トレーラー搭載型エアカーテンバーナーによるバイオ炭の林内連続生産

米国全土で、歴史的に先住民族が起こし、現代では抑制された低強度の火災が頻繁に発生しないため、多くの林分が立っている樹木の量が増加しています^1,2。この火災の除外により、結果として生じる過剰在庫の林分は、山火事、害虫、病気、干ばつの影響に対する森林の回復力を高めようと努力する土地管理者にとって課題となります³。樹木の量を減らすための標準的な管理方法には、規定の火、商業化前の間伐、成熟した林分収穫が含まれます。これらの操作により、低価値および価値のない木質バイオマス(しばしば残留物と呼ばれる)が大量に生成されます。例えば、米国西部の15州では、収穫作業により毎年約800万乾燥トンの残留物が生成されていると推定されています⁴。さらに、USDA森林局は、10年間でさらに5,000万エーカー(2,000万ヘクタール)を処理する山火事危機計画を実施しました。これにより、追加の商品化できない材料を処分する必要があり、さまざまな場所ベースのオプションの使用が必要になる可能性があります。頂上、枝、商品化できない樹木はバイオエネルギーやバイオ燃料に使用できますが、市場機会が限られているため、これらの残留物が積み重なって燃やされることがよくあります。Building Slash Pilesは、山火事や昆虫のリスクを減らし、下層植物のための成長スペースを創出し、その他の土地管理目標に対処することを目的としています。

オープンパイルバーニングは、木材の体積を減らすための低コストで比較的迅速な方法ですが、温室効果ガス5を含む煙や大気汚染物質も生成^します。さらに、土壌の物理的、化学的、生物学的特性に望ましくない影響を与える可能性があり、何十年にもわたって持続する可能性のある火傷跡につながる可能性があります⁶。野焼きの有害な副作用を軽減するためには、気候変動、山火事のリスク、土壌の健康への悪影響を軽減する代替アプローチが必要である⁷。

ここでは、米国農務省、森林局、ロッキーマウンテン研究所、Air Burners, Inc.(フロリダ州パームシティ)の共同研究開発契約(CRADA)を通じて開発された、バイオ炭の連続生産のための新しい方法の使用に焦点を当てます。その結果得られた技術は、以下、バイオ炭製造エアカーテンバーナー(BACB; 図1)は、煙や粒子状の排出を制限しながら、木質残渣からバイオ炭を連続的に生成します。野焼きと比較して、BACBの機能は火災のリスクと煙^の広がり8を減らし、運用可能な燃焼窓を安全に延長する道を作り出します。残渣の山を景観に残して燃料の蓄積に寄与する従来の方法⁹ や、主に煙と灰を生成する代替燃焼方法とは異なり、BACBは、土壌を保護し、処理現場またはその近くの土壌修復に使用できる一貫した高炭素木炭であるバイオ炭を作成しながら、燃料負荷を効果的に削減します。さらに、BACBは可動式で、丸太の踊り場、道端、キャンプ場などに簡単に設置できます。また、湿った木材や乾燥した木材、混合原料の種類、サイズを燃やすことができ、悪天候や、オープンパイルの燃焼には気象条件が危険すぎる場合にも使用できます。

BACBで生産されるバイオ炭は、一般的に70%〜90%の炭素で、多孔質で、粒度分布が一貫しているため、廃坑、丸太の着陸、スキッドトレイル、河岸地域、または農業現場でよく見られる劣化した土壌の修復に適しています。バイオ炭は、堆肥との混合物として、または家畜の肥育場で栄養素を吸着し、臭いを減らすためにも使用できます。一般に、木質残渣バイオ炭の最良の土壌使用は、粗いテクスチャーの低有機物土壌^10,11で土壌凝集体の安定性と利用可能な水を強化しながら、侵食と硝酸塩浸出を減らすことです。

図1:移動式バイオ炭生産エアカーテンバーナー。 試験現場では、スラッシュとバイオ炭製造用エアカーテンバーナーの一般的な構成を示しています。この数値は¹²から変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

設計・運用の概要
エアカーテンバーナーにはいくつかの種類がありますが、BACBはバイオ炭を継続的に生成します。ユニットのサイズは、長さ約7m×幅2.5m×高さ約2mです。火室の上部に沿ってエアマニホールドがあり、煙、微粒子、残り火を封じ込めるための安定した空気のカーテンを提供し、排出物の完全な酸化を促進します。最適な操作のために、火室はマニホールドのすぐ下のレベルまで負荷をかけ、火室を横切る空気の流れを途切れさせないようにします。BACBは、標準的なヒッチパッケージと適切な牽引能力を備えた任意の車両の後ろに牽引することができます。積み上げられたバイオマス(原料とも呼ばれる)の近くには、水平で滑らかな敷地が用意されていますが、敷地の周囲には十分なスペースがあり、機器やスタッフが自由かつ安全に移動できるようになっています。配置されると、ユニットは、オンボードの油圧システムを使用して火室の側面を土の上に下げることによって固定されます。ブロワーモーターは、火室の片側の長さを走るエアカーテンマニホールドを加圧します。バイオマスは最初に点灯し、燃焼して火室に石炭のベッドを確立します。その後、入ってくる材料をエアカーテンの下に保持しながら、追加のバイオマスを定期的に追加できます。材料が燃焼すると、石炭が生成され、火室の底部の開口部から落下し、そこでコンベヤーベルトによって機械から排出されます。Firebox 内の 1 つのパネルが振動して、このプロセスを容易にします。灰や細かい材料は、コンベヤーベルトを通って下の土壌に落ちます。高温の石炭は、火室の底にあるスロットから機械から出て、水で満たされた鍋に堆積され、燃焼が停止し、バイオ炭が安全に処理できる温度に冷却されます。運用を停止する準備ができたら、残りの材料を燃やすことで火室がクリアされます。通常、ユニットは一晩で冷却され、必要に応じて翌日安全に移動できます。緊急時を除いて、薪を燃やしたり冷却したりしているときにBACBを動かそうとしないでください。緊急時には、砂や土を使って火を消し、石炭を窒息させることができます。火室のセラミックタイルに直接水を噴霧しないでください。

注意: BACBの操作に関する追加の詳細は、機器に付属の取扱説明書に記載されています。

1. 現地までの移動

1. クラス5の商用デューティヒッチ(ボールサイズ2-5 / 16インチまたは58.75 cm)を使用して、BACBを1トン以上のピックアップトラックにヒッチし、ヒッチの高さを調整してフレームレールが輸送用に水平になるようにします。けん引する前に、ブレーキコントローラー、ブレークアウェイシステム、ブレーキ、ホイール、トレーラーの照明を確認してください。
2. BACBのトラベルセーフティピンが適切に固定され、火室がトラベルピンに下がっていることを確認してください。
3. 目的の場所に着いたら、牽引車両に取り付けたままユニットを配置します。手で動かすには重すぎます。ホイールをチョックし、ジャッキスタンドを下げます。牽引車両から外します。シャーシ(緑のフレーム)は、前後に水平である必要があります。これを達成するために、ジャックスタンドを上げたり下げたりします。
   1. BACBを1日以上設置する場合は、浅い溝を掘って灰を蓄積します。トレンチの幅をコンベヤーベルトと同じ幅に保ちます。このトレンチがなければ、BACBを移動して同じ場所に再配置し、翌日も燃焼を続ける必要があります。
4. 火室を少し上げて、火室の前面と背面からトラベルピンを取り外し、人員を片付けてから、側面を地面に下げます。地面に接触するとシャーシが持ち上がりますが、タイヤは地面にしっかりと固定されている必要があります。火室の側壁の全長が土壌と接触していない場合は、ユニットをより水平な場所に移動するか、シャベルまたは掘削機を使用してサイトを水平にすることを検討してください。
5. 火室と密閉されたエンジンの間のシェーカーパネルを動かす油圧モーターが緑のフレームに接触していないことを確認してください。
6. エンジンを始動し、十分なウォームアップ時間を与えてから油圧を初期化します。

2. 現地での準備

1. BACBを木材の山にかなり近い比較的平らな面(傾斜<3%)に置き、4フィート(1.2 m)のIビームレベルまたはストリングレベルを使用して火室が水平になるようにします。そのエリアに頭上の危険がなく、ミニ油圧ショベル(図2)がエアマニホールドに供給物を自由に積み込むのに十分なスペースがあることを確認します。
2. BACBのエアマニホールドが風と同じ方向にエアカーテンを吹いていることを確認します。電話の天気予報アプリケーションで地元の卓越風向を毎日確認するか、最終的なBACBの座る前に現場で風向に注意してください。
3. 大きな岩、植生、または破片がある場所にBACBを置かないでください。機器が水平になり、火室の側面が下がったら、側面の周りに土を置いて、空気が入って煙が火室から出るのを防ぎます。
4. クエンチパン(図3)をBACBの背面の平らな地面に置きます。コンベヤベルトに触れないようにしてください。クエンチパンに約40ガロン(150L)の水を入れます。必要に応じて、クエンチパンを補充するために、約300ガロン(1135 L)の水を現場に保管してください。
5. 任意の木質原料を選択し、乾燥した材料を使用して火室で火を起こします。ミニショベルを使用して、火室に積み込むための十分な供給源を近くに保ちます。すべての原料を火室の最大長よりも短い長さにカットします。
   注:大径(約10インチ(25 cm))の丸太は、より短い長さ(~18-36インチ、45-91 cm)に切断し、非常に大きな材料(> 20インチ(50 cm))は、火室に入れる前に~12-18インチ、30-45 cm)に切断する必要があります。

図2:木材残渣を移動させる掘削機の例。 ミニショベルは、バイオ炭を生産するエアカーテンバーナーの装填に使用できます。この数値は¹²から変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:クエンチ盆地の配置例。 クエンチベイスンは水で満たされ、コンベヤーベルトの前に約2インチ(5 cm)の位置に配置されています。この数値は¹²から変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. ハザード低減

1. 原料に点火する前に、地元の大気質許可機関と地元の消防署に確認して、火災の危険性が発火するには高すぎないこと、および必要に応じて大気質の監視が実施されていることを確認してください。
2. さらに、点火する前に、BACBの周りの6フィート(2 m)の領域から有機物の破片を取り除き、意図しない発火を防ぎます。適切な給水に接続されている充電ホースがあり、BACBクエンチパンが水で満たされていることを確認してください。可能であれば、意図しない点火を浴びせるために、いくつかの5ガロン(20 L)の水バケツを準備してください。火災の危険性が高いときに燃焼する場合は、より大きな意図しない発火を消火するために、スプリンクラー、ウォーターポンプ、または携帯用貯水池を設置する必要性を評価してください。
3. 作業者が機械の側面と背面を自由に動き回って、クエンチパン、コントロールパネル(図4)、およびBACBの右後隅にあるコンベアの手動制御ポイントにアクセスできることを確認します。
4. 作業者がマニホールドの向かいのエアカーテンの前を歩かないようにし、耐久性のある非合成繊維の衣類、視認性の高いベスト、ヘルメット、革手袋、目と聴覚の保護具を着用してください。

図4:バイオ炭を生産するエアカーテンバーナーのコントロールパネル。 コントロールパネルは、エアカーテン、コンベヤー、およびシステムの電源をオンにし、火室を上下させるために使用されます。この数値は¹²から変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

4. 運用前チェック

1. 原料に点火する前に、すべての燃料と液体のレベルとフィルターを確認し、グリースポイントを潤滑してください。BACBが動作して温度になると、液面、フィルター、グリースポイントの検査、移動、または保守ができなくなる場合があります。
2. 運行場所の天気予報を確認し、燃焼中の風が時速~20マイル(時速30 km)を超えないことを確認してください。
3. 点火する前に、ミニショベルのオペレーターと話し合って、木材の積み込みと向きについて手信号に同意します(または双方向ラジオを使用して)きれいに燃焼できるようにします。ミニショベルのオペレーターに、エアマニホールドに積み込み、エアマニホールドの反対側の原料を火室に積み込まないようにアドバイスします。

5. 初期装填とベースファイアの作成

1. 最初に、ミニショベルを使用して、火室に乾燥原料(利用可能な場合)を積み込みます。火室が約2/3いっぱいになるまで木材をロードし、材料の方向を交互に(つまり、1つの負荷を垂直にし、次の層を側面に平行にする必要があります)パイルが燃えるのを助ける空気空間を作成します。材料が発火しやすいように材料をきつく束に詰めたり、掘削機を使用して火室内の材料を圧縮したりしないでください。
2. 原料が火室全体に配置され、石炭の均一なベッドが作成されることを確認してください。火室の端にある原料の隙間に注意を払い、充填と燃焼を均一にします。
3. ディーゼルなどの点火補助剤を木材に使用し、火室に沿ったいくつかのポイントでプロパントーチまたは他の同様の点火装置で火をつけます。

6.火室への木材の追加

1. 火室が燃えている残留物と石炭で約半分になるまで、ベースファイヤーを燃やします。
2. エンジンを始動し、火災状況に合わせてファンの速度を調整します。マニホールドからの空気が火を吹き出さないように、エンジン速度をゆっくりと上げます。コントロールパネルの RABBIT ボタンを押して、エンジン回転数を上げます(図4)。
3. 石炭の良好なベースが達成されたら、ミニショベルのドライバーに信号を送り、火を消さない速度で原料を追加します。煙は、追加の原料が追加され、エアカーテンが乱れるため、短時間発生することが予想されます。BACBとその周辺地域を継続的に監視して、意図しない発火を引き起こす可能性のある逃げた火花や残り火がないか確認します。

7. バイオ炭の生産

1. ベースファイアが確立され、追加の原料が追加され、ファンの速度が2800 rpmに増加した場合は、 システム電源 スイッチを Biochar に切り替えます(図4)。システムの電源が 1800 psi であることを確認します。
2. コンベヤーとシェーカーのスイッチを入れます。これら2つの機能は、3分ごとに自動的に循環します。システムの電源スイッチを Biochar から Firebox に切り替えることで、連続生産を維持します (図 4)。これは、各サイクルで大量のチャーが発生したときに、シェーカーとコンベヤベルトの断続的なタイマーメカニズムを無効にします。
3. クエンチパンにバイオ炭を集め、幅広のレーキを使用してバイオ炭をクエンチパンの端に移動し、次にふるい分けシャベルを使用してバイオ炭をパンから取り出して山にすることで、5〜10分ごとにパンからバイオ炭を取り除きます。
4. レーキがコンベヤーベルトに引っかかると、警告ストロボが点滅します。メインコントロールパネルのコンベヤースイッチを オフ に切り替えてから、レーキを取り外してベルトを再起動します。
5. 他の警告ストロボに対応するには、メインコントロールの圧力計をチェックして、シェーカーパネルまたはコンベヤが停止しているかどうかを確認します。必要に応じて、シェーカーの電源を切って結合材が燃え尽きるのを待つか、BACBの右後隅にある手動制御ポイントでコンベヤーベルトを反時計回りに手動で進めます。
6. 必要に応じて、急冷鍋に水を補充して、熱い石炭を完全に浸すことができます。コンベヤーベルトや火室のセラミックタイルに水を噴霧しないでください。
7. 条件が許す限り、火室に原料を追加し、バイオ炭を作成し続けます。大径の木材をその日の早い時間に追加して、完全に炭に変えることができるようにしてください。

8. 営業の停止

1. シフト終了の約1〜2時間前に火室の装填を停止します。
2. 残りの材料がシェーカーパネルに接触しなくなったら、シェーカー の電源を切り 、一日の終わりに火室やコンベヤーベルトに熱い石炭を残さないでください。
3. すべての石炭が火室から出るまで、コンベヤースイッチ をON のままにします。この時点で、断続的なサイクリングのためにBiocharモードに切り替えるのが適切です。
4. 日中、灰はコンベヤーベルトの下に蓄積します(図5)。灰がコンベヤーベルトの動きを妨げるのを防ぐために、毎日BACBを新しいレベルの場所に移動します。
5. 火が消え、石炭がすべて消火されたら、その日の作業を停止します。
   注意: 緊急時には、燃えている石炭に土を積むことで、火室の火を消すことができます。
6. 火室の側面を一晩下げたままにして、コンベヤーベルトの下の熱い灰からタイヤを断熱します。

図5:コンベヤベルトの下の灰とバイオ炭の例。 燃焼中、一部の灰とバイオ炭は金属製のコンベヤーベルトを通って落下します。この数値は¹²から変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

9. BACBの再配置

1. BACBを牽引車両に連結し、火室の側面を上げ、トラベルピンを挿入し、ジャッキスタンドを上げて、すぐにユニットをまっすぐ前方に牽引します。
2. 残りの灰(図6)を水と混ぜて土壌全体に分散させて冷却します。新しい場所に移動する前に、すべての石炭と灰の材料が触ると冷たくなっていることを確認してください。

図6:火山灰の蓄積例。 一日の終わりまでに、コンベヤーベルトの下に蓄積された灰はコンベヤーベルトに到達することができます。バイオ炭を生産するエアカーテンバーナーを設置する前に溝を掘ることは、一箇所での燃焼時間を延ばすための1つの方法です。トレンチングができない場合は、機器を前方に引っ張り、灰を毎日掃除する必要があります。この数値は¹²から変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2022年1月から2023年10月にかけて、BACBはさまざまな原料を熱分解してバイオ炭にしました(表1)。実地試験によると、BACBは1時間あたり約1トン(900kg)の原料を燃焼させることができ、原料の乾燥質量の約11%〜25%がバイオ炭として保持され、残りはガス(水蒸気、CO2など)と灰に送られます。炭素含有量は70%〜90%の範囲です。大きな木片(>30 cm)は、直径が2〜30 cmの木材よりも熱分解に時間がかかります。バイオ炭の量と品質は、原料の特性(サイズ、種、水分含有量など)と負荷速度に依存します。生成されるバイオ炭のサイズは1インチ(2.5 cm)以下ですが、特に実行の開始時にはより大きなピースが可能です。さらに、一部の未燃材料は起動時に開口部を通ってコンベヤーに通過することができ、これらは火室に戻したり、脇に置いたり、バイオ炭と一緒に積み上げたりすることができます。さまざまな運転条件下でのフィールド試験では、BACBは、燃料処理やその他の収穫作業から生成される木質バイオマスからバイオ炭を生成する効果的な森内方法であり、危険な燃料を削減できることが示されています。

表 1: 結果の例。 生産場所、代表的な原料、1時間での熱分解量、および連続バイオ炭生産エアカーテンバーナーからのバイオ炭炭素濃度。元素分析装置を使用して、オーブン乾燥(一定重量まで60°C)サンプルの炭素含有量を測定しました。

最適な作業員構成は、1人のミニ油圧ショベルドライバーと2人が発火点を探し、原料を積み込む場所とタイミングを指示し、クエンチパンからバイオ炭を取り外すことです。丸太が長すぎるか直径が大きい場合は、チェーンソーを操作するために4人目の人が必要になることがあります。

BACBはモバイルであるため、さまざまな現場で柔軟に作業できます。これは、土壌への影響がなく、山の燃焼よりも煙が少ないという付随的な利点と相まって、追加の生態系サービス(炭素隔離、水保持、土壌被覆、燃料の削減など)を可能にします。森林内移動式バイオ炭生産は、丸太の着陸、スキッドトレイル、林道、浸食、鉱業に関連する局所的な劣化土壌を回復するための最適な方法です。

著者は何も開示していません。