ポータブルフレームキャップキルンを使用した森でのバイオ炭の生産、特性評価、定量化

米国西部を含む世界の多くの地域では、気候変動、干ばつ、外来侵入種が山火事の危機を引き起こし、生態系やコミュニティを脅かしています。森林や森林が制御不能に燃えると、大量の粒子状物質や温室効果ガスが大気中に放出され、人間の健康と気候に壊滅的な影響を及ぼします。例えば、2020年にカリフォルニア州で発生した山火事は、約1億2,700万メガトンの温室効果ガスを排出したと推定されており、これは2003年から2019年までのカリフォルニア州の温室効果ガス総排出量の約2倍^{に相当します1。}科学者や土地管理者は、これらの森林や森林、そしてその生態系サービスの回復に役立つ人間の行動を調査することが増えています。手作業による間伐と余分なバイオマスの除去は^{、取らなければならない}最も重要な行動の1つです2。バイオマスの除去には処分も含まれており、バイオマスが遠隔地やアクセス困難な場所にある場合、管理されていないスラッシュパイルでその場で焼却する以外の選択肢はほとんどありません。管理されていない野焼きパイルは、景観から燃料を除去する役割を果たしますが、パイルの下の集中した熱が土壌の有機地平線を焼却し、侵食や侵入種によるコロニー形成に対して脆弱な裸の土壌を残すため、森林の土壌に損傷を与えます。焼け跡³の有機土壌地平線を再生するには数十年かかることがあります。管理されていないバーンパイルは、粒子状物質や温室効果ガスの排出源でもあります。また、スラッシュパイルの燃焼による煙は、大気質が制限された流域の燃焼窓を制限し、作業の達成をより困難にします。

米国農務省森林局の研究者は、スラッシュ材料からバイオ炭を生産する代替案を検討し^、森林で小型の移動式バイオ炭窯を使用するオプションなど、いくつかの有望な技術を特定しました4。森林伐採を現場でバイオ炭に転換することは、焼却パイルでの焼却による焼却処分の現在の慣行に比べて、土壌加熱や粒子状物質の排出の削減など、多くの生態学的利点があります。敷地内で生産されたバイオ炭は、取り出して農業に利用することも、森林の健康を回復し、気候変動や干ばつへの適応を改善する上でいくつかの機能を果たす場所に残すこともできます。多くの森林土壌の総炭素の最大50%は、歴史的な自然火災による木炭^{であるため5、}バイオ炭が製造された場所に残しておくと、火災の抑制のために近年の土壌地平線から欠落しがちな森林土壌木炭を回復させることができ、^{生態系プロセスへの影響}は不明である6。森林土壌に残されたバイオ炭は、自然火災によって生成される木炭の影響を模倣し、土壌炭素含有量と土壌の物理的、化学的、生物学的特性に同様の影響を与える可能性があります⁷。

近年、林業従事者、森林所有者、研究者、バイオ炭コンサルタントの国際ネットワークは、スラッシュパイル焼却の代替として、森林の伐採を現場でバイオ炭に変換するための一連の炭化方法を開発しました。これらの方法は、火炎炭化の原理に基づいており、茂木社⁸が提供する「無煙炭化窯」として日本で初めて開発・製品化されました。このスチールリングキルンは^{、使用する原料}にもよりますが、バイオマスからバイオ炭への変換効率が13%から20%と報告されており、十分に炭化したバイオ炭を製造しています9。

バイオ炭または木炭を製造するプロセスは、熱分解と呼ばれることが多く、酸素がない場合に熱によってバイオマス成分を分離します。これは通常、外部加熱容器内でバイオマスを空気から物理的に分離するレトルト熱分解として考えられます。ただし、熱分解は、木材などの固体燃料が段階的に燃焼するため、ガス化や火炎炭化のように、限られた空気の存在下でも発生する可能性があります。バイオマスに熱を加えると、燃焼の最初の段階は、材料から水分が蒸発するため、脱水です。これに続いて、脱揮と同時チャー形成が続き、熱分解とも呼ばれます。水素と酸素を含む揮発性ガスが放出され、炎の中で燃焼され、プロセスに継続的に熱が加わります。ガスが放出されると、残りの炭素は芳香族炭素(チャー)に変換されます。燃焼の最終段階は、チャーの鉱物灰¹⁰への酸化である。

これらは開放燃焼プロセスで発生する離散相であるため、チャー形成後に空気や熱を除去してプロセスを停止する機会があります。これは、バイオ炭の製造プロセス中に、燃焼パイルに新しい材料を継続的に追加して、高温の炭が酸素の流れを遮断する新しい材料によって埋められるようにすることで達成されます。熱い木炭はパイルの底に蓄積し、炎が存在する限り燃えて灰になるのを防ぎます。すべての燃料が山に追加されると、炎は消え始めます。その時点で、熱い木炭は、酸素と熱を取り除くことによって保存することができ、通常は石炭に水を噴霧し、それらを薄くかき集めて冷やすことによって¹¹。

動作の基本原理は向流燃焼の原理です。向流燃焼空気は炎を低く保ち、残り火や火花の放出を防ぎます。また、炎は煙のほとんどを燃やし、排出量を削減します。要約すると、次の原則は、フレームキャップキルンでの向流燃焼の動作を説明しています:(1)燃焼用空気が下向きに流れている間、ガスは上向きに流れます、(2)燃焼燃料が下向きに空気を吸い込むと向流流が確立されます、(3)炎は低く燃料の近くにとどまり、残り火の逃げを最小限に抑えます、(4)煙はホットゾーンで燃えます、(5)すべての燃焼用空気は上から来るので、 それは炎によって消費されます (6) 窯の底に落ちた未燃の石炭にはほとんど空気が届きません (7) 石炭は、焼入れまたは嗅ぎタバコを吸い取られるプロセスの終わりまで保存されます。

バイオ炭は、土壌への利点に加えて、気候変動緩和のための炭素除去の主要な方法でもあります。木質バイオマスの炭素の最大半分は、バイオ炭¹²の形で安定した芳香族炭素に変換できます。ただし、すべての熱分解技術が、土壌中で100年以上安定している同じ量の難分解性炭素を生成するわけではありません(炭素除去値を決定するための重要な指標)。バイオ炭の安定性は、製造温度と密接に関連しています。薪を燃やす断熱火炎温度は、プロパンの断熱火炎温度(1,977°C)に近いと推定されています¹³。フレームキャップキルンでのバイオ炭の生成は炎と密接に結合しており、レトルト熱分解のように金属壁を通る伝導による熱伝達損失はありません。したがって、プロセス中に炎が維持されている限り、生産の温度は高くなると予想されます。ラマン分光法¹⁴ を用いたチャーの調査では、火炎キャップキルンからのバイオ炭サンプル(筆頭著者のKelpie Wilson氏提供)が、チャー形成の見かけ温度が900°Cの範囲で最も高い3つのサンプルの1つであることが報告された。

熱電対は、火炎管窯または焼却パイル内のバイオ炭の生産温度を正確に測定するために火傷の内部にアクセスし、これらは高価であり、ローテク生産者には利用できません。そこで、ブラジルのアマゾンで働いている研究者によって説明された方法を使用し、校正された温度¹⁵で溶けるヒートクレヨン(溶接工が金属部品の温度をチェックするために使用)を使用しました。レンガはクレヨンで印を付け、アルミホイルで包み、生産中に窯のさまざまな場所に置かれます。この方法を何度か使用し、クレヨンの跡が完全に溶けているため、窯の温度が650°Cを超えていることを確認しました。これは、必要に応じて生産温度を確認するのに便利な方法です。ただし、主な検証ポイントは、全体に炎の存在を文書化することです。

ローテクの火炎炭化法で作られたバイオ炭の特性に関する公開データはあまりありません。しかし、Cornellissenらは、いくつかのキルンタイプで火炎炭化法で製造されたバイオ炭サンプルを分析し、PAH含有量が低く、バイオ炭の安定性が高いなど、バイオ炭の欧州バイオ炭証明書(EBC)基準を満たしていることがわかりました。さらに、木質原料と草本原料の両方から生産されたバイオ炭の平均炭素含有量は76%でした¹¹。米国森林局ロッキーマウンテン研究ステーション¹⁶は、2022年にカリフォルニア州で行われた運動会で作られた火炎キャップ窯と焼却杭から採取された5つのバイオ炭サンプルを分析しました。サンプルの平均炭素含有量は85%でした。これらの結果から、フレームキャップキルンの木質残渣から作られたバイオ炭は、炭素除去を検証するための基本要件である高炭素含有量と高いバイオ炭安定性を満たす可能性が高いと結論付けることができます。

現在、Verra¹⁷ と European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink プロトコル¹⁸ によって、ローテクで場所ベースのバイオ炭生産のための 2 つの炭素除去プロトコルがリリースされています。これらの新しく開発されたプロトコルは有望です。ただし、干ばつや山火事の脅威にさらされている森林、森林、その他の景観に適用すると、いくつかの制限があります。そこで、本稿では、植生管理と燃料負荷低減活動の一環として、木質残骸の火炎炭化に特化して開発されているAD Tech¹⁹の新しい方法論であるMethodology CM002 V1.0について説明します。ライフサイクル分析により、フレームキャップキルンで木質バイオマスからオンサイトバイオ炭を生産するバイオ炭を使用したバイオ炭炭素隔離は、正味の炭素除去効果を生み出すことが確認されています²⁰。炭素除去プロトコルの実施が成功すれば、山火事や生態系の劣化からコミュニティや生態系を守るために必要な重要な燃料削減作業を財政的に支援することができます。炭素除去の支払いにアクセスするために、現場での測定とデジタル監視、報告、検証(D-MRV)の方法が、ここで説明するバイオ炭生産方法論に日常的な慣行として組み込まれています。プラットフォームの詳細については、補足情報(補足ファイル1)を参照してください。

いくつかのオープンソースのフレームキャップキルンの設計が個人によって製造されていますが²¹、私たちの知る限り、現時点では、北米で販売されるために大量生産されている1立方メートルを超える容量のフレームキャップキルンが1つだけあります。 軽量で持ち運び可能なフレームキャップキルンは、ハンドクルーを使用して簡単に移動できるように設計されています。窯は、6枚の軟鋼板を一緒に固定した内輪で構成されています。内輪を固定するブラケットに軽量ゲージのスチールボルトで構成された外輪。外輪は熱シールドとして機能し、熱を保持して効率を向上させます。窯の上部は空気に開放されており、ここに炎のキャップが形成されます。主窯本体と遮熱板の間の環状の隙間から流れ上がった空気は、予熱された燃焼用空気を窯に供給し、燃焼効率をさらに高めます(図1)

図1:環状窯内の気流、火炎特性、チャーの蓄積を示す概略図。 向流燃焼用空気は煙をホットゾーンに引き込み、そこで燃焼します。主窯本体と遮熱板の間の環状の隙間から流れ上がった空気は、予熱された燃焼用空気を窯に供給し、燃焼効率をさらに高めます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

窯の直径は2.35mで、高さ1mの円柱を形成し、総容積は4.3m3です。実際には、窯が上部まで完全に満たされることはないため、一般的な生産バッチでは、2〜3立方メートルのバイオ炭の体積に対して、1/2〜3/4で窯をいっぱいに充填します。

リング・オブ・ファイア・キルンは標準化された設計であるため、温室効果ガス(GHG)の利益を定量化するための標準化された手順を提供するCM002コンポーネント方法論で使用するための最初の認定技術として採用されています。CM002の要件を満たす測定およびデータ収集ステップがメソッドに組み込まれています。レポートは、プロセス全体を通して簡単なアンケートに回答し、写真やビデオクリップをモバイルアプリにアップロードすることにより、スマートフォンアプリケーションを介して行われます。