Big Box Biochar Fırın Çalışması ve En İyi Uygulamalar
Summary
Utah Biyokütle Kaynakları Grubu (UBRG), odun içi biyokömür üretimine izin veren Big Box fırınları adı verilen metal kutuları kullanarak tehlikeli yakıt azaltma ve biyokömür üretimine yenilikçi bir yaklaşımla basit biyokömür fırınlarını ölçeklendirdi. Bu makale, Big Box biochar fırınının çalışmasını ve en iyi uygulamaları özetlemektedir.
Abstract
Big Box biyokömür fırınları, hareketli parçası olmayan basit bir metal kutuda odun içi biyokömür üretimine izin veren açık kazık yakmaya bir alternatiftir. Bu yaklaşım, odun kömürü üreticileri tarafından yüzyıllardır kullanılan teknolojiye dayanmaktadır, ancak modern, mekanize bir yaklaşımla. Fırınları yüklemek, bakımını yapmak ve boşaltmak için bir mini ekskavatör veya başka bir makine parçası kullanılır. Bu makale, kendi Big Box biyokömür fırın programlarını geliştiren yeni başlayanlar için tasarım, nakliye, yerleştirme, yükleme, aydınlatma, su verme ve boşaltma prosedürleri dahil olmak üzere Big Box biyokömür fırını en iyi uygulamalarını özetleyecektir.
Biyokömür üretimi, düşük oksijenli bir yanma ortamı gerektirir ve Big Box fırınları, sınırlı duman üretimi olan malzemeleri yakmak için bir alev kapağı (bazen alev perdesi olarak da adlandırılır) yöntemi kullanır. Bu fırınlar, yeterli dereceli bir treyler kullanılarak sahaya kolayca aktarılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Fırınları yüklemek, bakımını yapmak ve boşaltmak için bir mini ekskavatör veya başka bir makine parçası kullanılır. Yazar, insanların çiftlikte, çiftlikte veya arka bahçede dayanıklı karbonu ayırmaları için daha erişilebilir bir yolun farkında değil. Bu makale, kendi Big Box biyokömür fırın programlarını geliştiren yeni başlayanlar için tasarım, nakliye, yerleştirme, yükleme, aydınlatma, su verme ve boşaltma prosedürleri dahil olmak üzere Big Box biyokömür fırını en iyi uygulamalarını özetlemektedir.
Introduction
Tehlikeli yakıtlar, Batı’daki vahşi alanlarda büyük bir sorundur1. İtfaiye yöneticileri hava durumunu kontrol etmek için çok az şey yapabildiğinden, yakıtları kontrol etmek en iyi seçenektir2. Bu yöntemin amacı, ekonomik ve pratik olarak erişilebilir bir şekilde biyokömür üretirken atık ahşabı azaltmak için yeni, ölçeklenebilir bir araç sağlamaktır. Ormancılar geleneksel olarak tomrukçuluk ve yakıt azaltma projelerinden malzeme yığar ve yakarlar, ancak hava kalitesi kısıtlamaları ve daha uzun yangın mevsimleri son on yılda açık yığın yakmayı çok daha zor hale getirmiştir3. Ayrıca, açık kazık yakmanın aşırı ısıdantopraklarda potansiyel uzun vadeli hasara neden olduğu gösterilmiştir 4. Tüm bu zorluklar, UBRG’nin biyokömür üretimi için bu tekniği geliştirmesinin nedenini oluşturmaktadır. UBRG, değerli bir ürünle sonuçlanan tehlikeli yakıt azaltımına düşük maliyetli, yüksek erişilebilir bir yaklaşım sağlamak için yola çıktı5. Yakıtları hammaddeye dönüştürme ve düşük değerli odundan değer elde etmeye çalışma yaklaşımı, zorluklarla doludur. Bu yaklaşım, aksi takdirde yanma veya çürüme nedeniyle kaybedilen karbonun bir kısmını korur ve onu toprakta 1,000 yıla yaklaşan bir yarı ömürle dayanıklı bir forma dönüştürür6; Bu, çoğu toprak organik maddesinin kalma sürelerinden 10-1,000 kat daha uzundur7.
Big Box fırın tasarım süreci, Japonya’da ortaya çıkan bir teknolojinin diğer türevlerinin gözden geçirilmesiyle başladı. 2011 yılında Inoue ve ark.8 , Japonya’da Moki şirketi tarafından üretilen “dumansız kömür fırını M50″de üretilen biyokömürün karbonlaştırma verimliliği ve kalitesi hakkında rapor verdi. Biochar, kuru kütle bazında %13 ile %19,5 arasında değişen dönüşüm verimliliklerine sahip bu küçük, koni şeklindeki fırınlarda üretildi. Yazarlar, kömürün sabit karbon ve karbon içeriği değerlerinin, yaklaşık 600 °C sıcaklıkta bir imbik yöntemiyle yapılan odun kömürününkine eşit olduğunu bulmuşlardır.
Büyük Kutu şekli ilk olarak Kelpie Wilson tarafından Kuzey Dakota Orman Servisi için barınak ağacının kaldırılmasının karbonize edilmesi üzerine yapılan bir fizibilite çalışmasında önerildi. Wilson, daha büyük boyutlu malzemeleri işlemek için alev kapaklı fırın olarak modifiye edilmiş bir çelik çöp kutusu kullanılmasını önerdi. Big Box fırın tasarımı, aşağıda açıklandığı gibi dayanıklılık, kullanılabilirlik ve hareketliliğe yardımcı olan konseptte çeşitli iyileştirmeler içerir. Wilson’ın rakamı, çöp kutuları ve petrol tankları gibi konteynerlerin bu amaçla yeniden kullanılması için öneriler içeriyor; Bununla birlikte, yeniden kullanılan malzeme genellikle boyanmış veya galvanizlenmiştir ve atölye katılımcılarını havadaki zararlı kimyasallara maruz bırakabilir.
Büyük Kutu Fırınından kaynaklanan emisyonlar henüz rapor edilmemiştir, ancak Cornelissen ve ark.9 birkaç farklı Kon-Tiki fırını (derin koni fırını) üzerinde emisyon testi yaptı ve emisyonların genellikle biyokütle hammaddelerinin açık yakılmasından daha düşük olduğunu buldu. Ayrıca polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH) için üretilen biyokömürleri test ettiler ve PAH seviyelerinin topraklar için Norveç maksimum tolere edilebilir risk (MTR) seviyesinin oldukça altında olduğunu buldular. Oregon Fırınının (sığ piramit şeklindeki bir fırın) yaşam döngüsü analizi, alev kapaklı bir fırının odun içi çalışmasının karbon negatif olduğunu ve bunun da toprakta atmosferik karbonun net bir şekilde tutulmasınaneden olduğunu gösterdi 10.
Big Box yaklaşımının bir sınırlaması ıslak hammaddedir. Bu fırınlarda günde iki parti büyük çaplı malzeme almak kurak iklimlerde ve kuru beslemede makul bir beklenti iken, nem ve yakıt neminin daha yüksek olduğu yerlerde günde bir parti daha makul bir beklentidir. Kuru hammadde daha üretkendir; Islak hammadde, fırının verimliliğini sınırlayacaktır. Islak bir günde ıslak hammadde iyi çalışmıyor. Çapı 10 cm’den küçük ıslak besleme stoğu, daha büyük çaplı ıslak besleme stoğundan daha eksiksiz pirolize olacaktır. Kuru malzeme ıslak ve/veya karlı havalarda kolayca pirolize edilebilir. Big Box fırınları, çapı 0,76 m’ye (30 inç) kadar olan fırın uzunluğundaki kuru kütükleri ve çapı 1 cm’den daha az olan dalları başarıyla pirolize etmiştir.
Fırın işletimi, çoğu hava kalitesi düzenleyicisi tarafından açık kazık yakma gibi ele alınır ve Utah’ta izin yalnızca üç gün önceden verilir, bu da özellikle topluluklarımızda atmosferik inversiyonların yaygın olduğu kış aylarında planlamayı zorlaştırır. Bir biyokömür yakma işleminin maliyeti, bu yaklaşımın başka bir sınırlamasını sunan yığınları yakmaktan çok daha yüksektir. Bu teknik, pirolizden önce öğütme ve yontma gibi hammaddelerin pahalı ön işlemlerinden vazgeçen bir ölçekte biyokömür üretimi için yayınlanan ilk düşük teknolojili yöntemdir. Bu yöntem, yönetilebilir parça boyutlarında kesmenin ötesinde yontulmamış veya işlenmemiş çoğu odunsu döküntü için kullanışlıdır. Bu yöntem, küçük parça boyutundaki hammaddeler veya otlar, mısır sobası ve pirinç kabukları gibi malzeme matları veya küreleri oluşturacak hammaddeler için kullanışlı değildir.
Fırın tasarımı
BB12, 3,7 m (12 fit) uzunluğunda, 1,8 m (6 fit) genişliğinde ve 1,2 m (4 fit yüksekliğinde), 14 gauge çelikten yapılmış çift cidarlı bir fırındır. Boyut ve şekil değişebilir. Planlar UBRG Web Sitesindemevcuttur 11. Üst kısım dışında fırına hava girmesine izin verilmez; Bu, ısı sütunundan yükselirken yanıcı maddelerin çoğunu tüketen alev başlığını geliştirmek için kritik öneme sahiptir. Fırının iç köşelerinin ayrıntıları için Şekil 1’e bakın. Bunun istisnası, Şekil 2’de gösterilen köpek kapısı olarak adlandırılan bir drenaj portudur, çünkü boyut olarak ortak bir köpek kapısına benzer. Kulplu kayan bir metal parçasına sahiptir, böylece fırını çalıştırırken aşağı itilebilir, kapatılabilir ve fırını boşaltmaya hazır olduğunda kaldırılabilir (Dikkat: Sıcak).
İki duvar, bir hava boşluğu12 sağlamak için ayrılmıştır ve üstten açıktır ve fırının içi hariç, altta tamamen kapatılmamıştır. Hava boşluğunun ve duvarların üst kısmının ayrıntıları için Şekil 3’e bakın. Isı genleşmesi ve bunun sonucunda ortaya çıkan büzülme sırasında sorunları önlemek için kapalı alanlardan kaçının. Tek cidarlı fırınlar, tehlikeli yakıtları azaltmada ve biyokömür üretmede hala etkilidir, ancak çift cidarlı fırın, ekipmanın ve operatörlerin daha az ısıya maruz kalarak yakınlaşmasına olanak tanır. Biyokömür üretimi en önemli hedefse, çift cidarlı bir fırın daha etkili olabilir. Tehlikeli yakıtların azaltılması birincil hedefse ve biyokömür ikincil ise, tek duvarlı bir fırın muhtemelen yeterlidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tipik olarak, sahada üretilen biyokömürün bir kısmı, atölye katılımcıları tarafından kovalarda veya torbalarda toplanır ve insanların bahçelerine veya tarım projelerine uygulanır. Biochar gevrektir ve bir araçla üzerinden geçerek, altında sert bir yüzeyle üzerine basarak veya mini ekskavatörün kepçesiyle ezerek toprağa daha kolay karışmak için küçük parçalara ayrılabilir. Bu malzeme aynı zamanda odun kömürü olarak da adlandırılabilir ve açık havada kömürde yemek pişirmek için toplanmıştır ve potansiyel olarak bir yemeğin mutfak özelliklerine eklemek için yerel kaynaklı bir malzeme sağlar.
Big Box alev kapaklı biyokömür fırınlarını diğer biyokömür üretim yöntemleriylekarşılaştırdığımızda 12, mobil karbonlaştırıcılar, Big Box fırınında günde 12.500 kg’a kıyasla günde 63.502 kg (70 ton) işleyebilir. Mobil karbonlaştırıcıların maliyeti, bir Big Box fırınının üretilmesi için 500,000 $’dan daha azının aksine, satın almak için 10,000 $’dan başlayan bir Big Box fırınından çok daha yüksektir. Tek bir Big Box fırını, bir mobil karbonlaştırıcının yapabileceği malzemenin yalnızca %20’sini işleyebilse de, bir mobil karbonlaştırıcının satın alma fiyatının yalnızca %2’sine mal olacaktır.
Başka bir örnek olarak, ısıtmalı burgu fırınları günde 5.443 kg’a kadar biyokütle işleyebilir ve bu, Big Box fırınlarının günlük 12.500 kg kapasitesinden çok daha düşüktür. Ek olarak, malzemenin ön işlenmesinin (yontulmasının) maliyeti, malzemeyi gerçekten pirolize etmekten daha fazla olabilir. Ayrıca, ısıtmalı burgu gibi rafine edilmiş makineler, ormancılık operasyonlarında yaygın olan kirli hammaddeyi tolere etmeyecektir; bir kürek dolusu toprak, bir burgu fırınını kapatabilirken, bir Big Box fırını, operasyonu önemli ölçüde etkilemeden birkaç kürek dolusu toprağı tolere edebilir. Son olarak, bir burgu fırınının maliyeti, bir Big Box fırınının maliyetinin 10 katı olabilir.
İnşa edilen ilk Big Box fırını, 4,9 m (16 ft) uzunluğunda ve 2,4 m (8 ft) genişliğinde olduğu ve tek duvarlı bir yapı olduğu için BB16 olarak anılır. Başlangıçta 1,8 m (6 ft) yüksekliğindeydi ve 1.360 kg’a (3.000 lbs.) yakındı, bu da daha büyük bir ekskavatör, kalifiye bir operatör ve düşük çocuklu bir römork gerektiriyordu ve bu da zamanlama zorluklarına yol açtı. Bu yaklaşım, tipik Utah yakıt yükleriyle başa çıkmak için büyük boyutluydu ve 1,8 m (6 ft) yüksekliğinde, fırının içinde neler olup bittiğini aydınlatmak veya görmek çok zordu. Bu sorunları ele almak, bu yaklaşımı Utah yakıt yüklerine daha iyi ölçeklendirmek ve ortalama orman yöneticisi için daha erişilebilir hale getirmek için yükseklik 1,2 m (4 ft) yüksekliğe düşürüldü. Bu, görmeyi ve tutuşmayı kolaylaştırır. Ayrıca 1.043 kg’a (2.300 lbs.) indirdi, bu da daha uygun bir kamyonet ve treyler ile taşınmayı ve daha önce deneyim gerektirmeyen ve çoğu ekipman kiralama mağazasından kiralanabilen bir mini ekskavatörle taşınmayı ve çalıştırmayı yönetilebilir hale getirdi.
UBRG tarafından inşa edilen ikinci fırın, fırının yakınındaki operatörlere ve ekipmanlara daha iyi ısı koruması sağlayan ve fırın13 içinde daha eşit ısıtma sağlayan çift duvarlı bir yapıdır. Bu modifikasyonun bir kısmı, 12 ayar çelikten daha ince ve daha hafif olan 14 ayar çeliğe geçmekti. UBRG bu fırınlarda düzinelerce yanık yaptı ve yer yer biraz bükülmüş olsalar da, henüz ısıya bağlı metal yorgunluğuna dair belirgin bir belirti göstermiyorlar. Elbette, ek öğrenmenin gerçekleşmesi muhtemeldir ve sürekli yenilik için yeterli alan vardır.
Çift cidarlı BB12, en çok dikkat çeken tasarımdır ve belki de Intermountain West’teki yakıtlar için en erişilebilir/pratik olanıdır. Daha büyük fırınlar, Kuzeybatı ABD gibi daha fazla/daha büyük yakıtlarla daha uygun olacaktır. Bu yöntem 4,9 m’ye (16 ft uzunluğunda fırın) kadar kanıtlanmıştır. Bugüne kadar, Big Box fırınları Utah, Colorado, Montana, Teksas ve New York’taki diğer taraflarca inşa edildi.
Fırınlar, biyokömür üretimini en üst düzeye çıkarmak veya tehlikeli yakıtların azaltılmasını en üst düzeye çıkarmak için veya bunların arasında bir yerde çalıştırılabilir. Tehlikeli yakıtın azaltılması birincil hedef ise, fırınlar rastgele yüklenebilir ve yalnızca fırın kömürle dolduğunda söndürülebilir. Çevredeki yangın tehlikesi düşükse, örneğin zeminin birkaç santimetre karla kaplı olması gibi, fırınlar vardiya bitiminden önceki akşam yakıtlarla üst üste istiflenebilir ve bütün gece yanmaya bırakılabilir; Böylece, kontrollü bir alanda yakıt tüketmek. Biyokömür üretimi birincil hedef ise, hammadde benzer boyutlara ayrılabilir ve fırınlar benzer boyut sınıfı malzeme ile yüklenebilir ve kömürleri korumak için sık sık söndürülebilir. Tipik olarak, bu karşıt hedeflerin bir karışımıdır ve fırınlar bu iki uç nokta arasında çalıştırılır. Amaç belirli özelliklere sahip bir biyokömür olmadıkça, hammaddenin türü daha az önemlidir.
Bu fırınlardan sınırlı miktarda duman çıkar; Buradaki fikir, alev kapağının yanıcı maddeleri ısı sütunundan yükselirken tüketmesidir. 2019 ve 2020’de Utah Duman Yönetim Sistemi Koordinatörü Paul Corrigan, emisyon test ekipmanını kuzey Utah’taki Logan ve güney Utah’taki Moab yakınlarındaki Big Box biyokömür fırını gösterilerine getirdi. Her iki durumda da, ekipman fırınlardan kaynaklanan emisyonlarda herhangi bir artış kaydetmedi, çünkü alev kapağı, ısı sütunundan yükselirken yanıcı maddeleri tüketir. Nisan 2023’te USDA Orman Servisi İtfaiye Laboratuvarı’nın emisyon testi ekibi, Utah, Tooele’deki fırınlarda emisyon testi yapıyor; Bu sonuçlar henüz mevcut değil.
Fırına bakan işçilerin kürek, tırmık, Pulaski ve motorlu testere gibi yangınla mücadele el aletlerine ihtiyacı olacak. En iyi uygulamalar arasında, mevcut tüm kişilerin deri eldiven, göz koruması, yangına dayanıklı giysiler veya en azından doğal elyaf giysiler gibi güvenlik donanımları giymesi yer alır; Sentetik giysilerden kaçınılmalıdır. Baretler ve deri botlar, uzun kollular ve pantolonlar operatörleri korumaya yardımcı olur.
Acil durum iletişimi; Acil durum planlaması: Acil durum olasılığına ve bununla ilgili iletişim ihtiyaçlarına ek olarak operasyonun konumu (genellikle uzak) dikkate alınmalıdır. Yerel cep telefonu alımının en iyi nerede işe yarayabileceğini bilmek çok önemlidir; bir uydu telefonu veya Garmin InReach gibi acil durum konum belirleme işaretçisi şiddetle tavsiye edilir. Yalnız çalışmamak önemlidir.
Kaçan bir köz/nokta yangını durumunda, fırından daha fazla kıvılcım çıkmasını önlemek için kapak fırının üzerine yerleştirilmelidir. Makine, nokta yangınının etrafına hızlı bir şekilde bir yangın hattı kazmak için kullanılmalı ve yanan yakıtlar yanmamış yakıtlardan ayrılmalıdır. Yangını söndürmek için su kaynağı kullanılmalıdır. Söndürme hemen sağlanamazsa, 911’i arayın.
Big Box fırınlarından elde edilen biyokömür, Uluslararası Biochar Girişimi (IBI) Sertifikasyon Programı için Laboratuvar Testleri kullanılarak Watsonville, CA’daki Kontrol Laboratuvarları tarafından karakterize edilmiştir ve sonuçlar %85 Organik Karbon ve %8 kül göstermektedir; Bunlar, orta derecede yüksek kaliteli bir biyokömürün özellikleridir. İşbirlikçiler, büyük çöp kutularına benzer şekilde, tabana yuvarlanan bardak altlıkları ve bitmiş biyokömürün çıkarılmasına yardımcı olmak için uç duvarlardan biri olan bir kapı eklemeyi deniyorlar. Bu özelliklerin aşırı sıcağa maruz kaldıktan sonra çalışabilir durumda olup olmadığı henüz belli değil.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wilson Biochar’dan Kelpie Wilson’a, Utah Arazi Yönetimi Bürosu’na, USDA Orman Servisi’ne, Utah Ormancılık, Yangın ve Eyalet Arazileri Bölümü’ne, Utah Kamu Arazileri Girişimi Hibe Programı’na, Utah Eyalet Üniversitesi Uzatma Hibe Programı’na, Burns’ten Brandon Barron’a, VEYA, Logan, Utah’ın ANR İmalatı’na ve ABD Biochar Girişimi’ne teşekkür etmek istiyorum.
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)
