Производство, определение характеристик и количественное определение биоугля в лесу с использованием портативных печей для обжига колпачков

Во многих регионах мира, включая западную часть США, изменение климата, засуха и чужеродные инвазивные виды вызвали кризис лесных пожаров, который угрожает экосистемам и сообществам. Поскольку леса и лесные массивы бесконтрольно горят, в атмосферу выбрасывается большое количество твердых частиц и парниковых газов, что приводит к разрушительным последствиям для здоровья человека и климата. Например, в результате лесных пожаров в Калифорнии в 2020 году, по оценкам, было выброшено около 127 миллионов мегатонн выбросов парниковых газов, что примерно в два раза превышает общий объем сокращения выбросов парниковых газов в Калифорнии с 2003 по 2019^год. Все чаще ученые и землеустроители изучают действия человека, которые могут помочь восстановить эти леса и лесные массивы и их экосистемные услуги. Ручное прореживание и удаление избыточной биомассы является одним из наиболее важных действий, которые необходимо предпринять². Удаление биомассы включает в себя ее утилизацию, и там, где биомасса находится в отдаленных и труднодоступных местах, существует несколько вариантов, кроме сжигания на месте в неуправляемых отвалах. Неуправляемые сжигаемые кучи выполняют работу по удалению топлива из ландшафта, но они повреждают лесные почвы, поскольку концентрированное тепло под кучами испепеляет органический горизонт почвы, оставляя после себя голую почву, уязвимую для эрозии и колонизации инвазивными видами. На восстановление органического почвенного горизонта в шраме от гари могут уйти десятилетия³. Неуправляемые горящие отвалы также являются источником выбросов твердых частиц и парниковых газов. Дым от сжигания подсечно-подсечных куч также ограничивает горящее окно в водосборных бассейнах с ограниченным качеством воздуха, что затрудняет выполнение работ.

Исследователи из Лесной службы Министерства сельского хозяйства США изучили альтернативу производства биоугля из подсечных материалов и определили несколько перспективных методов, в том числе вариант использования небольших мобильных печей для обжига биоугля^{в лесу.} Преобразование лесных порубков в биоуголь на месте имеет много экологических преимуществ по сравнению с существующей практикой утилизации подсечного мусора путем сжигания в кучах для сжигания, включая снижение нагрева почвы и выбросов твердых частиц. Биоуголь, произведенный на месте, может быть удален и использован в сельском хозяйстве, или его можно оставить на месте, где он выполняет несколько функций по восстановлению здоровья лесов и улучшению адаптации к изменению климата и засухе. Поскольку до 50% общего углерода во многих лесных почвах приходится на древесный уголь, образующийся в результате исторических природных^{пожаров5}, оставление биоугля на участке, где он производится, может восстановить древесный уголь в лесной почве, который часто отсутствует в почвенных горизонтах из-за тушения пожаров, с неизвестным воздействием на экосистемные процессы⁶. Биоуголь, оставленный на лесных почвах, может имитировать воздействие древесного угля, образующегося в результате естественного пожара, и оказывать аналогичное воздействие на содержание углерода в почве и физические, химические и биологические свойства почвы⁷.

В последние годы международная сеть работников лесного хозяйства, владельцев лесных угодий, исследователей и консультантов по биоугле разработала набор методов карбонизации для превращения лесной порубки в биоуголь на месте в качестве альтернативы сжиганию сжигания сжигания. Эти методы основаны на принципе пламенной карбонизации, впервые разработанном и коммерциализированном в Японии как «бездымная печь для карбонизации», предлагаемой компанией Moki⁸. Эта стальная кольцевая печь производит хорошо карбонизированный биоуголь с заявленной эффективностью преобразования биомассы в биоуголь от 13% до 20%, в зависимости от используемого сырья⁹.

Процесс производства биоугля или древесного угля часто называют пиролизом, разделением компонентов биомассы теплом в отсутствие кислорода. Обычно это воспринимается как пиролиз реторты, при котором биомасса физически отделяется от воздуха в сосуде с внешним обогревом. Однако пиролиз может происходить и в присутствии ограниченного количества воздуха, как при газификации и пламенной карбонизации, потому что твердые виды топлива, такие как древесина, горят поэтапно. Когда тепло прикладывается к биомассе, первой стадией горения является обезвоживание, так как вода испаряется из материала. За этим следует дегазация и одновременное образование угля, также известное как пиролиз. Летучий газ, содержащий водород и кислород, высвобождается и сжигается в пламени, постоянно добавляя тепло процессу. По мере высвобождения газа оставшийся углерод превращается в ароматический углерод, или уголь. Заключительной стадией горения является окисление угля до минеральной золы¹⁰.

Поскольку это дискретные фазы, которые происходят в процессе открытого горения, у нас есть возможность остановить процесс после образования угля, удалив воздух или тепло. Это достигается в процессе производства биоугля путем постоянного добавления нового материала в кучу для сжигания, чтобы горячий уголь был погребен новым материалом, который перекрывает поток кислорода. Горячий древесный уголь накапливается на дне кучи и не может сгореть до пепла до тех пор, пока присутствует пламя, потому что пламя потребляет большую часть доступного кислорода. Когда все топливо добавлено в кучу, пламя начинает затухать. В этот момент горячий уголь можно сохранить, удалив кислород и тепло, обычно опрыскивая угли водой и разгребая их тонким слоем, чтобы охладить¹¹.

Основным принципом работы является противоточное горение. Противоточный воздух для горения поддерживает низкое пламя и предотвращает выброс углей или искр. Пламя также сжигает большую часть дыма, уменьшая выбросы. Таким образом, следующие принципы объясняют работу противоточного горения в печи с пламенным колпачком: (1) Газ течет вверх, а воздух для горения – вниз, (2) Создается противоточный поток, когда горящее топливо втягивает воздух вниз, (3) Пламя остается низким и близко к топливу, сводя к минимуму утечку углей, (4) Дым горит в горячей зоне, (5) Поскольку весь воздух для горения поступает сверху, Он поглощается пламенем (6) Очень мало воздуха способно достичь несгоревших углей, которые падают на дно печи, (7) Угли сохраняются до конца процесса, когда они гасятся или гасятся.

В дополнение к своим преимуществам для почвы, биоуголь также является ведущим методом удаления углерода для смягчения последствий изменения климата. До половины углерода в древесной биомассе может быть преобразовано в стабильный ароматический углерод в форме биоугля¹². Однако не все технологии пиролиза производят одинаковое количество неподатливого углерода, которое остается стабильным в почве в течение 100 лет и более (ключевой показатель для определения величины удаления углерода). Стабильность биоугля тесно коррелирует с температурой производства. Температура адиабатического пламени горящей древесины, по оценкам, близка к температуре пропана, 1 977 °C¹³. Производство биоугля в печи с пламенным колпачком тесно связано с пламенем, без потерь теплопередачи за счет проводимости через металлическую стенку, как при пиролизе реторты. Поэтому можно было бы ожидать, что температура производства будет высокой до тех пор, пока пламя поддерживается во время процесса. Исследование угольщиков с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света¹⁴ показало, что образец биоугля из печи для обжига колпачков (предоставленный ведущим автором Келпи Уилсоном) был одним из трех образцов с самой высокой кажущейся температурой образования угля в диапазоне 900 °C.

Термопары необходимы для доступа к внутренней части сжигания и точного измерения температуры производства биоугля в печи с пламенным колпачком или куче для сжигания, а они стоят дорого и недоступны для низкотехнологичных производителей. Поэтому мы использовали метод, описанный исследователями, работающими в бразильской Амазонии, который использует тепловые мелки (используемые сварщиками для проверки температуры металлических деталей), которые плавятся при калиброванной температуре¹⁵. Кирпичи маркируются мелками, заворачиваются в алюминиевую фольгу и помещаются в различные места печи во время производства. Мы использовали этот метод несколько раз и определили, что температура печи превышает 650° C, так как следы от карандашей полностью расплавились. Это будет полезным методом для подтверждения температуры производства там, где это необходимо; Тем не менее, основным пунктом проверки будет документирование наличия пламени по всему периметру.

Опубликованных данных о характеристиках биоугля, полученного низкотехнологичными методами пламенной карбонизации, не так много. Тем не менее, образцы биоугля, изготовленные методами пламенной карбонизации в нескольких типах печей, были проанализированы Cornellissen et al. и признаны соответствующими стандартам Европейского сертификата биоугля (EBC) для биоугля, включая низкое содержание ПАУ и высокую стабильность биоугля. Кроме того, биоуголь, произведенный как из древесного, так и из травянистого сырья, имел среднее содержание углерода 76^{процентов11}. Исследовательская станция¹⁶ Лесной службы США в Скалистых горах проанализировала пять образцов биоугля из печей для обжига колпачков пламени и куч для сжигания, сделанных на дне поля в Калифорнии в 2022 году. Среднее содержание углерода в образцах составило 85 процентов. Учитывая эти результаты, можно сделать вывод, что вполне вероятно, что биоуголь, изготовленный из древесных остатков в пламенных колпачковых печах, будет соответствовать основным требованиям для верифицированного удаления углерода: высокое содержание углерода и высокая стабильность биоугля.

Два протокола удаления углерода для низкотехнологичного производства биоугля на месте были выпущены Verra¹⁷ и Европейским консорциумом биоугля Global Artisan C-Sink^{protocol 18}. Эти недавно разработанные протоколы являются многообещающими; Однако они имеют некоторые ограничения при применении к лесам, редколесьям и другим ландшафтам, находящимся под угрозой засухи и лесных пожаров. Соответственно, в этом документе будет описана новая методология, Методология CM002 V1.0 от AD Tech¹⁹, которая разрабатывается специально для пламенной карбонизации древесных остатков в рамках мероприятий по управлению растительностью и снижению топливной нагрузки. Анализ жизненного цикла подтверждает, что секвестрация углерода биоуглем с использованием производства биоугля из древесной биомассы на месте в печах с пламенными колпачками дает чистый эффект от удаления углерода²⁰. Успешная реализация протоколов по удалению углерода может помочь финансово поддержать жизненно важную работу по сокращению использования топлива, которая должна быть проведена для защиты сообществ и экосистем от лесных пожаров и деградации экосистем. Чтобы получить доступ к платежам за удаление углерода, полевые измерения и методы цифрового мониторинга, отчетности и верификации (D-MRV) включены в качестве рутинной практики в описанную здесь методологию производства биоугля. Подробная информация о платформе приведена в Дополнительной информации (Дополнительный файл 1).

В то время как несколько конструкций печей с пламенными колпачками с открытым исходным кодом изготавливаются частными лицами для собственного использования²¹, насколько нам известно, в настоящее время существует только одна печь для обжига колпачков емкостью более одного кубического метра, которая массово производится для продажи в Северной Америке, Ring of Fire Kiln²². Легкая, портативная печь для обжига колпачков, предназначенная для легкой мобильности с помощью ручных бригад. Печь состоит из внутреннего кольца, состоящего из шести листов низкоуглеродистой стали, скрепленных вместе. Наружное кольцо, состоящее из стали меньшего калибра, крепится болтами к кронштейнам, которые удерживают внутреннее кольцо вместе. Наружное кольцо служит тепловым экраном, который удерживает тепло для повышения эффективности. Верхняя часть печи открыта для воздуха, и именно здесь образуется колпак пламени. Воздух, проходящий вверх через кольцевой зазор между корпусом основной печи и теплозащитным экраном, подает предварительно нагретый воздух для горения в печь, что еще больше повышает эффективность горения (Рисунок 1)

Рисунок 1: Схема, показывающая расход воздуха, характеристики пламени и накопление угля в печи Ring of Fire. Противоточный воздух для горения вытягивает дым в горячую зону, где он сгорает. Воздух, проходящий через кольцевой зазор между основным корпусом печи и теплозащитным экраном, подает предварительно нагретый воздух для горения в печь, что еще больше повышает эффективность горения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Диаметр печи составляет 2,35 м, образуя цилиндр высотой один метр при общем объеме 4,3 м³ . На практике печь никогда не заполняется полностью доверху, поэтому типичная производственная партия заполняет печь от 1/2 до 3/4 для объема биоугля от 2 до 3 кубических метров.

Поскольку печь Ring of Fire представляет собой стандартизированную конструкцию, она была принята в качестве первой сертифицированной технологии для использования в методологии компонентов CM002, которая обеспечивает стандартизированные процедуры для количественной оценки преимуществ парниковых газов (ПГ). Этапы измерения и сбора данных, отвечающие требованиям CM002, включены в метод. Отчетность осуществляется через приложение для смартфона, отвечая на короткие анкеты на протяжении всего процесса и загружая фотографии и видеоклипы в мобильное приложение.