我们描述了使用配备气幕的基于位置的移动热解装置来连续产生生物炭。该技术减少了对露天刀线焚烧的需求,从而降低了排放和对土壤的影响。该实验步骤包括位点选择、加载和淬灭的指南。
燃料处理和其他森林恢复间伐做法旨在降低野火风险,同时增强森林对干旱、昆虫和疾病的抵御能力,并增加地上碳 (C) 封存。然而,燃料处理会产生大量无法销售的木质生物质残留物,这些残留物通常在露天堆中燃烧,释放出大量的温室气体和颗粒物,并可能损坏堆积下方的土壤。气幕燃烧器提供了一种缓解这些问题的解决方案,有助于减少燃烧操作产生的烟雾和颗粒物,与桩燃烧相比,可以更充分地燃烧生物质残留物,并消除可能损害刀杆桩下方土壤的直接和强烈的火接触。在气幕式燃烧器中,燃烧是在受控环境中进行的。烟雾被气幕控制并再循环,因此可以在各种气候条件(例如风、雨、雪)下进行燃烧,从而延长了处理刀刃材料的燃烧季节。连续产生生物炭的移动式热解装置专门设计用于处理原木着陆处残留的木质生物质、垃圾填埋场的绿木或回收的原木材料,并在此过程中产生生物炭。这种高碳生物炭产出可用于通过改善其化学、物理和生物特性来增强土壤的弹性,并具有潜在的应用,可用于修复受污染的土壤,包括废弃矿场的土壤。在这里,我们描述了该设备的一般用途、适当的选址、加载方法、淬火要求以及操作这项新技术的经验教训。
在美国各地,在没有频繁的低强度火灾的情况下,许多林分的立木体积有所增加,这种火灾历史上是由土著人民引发的,而现代火灾已被抑制 1,2。由于这种防火措施,由此产生的积压林分给努力提高森林抵御野火、病虫害和干旱影响的土地管理者带来了挑战3。减少树木体积的标准管理做法包括计划火、商业前间伐和成熟林分采伐。这些操作会产生大量低价值和无价值的木质生物质,通常称为残留物。例如,在美国西部的 15 个州,据估计,采伐作业每年产生近 800 万吨残渣4。此外,美国农业部林务局实施了一项野火危机计划,该计划将在 10 年内额外处理 5000 万英亩(2000 万公顷)。这将导致需要处理额外的不可销售的材料,并且可能需要使用各种基于位置的选项。尽管树梢、树枝和无法销售的树木可用于生物能源或生物燃料,但有限的市场机会往往会导致这些残留物堆积和焚烧。建造砍伐桩旨在减少野火和昆虫风险,为林下植物创造生长空间,并实现其他土地管理目标。
露天焚烧是一种成本低、速度相对快速的减少木材体积的方法,但它也会产生烟雾和空气污染物,包括温室气体5。此外,它还可能对土壤的物理、化学和生物特性造成不良影响,导致可能持续数十年的烧伤疤痕6。为了减轻露天焚烧的有害副作用,需要替代方法来减少对气候变化、野火风险和土壤健康的负面影响7。
在这里,我们重点介绍了通过美国农业部、林务局、落基山研究站和 Air Burners, Inc.(佛罗里达州棕榈城)之间的合作研发协议 (CRADA) 开发的一种新型生物炭连续生产方法的使用。由此产生的技术,以下简称为生产生物炭的气幕燃烧器 (BACB; 图 1),从木质残留物中持续生产生物炭,同时限制烟雾和颗粒物的排放。与露天燃烧相比,BACB 的功能降低了火灾风险和烟雾的蔓延8,为安全扩展操作燃烧窗口创造了途径。与在景观上留下残渣堆导致燃料积累9 或主要产生烟雾和灰烬的替代燃烧方法不同,BACB 有效地减少了燃料负荷,同时保护土壤并产生生物炭,这是一种一致的高碳木炭,可用于加工现场或附近的土壤修复。此外,BACB 是可移动的,可以很容易地放置在原木平台、路边或露营地等。它还可以燃烧湿木或干木头、混合原料类型和尺寸,并且可以在恶劣天气和天气条件对明堆燃烧风险太大时使用。
BACB 生产的生物炭通常含有 70%-90% 的碳,高度多孔,粒度分布一致,使其适用于修复退化土壤,常见于废弃矿山、原木登陆点、滑行小径、河岸地区或农业场所。生物炭也可以用作堆肥的混合物或用于牲畜饲养场,以吸收营养物质并减少气味。一般来说,木质残渣生物炭的最佳土壤用途是减少侵蚀和硝酸盐浸出,同时提高土壤团聚体的稳定性和粗质地、低有机质土壤中的可用水10,11。
图 1:移动式生物炭生产气幕燃烧器。 测试现场显示了 slash 和产生生物炭的气幕燃烧器的一般配置。此数字已从12 修改。 请单击此处查看此图的较大版本。
设计和操作概述
尽管有几种类型的气幕燃烧器可用,但 BACB 不断产生生物炭。该单元长约 7 米 x 宽 2.5 米 x 高 2 米。它沿着燃烧室的顶部有一个空气歧管,提供稳定的空气幕以容纳其中的烟雾、颗粒物和余烬,并促进排放物的完全氧化。为了实现最佳运行,燃烧室被装载到歧管正下方的水平,确保通过燃烧室的气流不间断。BACB 可以拖曳在任何具有标准挂钩包和足够牵引能力的车辆后面。在堆积的生物质(也称为原料)附近准备一个平坦、光滑的场地,但场地周围有足够的空间,让设备和工作人员可以自由安全地移动。定位后,通过使用板载液压系统将燃烧室侧面降低到土壤上来固定装置。鼓风机电机为气幕歧管加压,风幕歧管的一侧与火箱的长度相同。生物质最初被点燃和燃烧,以在火箱中形成煤床。然后,可以定期添加额外的生物质,同时将进料保持在气幕以下。当材料燃烧时,会产生煤炭并通过燃烧室底部的开口落下,然后通过传送带将其从机器中清除。火箱内的一个面板会摆动以促进此过程。灰烬或细小材料通过传送带落到下面的土壤上。热煤通过燃烧箱底部的一个槽离开机器,并沉积到装满水的锅中,该锅停止燃烧并将生物炭冷却到可以安全处理的温度。当准备停止运行时,通过让任何剩余的材料燃烧来清理燃烧室。通常,该装置会在一夜之间冷却,并可以根据需要在第二天安全移动。除非有紧急情况,否则不要尝试在燃烧木材或冷却时移动 BACB。在紧急情况下,可以使用沙子或土壤来灭火并窒息煤炭。切勿将水直接喷洒在火箱中的瓷砖上。
这种方法的第一个关键步骤是确保设备在两个轴上几乎水平放置,以便火箱侧板阻止烟雾离开和空气进入火箱。其他关键步骤是与挖掘机操作员进行频繁对话,在需要的地方将原料放入燃烧箱中,并向所有工人简要介绍操作空气燃烧器和挖掘机的安全方面。可以使用该设备进行一些修改,但一旦生物炭产量很高,就可以连续运行传送带和振动台。主要限制是难以确定生产率,因为这取决于负载速?…
The authors have nothing to disclose.
我们感谢众多大学工作人员、国家森林局和土地管理局人员,他们帮助进行演示和收集数据。这种方法的实地工作得到了美国林业局落基山研究站、华盛顿特区和太平洋西北地区办公室的支持。本出版物中的发现和结论是作者的发现和结论,不应被解释为代表美国农业部或美国政府的任何官方决定或政策。
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 |