إنتاج وتوصيف وقياس الفحم الحيوي في الغابة باستخدام أفران غطاء اللهب المحمولة

في العديد من مناطق العالم ، بما في ذلك غرب الولايات المتحدة ، أدى تغير المناخ والجفاف والأنواع الغازية الغريبة إلى خلق أزمة حرائق الغابات التي تهدد النظم البيئية والمجتمعات. مع احتراق الغابات والأراضي الحرجية بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، تنبعث كميات كبيرة من الجسيمات وغازات الدفيئة في الغلاف الجوي ، مع عواقب وخيمة على صحة الإنسان والمناخ. على سبيل المثال ، تشير التقديرات إلى أن حرائق الغابات في كاليفورنيا في عام 2020 قد أطلقت حوالي 127 مليون ميغا طن من انبعاثات غازات الدفيئة ، أي ما يقرب من ضعف إجمالي تخفيضات انبعاثات غازات الدفيئة في كاليفورنيا من 2003 إلى 2019¹. على نحو متزايد ، يقوم العلماء ومديرو الأراضي بالتحقيق في الإجراءات البشرية التي يمكن أن تساعد في استعادة هذه الغابات والأراضي الحرجية وخدمات نظامها البيئي. يعد التخفيف اليدوي وإزالة الكتلة الحيوية الزائدة أحد أهم الإجراءات التي يجب اتخاذها². وتشمل إزالة الكتلة الحيوية التخلص منها، وحيثما توجد الكتلة الحيوية في مواقع نائية يصعب الوصول إليها، لا توجد سوى خيارات قليلة غير الحرق في الموقع في أكوام مائلة غير مدارة. تقوم أكوام الحرق غير المدارة بمهمة إزالة الوقود من المناظر الطبيعية ، لكنها تلحق الضرر بتربة الغابات لأن الحرارة المركزة تحت الأكوام تحرق الأفق العضوي للتربة ، تاركة وراءها تربة عارية معرضة للتآكل والاستعمار من قبل الأنواع الغازية. قد يستغرق الأمر عقودا لتجديد أفق التربة العضوية في ندبة كومة الحرق³. أكوام الحرق غير المدارة هي أيضا مصدر لانبعاثات الجسيمات وغازات الاحتباس الحراري. كما أن الدخان الناتج عن حرق كومة القطع يقيد النافذة المحترقة في مستجمعات المياه المحدودة الجودة ، مما يجعل إنجاز العمل أكثر صعوبة.

قام باحثون في دائرة الغابات التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية بفحص بديل إنتاج الفحم الحيوي من مواد القطع ، وحددوا العديد من التقنيات الواعدة ، بما في ذلك خيار استخدام أفران الفحم الحيوي الصغيرة والمتنقلة في الغابة⁴. تحويل قطع الغابات إلى biochar في الموقع له العديد من المزايا البيئية على الممارسة الحالية للتخلص من القطع عن طريق الحرق في أكوام الحرق ، بما في ذلك تقليل تسخين التربة وانبعاثات الجسيمات. Biochar المنتجة في الموقع يمكن إزالتها واستخدامها في الزراعة ، أو يمكن تركها في مكانها حيث تخدم العديد من الوظائف في استعادة صحة الغابات وتحسين التكيف مع تغير المناخ والجفاف. نظرا لأن ما يصل إلى 50٪ من إجمالي الكربون في العديد من تربة الغابات عبارة عن فحم من الحرائق الطبيعية^{التاريخية 5} ، فإن ترك الفحم الحيوي في الموقع الذي صنع فيه يمكن أن يعيد فحم تربة الغابات الذي غالبا ما يكون مفقودا من آفاق التربة الحديثة بسبب إخماد الحرائق ، مع تأثيرات غير معروفة على عمليات النظام البيئي⁶. Biochar ترك في مكانه على تربة الغابات يمكن أن يحاكي آثار الفحم الناتج عن الحرائق الطبيعية وينتج تأثيرات مماثلة على محتوى الكربون في التربة والخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية^{للتربة 7}.

في السنوات الأخيرة ، طورت شبكة دولية من عمال الغابات وأصحاب الغابات والباحثين ومستشاري الفحم الحيوي مجموعة من طرق الكربنة لتحويل قطع الغابات إلى فحم حيوي في الموقع كبديل لحرق كومة القطع. تعتمد هذه الطرق على مبدأ كربنة اللهب ، الذي تم تطويره وتسويقه لأول مرة في اليابان باسم “فرن الكربنة الذي لا يدخن” الذي تقدمه شركة Moki⁸. يصنع فرن الحلقة الفولاذية هذا الفحم الحيوي المتفحم جيدا مع كفاءة تحويل الكتلة الحيوية المبلغ عنها من 13٪ إلى 20٪ ، اعتمادا على المواد الخام المستخدمة⁹.

غالبا ما يشار إلى عملية إنتاج الفحم الحيوي أو الفحم باسم الانحلال الحراري ، وهو فصل مكونات الكتلة الحيوية بالحرارة في غياب الأكسجين. عادة ما ينظر إلى هذا على أنه الانحلال الحراري المعوج ، حيث يتم عزل الكتلة الحيوية ماديا عن الهواء في وعاء ساخن خارجيا. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث الانحلال الحراري أيضا في وجود هواء محدود ، كما هو الحال في التغويز وكربنة اللهب ، لأن الوقود الصلب مثل الخشب يحترق على مراحل. عندما يتم تطبيق الحرارة على الكتلة الحيوية ، فإن المرحلة الأولى من الاحتراق هي الجفاف ، حيث يتم تبخير الماء من المادة. ويتبع ذلك devolatilization وتشكيل الفحم في وقت واحد ، المعروف أيضا باسم الانحلال الحراري. يتم إطلاق الغاز المتطاير الذي يحتوي على الهيدروجين والأكسجين وحرقه في اللهب ، مما يضيف الحرارة باستمرار إلى العملية. عند إطلاق الغاز، يتحول الكربون المتبقي إلى كربون أروماتي، أو شار. المرحلة الأخيرة من الاحتراق هي أكسدة شار إلى رماد معدني¹⁰.

نظرا لأن هذه مراحل منفصلة تحدث في عملية الاحتراق المفتوحة ، فلدينا الفرصة لإيقاف العملية بعد تكوين الفحم عن طريق إزالة الهواء أو الحرارة. يتم تحقيق ذلك أثناء عملية إنتاج الفحم الحيوي عن طريق إضافة مواد جديدة باستمرار إلى كومة الحرق بحيث يتم دفن الفحم الساخن بواسطة مادة جديدة تقطع تدفق الأكسجين. يتراكم الفحم الساخن في قاع الكومة ويمنع من الاحتراق إلى رماد طالما أن اللهب موجود ، لأن اللهب يستهلك معظم الأكسجين المتاح. عندما تتم إضافة كل الوقود إلى الكومة ، يبدأ اللهب في التلاشي. في هذه المرحلة ، يمكن الحفاظ على الفحم الساخن عن طريق إزالة الأكسجين والحرارة ، عادة عن طريق رش الفحم بالماء وجرفه رقيقا ليبرد¹¹.

المبدأ الأساسي للتشغيل هو احتراق التدفق المعاكس. يحافظ هواء الاحتراق ذو التدفق المعاكس على انخفاض اللهب ويمنع انبعاث الجمر أو الشرر. يحرق اللهب أيضا معظم الدخان ، مما يقلل من الانبعاثات. باختصار ، تشرح المبادئ التالية تشغيل احتراق التدفق المعاكس في فرن غطاء اللهب: (1) يتدفق الغاز لأعلى بينما يتدفق هواء الاحتراق إلى أسفل ، (2) يتم إنشاء تدفق التيار المعاكس حيث يسحب الوقود المحترق الهواء إلى أسفل ، (3) تبقى ألسنة اللهب منخفضة وقريبة من الوقود ، مما يقلل من هروب الجمرة ، (4) يحترق الدخان في المنطقة الساخنة ، (5) لأن كل هواء الاحتراق يأتي من الأعلى ، تستهلكها النيران (6) القليل جدا من الهواء قادر على الوصول إلى الفحم غير المحترق الذي يسقط في قاع الفرن ، (7) يتم الحفاظ على الفحم حتى نهاية العملية عندما يتم إخماده أو إخماده.

بالإضافة إلى فوائده للتربة ، biochar هو أيضا وسيلة رائدة لإزالة الكربون للتخفيف من تغير المناخ. يمكن تحويل ما يصل إلى نصف الكربون في الكتلة الحيوية الخشبية إلى كربون عطري مستقر في شكل biochar¹². ومع ذلك ، لا تنتج جميع تقنيات الانحلال الحراري نفس الكمية من الكربون المتمرد الذي يظل مستقرا في التربة لمدة 100 عام أو أكثر (المقياس الرئيسي لتحديد قيمة إزالة الكربون). يرتبط استقرار الفحم الحيوي ارتباطا وثيقا بدرجة حرارة الإنتاج. تقدر درجة حرارة اللهب الكاظم للحرارة للأخشاب المحترقة بأنها قريبة من درجة حرارة البروبان ، 1,977 درجة مئوية¹³. يقترن إنتاج الفحم الحيوي في فرن غطاء اللهب ارتباطا وثيقا باللهب ، مع عدم وجود خسائر في نقل الحرارة عن طريق التوصيل عبر جدار معدني ، كما هو الحال في الانحلال الحراري المعوج. لذلك ، نتوقع أن تكون درجة حرارة الإنتاج مرتفعة طالما تم الحفاظ على اللهب أثناء العملية. أفاد مسح للفحم باستخدام مطيافية رامان¹⁴ أن عينة الفحم الحيوي من فرن غطاء اللهب (قدمها المؤلف الرئيسي Kelpie Wilson) كانت من بين العينات الثلاث ذات أعلى درجة حرارة واضحة لتشكيل الفحم ، في حدود 900 درجة مئوية.

المزدوجات الحرارية مطلوبة للوصول إلى الجزء الداخلي من الحرق وقياس درجة حرارة إنتاج الفحم الحيوي بدقة في فرن غطاء اللهب أو كومة الحرق ، وهذه باهظة الثمن وغير متوفرة للمنتجين ذوي التقنية المنخفضة. لذلك ، استخدمنا طريقة وصفها باحثون يعملون في منطقة الأمازون البرازيلية تستخدم أقلام تلوين حرارية (يستخدمها عمال اللحام للتحقق من درجة حرارة الأجزاء المعدنية) التي تذوب عند درجة حرارة معايرة¹⁵. يتم تمييز الطوب بأقلام تلوين ، ملفوفة بورق الألمنيوم ، وتوضع في أماكن مختلفة في الفرن أثناء الإنتاج. استخدمنا هذه الطريقة عدة مرات وقررنا أن درجات حرارة الفرن تجاوزت 650 درجة مئوية ، حيث تم إذابة علامات التلوين تماما. ستكون هذه طريقة مفيدة لتأكيد درجات حرارة الإنتاج عند الحاجة ؛ ومع ذلك ، فإن نقطة التحقق الرئيسية هي توثيق وجود اللهب في جميع الأنحاء.

لا يوجد الكثير من البيانات المنشورة حول خصائص biochar المصنوع من طرق كربنة اللهب منخفضة التقنية. ومع ذلك ، تم تحليل عينات الفحم الحيوي المصنوعة بطرق كربنة اللهب في العديد من أنواع الأفران بواسطة Cornellissen et al. ووجد أنها تفي بمعايير شهادة الفحم الحيوي الأوروبية (EBC) للفحم الحيوي ، بما في ذلك محتوى PAH المنخفض واستقرار الفحم الحيوي العالي. علاوة على ذلك ، كان للفحم الحيوي المنتج من كل من المواد الأولية الخشبية والعشبية متوسط محتوى كربون يبلغ 76 في المائة¹¹. قامت محطة أبحاث روكي ماونتن¹⁶ التابعة لخدمة الغابات الأمريكية بتحليل خمس عينات من الفحم الحيوي من أفران غطاء اللهب وأكوام الحرق المصنوعة في يوم ميداني في كاليفورنيا في عام 2022. كان متوسط محتوى الكربون في العينات 85 في المائة. بالنظر إلى هذه النتائج ، يمكننا أن نستنتج أنه من المحتمل أن biochar المصنوع من المخلفات الخشبية في أفران غطاء اللهب سوف يفي بالمتطلبات الأساسية لإزالة الكربون التي تم التحقق منها: محتوى عالي من الكربون واستقرار عالي للفحم الحيوي.

تم الآن إصدار بروتوكولين لإزالة الكربون لإنتاج الفحم الحيوي منخفض التقنية والقائم على المكان بواسطة Verra¹⁷ و European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink Protocol¹⁸. هذه البروتوكولات المطورة حديثا واعدة. ومع ذلك ، فإن لديهم بعض القيود عند تطبيقها على الغابات والغابات والمناظر الطبيعية الأخرى المهددة بالجفاف وحرائق الغابات. وبناء على ذلك، ستصف هذه الورقة منهجية جديدة، هي منهجية CM002 V1.0، من AD Tech¹⁹، والتي يتم تطويرها خصيصا لكربنة اللهب من الحطام الخشبي كجزء من إدارة الغطاء النباتي وأنشطة الحد من حمل الوقود. يؤكد تحليل دورة الحياة أن عزل الكربون بالفحم الحيوي باستخدام إنتاج الفحم الحيوي في الموقع من الكتلة الحيوية الخشبية في أفران غطاء اللهب ينتج فائدة صافية لإزالة الكربون²⁰. يمكن أن يساعد التنفيذ الناجح لبروتوكولات إزالة الكربون في تقديم الدعم المالي لأعمال الحد من الوقود الحيوية التي يجب القيام بها لحماية المجتمعات والنظم الإيكولوجية من حرائق الغابات وتدهور النظام البيئي. من أجل الوصول إلى مدفوعات إزالة الكربون ، يتم دمج القياسات الميدانية وطرق المراقبة الرقمية والإبلاغ والتحقق (D-MRV) كممارسات روتينية في منهجية إنتاج الفحم الحيوي الموضحة هنا. تتم مناقشة تفاصيل المنصة في المعلومات التكميلية (الملف التكميلي 1).

في حين يتم تصنيع العديد من التصاميم مفتوحة المصدر لأفران غطاء اللهب من قبل الأفراد لاستخدامهم الخاص²¹ ، على حد علمنا ، في هذا الوقت ، لا يوجد سوى فرن غطاء لهب واحد بسعة أكبر من متر مكعب واحد يتم إنتاجه بكميات كبيرة للبيع في أمريكا الشمالية ، فرن حلقة^{النار 22} ، فرن غطاء لهب محمول خفيف الوزن مصمم لسهولة التنقل باستخدام أطقم يدوية. يتكون الفرن من حلقة داخلية تتكون من ست صفائح من الفولاذ الطري مثبتة معا. حلقة خارجية مكونة من مسامير فولاذية أخف وزنا على الأقواس التي تربط الحلقة الداخلية معا. تعمل الحلقة الخارجية كدرع حراري يحتفظ بالحرارة لتحسين الكفاءة. الجزء العلوي من الفرن مفتوح للهواء ، وهذا هو المكان الذي يتشكل فيه غطاء اللهب. يوفر الهواء المتدفق عبر الفجوة الحلقية بين جسم الفرن الرئيسي والدرع الحراري هواء احتراق مسخن مسبقا للفرن ، مما يزيد من كفاءة الاحتراق (الشكل 1)

الشكل 1: رسم تخطيطي يوضح تدفق الهواء وخصائص اللهب وتراكم الفحم في فرن حلقة النار. يسحب هواء الاحتراق ذو التدفق المعاكس الدخان إلى المنطقة الساخنة ، حيث يحترق. يوفر الهواء المتدفق عبر الفجوة الحلقية بين جسم الفرن الرئيسي والدرع الحراري هواء احتراق مسخن مسبقا للقمن، مما يزيد من كفاءة الاحتراق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يبلغ قطر الفرن 2.35 م ، ويشكل أسطوانة يبلغ ارتفاعها مترا واحدا بحجم إجمالي يبلغ 4.3 م³. من الناحية العملية ، لا يتم ملء الفرن بالكامل إلى الأعلى ، لذا فإن دفعة الإنتاج النموذجية ستملأ الفرن من ما بين 1/2 إلى 3/4 ممتلئ لحجم الفحم الحيوي الذي يتراوح بين 2 و 3 أمتار مكعبة.

نظرا لأن فرن حلقة النار هو تصميم موحد ، فقد تم اعتماده كأول تقنية معتمدة للاستخدام في منهجية المكونات CM002 التي توفر إجراءات موحدة للقياس الكمي لفوائد غازات الدفيئة (GHG). يتم دمج خطوات القياس وجمع البيانات التي تلبي متطلبات CM002 في الطريقة. يتم الإبلاغ من خلال تطبيق الهاتف الذكي عن طريق الإجابة على استبيانات قصيرة طوال العملية وتحميل الصور ومقاطع الفيديو إلى تطبيق الهاتف المحمول.