Fonctionnement et meilleures pratiques des fours à biochar Big Box
Summary
L’Utah Biomass Resources Group (UBRG) a mis à l’échelle des fours à biochar simples dans une approche innovante de la réduction des combustibles dangereux et de la production de biochar à l’aide de boîtes métalliques, appelées fours Big Box, qui permettent la production de biochar dans les bois. Cet article décrit le fonctionnement et les meilleures pratiques des fours à biochar Big Box.
Abstract
Les fours à biochar Big Box sont une alternative au brûlage en pile ouverte qui permet la production de biochar dans les bois dans une simple boîte métallique sans pièces mobiles. Cette approche est basée sur la technologie utilisée par les charbonniers depuis des siècles, mais avec une approche moderne et mécanisée. Une mini-pelle ou une autre machine est utilisée pour charger, entretenir et vider les fours. Cet article décrit les meilleures pratiques en matière de four à biochar Big Box, y compris la conception, le transport, le placement, le chargement, l’éclairage, la trempe et les procédures de vidage pour les débutants qui développent leurs propres programmes de four à biochar Big Box.
La production de biochar nécessite un environnement de combustion à faible teneur en oxygène, et les fours Big Box utilisent une méthode de chapeau de flamme (parfois appelée rideau de flammes) pour brûler le matériau avec une production de fumée limitée. Ces fours ont été conçus pour être facilement transférés sur le site à l’aide d’une remorque de calibre adéquat. Une mini-pelle ou une autre machine est utilisée pour charger, entretenir et vider les fours. L’auteur n’est pas au courant d’un moyen plus accessible pour les gens de séquestrer du carbone durable à la ferme, au ranch ou dans le jardin. Cet article décrit les meilleures pratiques en matière de four à biochar Big Box, y compris la conception, le transport, le placement, le chargement, l’éclairage, la trempe et les procédures de vidange pour les débutants qui développent leurs propres programmes de four à biochar Big Box.
Introduction
Les combustibles dangereux sont un problème majeur dans les zones sauvages de l’Ouest1. Comme les gestionnaires des incendies ne peuvent pas faire grand-chose pour contrôler les conditions météorologiques, le contrôle des combustibles est leur meilleure option2. L’objectif de cette méthode est de fournir un nouvel outil évolutif pour réduire les déchets de bois tout en produisant du biochar de manière économiquement et pratiquement accessible. Les forestiers empilent et brûlent traditionnellement les matériaux provenant des projets d’exploitation forestière et de réduction des combustibles, mais les restrictions de qualité de l’air et l’allongement de la saison des incendies ont rendu le brûlage à ciel ouvert beaucoup plus difficile au cours des dernières décennies3. De plus, il a été démontré que le brûlage à ciel ouvert cause des dommages potentiels à long terme aux sols en raison de la chaleur excessive4. Tous ces défis sont la raison pour laquelle l’UBRG développe cette technique pour la production de biochar. L’UBRG a entrepris de fournir une approche peu coûteuse et très accessible de la réduction des combustibles dangereux qui se traduit par un produit précieux5. Cette approche consistant à transformer les combustibles en matières premières et à tenter de valoriser le bois de faible valeur est semée d’embûches. Cette approche conserve une partie de ce carbone, qui est autrement perdu par la combustion ou la pourriture, et le transforme en une forme durable, avec une demi-vie approchant 1 000 ans dans le sol6 ; C’est 10 à 1 000 fois plus long que les temps de séjour de la plupart des matières organiques du sol7.
Le processus de conception du four Big Box a commencé par un examen d’autres dérivés d’une technologie originaire du Japon. En 2011, Inoue et al.8 ont rapporté l’efficacité carbonisatrice et la qualité du biochar produit dans le « four à charbon de bois sans fumée M50 » fabriqué par la société Moki au Japon. Le biochar a été produit dans ces petits fours en forme de cône avec des rendements de conversion allant de 13 % à 19,5 % sur une base de masse sèche. Les auteurs ont constaté que les valeurs de carbone fixe et la teneur en carbone de l’omble étaient égales à celles du charbon de bois fabriqué selon une méthode d’autoclave à une température d’environ 600 °C.
La forme Big Box a été suggérée pour la première fois par Kelpie Wilson dans une étude de faisabilité pour le Service des forêts du Dakota du Nord sur la carbonisation de l’enlèvement des arbres des brise-vent. Wilson a suggéré d’utiliser une benne à ordures en acier modifiée comme four à capuchon de flamme pour traiter des matériaux de plus grande taille. La conception du four Big Box comprend plusieurs améliorations au concept qui contribuent à la durabilité, à la convivialité et à la mobilité, comme décrit ci-dessous. Le chiffre de Wilson comprend des suggestions pour réutiliser des conteneurs tels que des bennes à ordures et des réservoirs de pétrole à cette fin ; cependant, les matériaux réutilisés ont généralement été peints ou galvanisés et peuvent exposer les participants à l’atelier à des produits chimiques nocifs dans l’air.
Les émissions du four à grande surface n’ont pas encore été déclarées, mais Cornelissen et al.9 ont effectué des essais d’émissions sur plusieurs types de fours Kon-Tiki (un four à cône profond) et ont constaté que les émissions étaient généralement inférieures à celles provenant de la combustion à ciel ouvert des matières premières de la biomasse. Ils ont également testé les biochars produits pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et ont constaté que les niveaux de HAP étaient bien inférieurs au niveau norvégien de risque maximal tolérable (MTR) pour les sols. Une analyse du cycle de vie du four de l’Oregon (un four peu profond en forme de pyramide) a montré que le fonctionnement dans les bois d’un four à flamme était négatif en carbone, ce qui entraînait une séquestration nette de carbone atmosphérique dans le sol10.
L’une des limites de l’approche Big Box est la matière première humide. Alors que deux lots par jour de matériaux de grand diamètre dans ces fours sont une attente raisonnable dans les climats arides et les matières premières sèches, un lot par jour est une attente plus raisonnable dans les endroits où l’humidité et l’humidité du combustible sont plus élevées. Les matières premières sèches sont plus productives ; La matière première humide limitera la productivité du four. La matière première humide par temps humide ne fonctionne pas bien. Les matières premières humides de moins de 10 cm de diamètre pyrolysent plus complètement que les matières premières humides de plus grand diamètre. Les matériaux secs peuvent facilement être pyrolysés par temps humide et/ou neigeux. Les fours Big Box ont pyrolysé avec succès des billes sèches de plus de 0,76 m (30 pouces) de diamètre et des branches jusqu’à moins de 1 cm de diamètre.
Le fonctionnement du four est traité comme un brûlage à ciel ouvert par la plupart des régulateurs de la qualité de l’air et, dans l’Utah, l’autorisation n’est accordée que trois jours à l’avance, ce qui rend la planification difficile, en particulier pendant les mois d’hiver lorsque les inversions atmosphériques sont courantes autour de nos communautés. Le coût de la combustion du biochar est beaucoup plus élevé que la simple combustion des tas, ce qui présente une autre limite de cette approche. Cette technique est la première méthode low-tech publiée pour la production de biochar à une échelle qui renonce au prétraitement coûteux des matières premières telles que le broyage et le déchiquetage avant la pyrolyse. Cette méthode est utile pour la plupart des débris ligneux qui n’ont pas été ébréchés ou traités au-delà de la coupe en morceaux gérables. Cette méthode n’est pas utile pour les matières premières de petite taille ou les matières premières qui formeront des tapis ou des boules de matériaux tels que les herbes, les tiges de maïs et les balles de riz.
Conception du four
Le BB12 est un four à double paroi de 3,7 m (12 pieds) de long, 1,8 m (6 pieds) de large et 1,2 m (4 pieds de haut), fabriqué en acier de calibre 14. La taille et la forme peuvent varier. Les plans sont disponibles sur le site Web de l’UBRG11. Aucun air n’est autorisé dans le four, sauf par le haut ; Ceci est essentiel pour développer le capuchon de flamme qui consomme la plupart des combustibles lorsqu’ils montent dans la colonne de chaleur. Voir la figure 1 pour plus de détails sur les coins intérieurs du four. L’exception est un orifice de drainage, appelé porte pour chien, illustré à la figure 2 car il est de taille similaire à une porte pour chien ordinaire. Il a une pièce de métal coulissante avec une poignée pour pouvoir être poussé vers le bas, fermé lors du fonctionnement du four et soulevé (Attention : chaud) lorsqu’il est prêt à vider le four.
Les deux parois sont séparées pour fournir un espace d’air12 et sont ouvertes sur le dessus et pas complètement scellées sur le fond, sauf à l’intérieur du four. Voir la figure 3 pour plus de détails sur l’entrefer et le haut des murs. Évitez les espaces scellés pour éviter les problèmes de dilatation thermique et de contraction qui en résulte. Les fours à simple paroi sont toujours efficaces pour réduire les combustibles dangereux et produire du biochar, mais le four à double paroi permet aux équipements et aux opérateurs de s’approcher avec moins d’exposition à la chaleur. Si la production de biochar est l’objectif le plus important, un four à double paroi pourrait être plus efficace. Si la réduction des combustibles dangereux est l’objectif principal et le biochar est secondaire, un four à paroi unique est probablement adéquat.
Protocol
Representative Results
Discussion
En règle générale, une partie du biochar produit sur le site est collectée par les participants à l’atelier dans des seaux ou des sacs et appliquée aux jardins ou aux projets agricoles des gens. Le biochar est friable et peut être cassé en petits morceaux pour s’incorporer plus facilement dans le sol en roulant dessus avec un véhicule, en marchant dessus avec une surface dure en dessous ou en l’écrasant avec le godet de la mini-pelle. Ce matériau peut également être appelé charbon de bois et a été collecté pour la cuisson au charbon de bois en plein air, fournissant potentiellement un matériau d’origine locale à ajouter aux caractéristiques culinaires d’un repas.
Si l’on compare les fours à biochar à flamme Big Box à d’autres méthodes de production de biochar12, les carbonisateurs mobiles peuvent traiter 63 502 kg par jour (70 tonnes), contre 12 500 kg par jour avec un four Big Box. Le coût des carbonisateurs mobiles est beaucoup plus élevé que celui d’un four à grande surface, à partir de 500 000 $ à l’achat, contre moins de 10 000 $ pour la fabrication d’un four à grande surface. Bien qu’un seul four à grande surface ne puisse traiter que 20 % du matériau qu’un carboniseur mobile peut traiter, il ne coûtera que 2 % du prix d’achat d’un carboniseur mobile.
Les fours à vis chauffés peuvent traiter jusqu’à 5 443 kg de biomasse par jour, par exemple, ce qui est bien inférieur à la capacité de 12 500 kg par jour des fours à grande surface. De plus, le coût du prétraitement (déchiquetage) du matériau peut être supérieur à celui de la pyrolyse réelle. De plus, les machines raffinées telles que la vis chauffante ne tolèrent pas les matières premières souillées qui sont courantes dans les opérations forestières ; une pelletée de terre peut arrêter un four à vis sans fin, tandis qu’un four à grande surface peut tolérer plusieurs pelletées de terre sans avoir d’impact significatif sur l’exploitation. Enfin, le coût d’un four à vis peut facilement être 10 fois supérieur à celui d’un four à grande surface.
Le premier four à grande surface construit est appelé BB16 car il mesure 4,9 m (16 pi) de long sur 2,4 m (8 pi) de large et est une construction à paroi unique. À l’origine, elle mesurait 1,8 m (6 pi) de haut et pesait près de 1 360 kg (3 000 lb), ce qui nécessitait une pelle plus grande, un opérateur qualifié et une remorque surbaissée, ce qui entraînait des problèmes de calendrier. Cette approche était surdimensionnée pour faire face aux charges de combustible typiques de l’Utah, et à 1,8 m (6 pieds) de haut, il était très difficile d’éclairer ou de voir ce qui se passait à l’intérieur du four. Pour résoudre ces problèmes, pour mieux adapter cette approche aux charges de combustible de l’Utah et pour la rendre plus accessible au gestionnaire forestier moyen, la hauteur a été réduite à 1,2 m (4 pieds) de hauteur. Cela permet de voir plus facilement à l’intérieur et de s’enflammer. Il l’a également réduit à 1 043 kg (2 300 lb), ce qui le rend gérable à transporter avec une camionnette et une remorque plus disponibles, et à déplacer et à utiliser avec une mini-pelle qui ne nécessite aucune expérience préalable et peut être louée dans la plupart des magasins de location d’équipement.
Le deuxième four construit par l’UBRG est une construction à double paroi, ce qui permet une meilleure protection thermique des opérateurs et des équipements à proximité du four et permet un chauffage plus uniforme à l’intérieur du four13. Une partie de cette modification consistait à passer de l’acier de calibre 12 à l’acier de calibre 14, qui est plus fin et plus léger. L’UBRG a effectué des dizaines de brûlages dans ces fours et bien qu’ils soient un peu pliés par endroits, ils ne montrent pas encore de signes évidents de fatigue des métaux liée à la chaleur. Certes, un apprentissage supplémentaire est susceptible de se produire et il y a amplement de place pour une innovation continue.
Le BB12 à double paroi est la conception qui a attiré le plus d’attention et est peut-être la plus accessible/pratique pour les carburants dans l’ouest intermontagnard. Des fours plus grands seront plus appropriés avec des combustibles plus nombreux/plus gros, comme dans le nord-ouest des États-Unis. Cette méthode a été éprouvée jusqu’à un four de 4,9 m (16 pieds de long). À ce jour, des fours à grande surface ont été construits par d’autres parties dans l’Utah, le Colorado, le Montana, le Texas et New York.
Les fours peuvent être exploités pour maximiser la production de biochar ou maximiser la réduction des combustibles dangereux, ou quelque part entre les deux. Si la réduction des combustibles dangereux est l’objectif principal, les fours peuvent être chargés de manière aléatoire et éteints uniquement lorsque le four est plein de charbons. Si le risque d’incendie environnant est faible, par exemple lorsque le sol est recouvert de plusieurs centimètres de neige, les fours peuvent être empilés avec des combustibles le soir avant la fin du quart de travail et laissés brûler toute la nuit ; consommant ainsi des carburants dans un espace contrôlé. Si la production de biochar est l’objectif principal, la matière première peut être triée dans des tailles similaires et les fours chargés de matériaux de classe de taille similaire et trempés fréquemment pour préserver les charbons. En règle générale, il s’agit d’un mélange de ces objectifs opposés et les fours fonctionnent entre ces deux extrêmes. L’espèce de la matière première est moins importante, à moins qu’un biochar aux propriétés spécifiques ne soit l’objectif.
Une quantité limitée de fumée sort de ces fours ; L’idée est que le capuchon de flamme consume les combustibles lorsqu’ils montent à travers la colonne de chaleur. En 2019 et 2020, le coordinateur du système de gestion de la fumée de l’Utah, Paul Corrigan, a apporté son équipement de test des émissions à des démonstrations de fours à biochar Big Box près de Logan, dans le nord de l’Utah, et de Moab, dans le sud de l’Utah. Dans les deux cas, l’équipement n’a enregistré aucune augmentation des émissions des fours car le capuchon de flamme consomme les combustibles lorsqu’ils montent dans la colonne de chaleur. En avril 2023, l’équipe de test des émissions du laboratoire des incendies du service forestier de l’USDA effectue des tests d’émissions sur les fours de Tooele, dans l’Utah ; Ces résultats ne sont pas encore disponibles.
Les travailleurs qui s’occupent du four auront besoin d’outils manuels de lutte contre l’incendie tels que des pelles, des râteaux, des pulaskis et des tronçonneuses. Les meilleures pratiques consistent à faire porter à toutes les personnes présentes des équipements de sécurité tels que des gants en cuir, des lunettes de protection, des vêtements ignifuges ou au moins des vêtements en fibres naturelles ; Les vêtements synthétiques doivent être évités. Les casques de sécurité et les bottes en cuir, les manches longues et les pantalons aident à protéger les opérateurs.
Communication d’urgence ; Planification d’urgence : L’emplacement (souvent éloigné) de l’opération doit être pris en compte en plus de la possibilité d’une urgence et des besoins de communication qui l’entourent. Il est crucial de savoir où la réception locale des téléphones portables pourrait fonctionner le mieux ; un téléphone satellite ou une balise de localisation d’urgence telle qu’une Garmin InReach serait fortement recommandé. Il est important de ne pas travailler seul.
En cas d’échappement d’un feu de braise/localité, le couvercle doit être placé sur le four pour empêcher d’autres étincelles de sortir du four. Les machines doivent être utilisées pour creuser rapidement une ligne de feu autour du feu localisé, et les combustibles en feu doivent être séparés des combustibles non brûlés. La source d’eau doit être utilisée pour éteindre le feu. Si l’extinction ne peut être obtenue immédiatement, appelez le 911.
Le biochar des fours à grande surface a été caractérisé par Control Laboratories à Watsonville, en Californie, à l’aide du programme de tests de laboratoire pour la certification de l’International Biochar Initiative (IBI) et les résultats montrent 85 % de carbone organique et 8 % de cendres ; Ce sont les caractéristiques d’un biochar de qualité moyenne. Les collaborateurs expérimentent l’ajout de sous-verres roulants sur le fond, semblables à de grandes bennes à ordures, ainsi qu’une porte qui est l’un des murs d’extrémité pour aider à retirer le biochar fini. Il reste à voir si ces caractéristiques restent utilisables après une exposition à la chaleur extrême.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Je tiens à remercier Kelpie Wilson de Wilson Biochar, le Bureau de la gestion des terres de l’Utah, le Service des forêts de l’USDA, la Division des forêts, des incendies et des terres d’État de l’Utah, le programme de subventions de l’Initiative des terres publiques de l’Utah, le programme de subventions d’extension de l’Université d’État de l’Utah, Brandon Barron de Burns, OR, ANR Fabrication de Logan, Utah, et l’Initiative américaine Biochar.
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References
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