Kontinuierliche Produktion von Pflanzenkohle im Wald mit einem anhängermontierten Luftschleierbrenner

In den USA hat das Volumen vieler Waldbestände zugenommen, da es keine häufigen Brände mit geringer Intensität gab, die in der Vergangenheit von Ureinwohnern gelegt und in der Neuzeit unterdrückt wurden ^1,2. Durch diesen Ausschluss von Bränden stellen die daraus resultierenden überbestückten Bestände eine Herausforderung für Landbewirtschafter dar, die die Widerstandsfähigkeit der Wälder gegen Waldbrände, Schädlinge, Krankheiten und Dürreeffekte verbessern^{wollen 3}. Zu den Standardbewirtschaftungspraktiken zur Reduzierung des Baumvolumens gehören vorgeschriebenes Feuer, vorkommerzielle Durchforstung und die Ernte reifer Bestände. Dabei fallen erhebliche Mengen an gering- und keinerwertiger holzartiger Biomasse an, die oft als Reststoffe bezeichnet werden. In den 15 Bundesstaaten des Westens der USA beispielsweise wird geschätzt, dass bei der Ernte jedes Jahr fast 8 Millionen Trockentonnen Rückstände anfallen⁴. Darüber hinaus hat der USDA Forest Service einen Krisenplan für Waldbrände umgesetzt, der über einen Zeitraum von 10 Jahren weitere 50 Millionen Acres (20 Millionen Hektar) behandeln wird. Dies wird dazu führen, dass zusätzliches unverkäufliches Material entsorgt werden muss und wahrscheinlich die Verwendung einer Vielzahl von ortsbezogenen Optionen erforderlich ist. Obwohl Spitzen, Äste und nicht verkäufliche Bäume für Bioenergie oder Biokraftstoffe verwendet werden können, führen begrenzte Marktchancen oft dazu, dass diese Reststoffe aufgetürmt und verbrannt werden. Der Bau von Brandhalden zielt darauf ab, das Risiko von Waldbränden und Insekten zu verringern, Platz für Unterwuchspflanzen zu schaffen und andere Ziele der Landbewirtschaftung zu erreichen.

Die offene Florverbrennung ist eine kostengünstige und relativ schnelle Methode zur Reduzierung des Holzvolumens, erzeugt aber auch Rauch und Luftschadstoffe, einschließlich Treibhausgase⁵. Darüber hinaus kann es auch unerwünschte Auswirkungen auf die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens haben, was zu Brandnarben führt, die jahrzehntelang bestehen bleiben können⁶. Um die nachteiligen Nebenwirkungen des offenen Abbrennens abzumildern, sind alternative Ansätze erforderlich, die die negativen Auswirkungen auf den Klimawandel, das Risiko von Waldbränden und die Bodengesundheit verringern⁷.

Hier konzentrieren wir uns auf den Einsatz einer neuartigen Methode zur kontinuierlichen Produktion von Pflanzenkohle, die im Rahmen eines Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) zwischen dem US-Landwirtschaftsministerium, dem Forest Service, der Rocky Mountain Research Station und Air Burners, Inc. (Palm City, FL) entwickelt wurde. Die daraus resultierende Technologie, die im Folgenden als Biokohle produzierender Luftschleierbrenner (BACB; Abbildung 1) produziert kontinuierlich Pflanzenkohle aus holzartigen Reststoffen und begrenzt gleichzeitig den Ausstoß von Rauch und Feinstaub. Im Vergleich zur offenen Verbrennung reduziert die Funktionalität des BACB das Brandrisiko und die Ausbreitung von Rauch⁸ und schafft Wege für eine sichere Verlängerung der in Betrieb befindlichen Brandfenster. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen Rückstände in der Landschaft hinterlassen werden, wo sie zur Brennstoffansammlung beitragen⁹ , oder alternativen Verbrennungsmethoden, bei denen in erster Linie Rauch und Asche entstehen, reduziert die BACB effektiv die Brennstoffbelastung, schützt den Boden und erzeugt Biokohle, eine konsistente, kohlenstoffreiche Holzkohle, die für Bodensanierungen am oder in der Nähe des Verarbeitungsortes verwendet werden kann. Darüber hinaus ist der BACB mobil und kann problemlos aufgestellt werden, z. B. an einem Holzlandeplatz, am Straßenrand oder auf einem Campingplatz. Es kann auch nasses oder trockenes Holz, gemischte Rohstoffarten und -größen verbrennen und kann bei schlechtem Wetter und in Zeiten eingesetzt werden, in denen die Wetterbedingungen für das offene Florbrennen zu riskant sind.

Biokohle, die in der BACB hergestellt wird, besteht in der Regel aus 70 % bis 90 % Kohlenstoff, ist hochporös und gleichmäßig in der Partikelgrößenverteilung, wodurch sie sich für die Sanierung degradierter Böden eignet, die häufig in verlassenen Minen, Holzlandungen, Rutschpisten, Ufergebieten oder landwirtschaftlichen Standorten zu finden sind. Pflanzenkohle kann auch als Mischung mit Kompost oder in Mastanlagen verwendet werden, um Nährstoffe zu adsorbieren und Gerüche zu reduzieren. Im Allgemeinen besteht die beste Bodenverwendung für Holzrestkohle darin, Erosion und Nitratauswaschung zu reduzieren und gleichzeitig die Stabilität der Bodenzuschlagstoffe und das verfügbare Wasser in Böden mit grober Textur und geringer organischer Substanz zu verbessern^10,11.

Abbildung 1: Mobiler Biokohle produzierender Luftschleierbrenner. Das Testgelände zeigt die allgemeine Konfiguration des Schlitzes und des Biokohle produzierenden Luftschleierbrenners. Diese Zahl wurde von¹² geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Überblick über Aufbau und Betrieb
Obwohl es mehrere Arten von Luftschleierbrennern gibt, erzeugt das BACB kontinuierlich Pflanzenkohle. Das Gerät ist ca. 7 m lang x 2,5 m breit x 2 m hoch. Es verfügt über einen Luftverteiler an der Oberseite des Feuerraums, der einen stetigen Luftvorhang bietet, um Rauch, Partikel und Glut darin einzudämmen und die vollständige Oxidation der Emissionen zu fördern. Für einen optimalen Betrieb wird der Feuerraum bis zu einer Ebene direkt unter dem Verteiler geladen, um einen ununterbrochenen Luftstrom durch den Feuerraum zu gewährleisten. Der BACB kann hinter jedem Fahrzeug mit einem Standard-Kupplungspaket und ausreichender Anhängelast gezogen werden. Es wird ein ebenes, glattes Gelände in der Nähe der aufgeschütteten Biomasse (auch Rohstoff genannt) vorbereitet, aber mit genügend Platz um das Gelände herum, damit sich Geräte und Personal frei und sicher bewegen können. Nach der Positionierung wird das Gerät gesichert, indem die Seiten des Feuerraums mit dem integrierten Hydrauliksystem auf den Boden abgesenkt werden. Ein Gebläsemotor beaufschlagt den Luftschleierverteiler, der auf einer Seite über die gesamte Länge des Feuerraums verläuft. Biomasse wird zunächst angezündet und verbrannt, um ein Kohlenbett in der Feuerbüchse zu schaffen. Dann kann regelmäßig zusätzliche Biomasse hinzugefügt werden, während das einströmende Material unter dem Luftschleier gehalten wird. Bei der Verbrennung des Materials entsteht Kohle, die durch eine Öffnung im Boden des Feuerraums fällt, wo sie über das Förderband aus der Maschine entfernt wird. Eine Platte im Inneren des Feuerraums oszilliert, um diesen Vorgang zu erleichtern. Asche oder feine Materialien fallen durch das Förderband auf den darunterliegenden Boden. Heiße Kohlen verlassen die Maschine durch einen Schlitz im Boden des Feuerraums und werden in eine mit Wasser gefüllte Pfanne abgelegt, die die Verbrennung stoppt und die Pflanzenkohle auf eine Temperatur abkühlt, bei der sie sicher gehandhabt werden kann. Wenn der Feuerraum bereit ist, den Betrieb einzustellen, wird er geräumt, indem das restliche Material abbrennen kann. In der Regel kühlt das Gerät über Nacht ab und kann bei Bedarf am nächsten Tag sicher bewegt werden. Versuchen Sie nicht, die BACB zu bewegen, während sie Holz verbrennt oder kühlt, es sei denn, es liegt ein Notfall vor. Im Ernstfall kann Sand oder Erde verwendet werden, um das Feuer zu löschen und die Kohlen zu ersticken. Wasser sollte niemals direkt auf die Keramikfliesen im Feuerraum gesprüht werden.