الإنتاج المستمر في الأخشاب للفحم الحيوي باستخدام موقد ستارة هوائية مثبت على مقطورة
Summary
وصفنا استخدام وحدة الانحلال الحراري المتنقلة القائمة على المكان والمجهزة بستارة هوائية لإنشاء الفحم الحيوي باستمرار. تقلل هذه التقنية من الحاجة إلى حرق الركائز المائلة المفتوحة ، مما يؤدي إلى انبعاثات أقل وتأثيرات أقل للتربة. يتضمن البروتوكول إرشادات لاختيار الموقع وتحميله وتبريده.
Abstract
تهدف معالجات الوقود وغيرها من ممارسات تخفيف استعادة الغابات إلى تقليل مخاطر حرائق الغابات مع بناء قدرة الغابات على الصمود أمام الجفاف والحشرات والأمراض وزيادة عزل الكربون (C) فوق سطح الأرض. ومع ذلك ، فإن معالجات الوقود تولد كميات كبيرة من مخلفات الكتلة الحيوية الخشبية غير القابلة للتسويق والتي غالبا ما يتم حرقها في أكوام مفتوحة ، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من غازات الدفيئة والجسيمات ، ويحتمل أن تلحق الضرر بالتربة الموجودة أسفل الكومة. توفر مواقد الستائر الهوائية حلا للتخفيف من هذه المشكلات ، مما يساعد على تقليل الدخان والجسيمات الناتجة عن عمليات الاحتراق ، وحرق بقايا الكتلة الحيوية بشكل كامل مقارنة بحرق الركائز ، والقضاء على ملامسة الحريق المباشرة والشديدة التي يمكن أن تضر التربة تحت كومة القطع. في موقد ستارة الهواء ، يحدث الاحتراق في بيئة خاضعة للرقابة. يتم احتواء الدخان وإعادة تدويره بواسطة ستارة الهواء ، وبالتالي يمكن إجراء الحرق في ظل مجموعة متنوعة من الظروف المناخية (مثل الرياح والمطر والثلج) ، مما يطيل موسم الاحتراق للتخلص من المواد المائلة. تم تصميم وحدة الانحلال الحراري المتنقلة التي تخلق الفحم الحيوي باستمرار خصيصا للتخلص من الكتلة الحيوية الخشبية المتبقية عند هبوط الأخشاب ، أو الخشب الأخضر في مدافن النفايات ، أو المواد المسجلة التي تم إنقاذها وإنشاء الفحم الحيوي في هذه العملية. يمكن استخدام ناتج الفحم الحيوي عالي الكربون هذا لتعزيز مرونة التربة من خلال تحسين خصائصها الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية وله تطبيقات محتملة في معالجة التربة الملوثة ، بما في ذلك تلك الموجودة في مواقع المناجم المهجورة. هنا ، نصف الاستخدام العام لهذه المعدات ، والموقع المناسب ، وطرق التحميل ، ومتطلبات التبريد ، والدروس المستفادة حول تشغيل هذه التكنولوجيا الجديدة.
Introduction
في جميع أنحاء الولايات المتحدة الأمريكية ، زادت العديد من حوامل الغابات في حجم الأشجار الدائمة في غياب حرائق متكررة منخفضة الكثافة ، أشعلها السكان الأصليون تاريخيا وتم قمعها في العصر الحديث 1,2. من هذا الاستبعاد للحرائق ، تشكل المدرجات المكتظة الناتجة تحديات لمديري الأراضي الذين يسعون جاهدين لتعزيز قدرة الغابات على الصمود ضد حرائق الغابات والآفات والأمراض وآثار الجفاف3. تشمل ممارسات الإدارة القياسية لتقليل حجم الأشجار الحريق الموصوف ، والتخفيف قبل التجاري ، وحصاد الحوامل الناضجة. تولد هذه العمليات كميات كبيرة من الكتلة الحيوية الخشبية منخفضة القيمة وعديمة القيمة ، وغالبا ما تسمى المخلفات. على سبيل المثال ، في 15 ولاية في غرب الولايات المتحدة الأمريكية ، تشير التقديرات إلى أن عمليات الحصاد تنتج ما يقرب من 8 ملايين طن جاف من المخلفات كل عام4. علاوة على ذلك ، نفذت دائرة الغابات التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية خطة أزمة حرائق الغابات ، والتي ستعالج 50 مليون فدان إضافية (20 مليون هكتار) على مدى فترة 10 سنوات. سيؤدي ذلك إلى الحاجة إلى التخلص من مواد إضافية غير قابلة للتسويق ومن المحتمل أن يتطلب استخدام مجموعة متنوعة من الخيارات القائمة على المكان. على الرغم من أنه يمكن استخدام القمم والأطراف والأشجار غير القابلة للتسويق للطاقة الحيوية أو الوقود الحيوي ، إلا أن فرص السوق المحدودة غالبا ما تؤدي إلى تكديس هذه المخلفات وحرقها. يهدف بناء أكوام القطع إلى تقليل حرائق الغابات ومخاطر الحشرات ، وخلق مساحة متنامية للنباتات السفلية ، ومعالجة أهداف إدارة الأراضي الأخرى.
يعد حرق الركائز المفتوحة طريقة منخفضة التكلفة وسريعة نسبيا لتقليل حجم الخشب ، ولكنه ينتج أيضا ملوثات الدخان والهواء ، بما في ذلك غازات الدفيئة5. علاوة على ذلك ، قد يتسبب أيضا في تأثيرات غير مرغوب فيها على الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للتربة ، مما يؤدي إلى ندوب حروق يمكن أن تستمر لعقود6. للتخفيف من الآثار الجانبية الضارة للحرق في الهواء الطلق ، هناك حاجة إلى نهج بديلة تقلل من الآثار السلبية على تغير المناخ ومخاطر حرائق الغابات وصحة التربة7.
هنا ، نركز على استخدام طريقة جديدة لإنتاج الفحم الحيوي المستمر الذي تم تطويره من خلال اتفاقية البحث والتطوير التعاونية (CRADA) بين وزارة الزراعة الأمريكية ، وخدمة الغابات ، ومحطة أبحاث روكي ماونتن ، وشركة Air Burners، Inc. (بالم سيتي ، فلوريدا). التكنولوجيا الناتجة ، التي يشار إليها من الآن فصاعدا باسم موقد ستارة الهواء المنتج للفحم الحيوي (BACB; الشكل 1) ، ينتج باستمرار الفحم الحيوي من المخلفات الخشبية مع الحد من انبعاثات الدخان والجسيمات. بالمقارنة مع الاحتراق في الهواء الطلق ، فإن وظيفة BACB تقلل من مخاطر الحريق وانتشار الدخان8 ، مما يخلق سبلا للتمديد الآمن لنوافذ الاحتراق التشغيلية. على عكس الطرق التقليدية التي تترك أكواما من المخلفات على المناظر الطبيعية حيث تساهم في تراكم الوقود9 أو طرق الاحتراق البديلة التي تنتج الدخان والرماد بشكل أساسي ، فإن BACB يقلل بشكل فعال من أحمال الوقود مع حماية التربة وإنشاء الفحم الحيوي ، وهو فحم متسق وعالي الكربون ، يمكن استخدامه لترميم التربة في موقع المعالجة أو بالقرب منه. علاوة على ذلك ، فإن BACB متحرك ويمكن تحديد موقعه بسهولة ، على سبيل المثال ، عند هبوط خشبي أو على جانب الطريق أو في المخيم. يمكن أن يحرق أيضا الخشب الرطب أو الجاف ، وأنواع المواد الخام المختلطة ، والأحجام ، ويمكن استخدامه في الطقس العاصف وفي الأوقات التي تكون فيها الظروف الجوية محفوفة بالمخاطر للغاية لحرق الأكوام المفتوحة.
Biochar المنتج في BACB بشكل عام هو 70٪ -90٪ كربون ، مسامي للغاية ، ومتسق في توزيع حجم الجسيمات ، مما يجعله مناسبا لمعالجة التربة المتدهورة ، وغالبا ما توجد في المناجم المهجورة أو عمليات الهبوط الخشبية أو مسارات الانزلاق أو المناطق النهرية أو المواقع الزراعية. Biochar يمكن أيضا استخدامه كمزيج مع السماد أو في حظائر تغذية الماشية لامتصاص العناصر الغذائية وتقليل الرائحة. بشكل عام ، فإن أفضل استخدامات التربة للفحم الحيوي للمخلفات الخشبية هي تقليل التآكل وترشيح النترات مع تعزيز استقرار إجمالي التربة والمياه المتاحة في التربة ذات القوام الخشن والمواد العضوية المنخفضة10,11.
الشكل 1: موقد ستارة هوائية متنقل لإنتاج الفحم الحيوي. يوضح موقع الاختبار التكوين العام للشرطة المائلة وموقد ستارة الهواء المنتج للفحم الحيوي. تم تعديل هذا الرقم من12. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
نظرة عامة على التصميم والتشغيل
على الرغم من توفر عدة أنواع من مواقد الستائر الهوائية ، إلا أن BACB يخلق الفحم الحيوي باستمرار. يبلغ طول الوحدة حوالي 7 أمتار × عرضها 2.5 متر × ارتفاعها 2 متر. يحتوي على مشعب هواء على طول الجزء العلوي من صندوق الاحتراق يوفر ستارة ثابتة من الهواء لاحتواء الدخان والجسيمات والجمر بداخله ويعزز الأكسدة الكاملة للانبعاثات. للتشغيل الأمثل ، يتم تحميل صندوق الاحتراق إلى مستوى أقل مباشرة من المشعب ، مما يضمن تدفق الهواء دون انقطاع عبر صندوق الاحتراق. يمكن سحب BACB خلف أي مركبة مع حزمة وصلة جر قياسية وقدرة سحب كافية. يتم إعداد موقع مستو وسلس بالقرب من الكتلة الحيوية المكدسة (وتسمى أيضا المواد الأولية) ، ولكن مع وجود مساحة كافية حول الموقع للسماح للمعدات والموظفين بالتحرك بحرية وأمان. بمجرد وضعها ، يتم تأمين الوحدة عن طريق خفض جوانب صندوق الاحتراق على التربة باستخدام النظام الهيدروليكي الموجود على متن الطائرة. يضغط محرك النفخ على مشعب ستارة الهواء ، والذي يمتد بطول صندوق الاحتراق على جانب واحد. تضاء الكتلة الحيوية في البداية وتحرق لإنشاء طبقة من الفحم في صندوق الاحتراق. بعد ذلك ، يمكن إضافة كتلة حيوية إضافية بشكل دوري مع الحفاظ على المواد الواردة تحت ستارة الهواء. عندما تحترق المادة ، يتم إنتاج الفحم ويسقط من خلال فتحة في الجزء السفلي من صندوق الاحتراق ، حيث يتم إزالتها من الماكينة بواسطة الحزام الناقل. تتذبذب لوحة واحدة داخل صندوق الاحتراق لتسهيل هذه العملية. يسقط الرماد أو المواد الدقيقة من خلال الحزام الناقل على التربة أدناه. يخرج الفحم الساخن من الماكينة من خلال فتحة في الجزء السفلي من صندوق الاحتراق ويتم إيداعه في مقلاة مملوءة بالماء ، مما يوقف الاحتراق ويبرد الفحم الحيوي إلى درجة حرارة حيث يمكن التعامل معه بأمان. عندما تكون جاهزا للتوقف عن العمل ، يتم تنظيف صندوق الاحتراق عن طريق السماح لأي مادة متبقية بالاحتراق. عادة ، تبرد الوحدة طوال الليل ويمكن نقلها بأمان في اليوم التالي ، حسب الحاجة. لا تحاول تحريك BACB أثناء حرق الأخشاب أو التبريد ما لم تكن هناك حالة طارئة. في حالة الطوارئ ، يمكن استخدام الرمل أو التربة لإطفاء الحريق وخنق الفحم. لا ينبغي أبدا رش الماء مباشرة على بلاط السيراميك في صندوق الاحتراق.
Protocol
Representative Results
Discussion
تتمثل الخطوة الأولى الحاسمة في هذه الطريقة في التأكد من وضع المعدات بشكل مستو تقريبا على كلا المحورين بحيث تمنع الألواح الجانبية لصندوق الاحتراق الدخان من المغادرة والهواء من دخول صندوق الاحتراق. تتمثل الخطوات الحاسمة الأخرى في إجراء محادثات متكررة مع مشغل الحفار لوضع المواد الخام في صن…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر العديد من موظفي الجامعة ، والغابات الوطنية ، وموظفي مكتب إدارة الأراضي الذين ساعدوا في إجراء العروض التوضيحية وجمع البيانات. تم دعم العمل الميداني لهذه الطريقة من قبل محطة أبحاث روكي ماونتن التابعة لخدمة الغابات في الولايات المتحدة الأمريكية ، واشنطن العاصمة ، ومكاتب منطقة شمال غرب المحيط الهادئ. النتائج والاستنتاجات الواردة في هذا المنشور هي تلك الخاصة بالمؤلفين ولا ينبغي تفسيرها على أنها تمثل أي قرار أو سياسة رسمية من الولايات المتحدة الأمريكية أو حكومة الولايات المتحدة.
Materials
| CharBoss air curtain burner | Air Burners, Inc. | T26 | Comes with 36" landscape rake, sifting shovel, 1/2" drive standard ratchet with 1 1/8" socket, grease gun, and quench pan |
| Diesel fuel (Ultra-low sulfur) | Purchased locally | ||
| Diesel fuel tanks | Uline | H-1849Y | or similar |
| Engine oil (diesel grade) | Any diesel grade oil 15W40 or 10W40. | ||
| Excavator | Local rental company. Smaller sizes require less fuel. | ||
| High temperature anti-seize lubricant (16 oz cartridge) | McMaster-Carr | 1288K97 | lubricating hydraulic fittings |
| Hydraulic Oil | Amsoil | HVH05-EA (ISO32) /HVG05-EA (ISO22) | Any ISO32 synthetic hydraulic oil, ISO22 option for cold weather. Amsoil ISO32 is factory installed. |
| Large buckets | Uline | 5495 | or similar |
| Lighting torch (propane) | Grainger | 9RCF3 | or similar |
| 1-ton pickup (or larger) | Rent locally | for transporting CharBoss to site | |
| Viewing step | Gorilla | GLP=WP | Stable step to allow viewing into firebox or other bench-style step |
| Water truck | Any available water truck with minimum 300 gallon capacity; gravity feed of water to the quench pan can be used. | ||
| Wheel chocks | Blocks of 4"x 4" lumber or commercially available chocks while hitching/unhitching unit | ||
| Personal protective equipment | |||
| Ear protection | Uline | S-22141 | or similar |
| Eye protection | Amazon | or similar | |
| Fire shirt | Grainger | 12R487 | or similar |
| Fire pants | Grainger | 39EM96 | or similar |
| Hard hat | Discount Safety Gear | SFTSCHH1000038126 | or similar |
| Leather gloves | Uline | S-6777M | or similar |
| Sturdy boots | any thick soled, leather boot. | ||
| Emergency gear | |||
| Garmin InReach | Cabelas | 100195666 | or similar |
| Pulaski axe | Forestry suppliers | 85274 | or similar |
| Fire rake | Forestry suppliers | 85210 | or similar |
References
- Barrett, S. W., Arno, S. F. Indian fires as an ecological influence in the northern Rockies. J Forestry. 80, 647-651 (1982).
- Savage, M., Swetnam, T. W. Early 19th century fire decline following sheep pasturing in the Navajo ponderosa pine forest. Ecology. 71, 2374-2378 (1990).
- Sohn, J. A., Hartig, F., Kohler, M., Huss, J., Bauhus, J. Heavy and frequent thinning promotes drought adaptation in Pinus sylvestris forests. Eco Appl. 26, 2190-2205 (2016).
- . Air Burners, Inc Available from: https://airburners.com/technology/principle (2024)
- U.S. Department of Energy. 2016 Billion-ton report: Advancing domestic resources for a thriving bioeconomy. U.S. Department of Energy. , (2016).
- Jang, W., Page-Dumroese, D. S., Han, H. S. Comparison of heat transfer and soil impacts of air curtain burner burning and slash pile burning. Forests. 8, 297 (2017).
- Rhoades, C. C., Fegel, T. S., Zaman, T., Fornwalt, P. J., Miller, S. P. Are soil changes responsible for persistent slash pile burn scars in lodgepole pine forests. Forest Eco Management. 490, 119090 (2021).
- Rodriguez Franco, C., Page-Dumroese, D. S., Archuleta, J. Forest management and biochar for continued ecosystem services. J Soil Water Cons. 77, 60-64 (2020).
- Lee, E., Han, H. S. Air Curtain Burners: A tool for disposal of forest residues. Forests. 8, 296 (2017).
- Fornwalt, P. J., Rhoades, C. C. Rehabilitating slash pile burn scars in upper montane forests of the Colorado Front Range. Natural Area J. 31 (2), 177-182 (2011).
- Blanco-Canqui, H. Does biochar improve all soil ecosystem services. GCB-Bioenergy. 13, 291-304 (2020).
- . USDA Forest Service Available from: https://www.fs.usda.gov/ (2024)
- Razzaghi, F., Obour, P. B., Arthur, E. Does biochar improve soil water retention? A systematic review and meta-analysis. Geoderma. 361, 1 (2020).
- U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Technology and Development Program. The use of air curtain destructors for fuel reduction. Fire Management Tech Tips #0251 1317-SDTDC. U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Technology and Development Program. , 5 (2002).
- Puettmann, M., Sahoo, K., Wilson, K., Oneil, E. Life cycle assessment of biochar produced from forest residues using portable systems. J Cleaner Prod. 250, 119564 (2020).
- Miller, C. A., Lemieux, P. M. Emissions from the burning of vegetative debris in air curtain destructors. Air Waste Management Assoc. 57, 959-967 (2007).
- Rodriguez Franco, C., Page-Dumroese, D. S., Pierson, D., Nicosia, T. Biochar utilization as a forestry climate-smart tool. Sustainability. 16, 1714 (2024).
- Busse, M. D., Shestak, C. J., Hubbert, K. R. Soil heating during burning of forest slash piles and wood piles. Int J Wildland Fire. 22 (6), 786-796 (2013).
