Непрерывное производство биоугля в лесу с использованием горелки с воздушной завесой, установленной на прицепе

Резюме

Описывается использование локальной мобильной пиролизной установки, оснащенной воздушной завесой, для непрерывного создания биоугля. Эта технология снижает потребность в открытом сжигании подсечно-подсваленных свай, что приводит к снижению выбросов и уменьшению воздействия на почву. Протокол включает в себя рекомендации по выбору площадки, загрузке и закалке.

Аннотация

Обработка топливом и другие методы прореживания при восстановлении лесов направлены на снижение риска лесных пожаров при одновременном повышении устойчивости лесов к засухе, насекомым и болезням и увеличении поверхностного поглощения углерода (C). Тем не менее, при переработке топлива образуется большое количество непригодных для продажи древесных остатков биомассы, которые часто сжигаются в открытых отвалах, выделяя значительное количество парниковых газов и твердых частиц и потенциально повреждая почву под отвалом. Горелки с воздушной завесой предлагают решение для смягчения этих проблем, помогая уменьшить дым и твердые частицы от операций сжигания, более полно сжигать остатки биомассы по сравнению с сжиганием в сваях, а также устранить прямой и интенсивный контакт с огнем, который может нанести вред почве под подсечной кучей. В горелке с воздушной завесой горение происходит в контролируемой среде. Дым удерживается и рециркулируется воздушной завесой, и поэтому сжигание может проводиться в различных климатических условиях (например, ветер, дождь, снег), удлиняя сезон сжигания для утилизации подсечного материала. Мобильная пиролизная установка, которая непрерывно создает биоуголь, была специально разработана для утилизации остатков древесной биомассы на лесопосадочных площадках, сырой древесины на свалках или утилизированных лесозаготовительных материалов и создания биоугля в процессе. Этот высокоуглеродистый биоуголь может быть использован для повышения устойчивости почвы за счет улучшения ее химических, физических и биологических свойств и имеет потенциальное применение для восстановления загрязненных почв, в том числе на заброшенных рудниках. В этой статье мы описываем общее использование этого оборудования, подходящее размещение, методы загрузки, требования к закалке и уроки, извлеченные из эксплуатации этой новой технологии.

Введение

По всей территории США многие лесные насаждения увеличили объем стоячих деревьев в отсутствие частых пожаров низкой интенсивности, исторически устраиваемых коренными народами и подавляемых в наше время ^1,2. Из-за этого исключения пожаров образовавшиеся в результате этого перенаселенные насаждения создают проблемы для землеустроителей, стремящихся повысить устойчивость лесов к лесным пожарам, вредителям, болезням и последствиям засухи³. Стандартные методы управления для сокращения объема деревьев включают предписанные пожары, предкоммерческое прореживание и заготовку зрелых древостоя. В результате этих операций образуется значительное количество древесной биомассы с низкой и нулевой ценностью, часто называемой остатками. Например, в 15 штатах западной части США, по оценкам, в результате уборки урожая ежегодно образуется почти 8 миллионов сухих тонн пожнивных^{остатков4}. Кроме того, Лесная служба Министерства сельского хозяйства США реализовала антикризисный план по борьбе с лесными пожарами, который обработает еще 50 миллионов акров (20 миллионов гектаров) в течение 10-летнего периода. Это приведет к необходимости утилизации дополнительных материалов, не пригодных для продажи, и, вероятно, потребует использования различных вариантов, привязанных к месту. Хотя верхушки, ветви и непригодные для продажи деревья могут быть использованы для производства биоэнергии или биотоплива, ограниченные рыночные возможности часто приводят к тому, что эти остатки складываются в кучи и сжигаются. Строительство подсечно-подсвалочных свай направлено на снижение риска лесных пожаров и насекомых, создание пространства для выращивания растений подлеска и решение других задач управления земельными ресурсами.

Сжигание в открытых кучах является недорогим, относительно быстрым методом сокращения объема древесины, но оно также приводит к образованию дыма и загрязнителей воздуха, включая парниковые газы⁵. Кроме того, это также может вызвать нежелательное воздействие на физические, химические и биологические свойства почвы, что приведет к появлению ожоговых рубцов, которые могут сохраняться в течение десятилетий⁶. Для смягчения пагубных побочных эффектов открытого сжигания необходимы альтернативные подходы, которые снижают негативное воздействие на изменение климата, риск лесных пожаров и здоровье почвы⁷.

Здесь мы сосредоточимся на использовании нового метода непрерывного производства биоугля, разработанного в рамках Соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA) между Министерством сельского хозяйства США, Лесной службой, Исследовательской станцией Роки-Маунтин и Air Burners, Inc. (Палм-Сити, Флорида). Полученная в результате технология, в дальнейшем именуемая горелкой для производства биоугля с воздушной завесой (BACB; Рисунок 1), непрерывно производит биоуголь из древесных остатков, ограничивая выбросы дыма и твердых частиц. По сравнению с открытым сжиганием, функциональность BACB снижает риск возгорания и распространения^дыма8, создавая возможности для безопасного расширения рабочих окон горения. В отличие от традиционных методов, которые оставляют кучи пожнивных остатков на ландшафте, где они способствуют накоплению топлива9^{, или} альтернативных методов сжигания, которые в основном производят дым и пепел, BACB эффективно снижает топливную нагрузку, защищая почву и создавая биоуголь, однородный древесный уголь с высоким содержанием углерода, который можно использовать для восстановления почвы на месте обработки или рядом с ним. Кроме того, БАКБ мобильен и может быть легко размещен, например, на бревенчатой площадке, вдоль обочины дороги или в палаточном лагере. Он также может сжигать влажную или сухую древесину, смешанные типы и размеры сырья, а также может использоваться в ненастную погоду и в периоды, когда погодные условия слишком рискованны для сжигания открытого ворса.

Биоуголь, производимый в BACB, обычно на 70-90% состоит из углерода, высокопористого и равномерного распределения частиц по размерам, что делает его пригодным для восстановления деградированных почв, часто встречающихся на заброшенных шахтах, лесозаготовительных площадках, трелевочных трассах, прибрежных районах или сельскохозяйственных участках. Биоуголь также можно использовать в качестве смеси с компостом или на откормочных площадках для скота для адсорбции питательных веществ и уменьшения запаха. В целом, наилучшим использованием биоугля древесных остатков в почве является уменьшение эрозии и выщелачивания нитратов при одновременном повышении стабильности почвенных агрегатов и доступной воды в почвах с грубой текстурой и низким содержанием органического вещества^10,11.

Рисунок 1: Мобильная горелка для производства биоугля с воздушной завесой. На испытательном полигоне показана общая конфигурация подсечной и воздушной завесы, производящей биоуголь. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обзор конструкции и эксплуатации
Несмотря на то, что существует несколько типов горелок с воздушной завесой, BACB постоянно создает биоуголь. Размеры блока составляют примерно 7 м в длину, 2,5 м в ширину и 2 м в высоту. Он имеет воздушный коллектор в верхней части топки, который обеспечивает устойчивую воздушную завесу для удержания дыма, твердых частиц и углей внутри нее и способствует полному окислению выбросов. Для оптимальной работы топка загружается до уровня чуть ниже коллектора, что обеспечивает непрерывный поток воздуха через топку. BACB может буксироваться за любым транспортным средством со стандартным пакетом сцепных устройств и достаточной буксировочной способностью. Ровная, гладкая площадка подготавливается рядом со свалкой биомассы (также называемой сырьем), но с достаточным пространством вокруг площадки, чтобы оборудование и персонал могли свободно и безопасно передвигаться. После установки установка фиксируется путем опускания стенок топки на почву с помощью бортовой гидравлической системы. Двигатель вентилятора создает давление в коллекторе воздушной завесы, который проходит по всей длине топки с одной стороны. Первоначально биомасса разжигается и сжигается, чтобы создать слой углей в топке. Затем можно периодически добавлять дополнительную биомассу, удерживая поступающий материал ниже воздушной завесы. По мере того, как материал сгорает, уголь образуется и падает через отверстие в нижней части топки, где он удаляется из машины конвейерной лентой. Одна панель внутри топки колеблется, чтобы облегчить этот процесс. Зола или мелкие материалы попадают через конвейерную ленту на почву внизу. Горячие угли выходят из машины через щель в нижней части топки и оседают в кастрюлю, наполненную водой, которая останавливает горение и охлаждает биоуголь до температуры, при которой с ним можно безопасно работать. Когда топка готова к прекращению работы, она очищается, давая сгореть остаткам материала. Как правило, устройство охлаждается в течение ночи и при необходимости может быть безопасно перемещено на следующий день. Не пытайтесь перемещать BACB во время сжигания древесины или охлаждения, если нет чрезвычайной ситуации. В случае чрезвычайной ситуации для тушения огня и тушения углей может быть использован песок или почва. Ни в коем случае нельзя распылять воду непосредственно на керамическую плитку в топке.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительную информацию о работе BACB можно найти в руководстве оператора, которое поставляется в комплекте с оборудованием.

1. Транспортировка на объект

1. Используя сцепное устройство класса 5 для коммерческого использования (размер шарика 2-5/16 дюйма или 58,75 см), установите BACB на пикап весом 1 тонна или больше, регулируя высоту сцепного устройства так, чтобы рельсы рамы были ровными для транспортировки. Перед буксировкой проверьте контроллер тормозов, систему отрыва, тормоза, колеса и освещение прицепа.
2. Убедитесь, что предохранительные штифты BACB надежно закреплены, а топка опущена на дорожные штифты.
3. Оказавшись в нужном месте, расположите устройство, все еще прикрепленное к буксирующему транспортному средству; Он слишком тяжелый, чтобы его можно было перемещать вручную. Заблокируйте колеса и опустите подставку домкрата. Отсоедините его от буксирующего автомобиля. Шасси (зеленая рама) должно быть ровно спереди назад; Для этого поднимите или опустите домкрат.
   1. Если BACB будет находиться на месте более одного дня, выкопайте неглубокую траншею для накопления золы. Держите траншею такой же ширины, как конвейерная лента. Без этой траншеи BACB придется перемещать и перемещать на том же месте, чтобы продолжить горение на следующий день.
4. Слегка приподнимите топку, чтобы удалить дорожные штифты с передней и задней части топки, очистите персонал, а затем опустите боковые стороны на землю. Контакт с землей поднимет шасси, но шины должны прочно остаться на земле. Если боковые стенки топки по всей длине не соприкасаются с почвой, рассмотрите возможность перемещения агрегата в более ровное место или используйте лопаты или экскаватор для выравнивания площадки.
5. Убедитесь, что гидравлический двигатель, приводящий в действие панель встряхивателя между топкой и закрытым двигателем, не соприкасается с зеленой рамой.
6. Запустите двигатель и дайте ему достаточно времени для прогрева перед запуском гидравлики.

2. Подготовка на месте

1. Разместите BACB на относительно ровной поверхности (уклон <3%) довольно близко к куче дров, обеспечивая уровень топки с помощью уровня двутавровой балки длиной 4 фута (1,2 м) или уровня веревки. Убедитесь, что на участке нет опасностей над головой и достаточно места для мини-экскаватора (Рисунок 2) для свободной загрузки сырья через воздушный коллектор.
2. Убедитесь, что воздушный коллектор на BACB обдувает воздушную завесу в том же направлении, что и ветер. Ежедневно проверяйте любое приложение для прогноза погоды на телефоне на предмет местного преобладающего направления ветра или обратите внимание на направление ветра на месте перед окончательным размещением BACB.
3. Не размещайте BACB там, где есть большие камни, растительность или мусор. Как только оборудование будет выровнено и стенки топки опущены, насыпьте землю по бокам, чтобы предотвратить попадание воздуха внутрь и выход дыма из топки.
4. Поместите закалочный поддон (Рисунок 3) на ровную поверхность в задней части BACB. Следите за тем, чтобы он не касался конвейерной ленты. Наполните закалочный поддон примерно 40 галлонами (150 л) воды. Держите на месте около 300 галлонов (1135 л) воды, чтобы наполнить поддон для гашения по мере необходимости.
5. Выберите любое древесное сырье и используйте сухой материал, чтобы разжечь огонь в топке. Используйте мини-экскаватор, чтобы иметь поблизости достаточный запас сырья для загрузки топки. Разрежьте все сырье на длину, которая меньше максимальной длины топки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Бревна большого диаметра (примерно 10 дюймов (25 см) должны быть распилены на меньшие длины (~18-36 дюймов; 45-91 см), а очень крупные материалы (> 20 дюймов (50 см) должны быть разрезаны на секции ~12-18 дюймов; 30-45 см) перед тем, как поместить их в топку.

Рисунок 2: Пример экскаватора для перемещения древесных остатков. Мини-экскаваторы могут использоваться для загрузки горелки воздушной завесы, производящей биоуголь. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Пример размещения бассейна для гашения. Закалочный бассейн должен быть наполнен водой и расположен примерно в 2 дюймах (5 см) перед конвейерной лентой. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

3. Снижение опасности

1. Перед поджиганием сырья обратитесь в местное агентство по выдаче разрешений на качество воздуха и местную пожарную службу, чтобы убедиться, что опасность возгорания не слишком высока для возгорания и что при необходимости проводится мониторинг качества воздуха.
2. Кроме того, перед зажиганием удалите любой органический мусор с 6-футовой (2 м) площади вокруг BACB, чтобы предотвратить любое непреднамеренное возгорание. Убедитесь, что заряженный шланг подключен к достаточному источнику воды, а закалочный поддон BACB заполнен водой. Если возможно, держите несколько ведер с водой объемом 5 галлонов (20 л) наготове для тушения непреднамеренного возгорания. При горении во время повышенной пожарной опасности оцените необходимость установки спринклеров, водяного насоса или переносного резервуара для воды для тушения более крупных непреднамеренных возгораний.
3. Убедитесь, что рабочие могут свободно перемещаться по бокам и сзади машины для доступа к закалочной сковороде, панели управления (Рисунок 4) и точке ручного управления конвейера, которая расположена в правом заднем углу BACB.
4. Убедитесь, что работники не ходят перед воздушной завесой напротив коллектора и носят прочную несинтетическую одежду, светоотражающий жилет, каску, кожаные перчатки, а также средства защиты глаз и слуха.

Рисунок 4: Панель управления на горелке с воздушной завесой, производящей биоуголь. Пульт управления используется для включения воздушной завесы, конвейера и питания системы, а также для подъема и опускания топки. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

4. Предоперационные проверки

1. Проверьте все уровни топлива и жидкостей, а также фильтры и смажьте точки смазки перед розжигом сырья. После того, как BACB начнет работать и нагреется, может оказаться невозможным осматривать, перемещать или поддерживать уровень жидкости, фильтры и точки смазки.
2. Проверьте прогноз погоды для рабочего места и убедитесь, что скорость ветра не будет превышать ~20 миль в час (30 км/ч) во время горения.
3. Перед розжигом проведите разговор с оператором мини-экскаватора, чтобы договориться о сигналах руками (или используйте двустороннюю радиостанцию) для погрузки и ориентации древесины, чтобы обеспечить чистое горение. Посоветуйте оператору мини-экскаватора осуществлять загрузку через воздушный коллектор и не нагружать топку сырьем, расположенным напротив воздушного коллектора.

5. Первичная загрузка и создание базового костра

1. Первоначально загрузите топку сухим сырьем (при наличии) с помощью мини-экскаватора. Загружайте дрова до тех пор, пока топка не будет заполнена примерно на 2/3^, чередуя направление материалов (т.е. одна загрузка должна быть перпендикулярной, а следующий слой параллельным сторонам), чтобы создать воздушное пространство, которое поможет ворсу гореть. Не упаковывайте материал в плотный пучок, чтобы материал легко воспламенился, и не используйте экскаватор для уплотнения материала в топке.
2. Убедитесь, что сырье размещено по всей топке, чтобы создать ровную подушку углей. Обратите внимание на зазоры в исходном материале на концах топки, чтобы обеспечить равномерное заполнение и горение.
3. Используйте предохранитель розжига, например, дизельное топливо, на древесине, а затем зажгите ее с помощью пропановой горелки или другого аналогичного устройства розжига в нескольких точках вдоль топки.

6. Добавление дров в топку

1. Дайте основному огню гореть до тех пор, пока топка не заполнится примерно наполовину остатками горения и углями.
2. Запустите двигатель и отрегулируйте скорость вращения вентилятора в зависимости от условий пожара. Медленно увеличивайте обороты двигателя, чтобы воздух из коллектора не задувал пламя. Увеличьте частоту вращения коленчатого вала двигателя, нажав кнопку RABBIT на панели управления (рисунок 4).
3. Как только будет достигнута хорошая база углей, подайте сигнал водителю мини-экскаватора о необходимости добавить дополнительное сырье со скоростью, которая не потушит огонь. В течение короткого периода времени ожидается задымление, так как добавляется дополнительное сырье и нарушается воздушная завеса. Постоянно контролируйте BACB и окружающую среду на предмет вылетевших искр или углей, которые могут вызвать непреднамеренное возгорание.

7. Производство биоугля

1. Когда базовый огонь установлен, добавлено дополнительное сырье и скорость вращения вентилятора увеличена до 2800 об/мин, переключите переключатель питания системы в положение биоугля (рис. 4). Убедитесь, что мощность системы составляет 1800 фунтов на квадратный дюйм.
2. Включите конвейер и встряхиватель. Эти две функции будут автоматически переключаться каждые 3 минуты. Обеспечьте непрерывное производство, переключив переключатель питания системы с биоугля на топку (рис. 4). Это отменяет механизм прерывистого таймера для встряхивателя и конвейерной ленты, когда в каждом цикле появляется большое количество угля.
3. Соберите биоуголь в закалочную кастрюлю и удаляйте биоуголь из кастрюли каждые 5-10 минут, перемещая биоуголь в конец закалочной сковороды с помощью широких граблей, а затем с помощью лопаты для просеивания вынимайте биоуголь из кастрюли в кучу.
4. Если грабли застревают в конвейерной ленте, должен мигать предупредительный стробоскоп. Переведите переключатель конвейера в положение «ВЫКЛ» на главной панели управления, затем снимите грабли и снова запустите ленту.
5. Реагируйте на другие предупреждающие стробоскопы, проверяя манометры на главном блоке управления, чтобы определить, остановилась ли панель встряхивателя или конвейер. При необходимости выключите встряхиватель, чтобы древесина сгорела, или вручную переместите конвейерную ленту против часовой стрелки в точке ручного управления в правом заднем углу BACB.
6. При необходимости наполните закалочные ванны водой, чтобы обеспечить полное обливание горячих углей. Не распыляйте воду на конвейерную ленту или керамическую плитку в топке.
7. Продолжайте добавлять сырье в топку и создавать биоуголь до тех пор, пока позволяют условия. Убедитесь, что древесина большего диаметра добавлена ранее в тот же день, чтобы ее можно было полностью превратить в уголь.

8. Прекращение операций

1. Прекратите загрузку топки примерно за 1-2 часа до окончания смены.
2. Выключите шейкер, когда остатки материала больше не соприкасаются с панелью шейкера, и не оставляйте горячие угли в топке или на конвейерной ленте в конце дня.
3. Оставьте выключатель конвейера включенным до тех пор, пока все угли не выйдут из топки. На этом этапе уместно переключиться в режим Биоугля для прерывистого цикла.
4. В течение суток зола скапливается под конвейерной лентой (рисунок 5). Перемещайте BACB каждый день на новое место, чтобы зола не мешала движению конвейерной ленты.
5. Как только огонь погаснет и все угли будут потушены, прекратите работу на день.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В аварийной ситуации пожар в топке можно потушить, загрузив грунт на горящие угли.
6. Оставьте боковые стороны топки опущенными на ночь, чтобы изолировать шины от горячей золы под конвейерной лентой.

Рисунок 5: Пример золы и биоугля под конвейерной лентой. Во время горения некоторое количество золы и биоугля будет падать через металлическую конвейерную ленту. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

9. Изменение положения BACB

1. Прикрепите BACB к буксирующему транспортному средству, поднимите боковые стороны топки, вставьте дорожные штифты, поднимите подставку домкрата и немедленно отбуксируйте агрегат прямо вперед.
2. Остудите оставшуюся золу (Рисунок 6), смешав ее с водой и распределив по почве. Перед переездом на новое место убедитесь, что все угли и зольный материал холодные на ощупь.

Рисунок 6: Пример накопления золы. К концу дня скопление золы под конвейерной лентой может достичь конвейерной ленты. Рытье траншеи перед установкой горелки с воздушной завесой, производящей биоуголь, является одним из способов продления времени горения в одном месте. Если рытье траншей невозможно, то оборудование следует вытягивать вперед и убирать золу каждый день. Эта цифра была изменена с¹². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Результаты

С января 2022 года по октябрь 2023 года BACB пиролизовал различное сырье в биоуголь (Таблица 1). Согласно результатам полевых испытаний, BACB может сжигать около 1 тонны (900 кг) сырья в час, при этом примерно 11-25% сухой массы сырья будет оставаться в виде биоугля, а остальное будет приходить...

Обсуждение

Первым важным шагом в этом методе является обеспечение того, чтобы оборудование было размещено почти на одном уровне по обеим осям, чтобы боковые панели топки блокировали выход дыма и попадание воздуха в топку. Другими важными шагами являются частые беседы с оператором экскаватора для...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
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