Portatif alev kapaklı fırınlar kullanarak ormanda biyokömür üretmek, karakterize etmek ve ölçmek

Batı ABD de dahil olmak üzere birçok dünya bölgesinde, iklim değişikliği, kuraklık ve yabancı istilacı türler, ekosistemleri ve toplulukları tehdit eden bir orman yangını krizi yarattı. Ormanlar ve ormanlık alanlar kontrolsüz bir şekilde yandıkça, atmosfere büyük miktarlarda partikül ve sera gazı salınır ve bu da insan sağlığı ve iklim için yıkıcı sonuçlar doğurur. Örneğin, 2020’de Kaliforniya’daki orman yangınlarının, Kaliforniya’nın 2003’ten 2019’a kadar olan toplam sera gazı emisyonu azaltımının yaklaşık iki katı olan yaklaşık 127 milyon megaton sera gazı emisyonu saldığı tahmin edilmektedir¹. Giderek artan bir şekilde, bilim adamları ve arazi yöneticileri, bu ormanları ve ormanlık alanları ve ekosistem hizmetlerini restore etmeye yardımcı olabilecek insan eylemlerini araştırıyorlar. Fazla biyokütlenin manuel olarak inceltilmesi ve uzaklaştırılması, yapılması gereken en önemli eylemlerden biridir². Biyokütlenin uzaklaştırılması, bertarafını içerir ve biyokütlenin uzak ve erişilmesi zor yerlerde bulunduğu yerlerde, yönetilmeyen eğik çizgi yığınlarında yerinde yakmaktan başka birkaç seçenek vardır. Yönetilmeyen yanma yığınları, yakıtları araziden uzaklaştırma işini yapar, ancak yığınların altındaki konsantre ısı toprağın organik ufkunu yaktığı için orman topraklarına zarar verir ve istilacı türler tarafından erozyona ve kolonizasyona karşı savunmasız olan çıplak toprağı geride bırakır. Yanık yığını izinde organik toprak ufkunun yenilenmesi on yıllar alabilir³. Yönetilmeyen yanık yığınları aynı zamanda partikül ve sera gazı emisyonu kaynağıdır. Eğik kazık yığınının yanmasından kaynaklanan duman, hava kalitesi sınırlı havzalarda yanan pencereyi de kısıtlayarak işin yapılmasını zorlaştırır.

USDA Orman Servisi araştırmacıları, eğik çizgi malzemelerinden biyokömür üretme alternatifini incelediler ve ormanda küçük, mobil biyokömür fırınları kullanma seçeneği de dahil olmak üzere birkaç umut verici teknik belirlediler⁴. Orman kesimini yerinde biyokömüre dönüştürmek, azaltılmış toprak ısıtması ve partikül emisyonları da dahil olmak üzere, yanık yığınlarında yakılarak mevcut eğik çizgi bertaraf uygulamasına göre birçok ekolojik avantaja sahiptir. Yerinde üretilen biyokömür çıkarılabilir ve tarımda kullanılabilir veya orman sağlığının iyileştirilmesinde ve iklim değişikliğine ve kuraklığa adaptasyonun iyileştirilmesinde çeşitli işlevlere hizmet ettiği yerde bırakılabilir. Birçok orman toprağındaki toplam karbonun %50’ye kadarı tarihi, doğal yangınlardan⁵ elde edilen odun kömürü olduğundan, biyokömürün yapıldığı yerde bırakılması, yangın söndürme nedeniyle son toprak ufuklarında genellikle eksik olan orman toprağı kömürünü ekosistem süreçleri üzerinde bilinmeyen etkilerle^{geri yükleyebilir 6}. Orman topraklarında yerinde bırakılan biyokömür, doğal ateşle üretilen odun kömürünün etkilerini taklit edebilir ve toprak karbon içeriği ve toprağın fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri üzerinde benzer etkiler üretebilir⁷.

Son yıllarda, ormancılık işçileri, ormanlık alan sahipleri, araştırmacılar ve biyokömür danışmanlarından oluşan uluslararası bir ağ, eğik çizgi yığını yakmaya alternatif olarak orman kesimini yerinde biyokömüre dönüştürmek için bir dizi karbonizasyon yöntemi geliştirdi. Bu yöntemler, ilk olarak Japonya’da Moki şirketi⁸ tarafından sunulan “dumansız karbonizasyon fırını” olarak geliştirilen ve ticarileştirilen alevli karbonizasyon ilkesine dayanmaktadır. Bu çelik halka fırın, kullanılan hammaddeye bağlı olarak %13 ila %20 arasında bildirilen biyokütleden biyokömüre dönüşüm verimliliği ile iyi karbonize biyokömür yapar⁹.

Biyokömür veya odun kömürü üretme işlemine genellikle piroliz, biyokütle bileşenlerinin oksijen yokluğunda ısı ile ayrılması denir. Bu genellikle, biyokütlenin harici olarak ısıtılan bir kapta havadan fiziksel olarak izole edildiği imbik pirolizi olarak düşünülür. Bununla birlikte, piroliz, gazlaştırma ve alevle karbonizasyonda olduğu gibi sınırlı hava varlığında da gerçekleşebilir, çünkü odun gibi katı yakıtlar aşamalı olarak yanar. Biyokütleye ısı uygulandığında, malzemeden su buharlaştığı için yanmanın ilk aşaması dehidrasyondur. Bunu, piroliz olarak da bilinen buharlaşma ve eşzamanlı kömür oluşumu takip eder. Hidrojen ve oksijen içeren uçucu gaz salınır ve bir alevde yakılır, bu da prosese sürekli olarak ısı ekler. Gaz serbest bırakıldıkça, kalan karbon aromatik karbona veya kömüre dönüştürülür. Yanmanın son aşaması, kömürün mineral küle¹⁰ oksidasyonudur.

Bunlar açık bir yanma işleminde meydana gelen ayrık fazlar olduğundan, kömür oluşumundan sonra havayı veya ısıyı uzaklaştırarak işlemi durdurma fırsatına sahibiz. Bu, biyokömür üretim süreci sırasında, sıcak kömürün oksijen akışını kesen yeni malzeme tarafından gömülmesi için yanık yığınına sürekli olarak yeni malzeme eklenerek gerçekleştirilir. Sıcak odun kömürü yığının dibinde birikir ve alev mevcut oksijenin çoğunu tükettiği için alev olduğu sürece yanarak küle dönüşmesi önlenir. Yakıtın tamamı yığına eklendiğinde, alev sönmeye başlar. Bu noktada, sıcak kömür, oksijen ve ısıyı gidererek, genellikle kömürlere su püskürtülerek ve soğuması için ince tırmıklanarak^{korunabilir 11}.

Temel çalışma prensibi, ters akışlı yanmadır. Ters akışlı yanma havası alevi düşük tutar ve köz veya kıvılcım çıkmasını önler. Alev ayrıca dumanın çoğunu yakarak emisyonları azaltır. Özetle, aşağıdaki ilkeler alev kapaklı bir fırında ters akışlı yanmanın çalışmasını açıklamaktadır: (1) Yanma havası aşağı doğru akarken gaz yukarı doğru akar, (2) Yanan yakıt havayı aşağı doğru çekerken karşı akım akışı sağlanır, (3) Alevler düşük ve yakıta yakın kalarak kor kaçışını en aza indirir, (4) Sıcak bölgede duman yanar, (5) Çünkü tüm yanma havası yukarıdan gelir, alevler tarafından tüketilir (6) Fırının dibine düşen yanmamış kömürlere çok az hava ulaşabilir, (7) Kömürler söndürüldükleri veya söndürüldükleri işlem sonuna kadar muhafaza edilir.

Biyokömür, toprağa sağladığı faydaların yanı sıra, iklim değişikliğinin azaltılması için önde gelen bir karbon giderme yöntemidir. Odunsu biyokütledeki karbonun yarısına kadarı, biyokömür¹² formunda kararlı, aromatik karbona dönüştürülebilir. Bununla birlikte, tüm piroliz teknolojileri, topraklarda 100 yıl veya daha uzun süre sabit kalan aynı miktarda inatçı karbon üretmez (karbon giderme değerini belirlemek için temel ölçüt). Biochar stabilitesi, üretim sıcaklığı ile yakından ilişkilidir. Yanan odunun adyabatik alev sıcaklığının propan 1.977 °C’ye yakın olduğu tahmin edilmektedir¹³. Alev kapaklı bir fırında biyokömür üretimi, imbik pirolizinde olduğu gibi metal bir duvardan iletim yoluyla ısı transfer kayıpları olmaksızın alevle yakından bağlantılıdır. Bu nedenle, işlem sırasında alev korunduğu sürece üretim sıcaklığının yüksek olmasını bekleriz. Raman spektroskopisi¹⁴ kullanılarak yapılan bir kömür araştırması, alev kapaklı bir fırından alınan bir biyokömür örneğinin (baş yazar Kelpie Wilson tarafından sağlanan), 900 °C aralığında en yüksek görünür kömür oluşum sıcaklığına sahip üç örnek arasında olduğunu bildirdi.

Yanığın iç kısmına erişmek ve bir alev kapaklı fırında veya yanık yığınında biyokömürün üretim sıcaklığını doğru bir şekilde ölçmek için termokupllar gereklidir ve bunlar pahalıdır ve düşük teknolojili üreticiler için mevcut değildir. Bu nedenle, Brezilya Amazon’unda çalışan araştırmacılar tarafından tanımlanan, kalibre edilmiş bir sıcaklıkta^{eriyen ısı} boya kalemleri (kaynakçılar tarafından metal parçaların sıcaklığını kontrol etmek için kullanılır) kullanan bir yöntem kullandık 15. Tuğlalar boya kalemleri ile işaretlenir, alüminyum folyoya sarılır ve üretim sırasında fırının çeşitli yerlerine yerleştirilir. Bu yöntemi birkaç kez kullandık ve mum boya izleri tamamen eridiği için fırın sıcaklıklarının 650°C’yi aştığını belirledik. Bu, gerektiğinde üretim sıcaklıklarını doğrulamak için yararlı bir yöntem olacaktır; Bununla birlikte, ana doğrulama noktası, alevin varlığını belgelemek olacaktır.

Düşük teknolojili alevle karbonlaştırma yöntemleriyle yapılan biyokömürün özellikleri hakkında yayınlanmış çok fazla veri yoktur. Bununla birlikte, çeşitli fırın tiplerinde alevle karbonlaştırma yöntemleriyle yapılan biyokömür numuneleri, Cornellissen ve ark. ve düşük PAH içeriği ve yüksek biyokömür stabilitesi dahil olmak üzere biyokömür için Avrupa Biyokömür Sertifikası (EBC) standartlarını karşıladığı bulundu. Ayrıca, hem odunsu hem de otsu hammaddelerden üretilen biyokömürün ortalama karbon içeriği yüzde 76’dır¹¹. ABD Orman Servisi Rocky Mountain Araştırma İstasyonu¹⁶, 2022’de Kaliforniya’da bir tarla gününde yapılan alev kapaklı fırınlardan ve yanık yığınlarından beş biyokömür örneğini analiz etti. Numunelerin ortalama karbon içeriği yüzde 85 idi. Bu sonuçlar göz önüne alındığında, alev kapaklı fırınlarda odunsu kalıntılardan yapılan biyokömürün, doğrulanmış karbon giderimi için temel gereksinimleri karşılamasının muhtemel olduğu sonucuna varabiliriz: yüksek karbon içeriği ve yüksek biyokömür stabilitesi.

Düşük teknolojili, yer bazlı biyokömür üretimi için iki karbon giderme protokolü şimdi Verra¹⁷ ve Avrupa Biochar Konsorsiyumu Global Artisan C-Sink protokolü¹⁸ tarafından yayınlandı. Bu yeni geliştirilen protokoller umut vericidir; Bununla birlikte, kuraklık ve orman yangını tehdidi altındaki ormanlara, ormanlık alanlara ve diğer manzaralara uygulandıklarında bazı sınırlamaları vardır. Buna göre, bu makale, bitki örtüsü yönetimi ve yakıt yükü azaltma faaliyetlerinin bir parçası olarak odunsu döküntülerin alevle karbonizasyonu için özel olarak geliştirilmekte olan AD Tech 19’dan yeni bir metodoloji olan^{CM002 V1.0} Metodolojisini açıklayacaktır. Yaşam döngüsü analizi, alev kapaklı fırınlarda odunsu biyokütleden yerinde biyokömür üretimi kullanılarak biyokömür karbon tutmanın net bir karbon giderme faydası sağladığını doğrulamaktadır²⁰. Karbon giderme protokollerinin başarılı bir şekilde uygulanması, toplulukları ve ekosistemleri orman yangınlarından ve ekosistem bozulmasından korumak için yapılması gereken hayati yakıt azaltma çalışmalarını finansal olarak desteklemeye yardımcı olabilir. Karbon giderimi ödemelerine erişmek için saha ölçümleri ve dijital izleme, raporlama ve doğrulama (D-MRV) yöntemleri, burada açıklanan biyokömür üretim metodolojisine rutin uygulamalar olarak dahil edilmiştir. Platformun ayrıntıları Ek Bilgiler’de (Ek Dosya 1) tartışılmaktadır.

Alev kapaklı fırınların birkaç açık kaynaklı tasarımı, bireyler tarafından kendi kullanımları için üretilirken²¹, bildiğimiz kadarıyla, şu anda, Kuzey Amerika’da satılmak üzere seri üretilen bir metreküpten daha büyük kapasiteye sahip yalnızca bir alev kapaklı fırın var, Ateş Çemberi Fırını²², El ekiplerini kullanarak kolay hareket kabiliyeti için tasarlanmış hafif, portatif alev kapaklı fırın. Fırın, birbirine sabitlenmiş altı yumuşak çelik levhadan oluşan bir iç halkadan oluşur. İç halkayı bir arada tutan braketlerin üzerine daha hafif çelik cıvatalardan oluşan bir dış halka. Dış halka, daha iyi verimlilik için ısıyı tutan bir ısı kalkanı görevi görür. Fırının üstü havaya açıktır ve alev kapağının oluştuğu yer burasıdır. Ana fırın gövdesi ile ısı kalkanı arasındaki dairesel boşluktan yukarı doğru akan hava, fırına önceden ısıtılmış yanma havası sağlayarak yanma verimliliğini daha da artırır (Şekil 1)

Şekil 1: Ateş Çemberi Fırınındaki hava akışını, alev özelliklerini ve kömür birikimini gösteren şema. Ters akışlı yanma havası, dumanı yandığı sıcak bölgeye çeker. Ana fırın gövdesi ile ısı kalkanı arasındaki dairesel boşluktan yukarı doğru akan hava, fırına önceden ısıtılmış yanma havası sağlayarak yanma verimliliğini daha da artırır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Fırın çapı 2,35 m’dir ve toplam hacmi 4,3^m3 olan bir metre yüksekliğinde bir silindir oluşturur. Uygulamada, fırın hiçbir zaman tamamen tepeye kadar doldurulmaz, bu nedenle tipik bir üretim partisi, 2 ila 3 metreküp arasında bir biyokömür hacmi için fırını 1/2 ila 3/4 arasında dolduracaktır.

Ateş Çemberi Fırını standart bir tasarım olduğundan, sera gazı (GHG) faydalarının ölçülmesi için standartlaştırılmış prosedürler sağlayan CM002 Bileşen Metodolojisinde kullanılmak üzere ilk sertifikalı teknoloji olarak benimsenmektedir. CM002’nin gereksinimlerini karşılayan ölçüm ve veri toplama adımları yönteme dahil edilmiştir. Raporlama, süreç boyunca kısa anketleri yanıtlayarak ve mobil uygulamaya fotoğraf ve video klipler yükleyerek bir akıllı telefon uygulaması aracılığıyla yapılır.