Funcionamiento y mejores prácticas del horno de biocarbón Big Box
Summary
El Grupo de Recursos de Biomasa de Utah (UBRG, por sus siglas en inglés) ha ampliado los hornos de biocarbón simples en un enfoque innovador para la reducción de combustibles peligrosos y la producción de biocarbón utilizando cajas de metal, llamadas hornos Big Box, que permiten la producción de biocarbón en los bosques. Este artículo describe el funcionamiento y las mejores prácticas de los hornos de biocarbón Big Box.
Abstract
Los hornos de biocarbón Big Box son una alternativa a la quema de pilas abiertas que permite la producción de biocarbón en la madera en una simple caja de metal sin partes móviles. Este enfoque se basa en la tecnología utilizada por los carboneros durante siglos, pero con un enfoque moderno y mecanizado. Se utiliza una miniexcavadora u otra pieza de maquinaria para cargar, atender y vaciar los hornos. Este artículo describirá las mejores prácticas de los hornos de biocarbón Big Box, incluidos los procedimientos de diseño, transporte, colocación, carga, iluminación, enfriamiento y descarga para principiantes que desarrollan sus propios programas de hornos de biocarbón Big Box.
La producción de biocarbón requiere un entorno de combustión con bajo contenido de oxígeno, y los hornos Big Box utilizan un método de tapa de llama (a veces denominado cortina de llama) para quemar material con una producción de humo limitada. Estos hornos han sido diseñados para ser fácilmente transferidos al sitio utilizando un remolque de clasificación adecuada. Se utiliza una miniexcavadora u otra pieza de maquinaria para cargar, atender y vaciar los hornos. El autor no conoce un medio más accesible para que las personas secuestren carbono duradero en la granja, el rancho o el patio trasero. Este artículo describe las mejores prácticas de los hornos de biocarbón Big Box, incluidos los procedimientos de diseño, transporte, colocación, carga, iluminación, enfriamiento y descarga para principiantes que desarrollan sus propios programas de hornos de biocarbón Big Box.
Introduction
Los combustibles peligrosos son un problema importante en las tierras silvestres de todo el oeste1. Como los administradores de incendios pueden hacer poco para controlar el clima, controlar los combustibles es sumejor opción. El objetivo de este método es proporcionar una herramienta nueva y escalable para reducir los residuos de madera mientras se produce biocarbón de una manera económica y prácticamente accesible. Tradicionalmente, los silvicultores apilan y queman el material procedente de proyectos de tala y reducción de combustible, pero las restricciones de la calidad del aire y las temporadas de incendios más largas han hecho que la quema de pilas abiertas sea mucho más difícil en lasúltimas décadas. Además, se ha demostrado que la quema de pilas abiertas causa daños potenciales a largo plazo a los suelos debido al calor excesivo4. Todos estos desafíos proporcionan la razón por la cual el UBRG está desarrollando esta técnica para la producción de biocarbón. El UBRG se propuso proporcionar un enfoque de bajo costo y alta accesibilidad para la reducción de combustibles peligrosos que resulte en un producto valioso5. Este enfoque de convertir los combustibles en materias primas e intentar obtener valor de la madera de bajo valor está plagado de desafíos. Este enfoque conserva una parte de ese carbono, que de otro modo se perdería por combustión o descomposición, y lo procesa en una forma duradera, con una vida media cercana a los 1.000 años en el suelo6; Esto es de 10 a 1.000 veces más largo que los tiempos de residencia de la mayor parte de la materia orgánica del suelo7.
El proceso de diseño del horno Big Box comenzó con una revisión de otros derivados de una tecnología que se originó en Japón. En 2011, Inoue et al.8 informaron sobre la eficiencia carbonizante y la calidad del biocarbón producido en el “horno de carbón sin humo M50” fabricado por la empresa Moki en Japón. El biocarbón se produjo en estos pequeños hornos en forma de cono con eficiencias de conversión que oscilaban entre el 13% y el 19,5% sobre una base de masa seca. Los autores encontraron que los valores de carbono fijo y el contenido de carbono del carbón vegetal eran iguales a los del carbón vegetal hecho en un método de retorta a una temperatura de aproximadamente 600 °C.
La forma de Big Box fue sugerida por primera vez por Kelpie Wilson en un estudio de factibilidad para el Servicio Forestal de Dakota del Norte sobre la carbonización de la remoción de árboles del cinturón protector. Wilson sugirió usar un contenedor de basura de acero modificado como horno de tapa de llama para procesar material de mayor tamaño. El diseño del horno Big Box incluye varias mejoras en el concepto que ayudan con la durabilidad, la facilidad de uso y la movilidad, como se describe a continuación. La figura de Wilson incluye sugerencias para reutilizar contenedores como contenedores de basura y tanques de petróleo para este propósito; Sin embargo, el material reutilizado generalmente ha sido pintado o galvanizado y puede exponer a los participantes del taller a sustancias químicas nocivas en el aire.
Todavía no se han informado las emisiones del horno Big Box, pero Cornelissen et al.9 realizaron pruebas de emisiones en varios tipos diferentes de hornos Kon-Tiki (un horno de cono profundo) y encontraron que las emisiones eran generalmente más bajas que las de la quema a cielo abierto de materias primas de biomasa. También analizaron los biocarbones producidos para hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y encontraron que los niveles de HAP estaban muy por debajo del nivel de riesgo máximo tolerable (MTR) noruego para los suelos. Un análisis del ciclo de vida del horno de Oregón (un horno en forma de pirámide poco profundo) mostró que el funcionamiento en el bosque de un horno de tapa de llama era carbono negativo, lo que resultaba en un secuestro neto de carbono atmosférico en el suelo10.
Una limitación del enfoque de Big Box es la materia prima húmeda. Si bien dos lotes por día de material de gran diámetro en estos hornos es una expectativa razonable en climas áridos y materia prima seca, un lote por día es una expectativa más razonable en lugares con mayor humedad y humedad del combustible. La materia prima seca es más productiva; La materia prima húmeda limitará la productividad del horno. La materia prima húmeda en un día húmedo no funciona bien. La materia prima húmeda de menos de 10 cm de diámetro se pirolizará más completamente que la materia prima húmeda de mayor diámetro. El material seco se puede pirolizar fácilmente en climas húmedos y/o nevados. Los hornos Big Box han pirolizado con éxito troncos secos de más de 0,76 m (30 pulgadas) de diámetro y ramificaciones de menos de 1 cm de diámetro.
La operación de los hornos es tratada como una quema de pilas abiertas por la mayoría de los reguladores de calidad del aire y, en Utah, el permiso solo se otorga con tres días de anticipación, lo que dificulta la planificación, especialmente en los meses de invierno cuando las inversiones atmosféricas son comunes en nuestras comunidades. El costo de realizar una quema de biocarbón es mucho más alto que simplemente quemar las pilas, lo que presenta otra limitación de este enfoque. Esta técnica es el primer método de baja tecnología publicado para la producción de biocarbón a una escala que renuncia al costoso preprocesamiento de materias primas, como la molienda y el astillado, antes de la pirolización. Este método es útil para la mayoría de los desechos leñosos que no han sido astillados o procesados más allá de cortarlos en tamaños de piezas manejables. Este método no es útil para materias primas de tamaño pequeño o materias primas que formarán esteras o pegotes de material como pastos, rastrojo de maíz y cáscaras de arroz.
Diseño del horno
El BB12 es un horno de doble pared de 3,7 m (12 pies) de largo, 1,8 m (6 pies) de ancho y 1,2 m (4 pies de alto), hecho de acero de calibre 14. El tamaño y la forma pueden variar. Los planes están disponibles en el sitio web de UBRG11. No se permite la entrada de aire en el horno, excepto en la parte superior; Esto es fundamental para desarrollar la tapa de llama que consume la mayoría de los combustibles a medida que ascienden a través de la columna de calor. Consulte la Figura 1 para obtener detalles de las esquinas interiores del horno. La excepción es un puerto de drenaje, conocido como puerta para perros, que se muestra en la Figura 2 porque es similar en tamaño a una puerta común para perros. Tiene una pieza de metal deslizante con un asa para que pueda cerrarse hacia abajo cuando se opera el horno y levantarse (Precaución: caliente) cuando esté listo para volcar el horno.
Las dos paredes están separadas para proporcionar un espacio de aire12 y están abiertas en la parte superior y no completamente selladas en la parte inferior, excepto en el interior del horno. Consulte la Figura 3 para obtener detalles del espacio de aire y la parte superior de las paredes. Evite los espacios sellados para evitar problemas durante la expansión del calor y la contracción resultante. Los hornos de pared simple siguen siendo eficaces para reducir los combustibles peligrosos y producir biocarbón, pero el horno de doble pared permite que los equipos y los operadores se acerquen con menos exposición al calor. Si la producción de biocarbón es el objetivo más importante, un horno de doble pared podría ser más efectivo. Si la reducción de combustibles peligrosos es el objetivo principal y el biocarbón es secundario, es probable que un horno de pared simple sea adecuado.
Protocol
Representative Results
Discussion
Por lo general, los participantes del taller recogen una parte del biocarbón producido en el sitio en cubos o bolsas y lo aplican a los jardines de las personas o a proyectos agrícolas. El biocarbón es friable y se puede romper en pedazos pequeños para incorporarlo más fácilmente al suelo conduciendo sobre él con un vehículo, pisándolo con una superficie dura debajo o aplastándolo con el cucharón de la miniexcavadora. Este material también se puede denominar carbón vegetal y se ha recolectado para cocinar al aire libre, lo que podría proporcionar un material de origen local para agregar a las características culinarias de una comida.
Al comparar los hornos de biocarbón con tapa de llama Big Box con otros métodos de producción de biocarbón12, los carbonizadores móviles pueden procesar 63.502 kg por día (70 toneladas), en comparación con los 12.500 kg por día con un horno Big Box. El costo de los carbonizadores móviles es mucho más alto que el de un horno Big Box, a partir de $ 500,000 para comprar, en comparación con menos de $ 10,000 para fabricar un horno Big Box. Aunque un solo horno Big Box puede procesar solo el 20% del material que puede procesar un carbonizador móvil, costará solo el 2% del precio de compra de un carbonizador móvil.
Los hornos de tornillo sinfín calentados pueden procesar hasta 5.443 kg de biomasa al día, por ejemplo, muy por debajo de los 12.500 kg diarios de los hornos Big Box. Además, el costo de preprocesar (astillar) el material puede ser mayor que la pirolización real del material. Además, las máquinas refinadas, como la barrena calentada, no tolerarán la materia prima sucia que es común en las operaciones forestales; una pala llena de tierra puede apagar un horno de barrena, mientras que un horno Big Box puede tolerar varias paladas de tierra sin afectar significativamente la operación. Finalmente, el costo de un horno de barrena puede ser fácilmente 10 veces mayor que el de un horno Big Box.
El primer horno Big Box construido se conoce como BB16, ya que mide 4,9 m (16 pies) de largo por 2,4 m (8 pies) de ancho y es una construcción de una sola pared. Originalmente tenía 1,8 m (6 pies) de altura y pesaba cerca de 1.360 kg (3.000 libras), lo que requería una excavadora más grande, un operador calificado y un remolque bajo, lo que generó desafíos de programación. Este enfoque estaba sobredimensionado para hacer frente a las cargas de combustible típicas de Utah, y con 1,8 m (6 pies) de altura, era muy difícil iluminar o ver lo que sucedía dentro del horno. Para abordar estos problemas, para escalar mejor este enfoque a las cargas de combustible de Utah y para hacerlo más accesible para el administrador forestal promedio, la altura se redujo a 1,2 m (4 pies) de altura. Esto hace que sea más fácil ver y encender. También lo redujo a 1.043 kg (2.300 libras), lo que lo hizo manejable para transportar con una camioneta y un remolque más disponibles, y para mover y operar con una miniexcavadora que no requiere experiencia previa y se puede alquilar en la mayoría de las tiendas de alquiler de equipos.
El segundo horno construido por la UBRG es una construcción de doble pared, que permite una mejor protección contra el calor para los operadores y los equipos cercanos al horno y permite un calentamiento más uniforme dentro del horno13. Parte de esta modificación fue pasar del acero de calibre 12 al acero de calibre 14, que es más delgado y liviano. El UBRG ha realizado docenas de quemas en estos hornos y, aunque se doblan un poco en algunos puntos, aún no muestran signos evidentes de fatiga por metales relacionados con el calor. Ciertamente, es probable que se produzca un aprendizaje adicional y hay un amplio margen para la innovación continua.
El BB12 de doble pared es el diseño que ha atraído la mayor atención y es quizás el más accesible/práctico para los combustibles en el oeste intermontañoso. Los hornos más grandes serán más apropiados con más combustibles, como en el noroeste de EE. UU. Este método ha sido probado hasta en un horno de 4,9 m (16 pies de largo). Hasta la fecha, los hornos Big Box han sido construidos por otras partes en Utah, Colorado, Montana, Texas y Nueva York.
Los hornos pueden funcionar para maximizar la producción de biocarbón o maximizar la reducción de combustibles peligrosos, o en algún punto intermedio. Si el objetivo principal es la reducción de combustible peligroso, entonces los hornos se pueden cargar al azar y enfriar solo cuando el horno está lleno de carbón. Si el peligro de incendio circundante es bajo, como cuando el suelo está cubierto de varios centímetros de nieve, los hornos pueden apilarse con combustibles por la noche antes del final del turno y dejarse arder toda la noche; por lo tanto, consumiendo combustibles en un espacio controlado. Si la producción de biocarbón es el objetivo principal, la materia prima se puede clasificar en tamaños similares y los hornos se pueden cargar con material de clase de tamaño similar y enfriar con frecuencia para preservar las brasas. Por lo general, es una mezcla de estos objetivos opuestos y los hornos funcionan entre estos dos extremos. La especie de la materia prima es menos importante a menos que el objetivo sea un biocarbón con propiedades específicas.
Una cantidad limitada de humo sale de estos hornos; La idea es que la tapa de la llama consuma los combustibles a medida que ascienden a través de la columna de calor. En 2019 y 2020, el coordinador del Sistema de Gestión de Humo de Utah, Paul Corrigan, llevó su equipo de prueba de emisiones a las demostraciones de hornos de biocarbón de Big Box cerca de Logan, en el norte de Utah, y Moab, en el sur de Utah. En ambos casos, el equipo no registró un aumento en las emisiones de los hornos porque el casquillo de llama consume los combustibles a medida que ascienden a través de la columna de calor. En abril de 2023, el equipo de pruebas de emisiones del Laboratorio de Incendios del Servicio Forestal del USDA realizó pruebas de emisiones en los hornos de Tooele, Utah; Estos resultados aún no están disponibles.
Los trabajadores que cuidan el horno necesitarán herramientas manuales de extinción de incendios, como palas, rastrillos, pulaskis y motosierras. Las mejores prácticas incluyen que todas las personas presentes usen equipo de seguridad como guantes de cuero, protección para los ojos, ropa resistente al fuego o al menos ropa de fibra natural; Se debe evitar la ropa sintética. Los cascos y las botas de cuero, las mangas largas y los pantalones ayudan a proteger a los operadores.
Comunicación de emergencia; Planificación de contingencias: Se debe considerar la ubicación (a menudo remota) de la operación, además de la posibilidad de una emergencia y las necesidades de comunicación en torno a ella. Es crucial saber dónde podría funcionar mejor la recepción local de teléfonos celulares; un teléfono satelital o una baliza de localización de emergencia como un Garmin InReach sería muy recomendable. Es importante no trabajar solo.
En caso de que se escape una brasa o un incendio puntual, la tapa debe colocarse en el horno para evitar que salgan más chispas del horno. La maquinaria debe usarse para cavar rápidamente una línea de fuego alrededor del incendio puntual, y los combustibles en llamas deben separarse de los combustibles no quemados. La fuente de agua debe utilizarse para extinguir el fuego. Si no se puede obtener la extinción de inmediato, llame al 911.
El biocarbón de los hornos Big Box ha sido caracterizado por los laboratorios de control en Watsonville, CA utilizando el Programa de Pruebas de Laboratorio para la Certificación de la Iniciativa Internacional de Biocarbón (IBI) y los resultados muestran un 85% de carbono orgánico y un 8% de cenizas; Estas son las características de un biocarbón de calidad moderadamente alta. Los colaboradores están experimentando con la adición de posavasos rodantes en la parte inferior, similares a los grandes contenedores de basura, así como una puerta que es una de las paredes finales para ayudar a eliminar el biocarbón terminado. Queda por ver si estas características siguen funcionando después de la exposición al calor extremo.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Me gustaría agradecer a Kelpie Wilson de Wilson Biochar, a la Oficina de Administración de Tierras de Utah, al Servicio Forestal del USDA, a la División de Silvicultura, Incendios y Tierras Estatales de Utah, al Programa de Subvenciones de la Iniciativa de Tierras Públicas de Utah, al Programa de Subvenciones de Extensión de la Universidad Estatal de Utah, a Brandon Barron de Burns, OR, a ANR Fabrication de Logan, Utah, y a la Iniciativa de Biocarbón de EE. UU.
Materials
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References
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