Produkcja, charakterystyka i oznaczanie ilościowe biowęgla w lasach przy użyciu przenośnych pieców płomieniowych

Summary

Nowe metody usuwania stosów leśnych wytwarzają węgiel pirogeniczny do przywracania zdrowia gleby leśnej oraz do usuwania i sekwestracji węgla. W tym miejscu prezentujemy metodę produkcji biowęgla łączącą nową metodologię rozliczania usuwania dwutlenku węgla i aplikację cyfrową.

Abstract

Jednym z największych wyzwań w wykorzystaniu niekomercyjnej biomasy leśnej jest jej szeroko rozpowszechniony charakter. Najlepszym rozwiązaniem problemu biomasy, aby uniknąć kosztownego i wysokoemisyjnego przetwarzania (rozdrabniania) oraz kosztów transportu, jest przetwarzanie jej na miejscu. Jednak konwencjonalne stosy spalania mają destrukcyjny wpływ na glebę leśną i nie przynoszą żadnych korzyści poza redukcją paliwa. Przekształcanie ścinków leśnych w biowęgiel na miejscu ma wiele zalet ekologicznych w porównaniu z obecną praktyką usuwania ścinków poprzez spalanie w stosach spalenizny, w tym zmniejszone nagrzewanie gleby i emisję cząstek stałych, a także wiele korzyści płynących z biowęgla dla zdrowia gleby leśnej i zdolności zatrzymywania wody, gdy jest pozostawiony na miejscu. Wytwarzanie biowęgla na miejscu w lesie jest sposobem na przywrócenie glebom leśnym pirogenicznego składnika węglowego, którego brakowało ze względu na niedawną historię gaszenia pożarów. Biowęgiel jest również wiodącą metodą usuwania i sekwestracji dwutlenku węgla w celu łagodzenia zmian klimatu. W tym badaniu dokumentujemy metodę wytwarzania biowęgla przy użyciu przenośnego pieca do wypalania biowęgla. Ta tania metoda wykorzystuje załogi ręczne wyposażone w wodę do hartowania pieców, zanim biowęgiel spali się na popiół. Proste techniki ilościowego określania i charakteryzowania wytwarzanego biowęgla są włączane do metody w celu pomiaru wpływu i kwalifikowania się do certyfikatów usuwania dwutlenku węgla, aby pomóc w pokryciu kosztów pracy. Opisujemy metodologię komponentu CM002, która zapewnia ustandaryzowane procedury kwantyfikacji korzyści związanych z emisją gazów cieplarnianych na trzech etapach procesu: pozyskiwanie biomasy odpadowej, produkcja biowęgla i stosowanie biowęgla w glebie. Metodologia CM002 opiera się na najlepszych międzynarodowych praktykach, w tym na najnowszej metodologii VCS VM0044 Standards i EBC C-Sink Artisan Standards. Wiarygodne metody kwantyfikacji wykorzystujące odpowiednie współczynniki bezpieczeństwa są pierwszym niezbędnym krokiem w kierunku kwalifikowania się do finansowania usuwania dwutlenku węgla.

Introduction

W wielu regionach świata, w tym w zachodnich Stanach Zjednoczonych, zmiany klimatyczne, susze i obce gatunki inwazyjne spowodowały kryzys pożarowy, który zagraża ekosystemom i społecznościom. Ponieważ lasy i tereny zadrzewione płoną w niekontrolowany sposób, do atmosfery emitowane są duże ilości cząstek stałych i gazów cieplarnianych, co ma katastrofalne konsekwencje dla zdrowia ludzi i klimatu. Na przykład szacuje się, że pożary w Kalifornii w 2020 r. uwolniły około 127 milionów megaton emisji gazów cieplarnianych, czyli około dwa razy więcej niż całkowita redukcja emisji gazów cieplarnianych w Kalifornii w latach 2003-2019¹. Coraz częściej naukowcy i zarządcy gruntów badają działania człowieka, które mogą pomóc w odbudowie tych lasów i terenów leśnych oraz ich usług ekosystemowych. Ręczne przerzedzanie i usuwanie nadmiaru biomasy jest jednym z najważniejszych działań, które należy podjąć². Usuwanie biomasy obejmuje jej utylizację, a w przypadku, gdy biomasa znajduje się w odległych i trudno dostępnych miejscach, istnieje niewiele opcji innych niż spalanie na miejscu w niezagospodarowanych hałdach. Niekontrolowane stosy spalania usuwają paliwa z krajobrazu, ale uszkadzają gleby leśne, ponieważ skoncentrowane ciepło pod stosami spala organiczny horyzont gleby, pozostawiając gołą glebę, która jest podatna na erozję i kolonizację przez gatunki inwazyjne. Regeneracja organicznego horyzontu glebowego w bliznach po oparzeniach może zająć dziesięciolecia³. Niezagospodarowane stosy spalania są również źródłem emisji cząstek stałych i gazów cieplarnianych. Dym ze spalania stosów ukośnych ogranicza również okno spalania w zlewniach o ograniczonej jakości powietrza, co utrudnia wykonanie pracy.

Badacze z Służby Leśnej USDA zbadali alternatywę produkcji biowęgla z materiałów tnących i zidentyfikowali kilka obiecujących technik, w tym opcję użycia małych, mobilnych pieców do wypalania biowęgla w lesie⁴. Przekształcanie ścinków leśnych w biowęgiel na miejscu ma wiele zalet ekologicznych w porównaniu z obecną praktyką usuwania ścinków poprzez spalanie w stosach spalenizny, w tym zmniejszone ogrzewanie gleby i emisję cząstek stałych. Biowęgiel produkowany na miejscu może zostać usunięty i wykorzystany w rolnictwie lub może zostać pozostawiony na miejscu, gdzie pełni kilka funkcji w przywracaniu zdrowia lasów i poprawie adaptacji do zmian klimatycznych i suszy. Ponieważ do 50% całkowitego węgla w wielu glebach leśnych to węgiel drzewny z historycznych, naturalnych pożarów⁵, pozostawienie biowęgla w miejscu, w którym jest wytwarzany, może przywrócić węgiel drzewny w glebie leśnej, którego często brakuje w ostatnich horyzontach glebowych z powodu tłumienia pożarów, o nieznanym wpływie na procesy ekosystemowe⁶. Biowęgiel pozostawiony na glebach leśnych może naśladować działanie węgla drzewnego wytwarzanego przez naturalny ogień i wywierać podobny wpływ na zawartość węgla w glebie oraz właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne gleby⁷.

W ostatnich latach międzynarodowa sieć pracowników leśnych, właścicieli lasów, badaczy i konsultantów ds. biowęgla opracowała zestaw metod karbonizacji do przekształcania ścinków leśnych w biowęgiel na miejscu jako alternatywę dla spalania na stosach cięć. Metody te opierają się na zasadzie karbonizacji płomieniowej, po raz pierwszy opracowanej i skomercjalizowanej w Japonii jako "bezdymny piec do karbonizacji" oferowany przez firmę Moki⁸. Ten stalowy piec pierścieniowy wytwarza dobrze zwęglony biowęgiel o zgłoszonej wydajności konwersji biomasy na biowęgiel od 13% do 20%, w zależności od użytego surowca⁹.

Proces produkcji biowęgla lub węgla drzewnego jest często określany jako piroliza, czyli oddzielanie składników biomasy za pomocą ciepła przy braku tlenu. Jest to zwykle wyobrażane jako piroliza retortowa, w której biomasa jest fizycznie izolowana od powietrza w zewnętrznie ogrzewanym naczyniu. Jednak piroliza może również odbywać się w obecności ograniczonego powietrza, jak w przypadku zgazowania i karbonizacji płomieniowej, ponieważ paliwa stałe, takie jak drewno, spalają się etapami. Kiedy do biomasy stosuje się ciepło, pierwszym etapem spalania jest odwodnienie, ponieważ woda jest odparowywana z materiału. Następnie następuje dewolatyzacja i jednoczesne tworzenie się zwęglenia, znane również jako piroliza. Lotny gaz zawierający wodór i tlen jest uwalniany i spalany w płomieniu, stale dodając ciepło do procesu. Gdy gaz jest uwalniany, pozostały węgiel jest przekształcany w węgiel aromatyczny lub zwęglenie. Ostatnim etapem spalania jest utlenianie zwęglenia do popiołu mineralnego¹⁰.

Ponieważ są to fazy dyskretne, które występują w otwartym procesie spalania, mamy możliwość zatrzymania procesu po powstaniu zwęglenia poprzez usunięcie powietrza lub ciepła. Osiąga się to podczas procesu produkcji biowęgla poprzez ciągłe dodawanie nowego materiału do stosu spalania, tak aby gorący węgiel był zakopywany przez nowy materiał, który odcina dopływ tlenu. Gorący węgiel drzewny gromadzi się na dnie stosu i zapobiega się jego spaleniu na popiół tak długo, jak długo obecny jest płomień, ponieważ płomień zużywa większość dostępnego tlenu. Kiedy całe paliwo zostanie dodane do stosu, płomień zaczyna przygasać. W tym momencie gorący węgiel drzewny można zakonserwować, usuwając tlen i ciepło, zwykle spryskując węgle wodą i grabiąc je cienko, aby ostygły¹¹.

Podstawową zasadą działania jest spalanie przeciwprądowe. Przeciwprądowe powietrze do spalania utrzymuje płomień na niskim poziomie i zapobiega emisji żaru lub iskier. Płomień spala również większość dymu, zmniejszając emisje. Podsumowując, następujące zasady wyjaśniają działanie spalania przeciwprądowego w piecu płomieniowym: (1) Gaz przepływa w górę, podczas gdy powietrze do spalania przepływa w dół, (2) Przepływ przeciwprądowy jest ustalany, gdy spalanie paliwa ciągnie powietrze w dół, (3) Płomienie pozostają niskie i blisko paliwa, minimalizując ulatnianie się żaru, (4) Dym pali się w gorącej strefie, (5) Ponieważ całe powietrze do spalania pochodzi z góry, jest pochłaniany przez płomienie: (6) Bardzo mało powietrza jest w stanie dotrzeć do niespalonych węgli, które opadają na dno pieca, (7) Węgle są zachowywane do końca procesu, kiedy są hartowane lub gaszone.

Oprócz korzyści dla gleby, biowęgiel jest również wiodącą metodą usuwania dwutlenku węgla w celu łagodzenia zmian klimatycznych. Nawet połowa węgla w biomasie drzewnej może zostać przekształcona w stabilny, aromatyczny węgiel w postaci biowęgla¹². Jednak nie wszystkie technologie pirolizy wytwarzają taką samą ilość opornego węgla, który pozostaje stabilny w glebie przez 100 lat lub dłużej (kluczowy wskaźnik określający wartość usuwania węgla). Stabilność biowęgla jest ściśle skorelowana z temperaturą produkcji. Szacuje się, że adiabatyczna temperatura płomienia spalanego drewna jest zbliżona do temperatury propanu, 1,977 °C¹³. Produkcja biowęgla w piecu płomieniowym jest ściśle sprzężona z płomieniem, bez strat ciepła w wyniku przewodzenia przez metalową ściankę, jak w przypadku pirolizy retortowej. W związku z tym spodziewalibyśmy się, że temperatura produkcji będzie wysoka, o ile podczas procesu utrzymany zostanie płomień. Badanie zwęgleń za pomocą spektroskopii Ramana¹⁴ wykazało, że próbka biowęgla z pieca płomieniowego (dostarczona przez głównego autora Kelpie Wilsona) była jedną z trzech próbek o najwyższej pozornej temperaturze tworzenia się zwęglenia, w zakresie 900 °C.

Termopary są wymagane, aby uzyskać dostęp do wnętrza spalenizny i dokładnie zmierzyć temperaturę produkcji biowęgla w piecu płomieniowym lub stosie spalania, a te są drogie i niedostępne dla producentów o niskiej technologii. Dlatego zastosowaliśmy metodę opisaną przez naukowców pracujących w brazylijskiej Amazonii, która wykorzystuje kredki termiczne (używane przez spawaczy do sprawdzania temperatury części metalowych), które topią się w skalibrowanej temperaturze¹⁵. Klocki są znakowane kredkami, zawijane w folię aluminiową i umieszczane w różnych miejscach w piecu podczas produkcji. Użyliśmy tej metody kilka razy i ustaliliśmy, że temperatura w piecu przekraczała 650° C, ponieważ ślady kredki zostały całkowicie stopione. Będzie to przydatna metoda potwierdzania temperatur produkcji w razie potrzeby; Jednak głównym punktem weryfikacji będzie udokumentowanie obecności płomienia przez cały czas.

Nie ma zbyt wielu opublikowanych danych na temat właściwości biowęgla wytwarzanego metodami niskotechnologicznego karbonizacji płomieniowej. Jednak próbki biowęgla wykonane metodami karbonizacji płomieniowej w kilku typach pieców zostały przeanalizowane przez Cornellissen et al. i stwierdzono, że spełniają normy Europejskiego Certyfikatu Biowęgla (EBC) dla biowęgla, w tym niską zawartość WWA i wysoką stabilność biowęgla. Co więcej, biowęgiel produkowany zarówno z surowców drzewnych, jak i zielnych miał średnią zawartość węgla wynoszącą 76 procent¹¹. Stacja badawcza Gór Skalistych Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych¹⁶ przeanalizowała pięć próbek biowęgla z pieców do wypalania płomieni i stosów spalenizny wykonanych podczas dnia pola w Kalifornii w 2022 roku. Średnia zawartość węgla w próbkach wynosiła 85 procent. Biorąc pod uwagę te wyniki, możemy stwierdzić, że jest prawdopodobne, że biowęgiel wytwarzany z pozostałości drzewnych w piecach do wypalania kapsli będzie spełniał podstawowe wymagania dotyczące zweryfikowanego usuwania dwutlenku węgla: wysoką zawartość węgla i wysoką stabilność biowęgla.

Dwa protokoły usuwania węgla dla niskotechnologicznej, lokalnej produkcji biowęgla zostały teraz wydane przez Verra¹⁷ i European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink protocol¹⁸. Te nowo opracowane protokoły są obiecujące; Mają jednak pewne ograniczenia, gdy są stosowane do lasów, terenów zalesionych i innych krajobrazów zagrożonych suszą i pożarami. W związku z tym w tym artykule opisano nową metodologię, metodologię CM002 V1.0, od AD Tech¹⁹, która jest opracowywana specjalnie do karbonizacji płomieniowej gruzów drzewnych w ramach działań związanych z zarządzaniem roślinnością i zmniejszaniem obciążenia paliwem. Analiza cyklu życia potwierdza, że sekwestracja węgla biowęgla przy użyciu produkcji biowęgla z biomasy drzewnej na miejscu w piecach z płomieniami daje korzyści z usuwania dwutlenku węgla netto²⁰. Pomyślne wdrożenie protokołów usuwania dwutlenku węgla może pomóc w finansowym wsparciu niezbędnych prac związanych z redukcją zużycia paliw, które muszą być prowadzone w celu ochrony społeczności i ekosystemów przed pożarami i degradacją ekosystemów. Aby uzyskać dostęp do płatności za usuwanie dwutlenku węgla, pomiary terenowe oraz cyfrowe metody monitorowania, raportowania i weryfikacji (D-MRV) są włączane jako rutynowe praktyki do opisanej tutaj metodyki produkcji biowęgla. Szczegóły dotyczące platformy zostały omówione w informacjach uzupełniających (plik uzupełniający 1).

Podczas gdy kilka otwartych projektów pieców płomieniowych jest produkowanych przez osoby prywatne na ich własny użytek²¹, według naszej wiedzy, w tej chwili istnieje tylko jeden piec płomieniowy o pojemności większej niż jeden metr sześcienny, który jest masowo produkowany na sprzedaż w Ameryce Północnej, Piec Pierścienia Ognia²², lekki, przenośny piec do wypalania nasadek płomieniowych, który został zaprojektowany z myślą o łatwej mobilności przy użyciu załóg ręcznych. Piec składa się z pierścienia wewnętrznego składającego się z sześciu połączonych ze sobą arkuszy stali miękkiej. Pierścień zewnętrzny składający się z lżejszych stalowych mocowanych do wsporników, które utrzymują pierścień wewnętrzny razem. Pierścień zewnętrzny służy jako osłona termiczna, która zatrzymuje ciepło w celu uzyskania lepszej wydajności. Górna część pieca jest otwarta na powietrze i to właśnie tam tworzy się nasadka płomienia. Powietrze przepływające w górę przez pierścieniową szczelinę między głównym korpusem pieca a osłoną termiczną dostarcza wstępnie podgrzane powietrze do spalania do pieca, co dodatkowo zwiększa wydajność spalania (Rysunek 1)

Rysunek 1: Schemat przedstawiający przepływ powietrza, charakterystykę płomienia i akumulację węgla w piecu Ring of Fire. Przeciwprądowe powietrze do spalania wciąga dym do gorącej strefy, gdzie ulega spaleniu. Powietrze przepływające w górę przez pierścieniową szczelinę między głównym korpusem pieca a osłoną termiczną dostarcza wstępnie podgrzane powietrze do spalania do pieca, co dodatkowo zwiększa wydajność spalania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Średnica pieca wynosi 2,35 m, tworząc cylinder o wysokości jednego metra o całkowitej objętości 4,3^m3. W praktyce piec nigdy nie jest całkowicie napełniony do góry, więc typowa partia produkcyjna wypełni piec od 1/2 do 3/4 objętości biowęgla na poziomie od 2 do 3 metrów sześciennych.

Ponieważ piec Ring of Fire jest standardowym projektem, jest on przyjmowany jako pierwsza certyfikowana technologia do użycia w metodologii komponentów CM002, która zapewnia ustandaryzowane procedury do ilościowego określania korzyści z gazów cieplarnianych (GHG). Etapy pomiaru i zbierania danych spełniające wymagania CM002 są włączone do metody. Raportowanie odbywa się za pośrednictwem aplikacji na smartfona, poprzez wypełnianie krótkich kwestionariuszy w trakcie całego procesu oraz przesyłanie zdjęć i klipów wideo do aplikacji mobilnej.

Protocol

UWAGA: Ta metodologia wykorzystuje aplikację Ikhala na smartfony (odtąd nazywaną aplikacją D-MRV; Tabela materiałów) , aby uzyskać dostęp do płatności za usuwanie dwutlenku węgla, pomiarów terenowych oraz cyfrowego monitorowania, raportowania i weryfikacji.

1. Zbieranie surowca i potwierdzanie przydatności

1. Wybierz i podaj wielkość surowca.
2. Wybierz materiał drzewny o średnicy mniejszej niż 15 cm. Upewnij się, że wszystkie materiały są rozgałęzione lub mają niejednorodny kształt, aby nie pakowały się ciasno i nie utrudniały przepływu powietrza w piecu.
3. W aplikacji D-MRV kliknij przycisk Zrób zdjęcie w sekcji Surowiec, aby otworzyć kamerę. Przy otwartym aparacie wyceluj w obiekt (suche stosy surowca za pomocą miarki) i uchwyć obraz, naciskając przycisk migawki na ekranie.
4. Zgłaszanie gatunków surowców: Otwórz aplikację D-MRV i odpowiedz na krótki kwestionariusz cyfrowy informujący o ilościach każdego rodzaju gatunku. Raportowanie opiera się na szacunkach wizualnych.
5. Określanie i raportowanie wilgotności surowca.
   1. Korzystając ze standardowego miernika wilgotności drewna opałowego, dokonaj odczytu, wkładając kołki w środek największego kawałka każdego rodzaju surowca.
   2. W aplikacji D-MRV zrób zdjęcie każdego odczytu wilgotnościomierza. Kliknij przycisk Zrób zdjęcie w sekcji wilgotnościomierza i wpisz wartość wyświetlaną na wilgotnościomierzu w polu tekstowym. Prześlij jedno zdjęcie i wpis tekstowy dla każdego odczytu wilgotnościomierza.

2. Montaż, załadunek i rozpalanie pieca

1. Na równym podłożu usuń łatwopalny materiał organiczny z okręgu o średnicy około 3 m. Zamontuj 6 wewnętrznych paneli pieca w cylindrze za pomocą wsporników łączących,
2. Za pomocą łopaty lub podobnego narzędzia uszczelnij dolną krawędź cylindra małym nasypem z ziemi mineralnej lub gliny, aby powietrze nie mogło dostać się do pieca od dołu.
3. Przymocuj 6 paneli osłony termicznej do wsporników złącza, upewniając się, że w dolnej części osłony termicznej pozostała szczelina powietrzna, aby powietrze mogło przepływać przez pierścieniową szczelinę między cylindrami wewnętrznymi i zewnętrznymi. Przymocuj identyfikator pieca tag do osłony termicznej za pomocą osprzętu osłony termicznej.
4. Zidentyfikuj piece używane w partii. W sekcji Przygotowanie do wypalania kliknij przycisk Zrób zdjęcie, aby zrobić zdjęcia zmontowanego pieca i identyfikatora, a następnie przesłać je dla każdego pieca na miejscu.
5. Załaduj piec: Do początkowego załadunku pieca należy użyć mniejszego (najlepiej 2-6 cm grubości), bardziej suchego materiału. Upakuj materiał aż do krawędzi pieca, układając wszelkie nierozgałęzione materiały, takie jak słupy, tak, aby nie pakował się zbyt ciasno i nie ograniczał przepływu powietrza.
   UWAGA: Celem jest upewnienie się, że materiał jest wystarczająco ciasno upakowany, aby utrzymać płomień, ale także umożliwić dotarcie powietrza do spalania na dno stosu.
6. Rozpal piec: Dodaj mały, suchy materiał rozpałkowy na wierzch załadowanego pieca. W razie potrzeby użyj przyspieszacza i zapal zapałką lub użyj latarki propanowej. Rozpal piec w kilku miejscach na górze, aby nad całym piecem szybko rozwinęła się nasadka płomienia.
7. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy klip wideo, gdy tylko nasadka płomienia zostanie założona. W sekcji Początek nagrywania kliknij przycisk Nagraj wideo, a następnie kliknij przycisk Prześlij wideo.

3. Karmienie i doglądanie pieca

1. W pierwszej fazie pracy powietrze jest zasysane od góry do dołu pieca, podczas gdy początkowy ładunek w większości spala się do warstwy węgla. Upewnij się, że pierwszy ładunek wytwarza dobre złoże węgli przed dodaniem większej ilości materiału. Dodaj nową warstwę surowca, gdy poprzednia warstwa zacznie pokazywać warstwę białego popiołu.
2. Przejście do załadunku ciągłego: Ładowanie nowego materiału do pieca ze stałą prędkością. Staraj się, aby każda warstwa drewna miała tę samą średnicę, aby zwęglenie było równe.
   1. Użyj płomienia jako wskaźnika szybkości ładowania: Niech płomień będzie przewodnikiem przy dodawaniu nowego materiału. Upewnij się, że na górze utrzymywany jest dobry, silny płomień, ponieważ jest to źródło ciepła do wytwarzania zwęglenia.
   2. Jeśli operator załaduje zbyt dużo i zbyt szybko, płomień zostanie zduszony. Jeśli tak się stanie, zatrzymaj się i poczekaj, aż płomień ponownie się podniesie. Jeśli operator nie załaduje wystarczającej ilości materiału, płomień wygaśnie, a zwęglenie zacznie się palić na popiół. Jeśli tak się stanie, dodaj więcej materiału, aby utrzymać płomień.
3. Sprawdź obecność płomienia podczas spalania jako wskaźnik czystego, gorącego spalania, które zminimalizuje emisję metanu i zmaksymalizuje stabilne tworzenie się zwęglenia.
   1. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy film płomienia około 1 godziny po rozpaleniu pieca. Przejdź do sekcji Dowód jakości spalania i kliknij przycisk Dowód spalenia w pierwszej godzinie.
   2. Kliknij przycisk Nagraj wideo, naciśnij przycisk nagrywania przez co najmniej 30 sekund, a następnie kliknij przycisk Prześlij wideo.
4. Dodaj największy materiał w środkowych etapach spalania, aby miał czas na całkowite zwęglenie. Piec będzie napełniał się biowęglem w różnym tempie, w zależności od rodzaju surowca, wielkości i wilgotności.
5. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy film płomienia pod koniec drugiej godziny palenia. Kliknij przycisk Proof of Burn at Second Hour, a następnie przycisk Take Video (Nagrywaj wideo). Naciśnij przycisk nagrywania przez co najmniej 30 sekund i kliknij przycisk Prześlij wideo.
6. Korzystając z aplikacji D-MRV, nagraj 30-sekundowy film płomienia pod koniec trzeciej godziny palenia. Kliknij przycisk Proof of Burn at Third Hour (Dowód nagrania o trzeciej godzinie), a następnie przycisk Take Video (Nagraj wideo). Naciśnij przycisk nagrywania przez co najmniej 30 sekund i kliknij przycisk Prześlij wideo.
7. Gdy piec wypełni się rozgrzanymi do czerwoności żarzącymi się węglami, ułóż kilka ostatnich warstw materiału średniej wielkości, aby umożliwić większe kawałki dokończenie zwęglania.

4. Wykańczanie, hartowanie i pomiar biowęgla

1. Zakończ spalanie, gdy nagromadzony biowęgiel znajdzie się w odległości nie większej niż 10-20 cm od górnej krawędzi pieca, gdy cały surowiec zostanie wykorzystany lub gdy zakończy się dzień pracy.
2. Zwęglenie jest zakończone, gdy nie ma już płomieni. Odczekaj 10-15 minut po dodaniu ostatniego kawałka surowca, aby płomienie ucichły. Zawsze znajdzie się kilka większych kawałków, które nie zwęglą się całkowicie, co nie jest problemem.
3. Przed hartowaniem użyj stalowych grabi, aby wyrównać gorące, żarzące się węgle w piecu.
   1. Umieść miarkę pionowo w piecu, przy ścianie pieca, tak aby jeden koniec dotykał zwęglenia poziomego. W aplikacji D-MRV zrób zdjęcie miarki, która pokazuje głębokość zwęglenia w piecu, przechodząc do sekcji Pomiar biowęgla i kliknij przycisk Zrób zdjęcie.
   2. W polu wprowadzania tekstu dla pytania Jaki jest odczyt od góry biowęgla do górnej części pieca, wprowadź wartość na miarce.
   3. Powtórz ten pomiar i nagranie zdjęcia jeszcze dwa razy w różnych miejscach pieca, klikając przycisk Prześlij i dodaj kolejne zdjęcie.
4. Natychmiast po zgłoszeniu pomiarów głębokości zwęglenia należy zrobić zdjęcie tabliczki identyfikacyjnej pieca w celu weryfikacji.
5. Zmierz gęstość nasypową zwęglenia.
   1. Gdy partia biowęgla jest kompletna, ale przed hartowaniem, napełnij metalowe wiadro gorącymi żarzącymi się węglami wyjętymi z pieca. Zważ wiadro, aby uzyskać tarę za pomocą wiszącej wagi. Zrób zdjęcie, aby zarejestrować wagę.
   2. Napełnij wiadro rozżarzonymi węglami i zważ je, robiąc zdjęcie, aby zarejestrować wagę.
   3. Powtórzyć procedurę pobierania próbek (4.5.1-4.5.2) jeszcze dwa razy, pobierając próbki z różnych części pieca i zapisując wartość za pomocą zdjęcia.
6. Ugasić wodą.
   1. Zacznij rozpylać wodę pod niskim ciśnieniem do pieca, aż osłona termiczna ostygnie na tyle, aby można było jej dotknąć. Zdejmij wszystkie panele osłony termicznej i ułóż je tak, aby nie przeszkadzały.
   2. Podczas rozpylania wody zdejmij kilka paneli pieca i zgrab zwęglenie cienką warstwą do ostygnięcia. Kontynuuj spryskiwanie i grabienie, aż zwęglenie całkowicie ostygnie. Biowęgiel powinien być na tyle chłodny, aby włożyć do niego rękę.
7. Usuń i nagraj niespalone kawałki. Usuń wszelkie częściowo zwęglone kawałki i ułóż je na jednym z paneli pieca w jednej warstwie, z miarką ułożoną obok. Korzystając z aplikacji D-MRV, zrób zdjęcie niecałkowicie zwęglonych elementów.

Results

Dobrze zorganizowana i zrealizowana partia biowęgla przy użyciu pieca Ring of Fire wyprodukuje 2-3 m³ biowęgla w ciągu 4-5 godzin spalania. Zastosowanie metodologii komponentu CM002 i rejestrowanie parametrów spalania w aplikacji D-MRV ma na celu umożliwienie certyfikowanemu weryfikatorowi potwierdzenia wielkości produkcji biowęgla w partii i jakości biowęgla. Więcej informacji na temat metodyki znajduje się w informacjach uzupełniających (plik uzupełniający 1).

Punkty weryfikacji procesu dla typowej partii biowęgla wytwarzanego w piecu Ring of Fire są wymienione tutaj (Rysunek 2). W tabeli 1 przedstawiono typowe wartości zmierzone w terenie lub wyznaczone w drodze weryfikacji.

1. Wpisz raport o typie surowca.
2. Rozmiar surowca: zdjęcie stosu surowca z linijką na miejscu.
3. Wilgotność surowca: jedno zdjęcie przedstawiające odczyt wilgotnościomierza z największego kawałka każdego gatunku surowca.
4. Zapłon: Jeden film z 30 sekund pokazujący początek spalania pieca i rejestrujący czas rozpoczęcia. Wideo pokazuje, że rozwinęła się silna nasadka płomienia.
5. Weryfikacja temperatury produkcji na podstawie obecności płomienia: trzy filmy z 30 sekund pokazują silną obecność płomienia podczas spalania.
6. Objętość biowęgla: trzy zdjęcia miarki w piecu, aby pokazać wysokość zwęglenia poziomu w piecu w trzech miejscach. Zmierzone odległości od górnej krawędzi pieca do zwęglenia są uśredniane do jednej wartości w obliczeniach.
7. Gęstość nasypowa: Jedno zdjęcie wagi pokazujące pustą masę wiadra. Trzy zdjęcia w skali przedstawiające wagę zwęglenia i wiadra. Karb pobrany z 3 miejsc w piecu. Trzy pomiary masy są uśredniane do jednej wartości w obliczeniach

Rysunek 2: Infografika przedstawiająca punkty weryfikacji procesu. Punkty weryfikacji procesu dla typowej partii biowęgla wytwarzanego w piecu Ring of Fire. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

				Punkt danych #1	Punkt danych #2	Punkt danych #3
Gatunki surowców				sosna 50%	Jodła 50%
Odczyt wilgotnościomierza				19%	23%
Objętość pustego cylindra pieca				4,3 m3
Wysokość cylindra pieca				1 m
Wysokość poziomu węgla w piecu				60 cm	61 cm	59 cm
Masa własna wiadra o pojemności 7 litrów				0,6 kg
Waga wiadra ze znakiem				1,8 kg	1,9 kg	2,0 kg
Wartość bazy danych zawartości węgla				86,8%
Współczynnik stabilności węgla				0.74

Tabela 1: Reprezentatywne wartości używane do weryfikacji wyników produkcji i parametrów przetwarzania dla typowej partii biowęgla produkowanego w piecu do wypalania biowęgla w Pierścieniu Ognia.

Korzystając z tych punktów kontroli, weryfikator określa, że biowęgiel został wyprodukowany z odpowiednich surowców i w temperaturze powyżej 600 °C, aby spełnić wymagania metodologii CM002 Component dla długoterminowej stabilności. Pozwala to na zastosowanie współczynnika stabilności węgla wynoszącego 0,74 dla 100-letniej trwałości do partii biowęgla. Aby określić objętość partii biowęgla, weryfikator wykorzystuje objętość pustego pieca zweryfikowaną za pomocą identyfikatora pieca (4,3 m³) oraz wysokość poziomu zwęglenia w piecu (1 m - 0,4 m = 0,6 m). Ponieważ piec jest wypełniony w 60%, objętość zwęglenia wynosi 0,6 x 4,3^m3 = 2,6 m³. Następnie weryfikator oblicza gęstość nasypową biowęgla na podstawie pomiarów w wiadrze. Odjęcie masy wiadra 0,6 kg od każdego pomiaru daje wartości 1,2 kg, 1,3 kg i 1,4 kg, które są uśredniane do 1,3 kg/7 l. Odpowiada to 185,7 kg/^m3. W związku z tym sucha masa wyprodukowanego biowęgla wynosi (185,7 kg/^{m 3}) x (2,6 m³) = 483 kg.

Weryfikator może pobrać zawartość węgla w biowęglu z bazy danych, lub w tym przypadku, z prostego testu laboratoryjnego, który potwierdził zawartość węgla na poziomie 86,8% z partii mieszanego drewna iglastego wyprodukowanego w piecu Ring of Fire w hrabstwie Sonoma w Kalifornii w 2021 roku. Test został przeprowadzony przez Control Laboratories of Watsonville, CA²³. Stosowany jest współczynnik stabilności węgla wynoszący 0,74. W związku z tym zawartość stabilnego węgla organicznego w przeliczeniu na suchą masę biowęgla określa się na podstawie masy biowęgla, jego zawartości węgla organicznego i 100-letniego współczynnika stabilności dla wartości końcowej (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 kg stabilnego węgla. Aby uzyskać ostateczną wartość usuwania dwutlenku węgla, odejmuje się ucieczkę projektu i stosuje się odpowiednie marginesy bezpieczeństwa wraz ze współczynnikiem konwersji z węgla stałego na dwutlenek węgla, zgodnie z opisem w pliku uzupełniającym 1. Certyfikowana wartość usuwania biowęgla z biowęgla zależy od końcowej weryfikacji, czy biowęgiel został zastosowany do gleby lub kompostu i nie jest spalany ani w inny sposób utleniany.

Plik uzupełniający 1: Szczegółowe informacje dotyczące metodologii i obliczeń. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Discussion

Różne gatunki biomasy będą produkować biowęgiel o różnych frakcjach węgla i popiołu, niezależnie od temperatury produkcji, ze względu na skład pierwiastkowy biomasy²⁴. Ponieważ istniejące bazy danych dotyczące charakterystyki biowęgla dla różnych surowców nie są kompletne, w ramach projektów może być konieczne przedłożenie próbek do analizy laboratoryjnej w celu zweryfikowania zawartości węgla organicznego w biowęglu. Aby utrzymać koszty projektu na niskim poziomie, zalecamy prostą procedurę laboratoryjną, którą uczniowie mogą wykonać przy niskich kosztach w laboratoriach szkolnych na poziomie szkoły średniej lub college'u²⁵. Z biegiem czasu, w miarę realizacji kolejnych projektów w terenie, baza danych o wartościach zawartości węgla w biowęglu dla różnych rodzajów surowców będzie się powiększać i stawać się bardziej użyteczna.

Wiele pomiarów D-MRV ma na celu sprawdzenie, czy warunki produkcji są optymalne do produkcji biowęgla o właściwościach ściśle odpowiadających wartościom z bazy danych. Te kluczowe pomiary to wilgotność surowca oraz seria filmów dokumentujących jakość spalania płomieniowego, która decyduje o temperaturze produkcji i wynikającej z niej stabilności węgla w biowęglu.

O ile pomiar objętości biowęgla produkowanego w piecu jest prosty, o tyle określenie suchej masy wyprodukowanego biowęgla nie jest łatwe. Praca z biowęglem jest trudna, ponieważ złożona gęstość cząstek materiału sprawia, że pomiary gęstości nasypowej są trudne do^{wyznaczenia26}. Po schłodzeniu biowęgla nie jest możliwe uzyskanie na polu suchej masy określonej objętości biowęgla. Jednak gęstość nasypową biowęgla w stanie suchym można zmierzyć na polu, napełniając metalowe wiadro o znanej objętości rozżarzonymi węglami i ważąc je. Ta procedura może dać nam dobre przybliżenie suchej masy biowęgla.

Główną wadą tej metodologii jest nieodłączna zmienność operacji polowych, w tym zmienność surowca i poziom umiejętności operatora. Operator musi określić szybkość załadunku surowca i pracować nad utrzymaniem silnego płomienia w piecu. Nieutrzymanie płomienia przez nadmierne obciążenie wpłynie na temperaturę tworzenia się zwęglenia, a tym samym na stabilność zwęglenia. Najlepszym rozwiązaniem tego problemu jest skuteczny program szkoleniowy dla operatorów. Szkolenie pracowników i protokoły bezpieczeństwa mają kluczowe znaczenie dla sukcesu produkcji biowęgla na miejscu. Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na siłę roboczą, programy szkoleniowe będą musiały być dobrze zorganizowane i szeroko dostępne²⁷.

Kolejnym ograniczeniem metodyki jest zmienność w realizacji pomiarów D-MRV. Wilgotność surowca może być dość zmienna w obrębie danej partii, nawet jeśli wszystkie surowce są poza tym jednolite. Metoda polegająca na wykonaniu trzech filmów migawkowych płomienia podczas procesu w celu sprawdzenia, czy osiągnięto odpowiednią temperaturę, jest ograniczona przez dynamiczny charakter spalania. Trzy filmy z migawkami mogą nie być reprezentatywne dla całego procesu. Realną kontrolą krzyżową z tym pomiarem jest po prostu wiedza o tym, jak długo trwało spalanie i ile biowęgla zostało wyprodukowane, ponieważ nieoptymalne warunki temperaturowe spowodują zmniejszenie wielkości produkcji. Pomiary terenowe D-MRV gęstości nasypowej i objętościowej są ograniczone pod względem precyzji; Jest to jednak kompensowane przez zastosowanie marginesów bezpieczeństwa, aby zapewnić, że ostateczne wartości są konserwatywne i nie zawyżają pochłaniania dwutlenku węgla.

Logistyka operacyjna również przyczynia się do zmienności parametrów produkcji biowęgla i powodzenia projektów. Logistyka operacyjna musi uwzględniać takie czynniki, jak pogoda, ukształtowanie terenu, dostęp, bezpieczeństwo pracowników, szkolenia, narzędzia i sprzęt oraz dostępność wody. Większość narzędzi i materiałów potrzebnych do produkcji biowęgla to standardowe wyposażenie strażaków i ekip leśnych. Konkretne narzędzia potrzebne do wdrożenia D-MRV z piecem do wypalania biowęgla w pierścieniu ognia są wymienione w pliku Tabela materiałów .

Wytwarzanie biowęgla na polu z biomasy odpadowej musi konkurować z alternatywą otwartego spalania lub spalania, co ma tę zaletę, że jest bardzo niskie. Koszt krańcowy wytwarzania biowęgla w porównaniu ze spalaniem otwartym ma głównie związek ze zwiększonym zapotrzebowaniem na siłę roboczą, ponieważ koszt kapitałowy prostych pieców płomieniowych jest niski²⁷. Do tej pory nie ma wystarczającej liczby projektów na dużą skalę, w których gromadzono solidne dane, aby określić rzeczywisty koszt krańcowy produkcji biowęgla w porównaniu ze spalaniem. Jeden przykład może jednak pokazać, że finansowanie emisji dwutlenku węgla może wypełnić tę lukę.

Firma Watershed Consulting w Missoula w stanie Massachusetts poddała obróbce ukorośl przerzedzoną z 21 akrów mieszanego lasu iglastego w zachodniej Montanie w 2021 r. przy użyciu pieców do wypalania biowęgla Ring of Fire²⁸. Całkowity koszt projektu wyniósł 42 302,00 USD, a całkowity plon biowęgla wyniósł 112,5 jarda sześciennego. Korzystając z naszych własnych standardowych założeń dotyczących charakterystyki biowęgla wytwarzanego w piecach płomieniowych, szacujemy, że w ramach projektu sekwestrowano 31,75 ton metrycznych CO₂ po cenie 1 332,35 USD za tonę. Koszt palowania i spalania materiału wyniósłby 15 750,00 USD, pozostawiając koszt krańcowy w wysokości 26 552,00 USD na wyprodukowanie biowęgla zamiast spalania, czyli 836,28 USD za tonę wyprodukowanego biowęgla. Ten koszt krańcowy mógłby być przynajmniej częściowo zrekompensowany przez płatności z tytułu usuwania dwutlenku węgla w wysokości od 100 do 200 USD za tonę CO_{2 ,} co potwierdza znaczenie procesu D-MRV. Aby uzupełnić ekonomiczny obraz projektu, ważne jest, aby instytucje finansujące uznały korzyści ekosystemowe wynikające z unikania szkód w glebie spowodowanych bliznami po oparzeniach, zmniejszonej emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczenia powietrza cząstkami stałymi, a także zwrócenia zwęglenia glebom leśnym w celu zatrzymywania wilgoci, obiegu składników odżywczych i zdrowia gleby.

Szczegółowe metody opisane w tym artykule pomogą osobom i grupom pracującym w ekosystemach dotkniętych obcymi gatunkami inwazyjnymi, suszami i pożarami w realizacji ekonomicznie wykonalnych projektów przekształcania biomasy w biowęgiel, które mogą poprawić i przywrócić gleby i rodzime ekosystemy, jednocześnie unikając emisji gazów cieplarnianych i sekwestracji dwutlenku węgla w celu łagodzenia zmiany klimatu. Pomimo zmienności i braku precyzji pomiarów i punktów weryfikacyjnych w tej praktycznej metodologii terenowej, stwierdzamy, że jest to nadal cenne podejście do sekwestracji węgla w sytuacjach polowych, w których inne podejścia, takie jak transport biomasy do przemysłowego zakładu pirolizy, nie są praktyczne.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cyfrowa waga wisząca	AvaWeigh	HSD40	44-funtowa waga do ważenia produktów
Aplikacja na smartfony Ikhala	AD Tech	Nie dotyczy	pobrania ze sklepu z aplikacjami na Androida lub Apple
Metalowa linijka	Azbvek	ZG0044-Nowa	linijka ze stali nierdzewnej 100 cm Linijka
Pierścień ognia Piec	Wilson Biowęgiel	ROF 1.2	Piec płomieniowy w stylu panelowym z osłoną termiczną
Inteligentny Telefon	dowolny	Nie dotyczy	musi korzystać z systemu operacyjnego I-OS lub Android
Stalowe wiadro użytkowe - 7 litrów	Łyżka uniwersalna	Behrens	120GS
Miernik wilgotności drewna	Narzędzia ogólne	MMD4E	Cyfrowy miernik wilgotności, typu pinowego z wyświetlaczem LCD