빅 박스 Biochar 가마 작동 및 모범 사례
Özet
UBRG(Utah Biomass Resources Group)는 목재 내 바이오 숯 생산을 허용하는 Big Box 가마라고 하는 금속 상자를 사용하여 유해 연료 감소 및 바이오 숯 생산에 대한 혁신적인 접근 방식으로 간단한 바이오 숯 가마를 확장했습니다. 이 기사에서는 Big Box 바이오 숯 가마 작동 및 모범 사례.
Abstract
빅 박스 바이오 숯 가마는 움직이는 부품이 없는 간단한 금속 상자에서 숲 내 바이오 숯을 생산할 수 있는 개방형 더미 연소의 대안입니다. 이 접근 방식은 수세기 동안 숯 제조업체가 사용했지만 현대적이고 기계화된 접근 방식을 사용하는 기술을 기반으로 합니다. 미니 굴삭기 또는 기타 기계는 가마를 싣고, 손질하고, 비우는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 Big Box 바이오 숯 가마 자신의 Big Box 바이오 숯 가마 프로그램을 개발하는 초보자를 위한 설계, 운송, 배치, 적재, 조명, 담금질 및 덤핑 절차를 포함한 모범 사례.
바이오 숯 생산에는 저산소 연소 환경이 필요하며 Big Box 가마는 화염 캡(화염 커튼이라고도 함) 방법을 사용하여 제한된 연기 생성으로 재료를 연소합니다. 이 가마는 적절한 등급의 트레일러를 사용하여 현장으로 쉽게 옮길 수 있도록 설계되었습니다. 미니 굴삭기 또는 기타 기계는 가마를 싣고, 손질하고, 비우는 데 사용됩니다. 저자는 사람들이 농장, 목장 또는 뒤뜰에서 내구성 있는 탄소를 격리할 수 있는 더 접근하기 쉬운 방법을 알지 못합니다. 이 기사에서는 Big Box 바이오 숯 가마 자신의 Big Box 바이오 숯 가마 프로그램을 개발하는 초보자를 위한 설계, 운송, 배치, 적재, 조명, 담금질 및 덤핑 절차를 포함한 모범 사례.
Introduction
유해 연료는 서부 전역의 황무지에서 큰 문제입니다1. 소방 관리자가 날씨를 통제하기 위해 할 수 있는 일이 거의 없기 때문에 연료를 통제하는 것이 최선의 선택입니다2. 이 방법의 목표는 경제적이고 실질적으로 접근 가능한 방식으로 바이오 숯을 생산하면서 폐목재를 줄이기 위한 새롭고 확장 가능한 도구를 제공하는 것입니다. 산림 관리원들은 전통적으로 벌목 및 연료 절감 프로젝트에서 나온 자재를 쌓고 태우지만, 지난 수십 년 동안 대기 질 제한과 더 길어진 화재 시즌으로 인해 노천 더미 연소가 훨씬 더 어려워졌습니다3. 더욱이, 노천 더미 연소는 과도한 열로 인해 토양에 잠재적인 장기적 손상을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다4. 이러한 모든 문제는 UBRG가 바이오 숯 생산을 위해 이 기술을 개발하는 이유를 제공합니다. UBRG는 유해 연료 감소에 대한 저비용, 높은 접근성 접근 방식을 제공하여 가치 있는 제품을 만들기 시작했습니다5. 연료를 공급 원료로 전환하고 저부가가치 목재에서 가치를 창출하려는 이러한 접근 방식은 도전 과제로 가득 차 있습니다. 이 접근법은 연소 또는 부패로 인해 손실되는 탄소의 일부를 보존하고 토양에서 반감기가 1,000년에 육박하는 내구성 있는 형태로 가공한다6; 이것은 대부분의 토양유기물의 체류 시간보다 10-1,000배 더 길다7.
Big Box 가마 설계 프로세스는 일본에서 시작된 기술의 다른 파생 제품을 검토하는 것으로 시작되었습니다. 2011년 이노우에 외8은 일본 Moki사에서 제조한 “무연 숯 가마 M50″에서 생산된 바이오 숯의 탄화 효율과 품질에 대해 보고했습니다. Biochar는 건조 질량 기준으로 13%에서 19.5% 사이의 변환 효율로 이 작은 원뿔 모양의 가마에서 생산되었습니다. 저자들은 숯의 고정 탄소 및 탄소 함량 값이 약 600°C의 온도에서 레토르트 방법으로 만든 숯의 값과 동일하다는 것을 발견했습니다.
빅 박스 모양은 켈피 윌슨(Kelpie Wilson)이 노스다코타 산림청(North Dakota Forest Service)의 탄화 대피소 나무 제거에 대한 타당성 조사에서 처음 제안했습니다. Wilson은 더 큰 크기의 재료를 처리하기 위한 화염 캡 가마로 수정된 강철 쓰레기 수거통을 사용할 것을 제안했습니다. Big Box 가마 설계에는 아래에 설명된 대로 내구성, 유용성 및 이동성에 도움이 되는 개념에 대한 몇 가지 개선 사항이 포함되어 있습니다. Wilson의 그림에는 이러한 목적을 위해 쓰레기통 및 오일 탱크와 같은 컨테이너의 용도를 변경하는 제안이 포함되어 있습니다. 그러나 용도가 변경된 재료는 일반적으로 페인트 칠하거나 아연 도금되어 작업장 참가자를 공기 중의 유해한 화학 물질에 노출시킬 수 있습니다.
빅 박스 킬른의 배출량은 아직 보고되지 않았지만 Cornelissen et al.9 은 여러 유형의 Kon-Tiki 가마(깊은 원뿔 가마)에서 배출 테스트를 수행했으며 일반적으로 바이오매스 공급 원료의 개방 연소로 인한 배출량보다 배출량이 낮다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 다환 방향족 탄화수소(PAH)에 대해 생산된 바이오 숯을 테스트한 결과 PAH 수준이 토양에 대한 노르웨이의 최대 허용 위험(MTR) 수준보다 훨씬 낮다는 것을 발견했습니다. 오레곤 가마(얕은 피라미드 모양의 가마)의 수명 주기 분석은 화염 캡 가마의 숲 속 작동이 탄소 네거티브임을 보여주었고, 그 결과 토양10에서 대기 탄소의 순 격리가 발생했습니다.
Big Box 접근 방식의 한 가지 한계는 습식 공급 원료입니다. 이러한 가마에서 하루에 두 배치의 대구경 재료를 생산하는 것은 건조한 기후와 건조한 공급 원료에서 합리적인 기대치이지만, 습도와 연료 수분이 높은 장소에서는 하루에 한 배치가 더 합리적인 기대치입니다. 건조 공급 원료가 더 생산적입니다. 습식 공급 원료는 가마의 생산성을 제한합니다. 습한 날의 젖은 공급 원료는 잘 작동하지 않습니다. 직경이 10cm 미만인 습식 공급 원료는 직경이 큰 습식 공급 원료보다 더 완벽하게 열분해됩니다. 건조한 물질은 습하거나 눈이 오는 날씨에 쉽게 열분해될 수 있습니다. Big Box 가마는 직경이 0.76m(30인치) 이상이고 직경이 1cm 미만인 가마 길이의 마른 통나무를 성공적으로 열분해했습니다.
가마 작업은 대부분의 대기 질 규제 기관에서 노천 더미 연소와 같이 취급되며 유타에서는 3일 전에만 허가가 부여되기 때문에 특히 지역 사회 주변에서 대기 반전이 흔한 겨울철에 계획을 세우기가 어렵습니다. 바이오 숯 연소를 수행하는 비용은 단순히 더미를 태우는 것보다 훨씬 높기 때문에 이 접근 방식의 또 다른 한계가 있습니다. 이 기술은 열분해 전에 분쇄 및 치핑과 같은 공급 원료의 값비싼 전처리를 생략하는 규모로 바이오 숯 생산을 위한 최초의 발표된 저기술 방법입니다. 이 방법은 관리 가능한 조각 크기로 절단하는 것 이상으로 부서지거나 처리되지 않은 대부분의 목질 파편에 유용합니다. 이 방법은 풀, 옥수수 스토버 및 쌀 껍질과 같은 재료의 매트 또는 덩어리를 형성하는 작은 조각 크기의 공급 원료 또는 공급 원료에는 유용하지 않습니다.
가마 설계
BB12는 길이 3.7m(12피트), 너비 1.8m(6피트), 높이 1.2m(4피트)의 이중벽 가마로 14게이지 강철로 만들어졌습니다. 크기와 모양은 다양할 수 있습니다. 계획은 UBRG 웹 사이트11에서 사용할 수 있습니다. 상단을 제외하고는 가마에 공기가 허용되지 않습니다. 이는 열 컬럼을 통해 상승할 때 대부분의 가연성 물질을 소비하는 화염 캡을 개발하는 데 중요합니다. 가마의 내부 모서리에 대한 자세한 내용은 그림 1 을 참조하십시오. 예외는 그림 2 에 표시된 개 문이라고 하는 배수 포트인데, 이는 크기가 일반 개 문과 비슷하기 때문입니다. 손잡이가 있는 슬라이딩 금속 조각이 있어 가마를 작동할 때 아래로 밀어 닫을 수 있고 가마를 버릴 준비가 되면 들어 올릴 수 있습니다(주의: 뜨거움).
두 개의 벽은 에어 갭(12 )을 제공하기 위해 분리되어 있으며, 가마의 내부를 제외하고는 상단이 개방되어 있고 하단이 완전히 밀봉되어 있지 않습니다. 에어 갭과 벽 상단에 대한 자세한 내용은 그림 3 을 참조하십시오. 열 팽창 및 그로 인한 수축 중 문제를 방지하기 위해 밀폐된 공간을 피하십시오. 단벽 가마는 여전히 유해 연료를 줄이고 바이오 숯을 생산하는 데 효과적이지만 이중벽 가마를 사용하면 장비와 작업자가 열 노출을 줄이면서 가까이 다가갈 수 있습니다. 바이오 숯 생산이 가장 중요한 목표라면 이중벽 가마가 더 효과적일 수 있습니다. 유해 연료 감소가 주요 목표이고 바이오 숯이 부차적인 목표라면 단일 벽 가마가 적절할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
일반적으로 현장에서 생산되는 바이오 숯의 일부는 작업장 참가자가 양동이나 가방에 수집하여 사람들의 정원이나 농업 프로젝트에 적용합니다. Biochar는 부서지기 쉽고 차량으로 운전하거나 아래의 단단한 표면으로 밟거나 미니 굴삭기의 양동이로 으깨서 토양에 더 쉽게 통합되도록 작은 조각으로 나눌 수 있습니다. 이 재료는 숯이라고도 하며 야외 숯 요리를 위해 수집되어 식사의 요리 기능에 추가할 수 있는 현지 조달 재료를 제공할 수 있습니다.
Big Box 화염 캡 바이오 숯 가마를 다른 바이오 숯 생산 방법12와 비교하면 이동식 탄화기는 하루 63,502kg(70톤)을 처리할 수 있는 반면 Big Box 가마는 하루 12,500kg을 처리할 수 있습니다. 이동식 탄화기의 비용은 Big Box 가마를 제조하는 데 $10,000 미만인 것과 달리 구입하는 데 $500,000부터 시작하여 Big Box 가마보다 훨씬 높습니다. 단일 Big Box 가마는 이동식 탄화기가 처리할 수 있는 재료의 20%만 처리할 수 있지만 비용은 이동식 탄화기 구매 가격의 2%에 불과합니다.
가열된 오거 가마는 또 다른 예로 하루에 최대 5,443kg의 바이오매스를 처리할 수 있으며, 이는 Big Box 가마의 하루 용량 12,500kg보다 훨씬 적습니다. 또한 재료를 전처리(치핑)하는 비용은 실제로 재료를 열분해하는 것보다 더 클 수 있습니다. 또한 가열된 오거와 같은 정제된 기계는 임업 작업에서 흔히 볼 수 있는 오염된 공급 원료를 용납하지 않습니다. 한 삽의 흙은 오거 가마를 멈출 수 있는 반면 Big Box 가마는 작업에 큰 영향을 미치지 않고 여러 삽의 흙을 견딜 수 있습니다. 마지막으로, 오거 가마의 비용은 Big Box 가마의 10배가 될 수 있습니다.
건설된 최초의 빅 박스 가마는 길이 4.9m(16피트), 너비 2.4m(8피트)의 단일 벽 구조로 BB16이라고 합니다. 원래 높이는 1.8m(6피트)이고 무게는 1,360kg(3,000파운드)에 가까웠기 때문에 더 큰 굴삭기, 자격을 갖춘 운전자 및 낮은 트레일러가 필요했기 때문에 일정이 까다로웠습니다. 이 접근 방식은 일반적인 유타 연료 부하를 처리하기에는 너무 컸으며 높이가 1.8m(6피트)로 가마 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 조명을 켜거나 확인하기가 매우 어려웠습니다. 이러한 문제를 해결하고, 유타 연료 부하에 대한 이 접근 방식을 더 잘 확장하고, 일반 산림 관리자가 더 쉽게 접근할 수 있도록 높이를 1.2m(4피트) 높이로 줄였습니다. 이렇게 하면 내부를 더 쉽게 들여다보고 점화할 수 있습니다. 또한 무게를 1,043kg(2,300lbs)으로 줄여 더 많은 픽업 트럭과 트레일러로 운송하고 사전 경험이 필요하지 않고 대부분의 장비 대여점에서 대여할 수 있는 미니 굴삭기로 이동 및 작동할 수 있습니다.
UBRG에 의해 건설된 제2 킬른은 이중벽 구조로서, 가마 근처의 작업자 및 장비에 대한 더 나은 열 보호를 허용하고 킬른(13) 내부의 보다 균일한 가열을 허용한다. 이 수정의 일부는 12게이지 강철에서 더 얇고 가벼운 14게이지 강철로 이동하는 것이었습니다. UBRG는 이 가마에서 수십 번의 화상을 입혔고 군데군데 약간 구부러지기는 했지만 아직 열과 관련된 금속 피로의 뚜렷한 징후는 보이지 않습니다. 물론 추가 학습이 이루어질 가능성이 높으며 지속적인 혁신을 위한 충분한 여지가 있습니다.
이중벽 BB12는 가장 주목을 받은 디자인이며 아마도 Intermountain West에서 연료에 가장 접근하기 쉽고 실용적일 것입니다. 더 큰 가마는 미국 북서부와 같이 더 많은/더 큰 연료에 더 적합합니다. 이 방법은 최대 4.9m(16피트 길이의 가마)에서 입증되었습니다. 현재까지 빅 박스 가마는 유타, 콜로라도, 몬태나, 텍사스 및 뉴욕의 다른 당사자에 의해 건설되었습니다.
가마는 바이오 숯 생산을 극대화하거나 유해 연료 감소를 극대화하거나 그 사이 어딘가에 작동하도록 작동할 수 있습니다. 유해 연료 감소가 주요 목표인 경우 가마에 석탄이 가득 차 있을 때만 가마를 무작위로 적재하고 담금질할 수 있습니다. 땅이 몇 센티미터의 눈으로 덮여 있는 경우와 같이 주변 화재 위험이 낮은 경우 교대 근무가 끝나기 전날 저녁에 가마에 연료를 높이 쌓아 놓고 밤새 태우도록 둘 수 있습니다. 따라서 통제된 공간에서 연료를 소비합니다. 바이오 숯 생산이 주요 목표인 경우 공급 원료를 유사한 크기로 분류하고 가마에 유사한 크기의 재료를 적재하고 석탄을 보존하기 위해 자주 담금질할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 상반된 목표가 혼합되어 있으며 가마는 이 두 극단 사이에서 운영됩니다. 공급 원료의 종은 특정 특성을 가진 바이오 숯이 목표가 아닌 한 덜 중요합니다.
이 가마에서 제한된 양의 연기가 나옵니다. 아이디어는 화염 캡이 열기둥을 통해 상승할 때 가연성 물질을 소비한다는 것입니다. 2019년과 2020년에 유타 연기 관리 시스템 코디네이터 Paul Corrigan은 유타 북부의 로건과 유타 남부의 모압 근처에서 빅 박스 바이오 숯 가마 시연에 배기 가스 테스트 장비를 가져왔습니다. 두 경우 모두 플레임 캡이 열기둥을 통해 상승할 때 가연성 물질을 소비하기 때문에 장비는 가마에서 배출되는 배출량이 증가하지 않았습니다. 2023년 4월, USDA 산림청 소방 연구소의 배출 테스트 팀은 유타주 투엘레에 있는 가마에서 배출 테스트를 수행했습니다. 이러한 결과는 아직 사용할 수 없습니다.
가마를 돌보는 작업자는 삽, 갈퀴, 풀라스키, 전기톱과 같은 소방 수공구가 필요합니다. 모범 사례에는 참석한 모든 사람이 가죽 장갑, 보안경, 내화성 의류 또는 최소한 천연 섬유 의류와 같은 안전 장비를 착용하는 것이 포함됩니다. 합성 소재의 의류는 피해야 합니다. 안전모와 가죽 장화, 긴팔 및 바지는 작업자를 보호하는 데 도움이 됩니다.
비상 통신; 비상 계획: 비상 상황의 가능성과 이에 대한 통신 요구 사항 외에도 작업의 위치(종종 원격)를 고려해야 합니다. 지역 휴대 전화 수신이 가장 잘 작동할 수 있는 곳을 아는 것이 중요합니다. 위성 전화 또는 Garmin InReach와 같은 비상 로케이터 비콘을 적극 권장합니다. 혼자 일하지 않는 것이 중요합니다.
탈출한 불씨/현장 화재의 경우 더 이상의 불꽃이 가마에서 빠져나가는 것을 방지하기 위해 뚜껑을 가마에 놓아야 합니다. 기계를 사용하여 현장 화재 주변에 방화선을 신속하게 파야 하며 연소 연료는 연소되지 않은 연료와 분리되어야 합니다. 화재를 진압하려면 수원을 사용해야 합니다. 즉시 소화할 수 없는 경우 911에 전화하십시오.
Big Box 가마의 Biochar는 인증 프로그램을 위한 IBI(International Biochar Initiative) 실험실 테스트를 사용하여 캘리포니아 왓슨빌의 제어 실험실에서 특성화되었으며 결과는 85% 유기탄소와 8% 회분을 보여줍니다. 이것이 적당히 고품질의 바이오 숯의 특성입니다. 공동 연구자들은 대형 쓰레기 수거통과 유사한 바닥에 롤오프 컵 받침과 완성 된 바이오 숯을 제거하는 데 도움이되는 끝 벽 중 하나 인 문을 추가하는 실험을 하고 있습니다. 이러한 기능이 극한의 열에 노출된 후에도 계속 작동할 수 있는지 여부는 아직 확인되지 않았습니다.
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wilson Biochar의 Kelpie Wilson, Utah Bureau of Land Management, USDA Forest Service, Utah Division of Forestry, Fire and State Lands, Utah Public Lands Initiative Grant Program, Utah State University Extension Grant Program, Brandon Barron of Burns, OR, ANR Fabrication of Logan, Utah 및 U.S. Biochar Initiative.
Materials
| Big Box biochar kiln | ANR Fabrication | BB12 | Phone: 435-753-0310 |
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Referanslar
- 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)
