Produção, caracterização e quantificação de biocarvão em madeiras utilizando fornos portáteis com tampa de chama

Em muitas regiões do mundo, incluindo o oeste dos EUA, as mudanças climáticas, a seca e as espécies exóticas invasoras criaram uma crise de incêndios florestais que ameaça ecossistemas e comunidades. À medida que as florestas e bosques queimam incontrolavelmente, grandes quantidades de partículas e gases de efeito estufa são emitidas na atmosfera, com consequências devastadoras para a saúde humana e o clima. Por exemplo, estima-se que os incêndios florestais na Califórnia em 2020 tenham liberado cerca de 127 milhões de megatoneladas de emissões de gases de efeito estufa, aproximadamente duas vezes a quantidade das reduções totais de emissões de GEE da Califórnia de 2003 a 2019¹. Cada vez mais, cientistas e gestores de terras estão investigando ações humanas que podem ajudar a restaurar essas florestas e bosques e seus serviços ecossistêmicos. O desbaste manual e a remoção do excesso de biomassa é uma das ações mais importantes que devem ser tomadas². A remoção de biomassa inclui sua disposição e, onde a biomassa está situada em locais remotos e de difícil acesso, há poucas opções além da incineração no local em pilhas de corte não gerenciadas. Pilhas de queimadas não gerenciadas fazem o trabalho de remover combustíveis da paisagem, mas danificam os solos florestais à medida que o calor concentrado sob as pilhas incinera o horizonte orgânico do solo, deixando para trás solo nu e vulnerável à erosão e colonização por espécies invasoras. Pode levar décadas para regenerar o horizonte orgânico do solo em uma cicatriz de pilha de queimadura³. Pilhas de queima não gerenciadas também são uma fonte de emissões de partículas e gases de efeito estufa. A fumaça da queima de pilhas também restringe a janela de queima em bacias hidrográficas limitadas pela qualidade do ar, dificultando a realização do trabalho.

Pesquisadores do Serviço Florestal do USDA examinaram a alternativa de produzir biocarvão a partir de materiais cortados e identificaram várias técnicas promissoras, incluindo a opção de usar pequenos fornos móveis de biocarvão na floresta⁴. A conversão de corte florestal em biocarvão no local tem muitas vantagens ecológicas em relação à prática atual de eliminação de cortes por incineração em pilhas de queima, incluindo redução do aquecimento do solo e emissões de partículas. O biocarvão produzido no local pode ser removido e utilizado na agricultura, ou pode ser deixado no local onde serve várias funções na restauração da saúde da floresta e na melhoria da adaptação às mudanças climáticas e à seca. Como até 50% do carbono total em muitos solos florestais é carvão vegetal proveniente de incêndios naturais históricos⁵, deixar o biocarvão no local onde é feito pode restaurar o carvão vegetal do solo florestal que muitas vezes está ausente dos horizontes recentes do solo devido à supressão do fogo, com impactos desconhecidos nos processos ecossistêmicos⁶. O biocarvão deixado nos solos florestais pode mimetizar os efeitos do carvão vegetal produzido pelo fogo natural e produzir efeitos semelhantes sobre o teor de carbono e as propriedades físicas, químicas e biológicas do solo⁷.

Nos últimos anos, uma rede internacional de trabalhadores florestais, proprietários de florestas, pesquisadores e consultores de biochar desenvolveu um conjunto de métodos de carbonização para converter o corte florestal em biocarvão no local como uma alternativa à incineração de pilhas de corte. Esses métodos são baseados no princípio da carbonização por chama, desenvolvido e comercializado pela primeira vez no Japão como o “forno carbonizante sem fumaça” oferecido pela empresa Moki⁸. Este forno de anel de aço produz biocarvão bem carbonizado com eficiência de conversão de biomassa em biocarvão relatada de 13% a 20%, dependendo da matéria-prima utilizada⁹.

O processo de produção de biocarvão ou carvão vegetal é muitas vezes referido como pirólise, a separação dos componentes da biomassa pelo calor na ausência de oxigênio. Isso é geralmente concebido como pirólise de retorta, onde a biomassa é fisicamente isolada do ar em um recipiente aquecido externamente. No entanto, a pirólise também pode ocorrer na presença de ar limitado, como na gaseificação e carbonização da chama, porque combustíveis sólidos como a madeira queimam em etapas. Quando o calor é aplicado à biomassa, o primeiro estágio da combustão é a desidratação, pois a água é evaporada do material. Isso é seguido por desvolatilização e formação simultânea de carvão, também conhecida como pirólise. O gás volátil contendo hidrogênio e oxigênio é liberado e queimado em chama, adicionando continuamente calor ao processo. À medida que o gás é liberado, o carbono restante é convertido em carbono aromático, ou carvão. O estágio final da combustão é a oxidação do carvão a cinzas minerais¹⁰.

Como estas são fases discretas que ocorrem em um processo de combustão aberta, temos a oportunidade de parar o processo após a formação do carvão, removendo ar ou calor. Isso é realizado durante o processo de produção do biochar, adicionando continuamente novo material à pilha de queima para que o carvão quente seja enterrado por novo material que corta o fluxo de oxigênio. O carvão quente se acumula no fundo da pilha e é impedido de queimar em cinzas enquanto a chama estiver presente, porque a chama consome a maior parte do oxigênio disponível. Quando todo o combustível foi adicionado à pilha, a chama começa a se apagar. Nesse ponto, o carvão quente pode ser preservado removendo oxigênio e calor, geralmente borrifando as brasas com água e deixando-as finas para esfriar¹¹.

O princípio básico de funcionamento é o da combustão contra-fluxo. O ar de combustão em contrafluxo mantém a chama baixa e evita a emissão de brasas ou faíscas. A chama também queima a maior parte da fumaça, reduzindo as emissões. Em resumo, os seguintes princípios explicam o funcionamento da combustão em contrafluxo em um forno com tampa de chama: (1) O gás flui para cima enquanto o ar de combustão flui para baixo, (2) O fluxo de contracorrente é estabelecido à medida que o combustível de combustão atrai o ar para baixo, (3) As chamas permanecem baixas e próximas ao combustível, minimizando a fuga de brasa, (4) A fumaça queima na zona quente, (5) Porque todo o ar de combustão vem de cima, é consumido pelas chamas (6) Muito pouco ar é capaz de alcançar as brasas não queimadas que caem no fundo do forno, (7) As brasas são preservadas até o final do processo, quando são apagadas ou rapadas.

Além de seus benefícios para o solo, o biocarvão também é um método líder de remoção de carbono para mitigação das mudanças climáticas. Até metade do carbono da biomassa lenhosa pode ser convertido em carbono aromático estável na forma de biocarvão¹². No entanto, nem todas as tecnologias de pirólise produzem a mesma quantidade de carbono recalcitrante que permanece estável nos solos por 100 anos ou mais (a métrica chave para determinar o valor de remoção de carbono). A estabilidade do biocarvão está intimamente correlacionada com a temperatura de produção. Estima-se que a temperatura da chama adiabática da queima da madeira seja próxima à do propano, 1.977 °C¹³. A produção de biocarvão em um forno com tampa de chama está intimamente ligada à chama, sem perdas por transferência de calor por condução através de uma parede metálica, como na pirólise de retorta. Portanto, seria de se esperar que a temperatura de produção fosse alta desde que uma chama fosse mantida durante o processo. Um levantamento de chars usando espectroscopia Raman¹⁴ relatou que uma amostra de biochar de um forno de tampa de chama (fornecida pelo autor principal Kelpie Wilson) estava entre as três amostras com a maior temperatura aparente de formação de char, na faixa de 900 °C.

Os termopares são necessários para acessar o interior da queima e medir com precisão a temperatura de produção do biochar em um forno de tampa de chama ou pilha de queima, e estes são caros e não estão disponíveis para produtores de baixa tecnologia. Para tanto, utilizou-se um método descrito por pesquisadores que atuam na Amazônia brasileira que utiliza giz de cera térmico (utilizado por soldadores para verificar a temperatura de peças metálicas) que derretem a uma temperatura calibrada¹⁵. Os tijolos são marcados com giz de cera, envoltos em papel alumínio e colocados em vários lugares do forno durante a produção. Usamos este método várias vezes e determinamos que as temperaturas do forno excediam 650° C, pois as marcas de giz de cera estavam completamente derretidas. Este será um método útil para confirmar as temperaturas de produção quando necessário; no entanto, o principal ponto de verificação será documentar a presença de chama por toda parte.

Não há muitos dados publicados sobre as características do biochar feito por métodos de carbonização de chama de baixa tecnologia. No entanto, amostras de biocarvão feitas por métodos de carbonização por chama em vários tipos de fornos foram analisadas por Cornellissen et al., e descobriram que atendem aos padrões do Certificado Europeu de Biocarvão (EBC) para biochar, incluindo baixo teor de PAH e alta estabilidade do biochar. Além disso, o biocarvão produzido a partir de matérias-primas lenhosas e herbáceas apresentou teor médio de carbono de 76%¹¹. A Estação de Pesquisa de Montanhas Rochosas¹⁶ do Serviço Florestal dos EUA analisou cinco amostras de biocarvão de fornos de tampa de chama e pilhas de queima feitas em um dia de campo na Califórnia em 2022. O teor médio de carbono das amostras foi de 85%. Diante desses resultados, podemos concluir que é provável que o biocarvão produzido a partir de resíduos lenhosos em fornos de tampa de chama atenda aos requisitos básicos para a remoção de carbono verificada: alto teor de carbono e alta estabilidade do biochar.

Dois protocolos de remoção de carbono para a produção de biochar de baixa tecnologia e à base de locais foram agora lançados pela Verra¹⁷ e pelo protocolo C-Sink Global Artisan do Consórcio Europeu de Biochar¹⁸. Esses protocolos recém-desenvolvidos são promissores; no entanto, eles têm algumas limitações quando aplicados a florestas, florestas e outras paisagens sob ameaça de seca e incêndios florestais. Assim, este trabalho descreverá uma nova metodologia, a Metodologia CM002 V1.0, da AD Tech¹⁹, que está sendo desenvolvida especificamente para carbonização por chama de detritos lenhosos como parte das atividades de manejo da vegetação e redução da carga de combustível. A análise do ciclo de vida confirma que o sequestro de carbono do biocarvão usando a produção de biocarvão no local a partir de biomassa lenhosa em fornos de tampa de chama produz um benefício líquido de remoção de carbono²⁰. A implementação bem-sucedida de protocolos de remoção de carbono pode ajudar a apoiar financeiramente o trabalho vital de redução de combustíveis que precisa ocorrer para proteger comunidades e ecossistemas de incêndios florestais e degradação de ecossistemas. Para acessar os pagamentos de remoção de carbono, medições de campo e métodos digitais de monitoramento, relatórios e verificação (D-MRV) são incorporados como práticas de rotina na metodologia de produção de biocarvão aqui descrita. Os detalhes da plataforma são discutidos nas Informações Complementares (Arquivo Suplementar 1).

Enquanto vários projetos de código aberto de fornos de tampa de chama estão sendo fabricados por indivíduos para seu próprio uso²¹, até onde sabemos, neste momento, há apenas um forno de tampa de chama com capacidade superior a um metro cúbico que está sendo produzido em massa para venda na América do Norte, o Forno Anel de Fogo²², Um forno de tampa de chama leve e portátil que é projetado para facilitar a mobilidade usando equipes manuais. O forno é composto por um anel interno composto por seis chapas de aço macio presas juntas. Um anel externo composto por parafusos de aço de calibre mais leve nos suportes que mantêm o anel interno unido. O anel externo serve como um escudo térmico que retém o calor para melhor eficiência. A parte superior do forno é aberta para o ar, e é aqui que a tampa da chama se forma. O ar que flui através do espaço anular entre o corpo do forno principal e o escudo térmico fornece ar de combustão pré-aquecido para o forno, aumentando ainda mais a eficiência da combustão (Figura 1)

Figura 1: Esquema mostrando o fluxo de ar, características da chama e acúmulo de carvão no Forno do Anel de Fogo. O ar de combustão contra-fluxo puxa a fumaça para a zona quente, onde queima. O ar que flui através do espaço anular entre o corpo do forno principal e o escudo térmico fornece ar de combustão pré-aquecido para o forno, aumentando ainda mais a eficiência da combustão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O diâmetro do forno é de 2,35 m, formando um cilindro de um metro de altura para um volume total de 4,3^m3. Na prática, o forno nunca é preenchido completamente até o topo, então um lote de produção típico preencherá o forno entre 1/2 a 3/4 cheio para um volume de biochar que está entre 2 e 3 metros cúbicos.

Por ser um projeto padronizado, o Forno Anel de Fogo está sendo adotado como a primeira tecnologia certificada para uso na Metodologia de Componentes CM002, que fornece procedimentos padronizados para a quantificação dos benefícios dos gases de efeito estufa (GEE). As etapas de medição e coleta de dados que atendem aos requisitos do CM002 são incorporadas ao método. A denúncia é feita por meio de um aplicativo de smartphone, respondendo a questionários curtos durante todo o processo e carregando fotos e clipes de vídeo para o aplicativo móvel.