Big Box Biochar Ovenwerking en best practices
Summary
De Utah Biomass Resources Group (UBRG) heeft eenvoudige biochar-ovens opgeschaald in een innovatieve benadering van de vermindering van gevaarlijke brandstof en de productie van biochar met behulp van metalen dozen, Big Box-ovens genaamd, die de productie van biochar in het bos mogelijk maken. Dit artikel schetst de werking en best practices van de Big Box biochar-oven.
Abstract
Big Box biochar-ovens zijn een alternatief voor open stapelverbranding die de productie van biochar in het hout mogelijk maakt in een eenvoudige metalen doos zonder bewegende delen. Deze aanpak is gebaseerd op technologie die al eeuwenlang door houtskoolmakers wordt gebruikt, maar met een moderne, gemechaniseerde aanpak. Een minigraafmachine of ander apparaat wordt gebruikt om de ovens te laden, te verzorgen en te legen. Dit artikel schetst de best practices van Big Box biochar-ovens, inclusief de ontwerp-, transport-, plaatsings-, laad-, verlichtings-, blus- en dumpprocedures voor beginners die hun eigen Big Box biochar-ovenprogramma’s ontwikkelen.
De productie van biochar vereist een zuurstofarme verbrandingsomgeving en de Big Box-ovens gebruiken een vlamkapmethode (ook wel vlamgordijn genoemd) om materiaal met beperkte rookproductie te verbranden. Deze ovens zijn zo ontworpen dat ze gemakkelijk naar de locatie kunnen worden overgebracht met behulp van een aanhangwagen met een voldoende classificatie. Een minigraafmachine of ander apparaat wordt gebruikt om de ovens te laden, te verzorgen en te legen. De auteur is niet op de hoogte van een toegankelijker middel voor mensen om duurzame koolstof vast te leggen op de boerderij, ranch of in de achtertuin. Dit artikel schetst de best practices van Big Box biochar-ovens, inclusief het ontwerp, transport, plaatsing, laden, verlichten, blussen en dumpen voor beginners die hun eigen Big Box biochar-ovenprogramma’s ontwikkelen.
Introduction
Gevaarlijke brandstoffen zijn een groot probleem in de wildernis in het hele Westen1. Omdat brandweermanagers weinig kunnen doen om het weer te beheersen, is het beheersen van brandstoffen hun beste optie2. Het doel van deze methode is om een nieuw, schaalbaar hulpmiddel te bieden om afvalhout te verminderen en tegelijkertijd biochar op een economisch en praktisch toegankelijke manier te produceren. Boswachters stapelen en verbranden traditioneel materiaal van houtkap- en brandstofreductieprojecten, maar beperkingen van de luchtkwaliteit en langere brandseizoenen hebben het verbranden van open stapels de afgelopen decennia veel moeilijker gemaakt3. Bovendien is aangetoond dat het verbranden van open palen op lange termijn potentiële schade aan de bodem veroorzaakt door de overmatige hitte4. Al deze uitdagingen vormen de reden waarom de UBRG deze techniek ontwikkelt voor de productie van biochar. De UBRG heeft zich ten doel gesteld een goedkope, zeer toegankelijke benadering te bieden voor de vermindering van gevaarlijke brandstoffen die resulteert in een waardevol product5. Deze aanpak om brandstoffen om te zetten in grondstoffen en te proberen waarde te halen uit laagwaardig hout zit vol uitdagingen. Deze aanpak bewaart een deel van die koolstof, die anders verloren gaat door verbranding of rotting, en verwerkt het tot een duurzame vorm, met een halfwaardetijd van bijna 1.000 jaar in de bodem6; Dit is 10-1.000 keer langer dan de verblijftijden van de meeste organische stof in debodem7.
Het ontwerpproces van de Big Box-oven begon met een beoordeling van andere afgeleiden van een technologie die zijn oorsprong vond in Japan. In 2011 rapporteerden Inoue et al.8 over de carbonisatie-efficiëntie en kwaliteit van biochar geproduceerd in de “rookloze houtskooloven M50” vervaardigd door het bedrijf Moki in Japan. Biochar werd geproduceerd in deze kleine, kegelvormige ovens met conversie-efficiënties variërend tussen 13% en 19,5% op basis van droge massa. De auteurs ontdekten dat de waarden van de vaste koolstof en het koolstofgehalte van de houtskool gelijk waren aan die van houtskool gemaakt in een retortmethode bij een temperatuur van ongeveer 600 °C.
De Big Box-vorm werd voor het eerst voorgesteld door Kelpie Wilson in een haalbaarheidsstudie voor de North Dakota Forest Service over het verkolen van boomverwijderingen van beschutting. Wilson stelde voor om een aangepaste stalen afvalcontainer te gebruiken als vlamkapoven voor het verwerken van groter materiaal. Het ontwerp van de Big Box-oven bevat verschillende verbeteringen aan het concept die helpen bij duurzaamheid, bruikbaarheid en mobiliteit, zoals hieronder beschreven. De figuur van Wilson bevat suggesties voor het hergebruiken van containers zoals afvalcontainers en olietanks voor dit doel; Hergebruikt materiaal is echter over het algemeen geverfd of gegalvaniseerd en kan deelnemers aan de workshop blootstellen aan schadelijke chemicaliën in de lucht.
Emissies van de Big Box Kiln zijn nog niet gerapporteerd, maar Cornelissen et al.9 voerden emissietests uit op verschillende soorten Kon-Tiki-ovens (een diepe kegeloven) en ontdekten dat de emissies over het algemeen lager waren dan die van open verbranding van biomassagrondstoffen. Ze testten ook de biochars die werden geproduceerd voor polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) en ontdekten dat de PAK-niveaus ver onder het Noorse maximaal toelaatbare risico (MTR) voor bodems lagen. Een levenscyclusanalyse van de Oregon Kiln (een ondiepe piramidevormige oven) toonde aan dat de werking in het bos van een vlamkapoven koolstofnegatief was, wat resulteerde in een netto vastlegging van atmosferische koolstof in de bodem10.
Een beperking van de Big Box-aanpak is natte grondstof. Hoewel twee batches per dag materiaal met een grote diameter in deze ovens een redelijke verwachting is in droge klimaten en droge grondstoffen, is één batch per dag een redelijkere verwachting op locaties met een hogere luchtvochtigheid en brandstofvochtigheid. Droge grondstoffen zijn productiever; Natte grondstoffen beperken de productiviteit van de oven. Natte grondstof op een natte dag werkt niet goed. Natte grondstoffen met een diameter van minder dan 10 cm zullen vollediger pyrolyseren dan natte grondstoffen met een grotere diameter. Droog materiaal kan gemakkelijk worden gepyrolyseerd bij nat en/of sneeuwweer. Big Box-ovens hebben met succes droge stammen met een ovenlengte van meer dan 0,76 m (30 inch) in diameter en takken met een diameter van minder dan 1 cm gepyrolyseerd.
De werking van de oven wordt door de meeste luchtkwaliteitsregelaars behandeld als het verbranden van open stapels en in Utah wordt slechts drie dagen van tevoren toestemming verleend, wat de planning bemoeilijkt, vooral in de wintermaanden wanneer atmosferische inversies gebruikelijk zijn in onze gemeenschappen. De kosten van het uitvoeren van een biochar-verbranding zijn veel hoger dan alleen het verbranden van de stapels, wat een andere beperking van deze aanpak vormt. Deze techniek is de eerste gepubliceerde low-tech methode voor de productie van biochar op een schaal die afziet van dure voorbewerking van grondstoffen zoals malen en versnipperen voorafgaand aan pyrolyse. Deze methode is nuttig voor de meeste houtachtige resten die niet zijn versnipperd of verwerkt, behalve het snijden in hanteerbare stukgroottes. Deze methode is niet nuttig voor grondstoffen ter grootte van kleine stukken of grondstoffen die matten of klodders materiaal vormen, zoals grassen, maïsstengels en rijstschillen.
Oven ontwerp
De BB12 is een dubbelwandige oven van 3,7 m (12 voet) lang, 1,8 m (6 voet) breed en 1,2 m (4 voet hoog), gemaakt van 14-gauge staal. De grootte en vorm kunnen worden gevarieerd. Plannen zijn beschikbaar op de UBRG-website11. Er mag geen lucht in de oven komen, behalve aan de bovenkant; Dit is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van de vlamkap die de meeste brandbare stoffen verbruikt terwijl ze door de warmtekolom stijgen. Zie figuur 1 voor details van de binnenhoeken van de oven. De uitzondering is een afvoerpoort, het hondenluik genoemd, weergegeven in figuur 2 omdat deze qua grootte vergelijkbaar is met een gewoon hondenluik. Het heeft een verschuifbaar stuk metaal met een handvat, zodat het naar beneden kan worden geduwd tijdens het bedienen van de oven en kan worden opgetild (Let op: heet) wanneer het klaar is om de oven te storten.
De twee wanden zijn gescheiden om een luchtspleet12 te creëren en zijn open aan de bovenkant en niet volledig afgedicht aan de onderkant, behalve aan de binnenkant van de oven. Zie figuur 3 voor details van de luchtspleet en de bovenkant van muren. Vermijd afgesloten ruimtes om problemen tijdens warmte-uitzetting en de daaruit voortvloeiende krimp te voorkomen. Enkelwandige ovens zijn nog steeds effectief in het verminderen van gevaarlijke brandstoffen en het produceren van biochar, maar de dubbelwandige oven zorgt ervoor dat apparatuur en operators dichtbij kunnen komen met minder blootstelling aan hitte. Als de productie van biochar het belangrijkste doel is, kan een dubbelwandige oven effectiever zijn. Als het verminderen van gevaarlijke brandstoffen het primaire doel is en biochar secundair is, is een enkelwandige oven waarschijnlijk voldoende.
Protocol
Representative Results
Discussion
Doorgaans wordt een deel van de biochar die op de site wordt geproduceerd, door workshopdeelnemers in emmers of zakken verzameld en toegepast op de tuinen of landbouwprojecten van mensen. Biochar is brokkelig en kan in kleine stukjes worden gebroken om gemakkelijker in de grond te worden opgenomen door er met een voertuig overheen te rijden, erop te stappen met een hard oppervlak eronder of het te pureren met de bak van de minigraafmachine. Dit materiaal kan ook houtskool worden genoemd en is verzameld om buiten op houtskool te koken, wat mogelijk een lokaal geproduceerd materiaal oplevert om toe te voegen aan de culinaire kenmerken van een maaltijd.
Als we Big Box flame cap biochar ovens vergelijken met andere biochar productiemethoden12, kunnen mobiele carbonisatoren 63.502 kg per dag (70 ton) verwerken, vergeleken met 12.500 kg per dag met een Big Box oven. De kosten van mobiele carbonisatoren zijn veel hoger dan die van een Big Box-oven, beginnend bij $ 500,000 om te kopen, in tegenstelling tot minder dan $ 10,000 om een Big Box-oven te laten vervaardigen. Hoewel een enkele Big Box-oven slechts 20% van het materiaal kan verwerken dat een mobiele carbonisator kan, kost het slechts 2% van de aankoopprijs van een mobiele carbonisator.
Verwarmde vijzelovens kunnen tot 5.443 kg biomassa per dag verwerken, een ander voorbeeld, wat veel lager is dan de capaciteit van 12.500 kg per dag van Big Box-ovens. Bovendien kunnen de kosten van het voorbewerken (versnipperen) van het materiaal hoger zijn dan het daadwerkelijk pyrolyseren van het materiaal. Bovendien tolereren geraffineerde machines zoals de verwarmde vijzel geen vervuilde grondstoffen die gebruikelijk zijn bij bosbouwactiviteiten; een schep grond kan een vijzeloven stilleggen, terwijl een Big Box-oven meerdere schoppen grond kan verdragen zonder de operatie significant te beïnvloeden. Ten slotte kunnen de kosten van een vijzeloven gemakkelijk 10 keer zo hoog zijn als die van een Big Box-oven.
De eerste Big Box-oven die werd gebouwd, wordt de BB16 genoemd, omdat deze 4,9 m (16 ft) lang en 2,4 m (8 ft) breed is en een enkelwandige constructie is. Het was oorspronkelijk 1,8 m (6 ft) hoog en woog bijna 1.360 kg (3.000 lbs.), waarvoor een grotere graafmachine, een gekwalificeerde machinist en een low-boy trailer nodig waren, wat leidde tot planningsproblemen. Deze aanpak was te groot om de typische brandstofladingen in Utah aan te kunnen, en met een hoogte van 1,8 m (6 ft) was het erg moeilijk om aan te steken of te zien wat er in de oven gebeurde. Om deze problemen aan te pakken, om deze benadering van brandstofladingen in Utah beter op te schalen en om het toegankelijker te maken voor de gemiddelde bosbeheerder, werd de hoogte teruggebracht tot 1.2 m (4 ft) hoog. Dit maakt het gemakkelijker om erin te kijken en te ontsteken. Het bracht het ook terug tot 1.043 kg (2.300 lbs.), waardoor het beheersbaar was om te vervoeren met een meer beschikbare pick-up truck en aanhangwagen, en om te verplaatsen en te werken met een minigraafmachine die geen eerdere ervaring vereist en kan worden gehuurd bij de meeste verhuurwinkels van materieel.
De tweede oven die door de UBRG is gebouwd, is een dubbelwandige constructie, die zorgt voor een betere hittebescherming voor de operators en apparatuur in de buurt van de oven en voor een gelijkmatigere verwarming in de oven13. Onderdeel van deze modificatie was om van 12-gauge staal naar 14-gauge staal te gaan, dat dunner en lichter is. De UBRG heeft tientallen brandwonden in deze ovens gedaan en hoewel ze op sommige plaatsen een beetje verbogen raken, vertonen ze nog geen duidelijke tekenen van hittegerelateerde metaalmoeheid. Zeker, er zal waarschijnlijk nog meer geleerd worden en er is voldoende ruimte voor voortdurende innovatie.
De dubbelwandige BB12 is het ontwerp dat de meeste aandacht heeft getrokken en is misschien wel het meest toegankelijk/praktisch voor brandstoffen in de Intermountain West. Grotere ovens zullen geschikter zijn met meer/grotere brandstoffen, zoals in het noordwesten van de VS. Deze methode is bewezen tot een oven van 4,9 m (16 ft) lang. Tot op heden zijn Big Box-ovens gebouwd door andere partijen in Utah, Colorado, Montana, Texas en New York.
De ovens kunnen worden gebruikt om de productie van biochar te maximaliseren of de vermindering van gevaarlijke brandstoffen te maximaliseren, of ergens daartussenin. Als het primaire doel van de vermindering van gevaarlijke brandstof is, kunnen de ovens willekeurig worden geladen en alleen worden geblust als de oven vol kolen is. Als het brandgevaar in de omgeving laag is, bijvoorbeeld wanneer de grond bedekt is met enkele centimeters sneeuw, kunnen de ovens ‘s avonds voor het einde van de dienst hoog worden gestapeld met brandstoffen en de hele nacht blijven branden; dus het verbruiken van brandstoffen in een gecontroleerde ruimte. Als de productie van biochar het primaire doel is, kan de grondstof in gelijke maten worden gesorteerd en kunnen de ovens worden geladen met materiaal van vergelijkbare grootteklasse en regelmatig worden geblust om de kolen te behouden. Meestal is het een mix van deze tegengestelde doelen en worden de ovens tussen deze twee uitersten bediend. De soort van de grondstof is minder belangrijk, tenzij een biochar met specifieke eigenschappen het doel is.
Er komt een beperkte hoeveelheid rook uit deze ovens; Het idee is dat de vlamdop de brandbare stoffen verbruikt terwijl ze door de warmtekolom stijgen. In 2019 en 2020 bracht de coördinator van het rookbeheersysteem in Utah, Paul Corrigan, zijn emissietestapparatuur naar Big Box biochar-ovendemonstraties in de buurt van Logan, in het noorden van Utah, en Moab, in het zuiden van Utah. In beide gevallen registreerde de apparatuur geen toename van de emissies van de ovens omdat de vlamkap de brandbare stoffen verbruikt terwijl ze door de warmtekolom stijgen. In april 2023 voert het emissietestteam van het USDA Forest Service Fire Lab emissietests uit op de ovens in Tooele, Utah; Deze resultaten zijn nog niet beschikbaar.
De arbeiders die de oven onderhouden, hebben handgereedschap voor brandbestrijding nodig, zoals schoppen, harken, Pulaskis en kettingzagen. Best practices zijn onder meer dat alle aanwezigen veiligheidsuitrusting dragen, zoals leren handschoenen, oogbescherming, brandwerende kleding of op zijn minst kleding van natuurlijke vezels; Synthetische kleding moet worden vermeden. Veiligheidshelmen en leren laarzen, lange mouwen en broeken helpen de machinist te beschermen.
Communicatie voor noodgevallen; Noodplanning: Er moet rekening worden gehouden met de locatie (vaak op afstand) van de operatie, naast de mogelijkheid van een noodsituatie en de communicatiebehoeften daaromheen. Het is van cruciaal belang om te weten waar lokale mobiele telefoonontvangst het beste werkt; een satelliettelefoon of noodlokalisatiebaken zoals een Garmin InReach wordt ten zeerste aanbevolen. Het is belangrijk om niet alleen te werken.
In geval van een ontsnapte sintel/spotbrand moet het deksel op de oven worden geplaatst om te voorkomen dat verdere vonken de oven verlaten. De machines moeten worden gebruikt om snel een vuurlijn rond de spotbrand te graven en de brandende brandstoffen moeten worden gescheiden van de onverbrande brandstoffen. De waterbron moet worden gebruikt om de brand te blussen. Als de blussing niet onmiddellijk kan worden verkregen, bel dan 911.
Biochar van Big Box-ovens is gekarakteriseerd door Control Laboratories in Watsonville, CA met behulp van het International Biochar Initiative (IBI) Laboratory Tests for Certification Program en de resultaten tonen 85% organische koolstof en 8% as; Dit zijn de kenmerken van een matig hoogwaardige biochar. Medewerkers experimenteren met het toevoegen van roll-off onderzetters aan de onderkant, vergelijkbaar met grote afvalcontainers, evenals een deur die een van de eindwanden is om te helpen bij het verwijderen van de voltooide biochar. Het valt nog te bezien of deze functies bruikbaar blijven na blootstelling aan extreme hitte.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ik wil Kelpie Wilson van Wilson Biochar, het Utah Bureau of Land Management, de USDA Forest Service, de Utah Division of Forestry, Fire and State Lands, het Utah Public Lands Initiative Grant Program, het Utah State University Extension Grant Program, Brandon Barron van Burns, OR, ANR Fabrication of Logan, Utah en het US Biochar Initiative erkennen.
Materials
| Big Box biochar kiln | ANR Fabrication | BB12 | Phone: 435-753-0310 |
| Chainsaw | Ace Hardware | #7000565 | Or similar |
| Drip torch | Forestry Suppliers | 7.58182E+11 | Fill with: 30% gasoline, 70% diesel (or propane torch) |
| Garmin InReach | Best Buy | 6499326 | Or similar |
| Honda self priming water pump | Northern Tool | Item# 109418 | Or similar |
| lighter / matches | Amazon | ||
| Log chains | Tractor Supply Co. | SKU: 358788199 | Or similar; for moving/lifting kiln |
| Mini-excavator with thumb | Local rental company | Must have a bucket with thumb | |
| Pulaski | Grainger | 485C27 | Or similar |
| Rachet straps | US Cargo Control | 3,000 lbs strength per | |
| Rags / cardboard | Grainger | 9JZ92 | To protect straps from abrasion while transporting kiln |
| Rake | Grainger | 1WG30 | Or similar |
| Shovel | Grainger | 12N166 | Or similar |
| Truck / trailer | Own/rent locally | For transporting kiln | |
| Water discharge hoses | Grainger | 45DT92 | |
| Water: 300 gallons per quench | Plus more for fire control | ||
| Personal Protective Equipment | |||
| Chainsaw chaps | Global industrial | T9FB2019133 | Or similar |
| Ear protection | Global industrial | T9F708377 | Or similar |
| Eye protection | Global industrial | T9F708119CLAF | Or similar |
| Fire pants | Grainger | 12R487 | Or similar |
| Fire shirt | Grainger | 39EM96 | Or similar |
| Hard hat | Global industrial | T9FB2278977 | Or similar |
| Leather gloves | Global industrial | T9FB1145414 | Or similar |
| Smokejumper fire boots | Whites Boots | Or similar |
References
- Hardy, C. C. Wildland fire hazard and risk: Problems, definitions, and context. Forest Ecology and Management. 211 (1-2), 73-82 (2005).
- Wollstein, K., O’Connor, C., Gear, J., Hoagland, R. Minimize the bad days: Wildland fire response and suppression success. Rangelands. 44 (3), 187-193 (2022).
- Hessburg, P., Reynolds, K., Keane, R., James, K., Salter, R. Evaluating wildland fire danger and prioritizing vegetation and fuels treatments. Forest Ecology and Management. 247 (1-3), 1-17 (2007).
- Busse, M. D., Shestak, C. J., Hubbert, K. R. Soil heating during burning of forest slash piles and wood piles. International Journal of Wildland Fire. 22 (6), 786-796 (2013).
- Galinato, S. P., Yoder, J. K., Granatstein, D. The economic value of biochar in crop production and carbon sequestration. Energy Policy. 39 (10), 6344-6350 (2011).
- Spokas, K. A. Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios. Carbon Management. 1 (2), 289 (2010).
- Duku, M. H., Gu, S., Hagan, E. B. Biochar production potential in Ghana-A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15 (8), 3539-3551 (2011).
- Inoue, Y., Mogi, K., Yoshizawa, S. Properties of cinders from red pine, black locust, and henon bamboo. Asia Pacific Biochar Conference, APBC Kyoto. , (2011).
- 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).
- Puettmann, M., Kamalakanta, S., Wilson, K., Oneil, E. Life cycle assessments of biochar produced from forest residues using portable systems. Journal of Cleaner Production. 250 (2020), 119564 (2020).
- . Utah Biomass Resources Website Available from: https://www.usu.edu/ubrg/biochar/simple-kiln-technology (2017)
- Adam, J. C. Improved and more environmentally friendly charcoal production system using a low-cost retort-kiln (Eco-charcoal). Renewable Energy. 34 (8), 1923-1925 (2009).
- Biomass to biochar: Maximizing the carbon value. Pullman, WA: Washington State University, Center for Sustaining Agriculture and Natural Resources Available from: https://csanr.wsu.edu/biomass2biochar/ (2021)
