Big-Box-Biokohle-Ofenbetrieb und Best Practices
Summary
Die Utah Biomass Resources Group (UBRG) hat einfache Biokohleöfen in einem innovativen Ansatz zur Reduzierung gefährlicher Brennstoffe und zur Produktion von Biokohle unter Verwendung von Metallboxen, sogenannten Big Box-Öfen, die die Produktion von Biokohle im Wald ermöglichen, ausgebaut. Dieser Artikel beschreibt den Betrieb und die Best Practices des Big Box-Biokohleofens.
Abstract
Big Box-Biokohleöfen sind eine Alternative zum offenen Florbrennen, die die Produktion von Pflanzenkohle im Wald in einer einfachen Metallbox ohne bewegliche Teile ermöglicht. Dieser Ansatz basiert auf einer Technologie, die von Holzkohleherstellern seit Jahrhunderten verwendet wird, jedoch mit einem modernen, mechanisierten Ansatz. Ein Minibagger oder eine andere Maschine wird zum Laden, Pflegen und Entleeren der Öfen verwendet. In diesem Artikel werden Best Practices für Big-Box-Biokohleöfen beschrieben, einschließlich Design, Transport, Platzierung, Beladung, Beleuchtung, Abschrecken und Entsorgungsverfahren für Anfänger, die ihre eigenen Big-Box-Biokohleofenprogramme entwickeln.
Die Produktion von Biokohle erfordert eine sauerstoffarme Verbrennungsumgebung, und die Big-Box-Öfen verwenden eine Flammenkappenmethode (manchmal auch als Flammenvorhang bezeichnet), um Material mit begrenzter Rauchentwicklung zu verbrennen. Diese Öfen wurden so konzipiert, dass sie mit einem ausreichend ausgelegten Anhänger leicht zur Baustelle transportiert werden können. Ein Minibagger oder eine andere Maschine wird zum Laden, Pflegen und Entleeren der Öfen verwendet. Dem Autor ist kein zugänglicheres Mittel bekannt, mit dem Menschen dauerhaften Kohlenstoff auf der Farm, der Ranch oder im Hinterhof binden können. In diesem Artikel werden Best Practices für Big-Box-Biokohleöfen beschrieben, einschließlich Design, Transport, Platzierung, Beladung, Beleuchtung, Abschrecken und Entsorgungsverfahren für Anfänger, die ihre eigenen Big-Box-Biokohle-Ofenprogramme entwickeln.
Introduction
Gefährliche Brennstoffe sind ein großes Problem in der Wildnis im gesamten Westen1. Da Brandmanager wenig tun können, um das Wetter zu kontrollieren, ist die Kontrolle von Brennstoffen ihre beste Option2. Ziel dieser Methode ist es, ein neues, skalierbares Werkzeug zur Verfügung zu stellen, um Altholz zu reduzieren und gleichzeitig Pflanzenkohle wirtschaftlich und praktisch zugänglich zu produzieren. Förster stapeln und verbrennen traditionell Material aus Holzeinschlags- und Brennstoffreduzierungsprojekten, aber Einschränkungen der Luftqualität und längere Brandsaisons haben das Abbrennen offener Haufen in den letzten Jahrzehnten erheblich erschwert3. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass das Abbrennen offener Pfähle durch übermäßige Hitze potenzielle Langzeitschäden an den Böden verursachenkann 4. All diese Herausforderungen sind der Grund, warum die UBRG diese Technik für die Pflanzenkohleproduktion entwickelt. Die UBRG hat sich zum Ziel gesetzt, einen kostengünstigen, leicht zugänglichen Ansatz zur Reduzierung gefährlicher Kraftstoffe zu bieten, der zu einem wertvollen Produkt führt5. Dieser Ansatz, Brennstoffe in Rohstoffe umzuwandeln und zu versuchen, aus minderwertigem Holz einen Mehrwert zu schaffen, ist voller Herausforderungen. Dieser Ansatz konserviert einen Teil dieses Kohlenstoffs, der sonst durch Verbrennung oder Verrottung verloren geht, und verarbeitet ihn zu einer dauerhaften Form mit einer Halbwertszeit von fast 1.000 Jahren im Boden6; Dies ist 10-1.000 Mal länger als die Verweilzeiten der meisten organischen Bodensubstanzen7.
Der Designprozess des Big-Box-Ofens begann mit einer Überprüfung anderer Derivate einer Technologie, die ihren Ursprung in Japan hatte. Im Jahr 2011 berichteten Inoue et al.8 über die Karbonisierungseffizienz und -qualität von Biokohle, die im “rauchlosen Holzkohleofen M50” der Firma Moki in Japan hergestellt wird. In diesen kleinen, kegelförmigen Öfen wurde Biokohle mit Umwandlungswirkungsgraden zwischen 13 % und 19,5 % auf Basis der Trockenmasse hergestellt. Die Autoren fanden heraus, dass die Werte des fixierten Kohlenstoffs und des Kohlenstoffgehalts der Kohle denen von Holzkohle entsprachen, die in einem Retortenverfahren bei einer Temperatur von etwa 600 °C hergestellt wurde.
Die Big-Box-Form wurde erstmals von Kelpie Wilson in einer Machbarkeitsstudie für den North Dakota Forest Service zur Karbonisierung der Entfernung von Shelterbelt-Bäumen vorgeschlagen. Wilson schlug vor, einen modifizierten Müllcontainer aus Stahl als Flammenkappenofen für die Verarbeitung von größerem Material zu verwenden. Das Big-Box-Ofendesign enthält mehrere Verbesserungen des Konzepts, die zur Haltbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Mobilität beitragen, wie unten beschrieben. Wilsons Abbildung enthält Vorschläge für die Wiederverwendung von Containern wie Müllcontainern und Öltanks für diesen Zweck; wiederverwendetes Material wurde jedoch in der Regel lackiert oder verzinkt und kann die Workshop-Teilnehmer schädlichen Chemikalien in der Luft aussetzen.
Die Emissionen aus dem Big-Box-Ofen wurden noch nicht gemeldet, aber Cornelissen et al.9 führten Emissionstests an verschiedenen Arten von Kon-Tiki-Öfen (einem Tiefkegelofen) durch und stellten fest, dass die Emissionen im Allgemeinen niedriger waren als die aus der offenen Verbrennung von Biomasse-Rohstoffen. Sie testeten auch die hergestellten Pflanzenkohle auf polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und stellten fest, dass die PAK-Werte deutlich unter dem norwegischen Höchstwert für tolerierbares Risiko (MTR) für Böden lagen. Eine Lebenszyklusanalyse des Oregon-Ofens (ein flacher pyramidenförmiger Ofen) zeigte, dass der Betrieb eines Flammenkappenofens im Wald kohlenstoffnegativ war, was zu einer Nettobindung von atmosphärischem Kohlenstoff im Bodenführte 10.
Eine Einschränkung des Big-Box-Ansatzes sind nasse Rohstoffe. Während zwei Chargen pro Tag von Material mit großem Durchmesser in diesen Öfen in trockenen Klimazonen und trockenen Rohstoffen eine vernünftige Erwartung sind, ist eine Charge pro Tag an Standorten mit höherer Luftfeuchtigkeit und Brennstofffeuchtigkeit eine vernünftigere Erwartung. Trockenrohstoffe sind produktiver; Nasses Ausgangsmaterial schränkt die Produktivität des Ofens ein. Nasse Rohstoffe an einem nassen Tag funktionieren nicht gut. Nasse Rohstoffe mit einem Durchmesser von weniger als 10 cm pyrolysieren vollständiger als nasse Rohstoffe mit größerem Durchmesser. Trockenes Material kann bei nassem und/oder verschneitem Wetter leicht pyrolysiert werden. Big-Box-Öfen haben erfolgreich trockene Stämme in Ofenlänge mit einem Durchmesser von mehr als 0,76 m (30 Zoll) und Zweigen mit einem Durchmesser von weniger als 1 cm pyrolysiert.
Der Ofenbetrieb wird von den meisten Luftqualitätsbehörden wie das Abbrennen offener Haufen behandelt, und in Utah wird die Genehmigung nur drei Tage im Voraus erteilt, was die Planung erschwert, insbesondere in den Wintermonaten, wenn atmosphärische Inversionen in unseren Gemeinden üblich sind. Die Kosten für die Durchführung einer Biokohleverbrennung sind viel höher als das einfache Verbrennen der Pfähle, was eine weitere Einschränkung dieses Ansatzes darstellt. Diese Technik ist die erste veröffentlichte Low-Tech-Methode zur Herstellung von Pflanzenkohle in einem Maßstab, der auf eine teure Vorverarbeitung von Rohstoffen wie Mahlen und Zerkleinern vor dem Pyrolyse verzichtet. Diese Methode ist nützlich für die meisten Holzreste, die nicht über das Schneiden in handliche Stückgrößen hinaus gehäckselt oder verarbeitet wurden. Diese Methode ist nicht nützlich für kleine Stückgrößen oder Rohstoffe, die Matten oder Materialklumpen bilden, wie Gräser, Maisstroh und Reishülsen.
Ofen-Design
Der BB12 ist ein doppelwandiger Ofen mit einer Länge von 3,7 m, einer Breite von 1,8 m und einer Höhe von 1,2 m aus 14-Gauge-Stahl. Die Größe und Form kann variiert werden. Pläne sind auf der UBRG-Websiteverfügbar 11. Es wird keine Luft in den Ofen gelassen, außer an der Spitze; Dies ist entscheidend für die Entwicklung der Flammenkappe, die den größten Teil der brennbaren Stoffe verbraucht, wenn sie durch die Wärmesäule aufsteigen. Siehe Abbildung 1 für Details zu den Innenecken des Ofens. Die Ausnahme ist eine Entwässerungsöffnung, die als Hundetür bezeichnet wird und in Abbildung 2 dargestellt ist, da sie eine ähnliche Größe wie eine gewöhnliche Hundetür hat. Es hat ein verschiebbares Metallstück mit einem Griff, so dass es beim Betrieb des Ofens nach unten gedrückt und angehoben werden kann (Achtung: Heiß), wenn es bereit ist, den Ofen zu entleeren.
Die beiden Wände sind getrennt, um einen Luftspalt12 zu schaffen, und sind oben offen und unten nicht vollständig abgedichtet, außer im Inneren des Ofens. Siehe Abbildung 3 für Details des Luftspalts und der Oberseite der Wände. Vermeiden Sie versiegelte Räume, um Probleme bei der Wärmeausdehnung und der daraus resultierenden Kontraktion zu vermeiden. Einwandige Öfen sind immer noch wirksam bei der Reduzierung gefährlicher Brennstoffe und der Herstellung von Biokohle, aber der doppelwandige Ofen ermöglicht es Geräten und Bedienern, mit weniger Hitzeeinwirkung nahe heranzukommen. Wenn die Produktion von Pflanzenkohle das wichtigste Ziel ist, könnte ein doppelwandiger Ofen effektiver sein. Wenn die Reduzierung gefährlicher Brennstoffe das Hauptziel und die Biokohle sekundär ist, ist ein einwandiger Ofen wahrscheinlich ausreichend.
Protocol
Representative Results
Discussion
In der Regel wird ein Teil der auf dem Gelände produzierten Pflanzenkohle von den Workshop-Teilnehmern in Eimern oder Säcken gesammelt und in Gärten oder landwirtschaftlichen Projekten der Menschen ausgebracht. Biokohle ist bröckelig und kann in kleine Stücke gebrochen werden, um sie leichter in den Boden einzuarbeiten, indem man mit einem Fahrzeug darüber fährt, mit einer harten Oberfläche darunter tritt oder sie mit der Schaufel des Minibaggers zerdrückt. Dieses Material kann auch als Holzkohle bezeichnet werden und wurde für das Kochen von Holzkohle im Freien gesammelt, was möglicherweise ein lokal bezogenes Material darstellt, um die kulinarischen Merkmale einer Mahlzeit zu ergänzen.
Vergleicht man Big-Box-Biokohleöfen mit Flammenkappe mit anderen Produktionsmethoden für Biokohle12, so können mobile Karbonisierer 63.502 kg pro Tag (70 Tonnen) verarbeiten, verglichen mit 12.500 kg pro Tag mit einem Big-Box-Ofen. Die Kosten für mobile Karbonisierer sind viel höher als für einen Big-Box-Ofen, beginnend bei 500.000 US-Dollar in der Anschaffung, im Gegensatz zu weniger als 10.000 US-Dollar für die Herstellung eines Big-Box-Ofens. Obwohl ein einzelner Big-Box-Ofen nur 20 % des Materials verarbeiten kann, das ein mobiler Karbonisierer verarbeiten kann, kostet er nur 2 % des Kaufpreises eines mobilen Karbonisierers.
Beheizte Schneckenöfen können beispielsweise bis zu 5.443 kg Biomasse pro Tag verarbeiten, was viel weniger ist als die Kapazität von Big Box-Öfen von 12.500 kg pro Tag. Darüber hinaus können die Kosten für die Vorverarbeitung (Zerspanung) des Materials höher sein als die eigentliche Pyrolyse des Materials. Darüber hinaus tolerieren raffinierte Maschinen wie die beheizte Schnecke keine verschmutzten Rohstoffe, die in Forstbetrieben üblich sind. eine Schaufel voll Erde kann einen Schneckenofen abschalten, während ein Big-Box-Ofen mehrere Schaufeln Erde tolerieren kann, ohne den Betrieb wesentlich zu beeinträchtigen. Schließlich können die Kosten für einen Schneckenofen leicht das 10-fache eines Big-Box-Ofens betragen.
Der erste gebaute Big-Box-Ofen wird als BB16 bezeichnet, da er 4,9 m (16 ft) lang und 2,4 m (8 ft) breit ist und eine einwandige Konstruktion ist. Er war ursprünglich 1,8 m hoch und fast 1.360 kg (3.000 lbs.), was einen größeren Bagger, einen qualifizierten Bediener und einen Tieflader erforderte, was zu Terminproblemen führte. Dieser Ansatz war überdimensioniert, um die typischen Brennstofflasten in Utah zu bewältigen, und mit einer Höhe von 1,8 m war es sehr schwierig, Licht zu bekommen oder zu sehen, was unten im Ofen vor sich ging. Um diese Probleme anzugehen, diesen Ansatz besser auf die Brennstofflasten in Utah zu skalieren und ihn für den durchschnittlichen Forstwirt zugänglicher zu machen, wurde die Höhe auf 1,2 m (4 Fuß) Höhe reduziert. Das macht es einfacher, hineinzusehen und zu zünden. Es reduzierte es auch auf 1.043 kg (2.300 lbs.), was es überschaubar machte, es mit einem besser verfügbaren Pickup und Anhänger zu transportieren und mit einem Minibagger zu bewegen und zu betreiben, der keine Vorkenntnisse erfordert und in den meisten Ausrüstungsverleihgeschäften gemietet werden kann.
Der zweite von der UBRG gebaute Ofen ist eine doppelwandige Konstruktion, die einen besseren Hitzeschutz für die Bediener und Geräte in der Nähe des Ofens und eine gleichmäßigere Erwärmung im Inneren des Ofens13 ermöglicht. Ein Teil dieser Modifikation bestand darin, von 12-Gauge-Stahl auf 14-Gauge-Stahl umzusteigen, der dünner und leichter ist. Die UBRG hat Dutzende von Verbrennungen in diesen Öfen durchgeführt, und obwohl sie sich stellenweise ein wenig verbiegen, zeigen sie noch keine offensichtlichen Anzeichen einer hitzebedingten Metallermüdung. Sicherlich wird es wahrscheinlich zusätzliches Lernen geben, und es gibt viel Raum für weitere Innovationen.
Der doppelwandige BB12 ist das Design, das die meiste Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat und vielleicht das zugänglichste/praktischste für Kraftstoffe im Intermountain West ist. Größere Öfen sind für mehr/größere Brennstoffe besser geeignet, wie z. B. im Nordwesten der USA. Diese Methode hat sich bis zu einem 4,9 m (16 Fuß langen Ofen) bewährt. Bisher wurden Big Box-Öfen von anderen Parteien in Utah, Colorado, Montana, Texas und New York gebaut.
Die Öfen können betrieben werden, um die Biokohleproduktion zu maximieren oder die Reduzierung gefährlicher Brennstoffe zu maximieren, oder irgendwo dazwischen. Wenn die Reduzierung gefährlicher Brennstoffe das Hauptziel ist, können die Öfen nur dann nach dem Zufallsprinzip beladen und abgeschreckt werden, wenn der Ofen voller Kohlen ist. Wenn die Brandgefahr in der Umgebung gering ist, z. B. wenn der Boden mit mehreren Zentimetern Schnee bedeckt ist, können die Öfen am Abend vor Schichtende mit Brennstoffen überhäuft und die ganze Nacht brennen gelassen werden. So verbrauchen Sie Brennstoffe in einem kontrollierten Raum. Wenn die Produktion von Pflanzenkohle das Hauptziel ist, können die Rohstoffe in gleiche Größen sortiert und die Öfen mit Material ähnlicher Größenklasse beladen und häufig abgeschreckt werden, um die Kohlen zu erhalten. Typischerweise ist es eine Mischung aus diesen gegensätzlichen Zielen und die Öfen werden zwischen diesen beiden Extremen betrieben. Die Art des Ausgangsmaterials ist weniger wichtig, es sei denn, eine Pflanzenkohle mit bestimmten Eigenschaften ist das Ziel.
Aus diesen Öfen tritt eine begrenzte Menge Rauch aus; Die Idee ist, dass die Flammenkappe die brennbaren Stoffe verbraucht, wenn sie durch die Wärmesäule aufsteigen. In den Jahren 2019 und 2020 brachte der Koordinator des Rauchmanagementsystems von Utah, Paul Corrigan, seine Emissionsprüfgeräte zu Big Box-Biokohleofenvorführungen in der Nähe von Logan im Norden von Utah und Moab im Süden von Utah. In beiden Fällen verzeichnete die Ausrüstung keinen Anstieg der Emissionen aus den Öfen, da die Flammenkappe die Brennstoffe verbraucht, wenn sie durch die Wärmesäule aufsteigen. Im April 2023 führt das Emissionstestteam des USDA Forest Service Fire Lab Emissionstests an den Öfen in Tooele, Utah, durch; Diese Ergebnisse liegen noch nicht vor.
Die Arbeiter, die den Ofen pflegen, benötigen Handwerkzeuge zur Brandbekämpfung wie Schaufeln, Rechen, Pulaskis und Kettensägen. Zu den Best Practices gehört, dass alle anwesenden Personen Sicherheitsausrüstung wie Lederhandschuhe, Augenschutz, feuerfeste Kleidung oder zumindest Naturfaserkleidung tragen; synthetische Kleidung muss vermieden werden. Schutzhelme und Lederstiefel, lange Ärmel und Hosen tragen zum Schutz der Bediener bei.
Notfallkommunikation; Notfallplanung: Der Standort (oft entfernt) des Einsatzes muss zusätzlich zu der Möglichkeit eines Notfalls und dem damit verbundenen Kommunikationsbedarf berücksichtigt werden. Es ist wichtig zu wissen, wo der lokale Handyempfang am besten funktioniert. Ein Satellitentelefon oder eine Notrufbake wie Garmin InReach wäre sehr zu empfehlen. Es ist wichtig, nicht alleine zu arbeiten.
Im Falle eines entwichenen Glut-/Punktbrandes muss der Deckel auf den Ofen gelegt werden, um zu verhindern, dass weitere Funken aus dem Ofen austreten. Die Maschinen müssen verwendet werden, um schnell eine Feuerlinie um das Feuer zu graben, und die brennenden Brennstoffe müssen von den unverbrannten Brennstoffen getrennt werden. Zum Löschen des Feuers muss die Wasserquelle verwendet werden. Wenn die Löschung nicht sofort erfolgen kann, rufen Sie 911 an.
Biokohle aus Big Box-Öfen wurde von Control Laboratories in Watsonville, Kalifornien, unter Verwendung des Labortests für das Zertifizierungsprogramm der International Biochar Initiative (IBI) charakterisiert, und die Ergebnisse zeigen 85 % organischen Kohlenstoff und 8 % Asche; Dies sind die Eigenschaften einer mäßig hochwertigen Pflanzenkohle. Die Mitarbeiter experimentieren mit dem Hinzufügen von Abrolluntersetzern am Boden, ähnlich wie bei großen Müllcontainern, sowie mit einer Tür, die eine der Stirnwände ist, um die Entfernung der fertigen Biokohle zu erleichtern. Es bleibt abzuwarten, ob diese Funktionen auch nach extremer Hitzeeinwirkung funktionsfähig bleiben.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ich möchte Kelpie Wilson von Wilson Biochar, dem Utah Bureau of Land Management, dem USDA Forest Service, der Utah Division of Forestry, Fire and State Lands, dem Utah Public Lands Initiative Grant Program, dem Utah State University Extension Grant Program, Brandon Barron von Burns, OR, ANR Fabrication of Logan, Utah, und der U.S. Biochar Initiative danken.
Materials
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References
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