Inc. (פאלם סיטי, פלורידה). הטכנולוגיה המתקבלת, המכונה מעתה מבער מסך האוויר המייצר ביו-פחם (BACB; איור 1), מייצר באופן רציף ביו-פחם משאריות עצים תוך הגבלת פליטת עשן וחלקיקים. בהשוואה לשריפה פתוחה, הפונקציונליות של ה- BACB מפחיתה את הסיכון לאש ואת התפשטות העשן8, ויוצרת דרכים להרחבה בטוחה של חלונות כוויות תפעוליים. בניגוד לשיטות מסורתיות המשאירות ערימות שאריות על הנוף בהן הן תורמות להצטברות דלק9 או שיטות בעירה חלופיות המייצרות בעיקר עשן ואפר, ה-BACB מפחית ביעילות את עומסי הדלק תוך הגנה על הקרקע ויצירת ביו-פחם, פחם עקבי ועתיר פחמן, שניתן להשתמש בו לשיקום הקרקע באתר העיבוד או בסמוך לו. יתר על כן, BACB הוא נייד והוא יכול בקלות להיות באתר, למשל, בנחיתה עץ, לאורך בצד הדרך, או באתר קמפינג. הוא יכול גם לשרוף עץ רטוב או יבש, סוגי חומרי הזנה מעורבים וגדלים, וניתן להשתמש בו במזג אוויר סוער ובזמנים שבהם תנאי מזג האוויר מסוכנים מדי לשריפת ערימות פתוחות.
ביו-פחם המיוצר ב-BACB מכיל בדרך כלל 70%-90% פחמן, נקבובי מאוד ועקבי בפיזור גודל החלקיקים, מה שהופך אותו למתאים לשיקום קרקעות מפורקות, הנמצאות לעתים קרובות במכרות נטושים, נחיתות בולי עץ, שבילי החלקה, אזורי גדות או אתרים חקלאיים. ביו-פחם יכול לשמש גם כתערובת עם קומפוסט או במתקני הזנה לבעלי חיים כדי לספוח חומרים מזינים ולהפחית ריח. באופן כללי, שימושי הקרקע הטובים ביותר עבור ביו-פחם של שאריות עצים הם להפחית סחף ושטיפת חנקות תוך שיפור יציבות אגרגטים של הקרקע ומים זמינים בקרקעות בעלות מרקם גס וחומר אורגני נמוך10,11.
איור 1: מבער וילון אוויר נייד המייצר ביו-פחם. אתר הבדיקה מציג את התצורה הכללית של הלוכסן ואת מבער וילון האוויר המייצר ביו-פחם. נתון זה שונהמ-12. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
סקירה כללית של תכנון ותפעול
למרות שקיימים מספר סוגים של מבערי וילונות אוויר, ה-BACB יוצר ביו-פחם באופן רציף. אורכה של היחידה כ-7 מ’ ורוחבה כ-2.5 מ’ וגובהה כ-2 מ’. יש לו סעפת אוויר לאורך החלק העליון של תיבת האש המספקת מסך אוויר יציב להכיל עשן, חלקיקים וגחלים בתוכו ומקדם חמצון מלא של פליטות. לפעולה אופטימלית, תיבת האש נטענת לרמה ממש מתחת לסעפת, ומבטיחה זרימת אוויר רציפה על פני תיבת האש. ניתן לגרור את ה- BACB מאחורי כל רכב עם חבילת תקלות סטנדרטית ויכולת גרירה נאותה. אתר מישורי וחלק מוכן קרוב לביומסה שנערמה (נקרא גם חומרי הזנה), אך עם מספיק מקום מסביב לאתר כדי לאפשר לציוד ולצוות לנוע בחופשיות ובבטחה. לאחר מיקומה, היחידה מאובטחת על ידי הורדת דפנות תיבת האש על הקרקע באמצעות המערכת ההידראולית המשולבת. מנוע מפוח לוחץ על סעפת וילון האוויר, אשר פועל לאורך תיבת האש בצד אחד. ביומסה נדלקת ונשרפת בתחילה כדי ליצור מצע של גחלים בתיבת האש. לאחר מכן, ניתן להוסיף ביומסה נוספת מעת לעת תוך שמירה על חומר נכנס מתחת לווילון האוויר. כאשר החומר נשרף, פחם מיוצר ונופל דרך פתח בתחתית תיבת האש, שם הם מפונים מהמכונה על ידי המסוע. פאנל אחד בתוך תיבת האש מתנדנד כדי להקל על תהליך זה. אפר או חומרים עדינים נופלים דרך המסוע על הקרקע שמתחת. גחלים חמות יוצאות מהמכונה דרך חריץ בתחתית תיבת האש ומושקעות במחבת מלאה במים, אשר עוצרת את הבעירה ומקררת את הביו-פחם לטמפרטורה שבה ניתן לטפל בו בבטחה. כאשר היא מוכנה להפסיק לפעול, קופסת האש מפונה על ידי מתן אפשרות לכל החומר שנותר להישרף. בדרך כלל, היחידה מתקררת במהלך הלילה וניתן להעביר אותה בבטחה למחרת, לפי הצורך. אין לנסות להזיז את ה-BACB בזמן שהוא שורף עץ או מתקרר, אלא אם כן יש מצב חירום. במקרה חירום, חול או אדמה ניתן להשתמש כדי לכבות את האש ולחנוק את הגחלים. אין להתיז מים ישירות על אריחי הקרמיקה בארגז האש.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצעד הקריטי הראשון בשיטה זו הוא לוודא שהציוד ממוקם כמעט בגובה על שני הצירים, כך שהלוחות הצדדיים של תיבת האש חוסמים עשן מלצאת ואוויר מלהיכנס לתיבת האש. צעדים קריטיים אחרים הם לנהל שיחות תכופות עם מפעיל המחפר כדי להכניס את חומרי ההזנה לתיבת האש במידת הצורך ולתדרך את כל העובדים על היבטי הבטיח…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לאנשי האוניברסיטה הרבים, ליער הלאומי ולאנשי הלשכה לניהול קרקעות שעזרו לערוך הפגנות ולאסוף נתונים. עבודת השטח עבור שיטה זו נתמכה על ידי תחנת המחקר של שירות היערות של ארצות הברית, וושינגטון הבירה ומשרדי אזור צפון מערב האוקיינוס השקט. הממצאים והמסקנות בפרסום זה הם של המחברים ואין לפרש אותם כמייצגים כל קביעה או מדיניות רשמית של ארה”ב או ממשלת ארה”ב.
Materials
| CharBoss air curtain burner | Air Burners, Inc. | T26 | Comes with 36" landscape rake, sifting shovel, 1/2" drive standard ratchet with 1 1/8" socket, grease gun, and quench pan |
| Diesel fuel (Ultra-low sulfur) | Purchased locally | ||
| Diesel fuel tanks | Uline | H-1849Y | or similar |
| Engine oil (diesel grade) | Any diesel grade oil 15W40 or 10W40. | ||
| Excavator | Local rental company. Smaller sizes require less fuel. | ||
| High temperature anti-seize lubricant (16 oz cartridge) | McMaster-Carr | 1288K97 | lubricating hydraulic fittings |
| Hydraulic Oil | Amsoil | HVH05-EA (ISO32) /HVG05-EA (ISO22) | Any ISO32 synthetic hydraulic oil, ISO22 option for cold weather. Amsoil ISO32 is factory installed. |
| Large buckets | Uline | 5495 | or similar |
| Lighting torch (propane) | Grainger | 9RCF3 | or similar |
| 1-ton pickup (or larger) | Rent locally | for transporting CharBoss to site | |
| Viewing step | Gorilla | GLP=WP | Stable step to allow viewing into firebox or other bench-style step |
| Water truck | Any available water truck with minimum 300 gallon capacity; gravity feed of water to the quench pan can be used. | ||
| Wheel chocks | Blocks of 4"x 4" lumber or commercially available chocks while hitching/unhitching unit | ||
| Personal protective equipment | |||
| Ear protection | Uline | S-22141 | or similar |
| Eye protection | Amazon | or similar | |
| Fire shirt | Grainger | 12R487 | or similar |
| Fire pants | Grainger | 39EM96 | or similar |
| Hard hat | Discount Safety Gear | SFTSCHH1000038126 | or similar |
| Leather gloves | Uline | S-6777M | or similar |
| Sturdy boots | any thick soled, leather boot. | ||
| Emergency gear | |||
| Garmin InReach | Cabelas | 100195666 | or similar |
| Pulaski axe | Forestry suppliers | 85274 | or similar |
| Fire rake | Forestry suppliers | 85210 | or similar |
References
- Barrett, S. W., Arno, S. F. Indian fires as an ecological influence in the northern Rockies. J Forestry. 80, 647-651 (1982).
- Savage, M., Swetnam, T. W. Early 19th century fire decline following sheep pasturing in the Navajo ponderosa pine forest. Ecology. 71, 2374-2378 (1990).
- Sohn, J. A., Hartig, F., Kohler, M., Huss, J., Bauhus, J. Heavy and frequent thinning promotes drought adaptation in Pinus sylvestris forests. Eco Appl. 26, 2190-2205 (2016).
- . Air Burners, Inc Available from: https://airburners.com/technology/principle (2024)
- U.S. Department of Energy. 2016 Billion-ton report: Advancing domestic resources for a thriving bioeconomy. U.S. Department of Energy. , (2016).
- Jang, W., Page-Dumroese, D. S., Han, H. S. Comparison of heat transfer and soil impacts of air curtain burner burning and slash pile burning. Forests. 8, 297 (2017).
- Rhoades, C. C., Fegel, T. S., Zaman, T., Fornwalt, P. J., Miller, S. P. Are soil changes responsible for persistent slash pile burn scars in lodgepole pine forests. Forest Eco Management. 490, 119090 (2021).
- Rodriguez Franco, C., Page-Dumroese, D. S., Archuleta, J. Forest management and biochar for continued ecosystem services. J Soil Water Cons. 77, 60-64 (2020).
- Lee, E., Han, H. S. Air Curtain Burners: A tool for disposal of forest residues. Forests. 8, 296 (2017).
- Fornwalt, P. J., Rhoades, C. C. Rehabilitating slash pile burn scars in upper montane forests of the Colorado Front Range. Natural Area J. 31 (2), 177-182 (2011).
- Blanco-Canqui, H. Does biochar improve all soil ecosystem services. GCB-Bioenergy. 13, 291-304 (2020).
- . USDA Forest Service Available from: https://www.fs.usda.gov/ (2024)
- Razzaghi, F., Obour, P. B., Arthur, E. Does biochar improve soil water retention? A systematic review and meta-analysis. Geoderma. 361, 1 (2020).
- U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Technology and Development Program. The use of air curtain destructors for fuel reduction. Fire Management Tech Tips #0251 1317-SDTDC. U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Technology and Development Program. , 5 (2002).
- Puettmann, M., Sahoo, K., Wilson, K., Oneil, E. Life cycle assessment of biochar produced from forest residues using portable systems. J Cleaner Prod. 250, 119564 (2020).
- Miller, C. A., Lemieux, P. M. Emissions from the burning of vegetative debris in air curtain destructors. Air Waste Management Assoc. 57, 959-967 (2007).
- Rodriguez Franco, C., Page-Dumroese, D. S., Pierson, D., Nicosia, T. Biochar utilization as a forestry climate-smart tool. Sustainability. 16, 1714 (2024).
- Busse, M. D., Shestak, C. J., Hubbert, K. R. Soil heating during burning of forest slash piles and wood piles. Int J Wildland Fire. 22 (6), 786-796 (2013).
