ビッグボックスバイオ炭窯の運用とベストプラクティス

要約

ユタ州バイオマス資源グループ(UBRG)は、森の中でのバイオ炭生産を可能にするビッグボックスキルンと呼ばれる金属製の箱を使用して、危険な燃料の削減とバイオ炭生産への革新的なアプローチで、シンプルなバイオ炭キルンをスケールアップしました。 この記事では、ビッグボックスバイオ炭窯の運用とベストプラクティスについて概説します。

要約

ビッグボックスバイオ炭窯は、可動部品のないシンプルな金属製の箱で森の中でバイオ炭を生産できる、オープンパイルバーニングの代替手段です。このアプローチは、何世紀にもわたって木炭メーカーが使用してきた技術に基づいていますが、最新の機械化されたアプローチを使用しています。ミニショベルなどの機械を使って、窯の積み込み、手入れ、空にします。この記事では、独自のビッグボックスバイオ炭キルンプログラムを開発する初心者向けに、設計、輸送、配置、積み込み、照明、焼入れ、ダンプ手順など、ビッグボックスバイオ炭キルンのベストプラクティスの概要を説明します。

バイオ炭の生産には低酸素燃焼環境が必要であり、ビッグボックスキルンはフレームキャップ(フレームカーテンと呼ばれることもあります)法を使用して、煙の発生を制限して材料を燃焼させます。これらの窯は、適切な定格のトレーラーを使用して現場に簡単に移動できるように設計されています。ミニショベルなどの機械を使って、窯の積み込み、手入れ、空にします。著者は、人々が農場、牧場、または裏庭で耐久性のある炭素を隔離するためのよりアクセスしやすい手段を認識していません。この記事では、独自のビッグボックスバイオ炭キルンプログラムを開発する初心者向けに、設計、輸送、配置、積み込み、照明、焼入れ、ダンピングの手順など、ビッグボックスバイオ炭キルンのベストプラクティスについて概説します。

概要

危険な燃料は^、西部1の荒野で大きな問題となっています。火災管理者は天候を制御するためにほとんど何もできないため、燃料を制御することが^{最善の選択肢です}2。この方法の目標は、経済的かつ実用的な方法でバイオ炭を生産しながら、廃木材を削減するための新しいスケーラブルなツールを提供することです。林業従事者は伝統的に、伐採や燃料削減プロジェクトからの資材を積み上げて燃やしていましたが、大気質の制限と火災シーズンの長期化により、過去数十年間で野焼きがはるかに困難になっています³。さらに、野焼きは^{過度の熱による}土壌への潜在的な長期的な損傷を引き起こすことが示されています4。これらすべての課題が、UBRGがバイオ炭生産のためにこの技術を開発している理由です。UBRGは、価値ある製品⁵を生み出す有害燃料削減のための低コストでアクセス性の高いアプローチを提供することに着手しました。燃料を原料に変え、価値の低い木材から価値を生み出そうとするこのアプローチは、課題に満ちています。このアプローチは、燃焼や腐敗によって失われる炭素の一部を保存し^{、土壌中で}半減期が1,000年近くになる耐久性のある形に加工します6。これは、ほとんどの土壌有機物^の滞留時間の10〜1,000倍です7。

ビッグボックス窯の設計プロセスは、日本発祥の技術の他の派生物のレビューから始まりました。2011年、井上らは、日本の茂木社が製造した「無煙炭窯M50」で製造されたバイオ炭の炭化効率と^{品質について報告} しました。バイオ炭は、これらの小さな円錐形の窯で生産され、乾燥質量ベースで13%から19.5%の範囲の変換効率が得られました。その結果、固定炭素とチャーの炭素含有量は、約600°Cの温度でレトルト法で製造された木炭の値と同等であることが分かった。

ビッグボックスの形状は、ノースダコタ州森林局のシェルターベルト樹木除去の炭化に関する実現可能性調査で、ケルピー・ウィルソンによって最初に提案されました。ウィルソンは、より大きなサイズの材料を処理するためのフレームキャップキルンとして、改造されたスチール製のゴミ箱を使用することを提案しました。ビッグボックス窯の設計には、以下で説明するように、耐久性、使いやすさ、および機動性に役立つコンセプトへのいくつかの改善が含まれています。ウィルソンの図には、この目的のためにごみ箱や石油タンクなどのコンテナを再利用するための提案が含まれています。ただし、再利用された材料は通常、塗装または亜鉛メッキされており、ワークショップの参加者が空気中の有害な化学物質にさらされる可能性があります。

ビッグボックス窯からの排出量はまだ報告されていませんが、Cornelissenら⁹ は、いくつかの異なるタイプのコンティキ窯(深い円錐形窯)で排出試験を実施し、排出量は一般的にバイオマス原料の野焼きからの排出量よりも低いことを発見しました。また、多環芳香族炭化水素(PAH)用に製造されたバイオ炭を試験したところ、PAHレベルが土壌のノルウェーの最大許容リスク(MTR)レベルをはるかに下回っていることが分かった。オレゴン窯(浅いピラミッド型の窯)のライフサイクル分析では、フレームキャップ窯の森内での運転はカーボンネガティブであり、土壌中の大気中の炭素の正味隔離をもたらすことが示されました¹⁰。

ビッグボックスアプローチの限界の1つは、湿式原料です。これらの窯では、乾燥した気候や乾燥した原料では、1日2バッチの大口径材料が妥当な期待値ですが、湿度が高く、燃料の水分が高い場所では、1日1回のバッチがより妥当な期待値です。乾燥原料はより生産的です。湿った原料は窯の生産性を制限します。雨の日の湿った原料はうまく機能しません。直径10cm未満の湿潤原料は、大口径の湿式原料よりも完全に熱分解します。乾燥した材料は、雨や雪の天候で簡単に熱分解できます。ビッグボックス窯は、直径0.76 m(30インチ)以上の窯長の乾いた丸太を熱分解することに成功し、直径1 cm未満まで枝分かれします。

窯の操業は、ほとんどの大気質規制当局によって野焼きのように扱われており、ユタ州では、許可が3日前にしか与えられないため、特に大気の逆転が私たちのコミュニティの周りで一般的である冬の間は、計画を立てるのが難しくなります。バイオ炭の燃焼を行うコストは、単にパイルを燃やすよりもはるかに高く、このアプローチの別の制限を提示します。この技術は、熱分解前の粉砕やチッピングなどの原料の高価な前処理を省いた規模でバイオ炭を生産するための、最初に発表されたローテクな方法です。この方法は、管理可能なピースサイズに切断する以外に欠けたり処理されたりしていないほとんどの木質の破片に役立ちます。この方法は、草、トウモロコシ茎葉、籾殻などの材料のマットまたは塊を形成する小さなピースサイズの原料や原料には役立ちません。

窯の設計
BB12は、長さ3.7m(12フィート)、幅1.8m(6フィート)、高さ1.2m(4フィート)の二重壁の窯で、14ゲージの鋼で作られています。サイズと形状はさまざまです。プランはUBRGのウェブサイト^{で入手できます 11}.窯の上部以外は空気を入れません。これは、可燃物が熱柱を通って上昇するときにほとんどの可燃物を消費するフレームキャップを開発するために重要です。窯の内側の角の詳細については、 図1 を参照してください。例外は、一般的な犬用ドアとサイズが似ているため、 図2 に示すドリフトアと呼ばれる排水口です。ハンドル付きのスライド式金属片を備えているため、窯を操作するときは押し下げて閉じ、窯を捨てる準備ができたら持ち上げることができます(注意:高温)。

2つの壁は、空隙¹² を設けるために分離されており、窯の内部を除いて、上部が開いており、下部が完全に密閉されていない。エアギャップと壁の上部の詳細については、 図 3 を参照してください。熱膨張とそれに伴う収縮時の問題を避けるために、密閉された空間を避けてください。単層窯は、危険な燃料の削減とバイオ炭の生産に依然として効果的ですが、二重壁窯では、機器やオペレーターが熱にさらされることなく近づくことができます。バイオ炭の生産が最も重要な目標であるならば、二重壁の窯の方が効果的かもしれません。有害燃料の削減が第一の目標であり、バイオ炭が二の次である場合、単層キルンで十分である可能性があります。

プロトコル

1. 現場までの交通手段

1. BB12をトレーラーに積み込み、ミニショベル(親指付き)とチェーン、またはフォークポケットを利用して4 x 4フォークリフトを使用して輸送します。
   注意: ミニ油圧ショベルに関するその他の言及はすべて、バケットで操作可能な親指があることを前提としています。
2. それぞれ1,361キログラム(3,000ポンド)を超える破断強度を持つラチェットストラップで窯をトレーラーに固定します。例については、 図 4 を参照してください。
3. ミニショベルやフォークリフトで窯を降ろすか、木や車に縛り付けて走り去り、地面に落とす。現場に着いたら、ピックアップトラックとストラップを使って、スキッドで窯を地面に引きずります。

2. 現地での準備

1. BB12を木材の山にかなり近い比較的平らな面(傾斜<10%)に置き、傾斜がある場合は、ドッグドア排水パネルが下り坂側にあることを確認します。
   注意: 操作中は、ドッグドア排水パネルを閉じたままにしてください。
2. 原料は、任意の木質種にすることができます。特に湿った原料を扱う場合は、窯を動かすために小さくて乾燥した材料を使用してください。
3. 窯に供給するのに十分な量の原料を集めて積み上げます。すべての原料を窯の最大寸法よりも短い長さにカットして、簡単に収まるようにします。

3. ハザードの低減

1. 発火する前に、地域の消防および大気質当局に確認して、火災の危険性が発火に対して高すぎないこと、および大気質規制が燃焼計画に影響を与えないことを確認してください。点火する前に、必ず地元の消防当局に計画を知らせてください。
2. 点火する前に、火が忍び寄るのを防ぐために、窯の周囲に完全にファイヤーライン(ミネラル土壌まで削り取られた1フィート幅のトレイル)を構築します。窯に点火する前に、現在の火災の危険性に応じて、適切な給水に接続されている充電ホースがあることを確認してください。

4. ローディングおよび照明炉

1. ミニショベルを使用して、窯に原料をランダムにロードします。原料を追加するサイズ/順序は関係ありません。図 5 に、荷を下ろした窯の画像を示します。
2. 窯の上に小径の燃料(原料)の層を積み上げて、迅速な点火を助けます。
3. 装填したら、最初に窯の上部に火をつけて、ドリップトーチ、プロパントーチ、またはその他の点火装置で窯に火をつけます。窯の照明と窯の操作の画像については、 図6 を参照してください。

5.窯の手入れ

1. 窯を燃やし、火が許す限り燃料を追加します。材料が窯に入れられた後、短期間の煙の発生が予想されます。フレームキャップがすぐに再形成され、可燃物が熱/煙柱を通って上昇するときに可燃物を消費し続けることに注意してください。焚き火のように窯を手入れします。一度に燃料を入れすぎると火が消えますが、少なすぎると火が消えます。フレームキャップの画像については、 図 7 を参照してください。
2. 窯と周囲の植生を監視して、不要な発火を引き起こす可能性のある火花や残り火が漏れていないか確認します。
3. 窯がいっぱいになるか、原料が枯渇するか、シフトが終了するまで、この方法で窯の手入れ/積み込みを続けます。

6. 焼入れ

1. 窯が満杯またはほぼ満杯になり、燃え盛る燃焼がくすぶっているまたは燃えている燃焼に取って代わられたら、急冷して燃焼を停止し、石炭を保存します。 図8 は、焼入れ準備が整った窯を示しています。
2. 直径3.8 cm(1.5インチ)のホースとウォーターポンプ(レンタル店ではボリュームポンプまたはトラッシュポンプと呼ばれることが多い)を使用して、約300ガロンの水を使用してキルンを急冷します。石炭を溺死させる。石炭が溜まるまで水を加え続け、ミニショベルを使用して攪拌し、乾燥したホットスポットと継続的な燃焼を排除します。 図9 はホースによる焼入れを示しています。
3. 窯が完全に急冷されたら、犬のドアを開けて水を排出すると、バイオ炭を傾けるための窯が軽くなります。

7. チップ

1. 窯が完全に急冷され、水気を切ったら、窯に隣接する地面に中身を捨てます。
2. まず、機械を使用して石炭があるスペースの周囲にファイヤーラインを構築し、このスペースから草、棒、ブラシ、丸太などの燃料をこすり落とすことで、エリアを準備します。
3. 機械とチェーン/ストラップを使用して、窯を機械の方に引っ張ります。 図10 は、ミニショベルで窯をひっくり返している様子です。
4. ミニショベルのブーム/油圧ホース/継手を監視して、熱暴露を確認します。時々、手の甲を最初にこれらの部分の近くに置き、最終的にはこれらの部分に置いて、熱すぎて触れないようにします。その場合は、すぐに冷ましてください。

8.コールドトレーリング

1. 現場を離れる前に、生成されたバイオ炭の全量に手を動かして、火が消えていることを確認してください。火を消すために、触ると完全に冷えていることを確認してください。
   注意: BB12には、安全目的で使用できる蓋が付属しています。万が一、火災やケガなどの緊急事態が発生した場合は、窯に蓋をして火花や残り火が窯から出るのを防ぎ、安全に避難させることができます。プロシージャはいつでも停止できます。火災の危険性が一般的に低い湿度の高い場所では、蓋が必要ない場合があります。

ディスカッション

通常、敷地内で生産されたバイオ炭の一部は、ワークショップの参加者によってバケツや袋に集められ、人々の庭や農業プロジェクトに適用されます。バイオ炭は砕けやすく、車で乗り越えたり、下の硬い表面で踏んだり、ミニショベルのバケツでつぶしたりすることで、細かく砕いて土壌に組み込みやすくすることができます。この材料は木炭とも呼ばれ、屋外での木炭調理用に収集されており、食事の料理の特徴に追加するための地元産の材料を提供する可能性があります。

ビッグボックスのフレームキャップバイオ炭キルンを他のバイオ炭製造方法と比較すると¹²、移動式炭化装置は1日あたり63,502kg(70トン)を処理できるのに対し、ビッグボックスキルンでは12,500kg/日を処理できる。移動式炭化機のコストは、ビッグボックスキルンを製造するのに10,000ドル未満であるのに対し、購入には500,000ドルからと、ビッグボックスキルンよりもはるかに高くなります。1つのビッグボックスキルンでは、移動式炭化器が処理できる材料の20%しか処理できませんが、移動式炭化器の購入価格の2%しかかかりません。

別の例として、加熱オーガーキルンは1日あたり最大5,443kgのバイオマスを処理できますが、これはビッグボックスキルンの1日あたり12,500kgの容量よりもはるかに低いです。さらに、材料の前処理(チッピング)のコストは、材料を実際に熱分解するよりも高くなる可能性があります。さらに、加熱オーガーなどの精製された機械は、林業作業で一般的な汚れた原料を許容しません。シャベル一杯の土はオーガーキルンをシャットダウンできますが、ビッグボックスキルンは作業に大きな影響を与えることなく、数シャベル一杯の土に耐えることができます。最後に、オーガー窯のコストは、ビッグボックス窯の10倍にもなります。

最初に建設されたビッグボックス窯は、長さ4.9m(16フィート)、幅2.4m(8フィート)で、単壁構造であるため、BB16と呼ばれています。当初は高さ 1.8 m (6 フィート)、重量は 1,360 kg (3,000 ポンド) 近くで、大型の掘削機、資格のあるオペレーター、ローボーイトレーラーが必要で、スケジュールが困難でした。このアプローチは典型的なユタ州の燃料負荷に対処するには大きすぎ、高さは 1.8 m (6 フィート) で、窯の中で何が起こっているのかを照らしたり見たりすることは非常に困難でした。これらの問題に対処し、ユタ州の燃料負荷に対するこのアプローチをより適切に拡張し、平均的な森林管理者がアクセスしやすくするために、高さは1.2 m(4フィート)に引き下げられました。これにより、中が見えやすくなり、点火しやすくなります。また、重量を1,043 kg(2,300ポンド)に減らし、より利用可能なピックアップトラックとトレーラーで輸送したり、以前の経験を必要とせず、ほとんどの機器レンタルショップでレンタルできるミニショベルで移動および操作したりできるようになりました。

UBRGによって建設された2番目の窯は二重壁構造であり、窯の近くのオペレーターと機器へのより良い熱保護を可能にし、窯¹³内のより均一な加熱を可能にします。この変更の一部は、12ゲージ鋼から、より薄くて軽い14ゲージ鋼に移行することでした。UBRGはこれらの窯で何十回もの火傷を負っており、斑点状に少し曲がっていますが、熱による金属疲労の明らかな兆候はまだ見られません。確かに、さらなる学習が行われる可能性が高く、継続的なイノベーションの余地は十分にあります。

二重壁のBB12は、最も注目を集めているデザインであり、おそらくインターマウンテンウェストの燃料にとって最もアクセスしやすく実用的です。より大きな窯は、米国北西部など、より多くの/より大きな燃料でより適切になります。この方法は、4.9 m(長さ16フィート)の窯で実証されています。現在までに、ビッグボックス窯は、ユタ州、コロラド州、モンタナ州、テキサス州、ニューヨーク州の他の当事者によって建設されてきました。

窯は、バイオ炭の生産を最大化するか、有害燃料の削減を最大化するか、またはその中間のどこかで操作できます。危険な燃料の削減が主な目的である場合、キルンはランダムにロードされ、キルンが石炭でいっぱいの場合にのみ急冷できます。地面が数センチの雪で覆われている場合など、周囲の火災の危険性が低い場合は、シフトが終了する前の夕方に燃料を窯に高く積み上げ、一晩中燃やすことができます。したがって、制御された空間で燃料を消費します。バイオ炭の生産が主な目的である場合、原料を同じサイズに分類し、キルンに同様のサイズクラスの材料をロードし、石炭を保存するために頻繁に急冷することができます。通常、これらの相反する目標が混在しており、窯はこれら2つの両極端の間で運営されています。原料の種は、特定の特性を持つバイオ炭が目標でない限り、それほど重要ではありません。

これらの窯から出てくる煙の量は限られています。フレームキャップは、可燃物が熱柱を通って上昇するときに可燃物を消費するという考え方です。2019 年と 2020 年、ユタ州煙管理システム コーディネーターのポール コリガンは、ユタ州北部のローガンとユタ州南部のモアブ近郊で行われたビッグ ボックス バイオ炭窯のデモンストレーションに排出試験装置を持ち込みました。どちらの場合も、フレームキャップは可燃物が熱柱を通って上昇するときに可燃物を消費するため、機器はキルンからの排出量の増加を記録しませんでした。2023 年 4 月、米国農務省森林局消防研究所の排出ガス試験チームは、ユタ州トゥーイルの窯で排出試験を実施しました。これらの結果はまだ利用できません。

窯の手入れをする労働者には、シャベル、熊手、プラスキ、チェーンソーなどの消火用手工具が必要です。ベストプラクティスには、出席者全員に革手袋、目の保護具、耐火服、または少なくとも天然繊維の衣服などの安全装備を着用させることが含まれます。合成繊維の衣服は避けなければなりません。ヘルメットと革のブーツ、長袖、ズボンは、オペレーターを保護するのに役立ちます。

緊急時の連絡緊急時対応計画:緊急事態の可能性とそれに関するコミュニケーションのニーズに加えて、操作の場所(多くの場合、遠隔地)を考慮する必要があります。地域の携帯電話の受信が最適である場所を知ることは非常に重要です。衛星電話またはGarmin InReachなどの緊急ロケータービーコンを強くお勧めします。一人でやらないことが大切です。

燃えさし/スポット火災が発生した場合は、火花が窯から出ないように、蓋を窯に置く必要があります。機械を使用して、スポット火災の周囲に火線をすばやく掘り、燃焼中の燃料を未燃焼の燃料から分離する必要があります。消火には水源を使用する必要があります。すぐに消火できない場合は、911に電話してください。

ビッグボックス窯からのバイオ炭は、カリフォルニア州ワトソンビルのコントロールラボラトリーズによって、認証プログラムのための国際バイオ炭イニシアチブ(IBI)ラボラトリーテストを使用して特徴付けられており、結果は85%の有機炭素と8%の灰を示しています。これらは、適度に高品質のバイオ炭の特徴です。共同研究者は、大きなごみ箱に似たロールオフコースターを底面に追加したり、完成したバイオ炭を取り除くのに役立つ端壁の1つであるドアを追加したりする実験を行っています。これらの機能が極端な熱にさらされた後も動作し続けるかどうかは、まだわかりません。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Big Box biochar kiln	ANR Fabrication	BB12	Phone: 435-753-0310
Chainsaw	Ace Hardware	#7000565	Or similar
Drip torch	Forestry Suppliers	7.58182E+11	Fill with: 30% gasoline, 70% diesel (or propane torch)
Garmin InReach	Best Buy	6499326	Or similar
Honda self priming water pump	Northern Tool	Item# 109418	Or similar
lighter / matches	Amazon
Log chains	Tractor Supply Co.	SKU: 358788199	Or similar; for moving/lifting kiln
Mini-excavator with thumb	Local rental company		Must have a bucket with thumb
Pulaski	Grainger	485C27	Or similar
Rachet straps	US Cargo Control		3,000 lbs strength per
Rags / cardboard	Grainger	9JZ92	To protect straps from abrasion while transporting kiln
Rake	Grainger	1WG30	Or similar
Shovel	Grainger	12N166	Or similar
Truck / trailer	Own/rent locally		For transporting kiln
Water discharge hoses	Grainger	45DT92
Water: 300 gallons per quench			Plus more for fire control
Personal Protective Equipment
Chainsaw chaps	Global industrial	T9FB2019133	Or similar
Ear protection	Global industrial	T9F708377	Or similar
Eye protection	Global industrial	T9F708119CLAF	Or similar
Fire pants	Grainger	12R487	Or similar
Fire shirt	Grainger	39EM96	Or similar
Hard hat	Global industrial	T9FB2278977	Or similar
Leather gloves	Global industrial	T9FB1145414	Or similar
Smokejumper fire boots	Whites Boots		Or similar