תפעול כבשן ביו-פחם של Big Box ושיטות עבודה מומלצות
Summary
קבוצת משאבי ביומסה של יוטה (UBRG) הרחיבה את כבשני הביו-פחם הפשוטים בגישה חדשנית להפחתת דלק מסוכן וייצור ביו-פחם באמצעות קופסאות מתכת, הנקראות כבשני קופסה גדולה, המאפשרות ייצור ביו-פחם בתוך היער. מאמר זה מתאר את פעולת כבשן הביו-פחם Big Box ואת שיטות העבודה המומלצות.
Abstract
כבשני ביו-פחם מסוג Big Box הם חלופה לשריפת ערימות פתוחות המאפשרת ייצור ביו-פחם בתוך העץ בקופסת מתכת פשוטה ללא חלקים נעים. גישה זו מבוססת על טכנולוגיה ששימשה את יצרני הפחם במשך מאות שנים, אך בגישה מודרנית וממוכנת. מיני מחפר או מכונה אחרת משמשים לטעינה, טיפול וריקון הכבשנים. מאמר זה יתאר את שיטות העבודה המומלצות לכבשני ביו-פחם של Big Box, כולל הליכי תכנון, הובלה, מיקום, טעינה, תאורה, מרווה והשלכה למתחילים המפתחים תוכניות כבשן ביו-פחם Big Box משלהם.
ייצור ביו-פחם דורש סביבת שריפת חמצן נמוכה, וכבשני הקופסה הגדולה משתמשים בשיטת כובע להבה (המכונה לעתים מסך להבה) כדי לשרוף חומר עם ייצור עשן מוגבל. כבשנים אלה תוכננו להיות מועברים בקלות לאתר באמצעות נגרר בדירוג הולם. מיני מחפר או מכונה אחרת משמשים לטעינה, טיפול וריקון הכבשנים. המחבר אינו מודע לאמצעי נגיש יותר עבור אנשים ללכוד פחמן עמיד בחווה, בחווה או בחצר האחורית. מאמר זה מתאר את שיטות העבודה המומלצות לכבשן ביו-פחם של Big Box, כולל הליכי תכנון, הובלה, מיקום, טעינה, תאורה, מרווה והשלכת פסולת למתחילים המפתחים תוכניות משלהם לכבשן ביו-פחם Big Box.
Introduction
דלקים מסוכנים מהווים בעיה מרכזית בשטחי בר ברחבי המערב1. מכיוון שמנהלי כיבוי אש יכולים לעשות מעט כדי לשלוט במזג האוויר, שליטה בדלקים היא האפשרות הטובה ביותר שלהם2. מטרת שיטה זו היא לספק כלי חדש ומדרגי להפחתת פסולת עץ תוך ייצור ביו-פחם באופן נגיש מבחינה כלכלית ומעשית. יערנים נוהגים לערום ולשרוף חומרים מפרויקטים של כריתת עצים והפחתת דלק, אך הגבלות איכות האוויר ועונות שריפות ארוכות יותר הפכו את שריפת הכלונסאות הפתוחות לקשה הרבה יותר בעשורים האחרונים3. יתר על כן, שריפת כלונסאות פתוחות הוכחה כגורמת לנזק פוטנציאלי ארוך טווח לקרקעות מהחום המופרז4. כל האתגרים הללו מספקים את הסיבה לכך שה-UBRG מפתח טכניקה זו לייצור ביו-פחם. UBRG שמה לה למטרה לספק גישה בעלות נמוכה ונגישות גבוהה להפחתת דלקים מסוכנים שתוצאתה מוצר בעל ערך5. גישה זו של הפיכת דלקים לחומרי גלם וניסיון להפיק ערך מעץ בעל ערך נמוך מלאה באתגרים. גישה זו משמרת חלק מאותו פחמן, שאחרת אבד כתוצאה משריפה או ריקבון, ומעבדת אותו לצורה עמידה, עם זמן מחצית חיים המתקרב ל-1,000 שנה באדמה6; זמן זה ארוך פי 10-1,000 מזמני המגורים של רוב החומר האורגני בקרקע7.
תהליך תכנון כבשני הקופסה הגדולה החל בסקירה של נגזרות אחרות של טכנולוגיה שמקורה ביפן. בשנת 2011, Inoue et al.8 דיווחו על יעילות ואיכות הפחמן של ביו-פחם המיוצר ב”כבשן פחם ללא עשן M50″ המיוצר על ידי חברת מוקי ביפן. ביו-פחם יוצר בכבשנים קטנים אלה, דמויי חרוט, עם יעילות המרה הנעה בין 13% ל-19.5% על בסיס מסה יבשה. המחברים מצאו כי ערכי תכולת הפחמן והפחמן הקבועה של הפחם היו שווים לאלה של פחם שנעשה בשיטת retort בטמפרטורה של כ-600 מעלות צלזיוס.
צורת הקופסה הגדולה הוצעה לראשונה על ידי קלפי וילסון במחקר היתכנות עבור שירות היערות של צפון דקוטה בנושא הסרת עצי מחסה פחמניים. וילסון הציע להשתמש בפח אשפה מפלדה שונה ככבשן כובע להבה לעיבוד חומר גדול יותר. עיצוב כבשן הקופסה הגדולה כולל מספר שיפורים לקונספט המסייעים בעמידות, שימושיות וניידות, כמתואר להלן. דמותו של וילסון כוללת הצעות לייעוד מחדש של מכולות כגון פחי אשפה ומכלי נפט למטרה זו; עם זאת, חומר שעבר שינוי ייעוד בדרך כלל נצבע או מגולוון ועלול לחשוף את משתתפי הסדנה לכימיקלים מזיקים באוויר.
פליטות מכבשן הקופסה הגדולה טרם דווחו, אך Cornelissen et al.9 ערכו בדיקות פליטה על מספר סוגים שונים של כבשני Kon-Tiki (כבשן חרוט עמוק) ומצאו כי הפליטות היו בדרך כלל נמוכות יותר מאלה משריפה פתוחה של חומרי הזנה ביומסה. הם גם בדקו את הביו-פחם המיוצר עבור פחמימנים ארומטיים רב-טבעתיים (PAH) ומצאו כי רמות ה-PAH היו נמוכות בהרבה מרמת הסיכון הנסבל המרבי (MTR) הנורבגי עבור קרקעות. ניתוח מחזור החיים של כבשן אורגון (כבשן רדוד בצורת פירמידה) הראה כי פעולתו ביער של כבשן כובע להבה הייתה שלילית פחמן, וכתוצאה מכך נוצר קיבוע נטו של פחמן אטמוספרי בקרקע10.
מגבלה אחת של גישת הקופסה הגדולה היא חומרי הזנה רטובים. בעוד ששתי אצוות ביום של חומר בקוטר גדול בכבשנים אלה הן ציפייה סבירה באקלים צחיח ובחומרי גלם יבשים, אצווה אחת ביום היא ציפייה סבירה יותר במקומות עם לחות גבוהה יותר ולחות דלק. חומרי הזנה יבשים פרודוקטיביים יותר; חומרי הזנה רטובים יגבילו את התפוקה של הכבשן. חומרי הזנה רטובים ביום רטוב לא עובדים טוב. חומרי הזנה רטובים בקוטר של פחות מ-10 ס”מ יבצעו פירוליזה מלאה יותר מאשר חומרי הזנה רטובים בקוטר גדול יותר. חומר יבש יכול בקלות פירוליזציה במזג אוויר רטוב ו / או מושלג. כבשני הקופסה הגדולה הצליחו לפרק בולי עץ יבשים באורך כבשן בקוטר של למעלה מ-0.76 מטר (30 אינץ’) והסתעפויות עד לקוטר של פחות מ-1 ס”מ.
הפעלת הכבשן מטופלת כמו שריפת ערימות פתוחות על ידי רוב הרגולטורים של איכות האוויר, וביוטה האישור ניתן רק שלושה ימים מראש, מה שמקשה על התכנון, במיוחד בחודשי החורף כאשר היפוכי אטמוספירה נפוצים ברחבי הקהילות שלנו. העלות של ביצוע שריפה ביו-פחם גבוהה בהרבה מאשר פשוט לשרוף את הערימות, מה שמציג מגבלה נוספת של גישה זו. טכניקה זו היא שיטת הלואו-טק הראשונה שפורסמה לייצור ביו-פחם בקנה מידה שמוותר על עיבוד מקדים יקר של חומרי גלם כגון טחינה ושבבים לפני פירוליזה. שיטה זו שימושית עבור רוב פסולת העץ שלא נסדקה או עובדה מעבר לחיתוך לגדלי חתיכות הניתנים לניהול. שיטה זו אינה שימושית עבור חומרי הזנה קטנים בגודל חתיכה או חומרי הזנה שייצרו מחצלות או כדוריות של חומר כגון עשבים, סטובר תירס וקליפות אורז.
עיצוב כבשן
BB12 הוא כבשן בעל דופן כפולה שאורכו 3.7 מטרים, רוחבו 1.8 מטרים וגובהו 1.2 מטרים, עשוי מפלדה בעלת 14 מדדים. הגודל והצורה יכולים להיות מגוונים. התוכניות זמינות באתר UBRG11. אסור להכניס אוויר לכבשן אלא בחלקו העליון; זה קריטי לפיתוח פקק הלהבה שצורך את רוב החומרים הדליקים כשהם עולים דרך עמוד החום. ראו איור 1 לפרטים על הפינות הפנימיות של הכבשן. היוצא מן הכלל הוא פתח ניקוז, המכונה דלת הכלב, שמוצג באיור 2 מאחר שהוא דומה בגודלו לדלת כלב רגילה. יש לו חתיכת מתכת מחליקה עם ידית כך שניתן לדחוף אותה למטה, לסגור אותה בעת הפעלת הכבשן ולהרים אותה (זהירות: חם) כאשר היא מוכנה לזרוק את הכבשן.
שני הקירות מופרדים כדי לספק מרווח אוויר12 והם פתוחים בחלק העליון ולא אטומים לחלוטין בתחתית, למעט בחלק הפנימי של הכבשן. ראו איור 3 לפרטים על מרווח האוויר וראש הקירות. הימנעו ממקומות אטומים כדי למנוע בעיות במהלך התפשטות החום והתכווצות כתוצאה מכך. כבשנים בעלי דופן אחת עדיין יעילים בהפחתת דלקים מסוכנים ובייצור ביו-פחם, אך הכבשן בעל הדפנות הכפולות מאפשר לציוד ולמפעילים להתקרב עם פחות חשיפה לחום. אם ייצור ביו-פחם הוא המטרה החשובה ביותר, כבשן בעל דופן כפולה עשוי להיות יעיל יותר. אם הפחתת דלקים מסוכנים היא המטרה העיקרית וביו-פחם הוא משני, סביר להניח שכבשן בעל דופן אחת יספיק.
Protocol
Representative Results
Discussion
בדרך כלל, חלק מהביו-פחם המיוצר באתר נאסף על ידי משתתפי הסדנה בדליים או בשקיות ומיושם בגינות של אנשים או בפרויקטים חקלאיים. ביו-פחם הוא פריך וניתן לשבור אותו לחתיכות קטנות כדי להשתלב בקלות רבה יותר באדמה על ידי נסיעה מעליו עם רכב, דריכה עליו עם משטח קשה מתחתיו, או מעיכה שלו עם דלי של מיני מחפר. חומר זה יכול להיקרא גם פחם ונאסף לבישול פחמים בחוץ, מה שעשוי לספק חומר מקומי להוסיף לתכונות הקולינריות של ארוחה.
בהשוואה בין כבשני ביו-פחם עם כובע להבה Big Box לשיטות ייצור ביו-פחם אחרות12, קרבוניזרים ניידים יכולים לעבד 63,502 ק”ג ליום (70 טון), בהשוואה ל-12,500 ק”ג ליום בכבשן Big Box. עלות הקרבוניזרים הניידים גבוהה בהרבה מכבשן ביג בוקס, החל מ-500,000 דולר לרכישה, לעומת פחות מ-10,000 דולר לייצור כבשן ביג בוקס. למרות שכבשן קופסה גדולה יחיד יכול לעבד רק 20% מהחומר שקרבונייזר נייד יכול, הוא יעלה רק 2% ממחיר הרכישה של קרבונייזר נייד.
כבשני אוגר מחוממים יכולים לעבד עד 5,443 ק”ג ביומסה ליום, כדוגמה נוספת, שהיא נמוכה בהרבה מהקיבולת של 12,500 ק”ג ליום של כבשני ביג בוקס. בנוסף, עלות העיבוד המוקדם (שבב) של החומר יכולה להיות יותר מאשר פירוליזציה בפועל של החומר. יתר על כן, מכונות מעודנות כגון אוגר מחומם לא יסבלו חומרי הזנה מלוכלכים הנפוצים בפעולות ייעור; חפירה של אדמה יכולה לסגור כבשן אוגר בעוד כבשן קופסה גדולה יכול לסבול כמה אתי חפירה של אדמה מבלי להשפיע באופן משמעותי על הפעולה. לבסוף, העלות של כבשן אוגר יכולה בקלות להיות פי 10 מזו של כבשן קופסה גדולה.
כבשן הקופסה הגדולה הראשון שנבנה מכונה BB16 מכיוון שאורכו 4.9 מטרים (16 רגל) ורוחבו 2.4 מטרים (8 רגל) והוא מבנה בעל דופן אחת. גובהו המקורי היה 1.8 מטרים (6 רגל) ומשקלו קרוב ל-1,360 ק”ג (3,000 ליברות), מה שהצריך מחפר גדול יותר, מפעיל מוסמך ונגרר נמוך, מה שהוביל לאתגרי תזמון. גישה זו הייתה גדולה מדי כדי להתמודד עם עומסי הדלק הטיפוסיים של יוטה, ובגובה 1.8 מטר (6 רגל), היה קשה מאוד להדליק או לראות מה קורה בתוך הכבשן. כדי לטפל בבעיות אלה, כדי להרחיב טוב יותר גישה זו לעומסי הדלק ביוטה, וכדי להפוך אותה לנגישה יותר למנהל היער הממוצע, הופחת הגובה לגובה של 1.2 מטר (4 רגל). כך קל יותר לראות פנימה ולהצית. הוא גם הוריד אותו ל-1,043 ק”ג (2,300 ליברות), מה שאפשר לשנע אותו עם טנדר ונגרר זמינים יותר, ולנוע ולפעול עם מיני מחפר שאינו דורש ניסיון קודם וניתן לשכור אותו ברוב חנויות השכרת הציוד.
הכבשן השני שנבנה על ידי UBRG הוא מבנה בעל דופן כפולה, המאפשר הגנה טובה יותר מפני חום למפעילים ולציוד הסמוך לכבשן ומאפשר חימום אחיד יותר בתוך הכבשן13. חלק מהשינוי הזה היה לעבור מפלדה של 12 גואז’ לפלדה של 14 מד, שהיא דקה וקלה יותר. ה-UBRG ביצע עשרות כוויות בכבשנים אלה, ולמרות שהם מתעקמים מעט בכתמים, הם עדיין לא מראים סימנים ברורים של עייפות מתכת הקשורה לחום. אין ספק שלמידה נוספת עשויה להתרחש ויש מקום רב להמשך החדשנות.
BB12 בעל הדפנות הכפולות הוא העיצוב שמשך את מירב תשומת הלב והוא אולי הנגיש/פרקטי ביותר עבור דלקים במערב הבין-הררי. כבשנים גדולים יותר יתאימו יותר עם דלקים גדולים יותר, כמו צפון מערב ארה”ב. שיטה זו הוכחה עד 4.9 מ ‘(כבשן באורך 16 רגל). עד כה, כבשני ביג בוקס נבנו על ידי גורמים אחרים ביוטה, קולורדו, מונטנה, טקסס וניו יורק.
ניתן להפעיל את הכבשנים כדי למקסם את ייצור הביו-פחם או למקסם את הפחתת הדלקים המסוכנים, או איפשהו באמצע. אם המטרה העיקרית היא הפחתת דלק מסוכן, ניתן לטעון את הכבשנים באופן אקראי ולהרוות אותם רק כאשר הכבשן מלא בגחלים. אם סכנת האש מסביב נמוכה, למשל כאשר הקרקע מכוסה בכמה סנטימטרים של שלג, ניתן לערום את הכבשנים גבוה עם דלקים בערב לפני סוף המשמרת ולהשאיר אותם לבעור כל הלילה; לכן, צריכת דלקים במרחב מבוקר. אם המטרה העיקרית היא ייצור ביו-פחם, ניתן למיין את חומרי הגלם לגדלים דומים ואת הכבשנים להעמיס חומר בגודל דומה ולהרוות לעתים קרובות כדי לשמר את הגחלים. בדרך כלל, זוהי תערובת של מטרות מנוגדות אלה והכבשנים מופעלים בין שני הקצוות הללו. המינים של חומרי הגלם פחות חשובים, אלא אם כן המטרה היא ביו-פחם בעל תכונות ספציפיות.
כמות מוגבלת של עשן יוצאת מהכבשנים האלה; הרעיון הוא שפקק הלהבה מכלה את החומרים הדליקים כשהם עולים דרך עמוד החום. בשנים 2019 ו-2020, מתאם מערכת ניהול העשן של יוטה, פול קוריגן, הביא את ציוד בדיקת הפליטה שלו להדגמות כבשן ביו-פחם ביג בוקס ליד לוגאן, בצפון יוטה, ומואב, בדרום יוטה. בשני המקרים, הציוד לא רשם עלייה בפליטות מהכבשנים מכיוון שפקק הלהבה מכלה את החומרים הדליקים כשהם עולים דרך עמוד החום. באפריל 2023, צוות בדיקת הפליטה של מעבדת הכבאות של שירות היערות של USDA ערך בדיקות פליטה בכבשנים בטואל, יוטה; תוצאות אלה עדיין אינן זמינות.
העובדים המטפלים בכבשן יזדקקו לכלי כיבוי אש ידניים כגון אתי חפירה, מגרפות, פולאסקים ומסורים חשמליים. שיטות עבודה מומלצות כוללות שכל הנוכחים ילבשו ציוד בטיחות כגון כפפות עור, הגנה על העיניים, בגדים עמידים באש או לפחות בגדים מסיבים טבעיים; יש להימנע מביגוד סינתטי. כובעים קשיחים ומגפי עור, שרוולים ארוכים ומכנסיים מסייעים להגן על המפעילים.
תקשורת חירום; תכנון מגירה: יש לקחת בחשבון את המיקום (לעתים קרובות מרוחק) של המבצע בנוסף לאפשרות של חירום ואת צרכי התקשורת סביב זה. חשוב לדעת היכן הקליטה הסלולרית המקומית עשויה לעבוד בצורה הטובה ביותר; טלפון לווייני או משואת איתור חירום כגון Garmin InReach יהיו מומלצים מאוד. חשוב לא לעבוד לבד.
במקרה של גחלת/שריפה נקודתית שנמלטה, יש להניח את המכסה על הכבשן כדי למנוע ניצוצות נוספים לצאת מהכבשן. יש להשתמש במכונות כדי לחפור במהירות קו אש סביב השריפה במקום, ויש להפריד את הדלקים הבוערים מהדלקים שלא נשרפו. יש להשתמש במקור המים לכיבוי האש. אם לא ניתן להשיג כיבוי באופן מיידי, התקשר 911.
ביו-פחם מכבשני Big Box אופיין על ידי מעבדות בקרה בווטסונוויל, קליפורניה באמצעות תוכנית בדיקות מעבדה להסמכה של יוזמת הביו-פחם הבינלאומית (IBI) והתוצאות מראות 85% פחמן אורגני ו-8% אפר; אלה הם המאפיינים של ביו-פחם באיכות גבוהה למדי. משתפי הפעולה מתנסים בהוספת תחתיות מתגלגלות בתחתית, בדומה לפחי אשפה גדולים, כמו גם דלת שהיא אחד מקירות הקצה כדי לסייע בהסרת הביו-פחם המוגמר. נותר לראות אם תכונות אלה יישארו ניתנות להפעלה לאחר חשיפה לחום קיצוני.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוני להודות לקלפי וילסון מווילסון ביוצ’אר, ללשכת ניהול הקרקעות של יוטה, לשירות היערות של משרד החקלאות האמריקאי, למחלקת הייעור, האש ואדמות המדינה של יוטה, לתוכנית המענקים של יוזמת האדמות הציבוריות של יוטה, לתוכנית מענקי ההרחבה של אוניברסיטת מדינת יוטה, לברנדון ברון מברנס, אורגון, ל-ANR Fabrication of Logan, יוטה, וליוזמת הביו-פחם של ארה”ב.
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)
