Operação do forno Big Box Biochar e melhores práticas
Summary
O Utah Biomass Resources Group (UBRG) ampliou fornos de biocarvão simples em uma abordagem inovadora para redução de combustível perigoso e produção de biocarvão usando caixas de metal, chamadas fornos Big Box, que permitem a produção de biocarvão em madeira. Este artigo descreve a operação do forno de biochar Big Box e as melhores práticas.
Abstract
Os fornos de biochar Big Box são uma alternativa à queima de estacas abertas que permite a produção de biocarvão em madeira em uma caixa de metal simples sem partes móveis. Essa abordagem é baseada na tecnologia usada por carvoeiros há séculos, mas com uma abordagem moderna e mecanizada. Uma miniescavadeira ou outra peça de maquinário é usada para carregar, cuidar e esvaziar os fornos. Este artigo descreverá as melhores práticas do forno de biochar Big Box, incluindo o projeto, transporte, colocação, carregamento, iluminação, têmpera e procedimentos de despejo para iniciantes que desenvolvem seus próprios programas de forno de biocarvão Big Box.
A produção de biocarvão requer um ambiente de baixa queima de oxigênio, e os fornos Big Box usam um método de tampa de chama (às vezes referido como uma cortina de chama) para queimar material com produção limitada de fumaça. Esses fornos foram projetados para serem facilmente transferidos para o local usando um reboque adequadamente classificado. Uma miniescavadeira ou outra peça de maquinário é usada para carregar, cuidar e esvaziar os fornos. O autor não tem conhecimento de um meio mais acessível para as pessoas sequestrarem carbono durável na fazenda, rancho ou quintal. Este artigo descreve as melhores práticas do forno de biochar Big Box, incluindo o projeto, transporte, colocação, carregamento, iluminação, têmpera e procedimentos de despejo para iniciantes que desenvolvem seus próprios programas de forno de biocarvão Big Box.
Introduction
Os combustíveis perigosos são um grande problema nas terras selvagens em todo o Oeste1. Como os gestores de incêndio podem fazer pouco para controlar o clima, controlar os combustíveis é sua melhor opção2. O objetivo deste método é fornecer uma nova ferramenta escalável para reduzir o desperdício de madeira enquanto produz biochar de forma econômica e praticamente acessível. Os silvicultores tradicionalmente empilham e queimam material de projetos de extração de madeira e redução de combustível, mas as restrições de qualidade do ar e as temporadas de incêndios mais longas tornaram a queima de pilhas abertas muito mais difícil nas últimas décadas3. Além disso, foi demonstrado que a queima de estacas a céu aberto causa danos potenciais a longo prazo aos solos devido ao calor excessivo4. Todos esses desafios fornecem a razão pela qual a UBRG está desenvolvendo esta técnica para a produção de biochar. A UBRG se propôs a fornecer uma abordagem de baixo custo e alta acessibilidade para a redução de combustível perigoso que resulta em um produto valioso5. Essa abordagem de transformar combustíveis em matérias-primas e tentar fazer valor com madeira de baixo valor é repleta de desafios. Essa abordagem conserva uma parte desse carbono, que de outra forma é perdido por queima ou apodrecimento, e o processa em uma forma durável, com uma meia-vida próxima de 1.000 anos no solo6; Isso é 10-1.000 vezes maior do que o tempo de residência da maioria da matéria orgânica do solo7.
O processo de projeto do forno Big Box começou com uma revisão de outros derivados de uma tecnologia originária do Japão. Em 2011, Inoue et al.8 relataram a eficiência carbonizante e a qualidade do biocarvão produzido no “forno de carvão sem fumaça M50” fabricado pela empresa Moki no Japão. O biocarvão foi produzido nesses pequenos fornos em forma de cone com eficiências de conversão variando entre 13% e 19,5% em massa seca. Os autores verificaram que os valores de carbono fixo e teor de carbono do carvão vegetal eram iguais aos do carvão vegetal feito pelo método de retorta à temperatura de cerca de 600 °C.
A forma Big Box foi sugerida pela primeira vez por Kelpie Wilson em um estudo de viabilidade para o Serviço Florestal da Dakota do Norte sobre a carbonização de remoções de árvores do cinturão de abrigo. Wilson sugeriu o uso de uma caçamba de lixo de aço modificada como forno de tampa de chama para processar material de maior tamanho. O design do forno Big Box inclui várias melhorias no conceito que ajudam na durabilidade, usabilidade e mobilidade, conforme descrito abaixo. A figura de Wilson inclui sugestões para reaproveitar contêineres como caçambas e tanques de óleo para esse fim; no entanto, o material reaproveitado geralmente foi pintado ou galvanizado e pode expor os participantes da oficina a produtos químicos nocivos no ar.
As emissões do forno Big Box ainda não foram relatadas, mas Cornelissen et al.9 realizaram testes de emissões em vários tipos diferentes de fornos Kon-Tiki (um forno de cone profundo) e descobriram que as emissões eram geralmente menores do que as da queima aberta de matérias-primas de biomassa. Eles também testaram os biochars produzidos para hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH) e descobriram que os níveis de PAH estavam bem abaixo do nível de risco máximo tolerável (MTR) norueguês para solos. Uma análise do ciclo de vida do forno Oregon (um forno raso em forma de pirâmide) mostrou que a operação em madeira de um forno com tampa de chama foi negativa em carbono, resultando em um sequestro líquido de carbono atmosférico no solo10.
Uma limitação da abordagem Big Box é a matéria-prima úmida. Enquanto dois lotes por dia de material de grande diâmetro nesses fornos é uma expectativa razoável em climas áridos e matéria-prima seca, um lote por dia é uma expectativa mais razoável em locais com maior umidade e umidade do combustível. A matéria-prima seca é mais produtiva; A matéria-prima úmida limitará a produtividade do forno. A matéria-prima úmida em um dia úmido não funciona bem. A matéria-prima úmida com menos de 10 cm de diâmetro irá pirolisar mais completamente do que a matéria-prima úmida de maior diâmetro. O material seco pode ser facilmente pirolisado em tempo úmido e/ou nevado. Os fornos Big Box pirolizaram com sucesso toras secas de comprimento de forno acima de 0,76 m (30 polegadas) de diâmetro e ramos até menos de 1 cm de diâmetro.
A operação do forno é tratada como queima de pilha aberta pela maioria dos reguladores de qualidade do ar e, em Utah, a permissão só é concedida com três dias de antecedência, o que dificulta o planejamento, especialmente nos meses de inverno, quando as inversões atmosféricas são comuns em torno de nossas comunidades. O custo da realização de uma queima de biocarvão é muito maior do que a simples queima das pilhas, o que apresenta outra limitação dessa abordagem. Esta técnica é o primeiro método de baixa tecnologia publicado para a produção de biochar em uma escala que dispensa o caro pré-processamento de matérias-primas, como moagem e lascagem, antes da pirolisação. Este método é útil para a maioria dos detritos lenhosos que não foram lascados ou processados além do corte em tamanhos de peças gerenciáveis. Esse método não é útil para matérias-primas de tamanho pequeno ou matérias-primas que formarão esteiras ou globs de material, como gramíneas, palha de milho e casca de arroz.
Projeto do forno
O BB12 é um forno de parede dupla que tem 3,7 m (12 pés) de comprimento, 1,8 m (6 pés) de largura e 1,2 m (4 pés de altura), feito de aço de calibre 14. O tamanho e a forma podem ser variados. Os planos estão disponíveis no site da UBRG11. Nenhum ar é permitido no forno, exceto na parte superior; Isso é fundamental para desenvolver a tampa de chama que consome a maioria dos combustíveis à medida que sobem pela coluna de calor. Consulte a Figura 1 para obter detalhes dos cantos internos do forno. A exceção é uma porta de drenagem, conhecida como porta do cão, mostrada na Figura 2 porque é semelhante em tamanho a uma porta comum do cão. Possui uma peça deslizante de metal com alça para que possa ser empurrada para baixo fechada ao operar o forno e levantada (Cuidado: Quente) quando estiver pronta para despejar o forno.
As duas paredes são separadas para proporcionar uma folga de ar12 e são abertas na parte superior e não completamente seladas na parte inferior, exceto no interior do forno. Consulte a Figura 3 para obter detalhes do vão de ar e do topo das paredes. Evite espaços vedados para evitar problemas durante a expansão do calor e a contração resultante. Fornos de parede simples ainda são eficazes na redução de combustíveis perigosos e na produção de biochar, mas o forno de parede dupla permite que equipamentos e operadores se aproximem com menos exposição ao calor. Se a produção de biocarvão é o objetivo mais importante, um forno de parede dupla pode ser mais eficaz. Se a redução de combustíveis perigosos é o objetivo primário e o biocarvão é secundário, um forno de parede única é provavelmente adequado.
Protocol
Representative Results
Discussion
Normalmente, uma parte do biochar produzido no local é coletado pelos participantes da oficina em baldes ou sacos e aplicado em hortas ou projetos agrícolas. O biochar é friável e pode ser quebrado em pequenos pedaços para incorporar mais facilmente ao solo, dirigindo sobre ele com um veículo, pisando nele com uma superfície dura embaixo ou amassando-o com a caçamba da miniescavadeira. Este material também pode ser referido como carvão vegetal e foi coletado para cozinhar carvão ao ar livre, potencialmente fornecendo um material de origem local para adicionar às características culinárias de uma refeição.
Comparando os fornos de biochar de tampa de chama Big Box com outros métodos de produção de biochar12, os carbonizadores móveis podem processar 63.502 kg por dia (70 toneladas), em comparação com 12.500 kg por dia com um forno Big Box. O custo dos carbonizadores móveis é muito mais alto do que um forno Big Box, começando em US $ 500.000 para comprar, em oposição a menos de US $ 10.000 para ter um forno Big Box fabricado. Embora um único forno Big Box possa processar apenas 20% do material que um carbonizador móvel pode, ele custará apenas 2% do preço de compra de um carbonizador móvel.
Fornos de trado aquecidos podem processar até 5.443 kg de biomassa por dia, como outro exemplo, que é muito menor do que a capacidade de 12.500 kg por dia dos fornos Big Box. Além disso, o custo de pré-processamento (lascar) o material pode ser maior do que realmente pirolisar o material. Além disso, máquinas refinadas, como o trado aquecido, não toleram matéria-prima suja que é comum em operações florestais; uma pá de terra pode desligar um forno de trado, enquanto um forno Big Box pode tolerar várias pás de solo sem afetar significativamente a operação. Finalmente, o custo de um forno de trado pode facilmente ser 10 vezes maior do que o de um forno Big Box.
O primeiro forno Big Box construído é referido como o BB16, pois mede 4,9 m (16 pés) de comprimento por 2,4 m (8 pés) de largura e é uma construção de parede única. Ele tinha originalmente 1,8 m (6 pés) de altura e pesava cerca de 1.360 kg (3.000 libras), o que exigia uma escavadeira maior, um operador qualificado e um reboque baixo, o que levou a desafios de agendamento. Essa abordagem era superdimensionada para lidar com as cargas de combustível típicas de Utah e, com 1,8 m (6 pés) de altura, era muito difícil acender ou ver o que estava acontecendo dentro do forno. Para resolver essas questões, para escalar melhor essa abordagem para as cargas de combustível de Utah e torná-la mais acessível ao gerente florestal médio, a altura foi reduzida para 1,2 m (4 pés) de altura. Isso facilita a visualização e a ignição. Ele também baixou para 1.043 kg (2.300 libras), o que o tornou gerenciável para transportar com uma picape e reboque mais disponíveis, e para se mover e operar com uma miniescavadeira que não requer experiência prévia e pode ser alugada na maioria das lojas de aluguel de equipamentos.
O segundo forno construído pela UBRG é uma construção de parede dupla, que permite melhor proteção térmica aos operadores e equipamentos próximos ao forno e permite um aquecimento mais uniforme dentro do forno13. Parte dessa modificação foi passar do aço de 12 guage para o aço de 14 gauge, que é mais fino e leve. A UBRG fez dezenas de queimaduras nesses fornos e, embora eles fiquem um pouco dobrados em pontos, eles ainda não estão mostrando sinais óbvios de fadiga de metal relacionada ao calor. Certamente, é provável que ocorra aprendizado adicional e há amplo espaço para inovação contínua.
O BB12 de parede dupla é o design que mais chamou a atenção e talvez seja o mais acessível/prático para combustíveis no Intermountain West. Fornos maiores serão mais apropriados com mais / maiores combustíveis, como o Noroeste dos EUA. Este método foi comprovado até um forno de 4,9 m (16 pés de comprimento). Até o momento, fornos Big Box foram construídos por outras partes em Utah, Colorado, Montana, Texas e Nova York.
Os fornos podem ser operados para maximizar a produção de biocarvão ou maximizar a redução de combustíveis perigosos, ou em algum lugar intermediário. Se a redução de combustível perigoso for o objetivo principal, os fornos podem ser carregados aleatoriamente e apagados apenas quando o forno estiver cheio de carvão. Se o perigo de incêndio ao redor for baixo, como quando o solo está coberto por vários centímetros de neve, os fornos podem ser empilhados com combustíveis à noite antes do final do turno e deixados para queimar a noite toda; assim, consumindo combustíveis em um espaço controlado. Se a produção de biocarvão for o objetivo principal, a matéria-prima pode ser classificada em tamanhos semelhantes e os fornos carregados com material de classe de tamanho semelhante e temperados com frequência para preservar os carvões. Normalmente, é uma mistura desses objetivos opostos e os fornos são operados entre esses dois extremos. A espécie da matéria-prima é menos importante, a menos que um biochar com propriedades específicas seja o objetivo.
Uma quantidade limitada de fumaça sai desses fornos; A ideia é que a tampa de chama consuma os combustíveis à medida que eles sobem pela coluna de calor. Em 2019 e 2020, o coordenador do Sistema de Gerenciamento de Fumaça de Utah, Paul Corrigan, levou seu equipamento de teste de emissões para demonstrações de fornos de biocarvão Big Box perto de Logan, no norte de Utah, e Moab, no sul de Utah. Em ambos os casos, o equipamento não registrou aumento nas emissões dos fornos porque a tampa da chama consome os combustíveis à medida que eles sobem pela coluna de calor. Em abril de 2023, a equipe de testes de emissões do Laboratório de Incêndios do Serviço Florestal do USDA realizou testes de emissões nos fornos em Tooele, Utah; Esses resultados ainda não estão disponíveis.
Os trabalhadores que cuidam do forno precisarão de ferramentas manuais de combate a incêndio, como pás, ancinhos, Pulaskis e motosserras. As melhores práticas incluem que todas as pessoas presentes usem equipamentos de segurança, como luvas de couro, proteção para os olhos, roupas resistentes ao fogo ou, pelo menos, roupas de fibra natural; Roupas sintéticas devem ser evitadas. Capacetes e botas de couro, mangas compridas e calças ajudam a proteger os operadores.
Comunicação de emergência; Planejamento de contingência: A localização (muitas vezes remota) da operação deve ser considerada, além da possibilidade de uma emergência e as necessidades de comunicação em torno disso. É crucial saber onde a recepção local do telefone celular pode funcionar melhor; um telefone via satélite ou um farol localizador de emergência, como um Garmin InReach, seria altamente recomendado. É importante não trabalhar sozinho.
Em caso de fuga de uma brasa/ponto de incêndio, a tampa deve ser colocada no forno para evitar que novas faíscas saiam do forno. A máquina deve ser usada para cavar rapidamente uma linha de fogo ao redor do local de incêndio, e os combustíveis queimados devem ser separados dos combustíveis não queimados. A fonte de água deve ser usada para extinguir o fogo. Se a extinção não puder ser obtida imediatamente, ligue para o 911.
O biochar de fornos Big Box foi caracterizado por Laboratórios de Controle em Watsonville, CA usando o Programa de Testes de Laboratório para Certificação da International Biochar Initiative (IBI) e os resultados mostram 85% de Carbono Orgânico e 8% de cinzas; Estas são as características de um biochar de qualidade moderadamente alta. Os colaboradores estão experimentando adicionar montanhas-russas roll-off na parte inferior, semelhantes a grandes lixeiras, bem como uma porta que é uma das paredes finais para ajudar na remoção do biochar acabado. Resta saber se esses recursos permanecem operáveis após a exposição ao calor extremo.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaria de agradecer a Kelpie Wilson da Wilson Biochar, ao Utah Bureau of Land Management, ao USDA Forest Service, à Utah Division of Forestry, Fire and State Lands, ao Utah Public Lands Initiative Grant Program, ao Utah State University Extension Grant Program, ao Brandon Barron de Burns, OR, à ANR Fabrication of Logan, Utah, e à U.S. Biochar Initiative.
Materials
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References
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