Production continue de biochar dans les bois à l’aide d’un brûleur à rideau d’air monté sur remorque

Aux États-Unis, le volume de nombreux peuplements forestiers a augmenté en l’absence d’incendies fréquents de faible intensité, historiquement allumés par les peuples autochtones et supprimés à l’époque moderne ^1,2. De cette exclusion du feu, les peuplements surpeuplés qui en résultent posent des défis aux gestionnaires des terres qui s’efforcent d’améliorer la résilience des forêts contre les incendies de forêt, les ravageurs, les maladies et les effets de la sécheresse³. Les pratiques de gestion standard visant à réduire le volume des arbres comprennent le brûlage dirigé, l’éclaircie précommerciale et la récolte des peuplements matures. Ces opérations génèrent des quantités substantielles de biomasse ligneuse de faible valeur ou de valeur nulle, souvent appelée résidus. Par exemple, dans les 15 États de l’ouest des États-Unis, on estime que les opérations de récolte produisent près de 8 millions de tonnes sèches de résidus chaque année⁴. De plus, le service forestier de l’USDA a mis en œuvre un plan de crise contre les incendies de forêt, qui traitera 50 millions d’acres (20 millions d’hectares) supplémentaires sur une période de 10 ans. Cela entraînera la nécessité d’éliminer d’autres matériaux non marchands et nécessitera probablement l’utilisation de diverses options locales. Bien que les cimes, les branches et les arbres non marchands puissent être utilisés pour la bioénergie ou les biocarburants, les débouchés commerciaux limités entraînent souvent l’empilement et la combustion de ces résidus. La construction de tas de rémanents vise à réduire les risques d’incendies de forêt et d’insectes, à créer un espace de croissance pour les plantes du sous-étage et à atteindre d’autres objectifs de gestion des terres.

Le brûlage à ciel ouvert est une méthode peu coûteuse et relativement rapide pour réduire le volume de bois, mais il produit également de la fumée et des polluants atmosphériques, y compris des gaz à effet de serre⁵. De plus, il peut également avoir des effets indésirables sur les propriétés physiques, chimiques et biologiques du sol, entraînant des cicatrices de brûlure qui peuvent persister pendant des décennies⁶. Pour atténuer les effets secondaires néfastes du brûlage à ciel ouvert, d’autres approches sont nécessaires pour réduire les impacts négatifs sur le changement climatique, le risque d’incendie de forêt et la santé des sols⁷.

Ici, nous nous concentrons sur l’utilisation d’une nouvelle méthode de production continue de biochar développée dans le cadre d’un accord de coopération en matière de recherche et de développement (CRADA) entre le ministère américain de l’Agriculture, le Service des forêts, la station de recherche des montagnes Rocheuses et Air Burners, Inc. (Palm City, Floride). La technologie qui en résulte, ci-après dénommée brûleur à rideau d’air producteur de biochar (BACB ; Figure 1), produit en continu du biochar à partir de résidus ligneux tout en limitant les émissions de fumées et de particules. Par rapport à la combustion à ciel ouvert, la fonctionnalité du BACB réduit le risque d’incendie et la propagation de la fumée⁸, créant ainsi des possibilités pour l’extension en toute sécurité des fenêtres de combustion opérationnelles. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui laissent des tas de résidus dans le paysage où ils contribuent à l’accumulation de combustible⁹ ou aux méthodes de combustion alternatives qui produisent principalement de la fumée et des cendres, le BACB réduit efficacement les charges de combustible tout en protégeant le sol et en créant du biochar, un charbon de bois constant à haute teneur en carbone, qui peut être utilisé pour la restauration des sols sur ou à proximité du site de traitement. De plus, le BACB est mobile et peut facilement être installé, par exemple, sur un débarcadère en rondins, le long d’une route ou dans un terrain de camping. Il peut également brûler du bois humide ou sec, des types et des tailles de matières premières mixtes, et peut être utilisé par mauvais temps et à des moments où les conditions météorologiques sont trop risquées pour le brûlage à ciel ouvert.

Le biochar produit dans le BACB est généralement composé de 70 à 90 % de carbone, très poreux et dont la distribution granulométrique est constante, ce qui le rend adapté à l’assainissement des sols dégradés, souvent trouvés dans les mines abandonnées, les atterrissages de grumes, les sentiers de débardage, les zones riveraines ou les sites agricoles. Le biochar peut également être utilisé en mélange avec du compost ou dans les parcs d’engraissement du bétail pour adsorber les nutriments et réduire les odeurs. En général, les meilleures utilisations du biochar provenant de résidus ligneux sont de réduire l’érosion et le lessivage des nitrates tout en améliorant la stabilité des agrégats de sol et l’eau disponible dans les sols à texture grossière et à faible teneur en matière organique^10,11.

Figure 1 : Brûleur à rideau d’air mobile producteur de biochar. Le site d’essai montre la configuration générale de la barre oblique et du brûleur à rideau d’air producteur de biochar. Ce chiffre a été modifié au lieu de¹². Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Vue d’ensemble de la conception et de l’exploitation
Bien qu’il existe plusieurs types de brûleurs à rideau d’air, le BACB crée continuellement du biochar. L’unité mesure environ 7 m de long x 2,5 m de large x 2 m de haut. Il dispose d’un collecteur d’air le long du haut de la chambre de combustion qui fournit un rideau d’air constant pour contenir la fumée, les particules et les braises à l’intérieur et favorise l’oxydation complète des émissions. Pour un fonctionnement optimal, la chambre de combustion est chargée à un niveau juste en dessous du collecteur, assurant un flux d’air ininterrompu à travers la chambre de combustion. Le BACB peut être remorqué derrière n’importe quel véhicule doté d’un ensemble d’attelage standard et d’une capacité de remorquage adéquate. Un site plat et lisse est préparé à proximité de la biomasse empilée (également appelée matière première), mais avec suffisamment d’espace autour du site pour permettre à l’équipement et au personnel de se déplacer librement et en toute sécurité. Une fois positionnée, l’unité est sécurisée en abaissant les côtés de la chambre de combustion sur le sol à l’aide du système hydraulique embarqué. Un moteur de ventilateur met sous pression le collecteur de rideau d’air, qui s’étend sur toute la longueur de la chambre de combustion d’un côté. La biomasse est d’abord allumée et brûlée pour établir un lit de charbons dans la chambre de combustion. Ensuite, de la biomasse supplémentaire peut être ajoutée périodiquement tout en maintenant les matériaux entrants sous le rideau d’air. Au fur et à mesure que le matériau brûle, du charbon est produit et tombe à travers une ouverture au fond de la chambre de combustion, où il est évacué de la machine par la bande transporteuse. Un panneau à l’intérieur de la chambre de combustion oscille pour faciliter ce processus. Des cendres ou des matériaux fins tombent à travers le tapis roulant sur le sol en dessous. Les charbons ardents sortent de la machine par une fente au fond de la chambre de combustion et sont déposés dans une casserole remplie d’eau, ce qui arrête la combustion et refroidit le biochar à une température où il peut être manipulé en toute sécurité. Lorsqu’elle est prête à cesser de fonctionner, la chambre de combustion est nettoyée en laissant brûler tout matériau restant. En règle générale, l’appareil refroidit pendant la nuit et peut être déplacé en toute sécurité le lendemain, au besoin. N’essayez pas de déplacer le BACB pendant qu’il brûle du bois ou refroidit, sauf en cas d’urgence. En cas d’urgence, du sable ou de la terre peuvent être utilisés pour éteindre le feu et étouffer les charbons. L’eau ne doit jamais être pulvérisée directement sur les carreaux de céramique de la chambre de combustion.

REMARQUE : Des détails supplémentaires sur le fonctionnement du BACB peuvent être trouvés dans le manuel d’utilisation fourni avec l’équipement.

1. Transport jusqu’au site

1. À l’aide d’un attelage commercial de classe 5 (taille de la boule de 2-5/16 pouces ou 58,75 cm), attelez le BACB à une camionnette de 1 tonne ou plus, en ajustant la hauteur de l’attelage pour vous assurer que les rails du châssis sont de niveau pour le transport. Avant le remorquage, vérifiez le contrôleur de freins, le système de rupture, les freins, les roues et l’éclairage de la remorque.
2. Assurez-vous que les goupilles de sécurité de voyage de BACB sont correctement fixées et que la chambre de combustion est abaissée sur les goupilles de voyage.
3. Une fois à l’endroit souhaité, positionnez l’unité tout en restant attachée au véhicule de remorquage ; Il est trop lourd pour être déplacé à la main. Calez les roues et abaissez la chandelle. Débranchez-le du véhicule de remorquage. Le châssis (cadre vert) doit être de niveau de l’avant vers l’arrière ; Soulevez ou abaissez la chandelle pour y parvenir.
   1. Si le BACB doit être situé à un endroit pendant plus d’une journée, creusez une tranchée peu profonde pour accumuler les cendres. Gardez la tranchée aussi large que la bande transporteuse. Sans cette tranchée, le BACB devra être déplacé et repositionné au même endroit pour continuer à brûler le jour suivant.
4. Soulevez légèrement la chambre de combustion pour retirer les goupilles de déplacement à l’avant et à l’arrière de la chambre de combustion, dégagez le personnel, puis abaissez les côtés au sol. Le contact avec le sol soulèvera le châssis, mais les pneus doivent rester fermement au sol. Si toute la longueur des parois latérales de la chambre de combustion n’est pas en contact avec le sol, envisagez de déplacer l’unité vers un endroit plus plat ou utilisez des pelles ou l’excavatrice pour niveler le site.
5. Vérifiez que le moteur hydraulique qui fait fonctionner le panneau vibrant entre la chambre de combustion et le moteur fermé n’est pas en contact avec le cadre vert.
6. Démarrez le moteur et laissez-lui suffisamment de temps pour se réchauffer avant d’initialiser l’hydraulique.

2. Préparation sur site

1. Placez le BACB sur une surface relativement plane (pente <3 %) assez près du tas de bois, en vous assurant que la chambre combustion est niveau à l’aide d’un poutre i 4 pieds (1,2 m) ou corde. assurez-vous zone exempte dangers aériens et qu’elle dispose suffisamment d’espace pour mini-pelle (Figure 2) puisse charger librement la charge d’alimentation sur le collecteur d’air.
2. Assurez-vous que le collecteur d’air sur le BACB souffle le rideau d’air dans la même direction que le vent. Consultez quotidiennement n’importe quelle application météo téléphonique pour connaître la direction locale du vent dominant ou notez la direction du vent sur place avant l’emplacement final du BACB.
3. Ne placez pas le BACB là où il y a de gros rochers, de la végétation ou des débris. Une fois que l’équipement est de niveau et que les côtés de la chambre de combustion sont abaissés, placez de la terre sur les côtés pour empêcher l’air de pénétrer et la fumée de sortir de la chambre de combustion.
4. Placez le bac de trempe (Figure 3) sur un sol plat à l’arrière du BACB. Assurez-vous qu’il ne touche pas la bande transporteuse. Remplissez la casserole de trempe avec environ 40 gallons (150 L) d’eau. Gardez environ 300 gallons (1135 L) d’eau sur place pour remplir le bac de trempe, au besoin.
5. Sélectionnez n’importe quelle matière première ligneuse et utilisez des matériaux secs pour allumer le feu dans la chambre de combustion. Utilisez la mini-pelle pour garder une réserve suffisante de matière première à proximité pour charger la chambre de combustion. Coupez toutes les matières premières à une longueur plus courte que la longueur maximale de la chambre de combustion.
   REMARQUE : Les bûches de grand diamètre (environ 10 pouces (25 cm) doivent être sciées en plus petites longueurs (~18-36 pouces ; 45-91 cm), et les très gros matériaux (> 20 pouces (50 cm) doivent être coupés en sections ~12-18 pouces ; 30-45 cm) avant de les placer dans la chambre de combustion.

Figure 2 : Exemple d’une excavatrice déplaçant des résidus de bois. Des mini-pelles peuvent être utilisées pour charger le brûleur à rideau d’air producteur de biochar. Ce chiffre a été modifié au lieu de¹². Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Exemple de placement du bassin de trempe. Le bassin de trempe est maintenu plein d’eau et positionné à environ 2 pouces (5 cm) devant le tapis roulant. Ce chiffre a été modifié au lieu de¹². Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Réduction des risques

1. Avant d’allumer la matière première, vérifiez auprès de l’organisme local de délivrance de permis de qualité de l’air et du service d’incendie local que le danger d’incendie n’est pas trop élevé pour l’inflammation et qu’une surveillance de la qualité de l’air, si nécessaire, est en place.
2. De plus, avant l’allumage, retirez tous les débris organiques d’une zone de 6 pieds (2 m) autour du BACB pour éviter toute inflammation involontaire. Assurez-vous qu’il y a un tuyau chargé connecté à une alimentation en eau adéquate et que le bac de trempe BACB est rempli d’eau. Si possible, gardez plusieurs seaux d’eau de 5 gallons (20 L) prêts à éteindre les allumages involontaires. Lorsque vous brûlez pendant un danger d’incendie élevé, évaluez la nécessité d’installer des gicleurs, une pompe à eau ou un réservoir d’eau portable pour éteindre les allumages involontaires plus importants.
3. Assurez-vous que les travailleurs peuvent se déplacer librement sur les côtés et à l’arrière de la machine pour accéder au bac de trempe, au panneau de commande (Figure 4) et au point de commande manuelle du convoyeur, situé dans le coin arrière droit du BACB.
4. Assurez-vous que les travailleurs ne marchent pas devant le rideau d’air en face du collecteur et qu’ils portent des vêtements non synthétiques durables, un gilet haute visibilité, un casque de sécurité, des gants en cuir et des protections oculaires et auditives.

Figure 4 : Panneau de commande sur le brûleur à rideau d’air producteur de biochar. Le panneau de commande est utilisé pour allumer le rideau d’air, le convoyeur et l’alimentation du système et pour lever et abaisser la chambre de combustion. Ce chiffre a été modifié au lieu de¹². Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

4. Contrôles préopératoires

1. Vérifiez tous les niveaux de carburant et de liquide ainsi que les filtres et lubrifiez les points de graisse avant d’allumer la matière première. Une fois que le BACB est opérationnel et à température, il peut être impossible d’inspecter, de déplacer ou de maintenir les niveaux de liquide, les filtres et les points de graissage.
2. Vérifiez le bulletin météorologique pour l’emplacement de fonctionnement et assurez-vous que le vent ne dépassera pas ~20 miles par h (30 km par h) pendant la combustion.
3. Avant l’allumage, discutez avec l’opérateur de la mini-pelle pour convenir des signaux manuels (ou utilisez une radio bidirectionnelle) pour le chargement et l’orientation du bois afin d’assurer une combustion propre. Conseillez à l’opérateur de la mini-pelle de charger par-dessus le collecteur d’air et de ne pas charger la chambre de combustion avec la charge d’alimentation opposée au collecteur d’air.

5. Chargement initial et création d’un feu de base

1. Chargez d’abord la chambre de combustion avec de la matière première sèche (si disponible) à l’aide de la mini-pelle. Chargez le bois jusqu’à ce que la chambre de combustion soit remplie aux 2/3^environ , en alternant la direction des matériaux (c’est-à-dire qu’une charge doit être perpendiculaire et la couche suivante parallèle aux côtés) pour créer un espace d’air qui aidera le tas à brûler. N’emballez pas le matériau en un paquet serré pour vous assurer qu’il s’enflammera facilement, et n’utilisez pas l’excavatrice pour compacter le matériau dans la chambre de combustion.
2. Assurez-vous que la matière première est placée dans toute la chambre de combustion pour créer un lit uniforme de charbons. Faites attention aux espaces entre les matières premières aux extrémités de la chambre de combustion pour assurer un remplissage et une combustion uniformes.
3. Utilisez un produit d’aide à l’allumage, comme du diesel, sur le bois, puis allumez-le avec un chalumeau au propane ou un autre dispositif d’allumage similaire à plusieurs endroits le long de la chambre de combustion.

6. Ajout de bois à la chambre de combustion

1. Laissez le feu de base brûler jusqu’à ce que la chambre de combustion soit à moitié remplie de résidus et de charbons ardents.
2. Démarrez le moteur et ajustez la vitesse du ventilateur en fonction des conditions d’incendie. Augmentez lentement le régime moteur afin que l’air du collecteur n’éteigne pas le feu. Augmentez le régime moteur en appuyant sur le bouton RABBIT du panneau de commande (Figure 4).
3. Une fois qu’une bonne base de charbons est atteinte, signalez au conducteur de la mini-pelle d’ajouter de la matière première supplémentaire à un rythme qui n’étouffe pas le feu. On s’attend à ce qu’il y ait de la fumée pendant une courte période, car des matières premières supplémentaires sont ajoutées et le rideau d’air est perturbé. Surveillez en permanence le BACB et la zone environnante pour détecter les étincelles ou les braises qui peuvent provoquer des allumages involontaires.

7. Production de biochar

1. Lorsque le feu de base est établi, que des matières premières supplémentaires ont été ajoutées et que la vitesse du ventilateur a été augmentée à 2800 tr/min, basculez l’interrupteur d’alimentation du système sur Biochar (Figure 4). Vérifiez que l’alimentation du système est de 1800 psi.
2. Allumez le convoyeur et l’agitateur. Ces deux fonctions alterneront automatiquement toutes les 3 min. Maintenez une production continue en basculant l’interrupteur d’alimentation du système de Biochar à Firebox (Figure 4). Cela annule le mécanisme de minuterie intermittente de l’agitateur et de la bande transporteuse lorsque de grandes quantités de carbonisation apparaissent à chaque cycle.
3. Récupérez le biochar dans la cuve de trempe et retirez le biochar de la casserole toutes les 5 à 10 minutes en utilisant le râteau large pour déplacer le biochar à l’extrémité de la cuve, puis en utilisant la pelle de tamisage pour retirer le biochar de la casserole et le mettre en tas.
4. Si le râteau se coince dans le tapis roulant, le stroboscope d’avertissement doit clignoter. Basculez l’interrupteur du convoyeur sur OFF sur le panneau de commande principal, puis retirez le râteau et redémarrez la courroie.
5. Réagissez aux autres stroboscopes d’avertissement en vérifiant les manomètres de la commande principale pour déterminer si le panneau de secousse ou le convoyeur s’est arrêté. Si nécessaire, éteignez le shaker pour permettre au bois de liage de brûler ou en avançant manuellement la bande transporteuse dans le sens inverse des aiguilles d’une montre au point de commande manuel dans le coin arrière droit du BACB.
6. Remplissez les bacs de trempe avec de l’eau, au besoin, pour permettre l’arrosage complet des charbons ardents. Ne vaporisez pas d’eau sur la bande transporteuse ou les carreaux de céramique de la chambre de combustion.
7. Continuez à ajouter de la matière première dans la chambre de combustion et à créer du biochar tant que les conditions le permettent. Assurez-vous que le bois de plus grand diamètre est ajouté plus tôt dans la journée afin qu’il puisse être entièrement converti en omble.

8. Cessation des activités

1. Arrêtez de charger la chambre de combustion environ 1 à 2 h avant la fin du service.
2. Éteignez l’agitateur lorsque le matériau restant n’entre plus en contact avec le panneau de l’agitateur et ne laissez pas de charbons ardents dans la chambre de combustion ou sur la bande transporteuse à la fin de la journée.
3. Laissez l’interrupteur du convoyeur en marche jusqu’à ce que tous les charbons soient sortis de la chambre de combustion. À ce stade, il convient de passer en mode Biochar pour le cyclisme intermittent.
4. Pendant la journée, les cendres s’accumulent sous le tapis roulant (Figure 5). Déplacez chaque jour le BACB vers un nouvel endroit de niveau pour éviter que les cendres n’entravent le mouvement de la bande transporteuse.
5. Une fois que le feu est éteint et que les charbons sont tous éteints, cessez les opérations pour la journée.
   REMARQUE : En cas d’urgence, le feu dans la chambre de combustion peut être éteint en chargeant de la terre sur les charbons ardents.
6. Laissez les côtés de la chambre de combustion baissés pendant la nuit pour isoler les pneus des cendres chaudes sous le tapis roulant.

Figure 5 : Exemple de cendres et de biochar sous le tapis roulant. Lors d’une combustion, des cendres et du biochar tomberont à travers le tapis roulant métallique. Ce chiffre a été modifié au lieu de¹². Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

9. Repositionnement du BACB

1. Attelez le BACB au véhicule tracteur, soulevez les côtés de la chambre de combustion, insérez les goupilles de déplacement, soulevez la béquille de cric et remorquez immédiatement l’unité tout droit devant.
2. Refroidissez les cendres restantes (figure 6) en les mélangeant avec de l’eau et en les répartissant sur le sol. Assurez-vous que tous les charbons et cendres sont froids au toucher avant de déménager vers un nouvel emplacement.

Figure 6 : Exemple d’accumulation de cendres. À la fin de la journée, l’accumulation de cendres sous la bande transporteuse peut atteindre la bande transporteuse. Le creusement de tranchées avant de placer le brûleur à rideau d’air producteur de biochar est une méthode pour prolonger le temps de combustion à un endroit. Si le creusement de tranchées n’est pas une option, l’équipement doit être tiré vers l’avant et les cendres nettoyées chaque jour. Ce chiffre a été modifié au lieu de¹². Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

De janvier 2022 à octobre 2023, le BACB a pyrolysé diverses matières premières dans le biochar (tableau 1). D’après les essais sur le terrain, le BACB peut brûler environ 1 tonne (900 kg) de matière première par h, et environ 11 à 25 % de la masse sèche de la matière première sera conservée sous forme de biochar, le reste allant aux gaz (vapeur d’eau, CO2, etc.) et aux cendres. La teneur en carbone varie de 70 % à 90 %. Les plus gros morceaux de bois (>30 cm) mettent plus de temps à pyrolyser que le bois d’un diamètre variant de 2 à 30 cm. La quantité et la qualité du biochar dépendent des caractéristiques de la matière première (p. ex., taille, espèce, teneur en humidité) et du taux de charge. La taille du biochar produit est de 1 pouce (2,5 cm) et plus petite, bien que des morceaux plus gros soient possibles, surtout au début d’une course. De plus, une partie des matériaux non brûlés peut passer par l’ouverture du convoyeur au démarrage, et ceux-ci peuvent être remis dans la chambre de combustion, mis de côté ou empilés avec le biochar. Lors d’essais sur le terrain dans une grande variété de conditions d’exploitation, le BACB s’est avéré être une méthode efficace dans le bois pour créer du biochar à partir de la biomasse ligneuse produite par le traitement des combustibles et d’autres opérations de récolte, et peut réduire les combustibles dangereux.

Tableau 1 : Exemples de résultats. Lieu de production, matières premières représentatives utilisées, quantité pyrolysée en 1 h et concentration en carbone de biochar provenant d’un brûleur à rideau d’air produisant du biochar en continu. Un analyseur élémentaire a été utilisé pour déterminer la teneur en carbone d’échantillons séchés au four (60 °C jusqu’à un poids constant).

La meilleure configuration pour les travailleurs est un conducteur de mini-pelle et deux personnes à la recherche de points d’allumage, indiquant où et quand charger la matière première et retirant le biochar du bac de trempe. Si les bûches sont trop longues ou de trop grand diamètre, une quatrième personne peut être nécessaire pour faire fonctionner une tronçonneuse.

Le BACB est mobile, ce qui lui donne la flexibilité de travailler sur une variété de sites. Ceci, combiné aux avantages concomitants de l’absence d’impact sur le sol et de la réduction de la fumée que le brûlage en tas, permet des services écosystémiques supplémentaires (par exemple, la séquestration du carbone, la rétention d’eau, la couverture du sol et la réduction des combustibles). La production mobile de biochar dans les bois est une méthode optimale pour restaurer les sols locaux dégradés associés aux atterrissages de billes de bois, aux sentiers de déblaiement, aux routes forestières, à l’érosion et à l’exploitation minière.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.