Непрерывное производство биоугля в лесу с использованием горелки с воздушной завесой, установленной на прицепе

По всей территории США многие лесные насаждения увеличили объем стоячих деревьев в отсутствие частых пожаров низкой интенсивности, исторически устраиваемых коренными народами и подавляемых в наше время ^1,2. Из-за этого исключения пожаров образовавшиеся в результате этого перенаселенные насаждения создают проблемы для землеустроителей, стремящихся повысить устойчивость лесов к лесным пожарам, вредителям, болезням и последствиям засухи³. Стандартные методы управления для сокращения объема деревьев включают предписанные пожары, предкоммерческое прореживание и заготовку зрелых древостоя. В результате этих операций образуется значительное количество древесной биомассы с низкой и нулевой ценностью, часто называемой остатками. Например, в 15 штатах западной части США, по оценкам, в результате уборки урожая ежегодно образуется почти 8 миллионов сухих тонн пожнивных^{остатков4}. Кроме того, Лесная служба Министерства сельского хозяйства США реализовала антикризисный план по борьбе с лесными пожарами, который обработает еще 50 миллионов акров (20 миллионов гектаров) в течение 10-летнего периода. Это приведет к необходимости утилизации дополнительных материалов, не пригодных для продажи, и, вероятно, потребует использования различных вариантов, привязанных к месту. Хотя верхушки, ветви и непригодные для продажи деревья могут быть использованы для производства биоэнергии или биотоплива, ограниченные рыночные возможности часто приводят к тому, что эти остатки складываются в кучи и сжигаются. Строительство подсечно-подсвалочных свай направлено на снижение риска лесных пожаров и насекомых, создание пространства для выращивания растений подлеска и решение других задач управления земельными ресурсами.

Сжигание в открытых кучах является недорогим, относительно быстрым методом сокращения объема древесины, но оно также приводит к образованию дыма и загрязнителей воздуха, включая парниковые газы⁵. Кроме того, это также может вызвать нежелательное воздействие на физические, химические и биологические свойства почвы, что приведет к появлению ожоговых рубцов, которые могут сохраняться в течение десятилетий⁶. Для смягчения пагубных побочных эффектов открытого сжигания необходимы альтернативные подходы, которые снижают негативное воздействие на изменение климата, риск лесных пожаров и здоровье почвы⁷.

Здесь мы сосредоточимся на использовании нового метода непрерывного производства биоугля, разработанного в рамках Соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA) между Министерством сельского хозяйства США, Лесной службой, Исследовательской станцией Роки-Маунтин и Air Burners, Inc. (Палм-Сити, Флорида). Полученная в результате технология, в дальнейшем именуемая горелкой для производства биоугля с воздушной завесой (BACB; Рисунок 1), непрерывно производит биоуголь из древесных остатков, ограничивая выбросы дыма и твердых частиц. По сравнению с открытым сжиганием, функциональность BACB снижает риск возгорания и распространения^дыма8, создавая возможности для безопасного расширения рабочих окон горения. В отличие от традиционных методов, которые оставляют кучи пожнивных остатков на ландшафте, где они способствуют накоплению топлива9^{, или} альтернативных методов сжигания, которые в основном производят дым и пепел, BACB эффективно снижает топливную нагрузку, защищая почву и создавая биоуголь, однородный древесный уголь с высоким содержанием углерода, который можно использовать для восстановления почвы на месте обработки или рядом с ним. Кроме того, БАКБ мобильен и может быть легко размещен, например, на бревенчатой площадке, вдоль обочины дороги или в палаточном лагере. Он также может сжигать влажную или сухую древесину, смешанные типы и размеры сырья, а также может использоваться в ненастную погоду и в периоды, когда погодные условия слишком рискованны для сжигания открытого ворса.

Биоуголь, производимый в BACB, обычно на 70-90% состоит из углерода, высокопористого и равномерного распределения частиц по размерам, что делает его пригодным для восстановления деградированных почв, часто встречающихся на заброшенных шахтах, лесозаготовительных площадках, трелевочных трассах, прибрежных районах или сельскохозяйственных участках. Биоуголь также можно использовать в качестве смеси с компостом или на откормочных площадках для скота для адсорбции питательных веществ и уменьшения запаха. В целом, наилучшим использованием биоугля древесных остатков в почве является уменьшение эрозии и выщелачивания нитратов при одновременном повышении стабильности почвенных агрегатов и доступной воды в почвах с грубой текстурой и низким содержанием органического вещества^10,11.

Рисунок 1: Мобильная горелка для производства биоугля с воздушной завесой. На испытательном полигоне показана общая конфигурация подсечной и воздушной завесы, производящей биоуголь. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обзор конструкции и эксплуатации
Несмотря на то, что существует несколько типов горелок с воздушной завесой, BACB постоянно создает биоуголь. Размеры блока составляют примерно 7 м в длину, 2,5 м в ширину и 2 м в высоту. Он имеет воздушный коллектор в верхней части топки, который обеспечивает устойчивую воздушную завесу для удержания дыма, твердых частиц и углей внутри нее и способствует полному окислению выбросов. Для оптимальной работы топка загружается до уровня чуть ниже коллектора, что обеспечивает непрерывный поток воздуха через топку. BACB может буксироваться за любым транспортным средством со стандартным пакетом сцепных устройств и достаточной буксировочной способностью. Ровная, гладкая площадка подготавливается рядом со свалкой биомассы (также называемой сырьем), но с достаточным пространством вокруг площадки, чтобы оборудование и персонал могли свободно и безопасно передвигаться. После установки установка фиксируется путем опускания стенок топки на почву с помощью бортовой гидравлической системы. Двигатель вентилятора создает давление в коллекторе воздушной завесы, который проходит по всей длине топки с одной стороны. Первоначально биомасса разжигается и сжигается, чтобы создать слой углей в топке. Затем можно периодически добавлять дополнительную биомассу, удерживая поступающий материал ниже воздушной завесы. По мере того, как материал сгорает, уголь образуется и падает через отверстие в нижней части топки, где он удаляется из машины конвейерной лентой. Одна панель внутри топки колеблется, чтобы облегчить этот процесс. Зола или мелкие материалы попадают через конвейерную ленту на почву внизу. Горячие угли выходят из машины через щель в нижней части топки и оседают в кастрюлю, наполненную водой, которая останавливает горение и охлаждает биоуголь до температуры, при которой с ним можно безопасно работать. Когда топка готова к прекращению работы, она очищается, давая сгореть остаткам материала. Как правило, устройство охлаждается в течение ночи и при необходимости может быть безопасно перемещено на следующий день. Не пытайтесь перемещать BACB во время сжигания древесины или охлаждения, если нет чрезвычайной ситуации. В случае чрезвычайной ситуации для тушения огня и тушения углей может быть использован песок или почва. Ни в коем случае нельзя распылять воду непосредственно на керамическую плитку в топке.