Produção contínua de biochar em madeira usando um queimador de cortina de ar montado em reboque

Nos EUA, muitos povoamentos florestais aumentaram em volume de árvores em pé na ausência de incêndios frequentes de baixa intensidade, historicamente provocados por povos indígenas e suprimidos nos tempos modernos ^1,2. A partir dessa exclusão de incêndio, os povoamentos superlotados resultantes representam desafios para os gestores de terras que se esforçam para aumentar a resiliência da floresta contra incêndios florestais, pragas, doenças e efeitos da seca³. As práticas de manejo padrão para reduzir o volume de árvores incluem fogo prescrito, desbaste pré-comercial e colheita de estandes maduros. Essas operações geram quantidades substanciais de biomassa lenhosa de baixo ou nenhum valor, muitas vezes chamadas de resíduos. Por exemplo, nos 15 estados do oeste dos EUA, estima-se que as operações de colheita produzam cerca de 8 milhões de toneladas secas de resíduos a cada ano⁴. Além disso, o Serviço Florestal do USDA implementou um plano de crise de incêndios florestais, que tratará mais 50 milhões de acres (20 milhões de hectares) em um período de 10 anos. Isso resultará na necessidade de descartar material adicional não comercializável e provavelmente exigirá o uso de uma variedade de opções locais. Embora copas, galhos e árvores não comercializáveis possam ser usados para bioenergia ou biocombustíveis, oportunidades limitadas de mercado geralmente levam a que esses resíduos sejam empilhados e queimados. A construção de estacas de corte visa reduzir o risco de incêndios florestais e insetos, criar espaço de cultivo para plantas de sub-bosque e abordar outros objetivos de manejo da terra.

A queima a céu aberto é um método de baixo custo e relativamente rápido para reduzir o volume de madeira, mas também produz fumaça e poluentes atmosféricos, incluindo gases de efeito estufa⁵. Além disso, também pode causar impactos indesejáveis nas propriedades físicas, químicas e biológicas do solo, levando a cicatrizes de queimaduras que podem persistir por décadas⁶. Para mitigar os efeitos colaterais prejudiciais da queima a céu aberto, são necessárias abordagens alternativas que reduzam os impactos negativos nas mudanças climáticas, no risco de incêndios florestais e na saúde do solo⁷.

Aqui, nos concentramos no uso de um novo método para produção contínua de biochar desenvolvido por meio de um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) entre o Departamento de Agricultura dos EUA, Serviço Florestal, Estação de Pesquisa das Montanhas Rochosas e Air Burners, Inc. (Palm City, FL). A tecnologia resultante, doravante denominada queimador de cortina de ar produtor de biochar (BACB; Figura 1), produz continuamente biochar a partir de resíduos lenhosos, limitando as emissões de fumaça e partículas. Em comparação com a queima a céu aberto, a funcionalidade do BACB reduz o risco de incêndio e a propagação de fumaça⁸, criando caminhos para a extensão segura das janelas de queima operacionais. Ao contrário dos métodos tradicionais que deixam pilhas de resíduos na paisagem, onde contribuem para o acúmulo de combustível⁹ ou métodos alternativos de combustão que produzem principalmente fumaça e cinzas, o BACB reduz efetivamente as cargas de combustível enquanto protege o solo e cria biochar, um carvão consistente e de alto carbono, que pode ser usado para restaurações de solo no local de processamento ou próximo a ele. Além disso, o BACB é móvel e pode ser facilmente localizado, por exemplo, em um patamar de toras, ao longo de uma estrada ou em um acampamento. Também pode queimar madeira úmida ou seca, tipos e tamanhos de matéria-prima mista e pode ser usado em condições climáticas adversas e em momentos em que as condições climáticas são muito arriscadas para a queima de pilha aberta.

O biochar produzido no BACB é geralmente 70% -90% de carbono, altamente poroso e consistente na distribuição do tamanho das partículas, tornando-o adequado para remediar solos degradados, frequentemente encontrados em minas abandonadas, desembarques de toras, trilhas de derrapagem, áreas ribeirinhas ou locais agrícolas. O biochar também pode ser usado como uma mistura com composto ou em confinamentos de gado para adsorver nutrientes e reduzir o odor. Em geral, os melhores usos do solo para o biochar de resíduos lenhosos são reduzir a erosão e a lixiviação de nitrato, ao mesmo tempo em que aumentam a estabilidade dos agregados do solo e a água disponível em solos de textura grossa e baixa matéria orgânica^10,11.

Figura 1: Queimador de cortina de ar móvel produtor de biochar. O local de teste mostra a configuração geral do corte e do queimador de cortina de ar produtor de biochar. Este número foi modificado de¹². Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Visão geral do projeto e operação
Embora existam vários tipos de queimadores de cortina de ar disponíveis, o BACB cria continuamente biochar. A unidade tem aproximadamente 7 m de comprimento x 2,5 m de largura x 2 m de altura. Ele tem um coletor de ar ao longo da parte superior da fornalha que fornece uma cortina constante de ar para conter fumaça, partículas e brasas dentro dela e promove a oxidação completa das emissões. Para uma operação ideal, a fornalha é carregada a um nível logo abaixo do coletor, garantindo um fluxo de ar ininterrupto através da fornalha. O BACB pode ser rebocado atrás de qualquer veículo com um pacote de engate padrão e capacidade de reboque adequada. Um local plano e liso é preparado próximo à biomassa empilhada (também chamada de matéria-prima), mas com espaço suficiente ao redor do local para permitir que o equipamento e a equipe se movam livremente e com segurança. Uma vez posicionada, a unidade é fixada abaixando as laterais da fornalha sobre o solo usando o sistema hidráulico a bordo. Um motor de ventilador pressuriza o coletor da cortina de ar, que percorre o comprimento da fornalha de um lado. A biomassa é inicialmente acesa e queimada para estabelecer um leito de carvão na fornalha. Em seguida, biomassa adicional pode ser adicionada periodicamente, mantendo o material de entrada abaixo da cortina de ar. À medida que o material queima, o carvão é produzido e cai por uma abertura na parte inferior da fornalha, onde é retirado da máquina pela correia transportadora. Um painel dentro da fornalha oscila para facilitar esse processo. Cinzas ou materiais finos caem através da correia transportadora no solo abaixo. As brasas saem da máquina por uma fenda no fundo da fornalha e são depositadas em uma panela cheia de água, que interrompe a combustão e resfria o biochar a uma temperatura em que pode ser manuseado com segurança. Quando estiver pronto para interromper a operação, a fornalha é limpa, permitindo que qualquer material restante queime. Normalmente, a unidade esfria durante a noite e pode ser movida com segurança no dia seguinte, conforme necessário. Não tente mover o BACB enquanto estiver queimando lenha ou esfriando, a menos que haja uma emergência. Em caso de emergência, areia ou solo podem ser usados para extinguir o fogo e abafar as brasas. A água nunca deve ser pulverizada diretamente sobre os ladrilhos cerâmicos da fornalha.

NOTA: Detalhes adicionais sobre a operação do BACB podem ser encontrados no manual do operador que acompanha o equipamento.

1. Transporte para o local

1. Usando um engate comercial Classe 5 (tamanho da bola 2-5/16 polegadas ou 58,75 cm), engate o BACB em uma caminhonete de 1 tonelada ou maior, ajustando a altura do engate para garantir que os trilhos da estrutura estejam nivelados para transporte. Antes de rebocar, verifique o controlador de freio, o sistema de separação, os freios, as rodas e a iluminação do reboque.
2. Certifique-se de que os pinos de segurança de viagem do BACB estejam devidamente presos e que a fornalha esteja abaixada sobre os pinos de viagem.
3. Uma vez no local desejado, posicione a unidade ainda presa ao veículo de reboque; é muito pesado para se mover com a mão. Calço as rodas e abaixe o cavalete. Desconecte-o do veículo de reboque. O chassi (estrutura verde) deve estar nivelado da frente para trás; Levante ou abaixe o cavalete para conseguir isso.
   1. Se o BACB for colocado em um local por mais de um dia, escave uma trincheira rasa para acumular cinzas. Mantenha a vala tão larga quanto a correia transportadora. Sem essa trincheira, o BACB terá que ser movido e reposicionado no mesmo local para continuar queimando no dia seguinte.
4. Levante ligeiramente a fornalha para remover os pinos de viagem da frente e de trás da fornalha, limpe o pessoal e abaixe as laterais até o chão. O contato com o solo levantará o chassi, mas os pneus devem permanecer firmes no chão. Se todo o comprimento das paredes laterais da fornalha não estiver em contato com o solo, considere mover a unidade para um local mais nivelado ou use pás ou a escavadeira para nivelar o local.
5. Verifique se o motor hidráulico que aciona o painel do agitador entre a fornalha e o motor incluso não está em contato com a estrutura verde.
6. Ligue o motor e dê tempo suficiente para aquecer antes de inicializar o sistema hidráulico.

2. Preparação no local

1. Coloque o BACB em uma superfície relativamente plana (inclinação <3%) bem perto da pilha de madeira, garantindo que a fornalha esteja nivelada usando um nível de viga I de 4 pés (1.2 m) ou nível de corda. Certifique-se de que a área esteja livre de riscos aéreos e tenha espaço suficiente para a miniescavadeira (Figura 2) carregar livremente a matéria-prima sobre o coletor de ar.
2. Certifique-se de que o coletor de ar no BACB esteja soprando a cortina de ar na mesma direção que o vento. Verifique qualquer aplicativo meteorológico do telefone diariamente para obter a direção do vento predominante local ou observe a direção do vento no local antes da localização final do BACB.
3. Não coloque o BACB onde haja grandes rochas, vegetação ou detritos. Quando o equipamento estiver nivelado e as laterais da fornalha estiverem abaixadas, coloque terra nas laterais para evitar que o ar entre e a fumaça saia da fornalha.
4. Coloque a bandeja de têmpera (Figura 3) em terreno plano na parte de trás do BACB. Certifique-se de que não toque na correia transportadora. Encha a bandeja de têmpera com aproximadamente 40 galões (150 L) de água. Mantenha aproximadamente 300 galões (1135 L) de água no local para reabastecer a panela de têmpera, conforme necessário.
5. Selecione qualquer matéria-prima lenhosa e use material seco para iniciar o fogo na fornalha. Use a miniescavadeira para manter um suprimento adequado de matéria-prima por perto para carregar a fornalha. Corte toda a matéria-prima em um comprimento menor que o comprimento máximo da fornalha.
   NOTA: Toras de grande diâmetro (aproximadamente 10 polegadas (25 cm) devem ser serradas em comprimentos menores (~ 18-36 polegadas; 45-91 cm) e materiais muito grandes (> 20 polegadas (50 cm) devem ser cortados em seções ~ 12-18 polegadas; 30-45 cm) antes de colocá-los na fornalha.

Figura 2: Exemplo de uma escavadeira movendo resíduos de madeira. Miniescavadeiras podem ser usadas para carregar o queimador de cortina de ar produtor de biochar. Este número foi modificado de¹². Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Exemplo da colocação da bacia de resfriamento. A bacia de têmpera é mantida cheia de água e posicionada aproximadamente 2 polegadas (5 cm) na frente da correia transportadora. Este número foi modificado de¹². Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Redução de riscos

1. Antes de acender a matéria-prima, verifique com a agência local de licenciamento da qualidade do ar e o corpo de bombeiros local para confirmar se o perigo de incêndio não é muito alto para ignição e se o monitoramento da qualidade do ar, se necessário, está em vigor.
2. Além disso, antes da ignição, remova quaisquer detritos orgânicos de uma área de 6 pés (2 m) ao redor do BACB para evitar ignições não intencionais. Certifique-se de que haja uma mangueira carregada conectada a um abastecimento de água adequado e que a bandeja de têmpera BACB esteja cheia de água. Se possível, mantenha vários baldes de água de 5 galões (20 L) prontos para apagar ignições não intencionais. Ao queimar durante o perigo elevado de incêndio, avalie a necessidade de instalar sprinklers, uma bomba d'água ou um reservatório de água portátil para extinguir ignições não intencionais maiores.
3. Certifique-se de que os trabalhadores possam se mover livremente pelas laterais e pela parte traseira da máquina para acessar o prato de têmpera, o painel de controle (Figura 4) e o ponto de controle manual do transportador, localizado no canto traseiro direito do BACB.
4. Certifique-se de que os trabalhadores não andem na frente da cortina de ar em frente ao coletor e usem roupas não sintéticas duráveis, colete de alta visibilidade, capacete, luvas de couro e proteção para os olhos e ouvidos.

Figura 4: Painel de controle no queimador de cortina de ar produtor de biochar. O painel de controle é usado para ligar a cortina de ar, o transportador e a energia do sistema e para levantar e abaixar a fornalha. Este número foi modificado de¹². Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Verificações pré-operação

1. Verifique todos os níveis e filtros de combustível e fluido e lubrifique os pontos de graxa antes de acender a matéria-prima. Uma vez que o BACB esteja operacional e na temperatura, pode ser impossível inspecionar, mover ou manter os níveis de fluido, filtros e pontos de graxa.
2. Verifique o boletim meteorológico do local de operação e certifique-se de que o vento não exceda ~ 20 milhas por h (30 km por h) durante a queima.
3. Antes da ignição, converse com o operador da miniescavadeira para concordar com os sinais manuais (ou use um rádio bidirecional) para carregamento e orientação da madeira para garantir uma queima limpa. Aconselhe o operador da miniescavadeira a carregar sobre o coletor de ar e não carregar a fornalha com a matéria-prima oposta ao coletor de ar.

5. Carregamento inicial e criação de um fogo de base

1. Inicialmente, carregue a fornalha com matéria-prima seca (se disponível) usando a miniescavadeira. Carregue a madeira até que a fornalha esteja aproximadamente 2/3^cheia , alternando a direção dos materiais (ou seja, uma carga deve ser perpendicular e a próxima camada paralela aos lados) para criar espaço de ar que ajudará a pilha a queimar. Não embale o material em um pacote apertado para garantir que o material se inflame facilmente e não use a escavadeira para compactar o material na fornalha.
2. Certifique-se de que a matéria-prima seja colocada em toda a fornalha para criar um leito uniforme de carvão. Preste atenção às lacunas de matéria-prima nas extremidades da fornalha para garantir um enchimento e queima uniformes.
3. Use um auxiliar de ignição, como diesel, na madeira e, em seguida, acenda-o com um maçarico de propano ou outro dispositivo de ignição semelhante em vários pontos ao longo da fornalha.

6. Adição de madeira à fornalha

1. Deixe o fogo da base queimar até que a fornalha esteja aproximadamente meio cheia de resíduos em chamas e carvão.
2. Ligue o motor e ajuste a velocidade do ventilador para condições de incêndio. Aumente lentamente a rotação do motor para que o ar do coletor não apague o fogo. Aumente a rotação do motor pressionando o botão RABBIT no painel de controle (Figura 4).
3. Assim que uma boa base de carvão for alcançada, sinalize ao motorista da miniescavadeira para adicionar matéria-prima adicional a uma taxa que não abafe o fogo. A fumaça é esperada por um curto período de tempo, à medida que matéria-prima adicional é adicionada e a cortina de ar é interrompida. Monitore continuamente o BACB e a área circundante em busca de faíscas ou brasas que possam causar ignições não intencionais.

7. Produção de biochar

1. Quando o fogo de base for estabelecido, matéria-prima adicional tiver sido adicionada e a velocidade do ventilador for aumentada para 2800 rpm, mude a chave de alimentação do sistema para Biochar (Figura 4). Verifique se a energia do sistema está em 1800 psi.
2. Ligue o transportador e o agitador. Essas duas funções serão alternadas automaticamente a cada 3 minutos. Mantenha a produção contínua alternando o botão liga/desliga do sistema de Biochar para Firebox (Figura 4). Isso substitui o mecanismo de temporizador intermitente para o agitador e a correia transportadora quando grandes quantidades de carvão aparecem a cada ciclo.
3. Colete o biochar na bandeja de têmpera e remova o biochar da panela a cada 5-10 minutos usando o ancinho largo para mover o biochar até o final da bandeja de têmpera e, em seguida, usando a pá de peneiração para remover o biochar da panela e colocá-lo em uma pilha.
4. Se o ancinho ficar preso na esteira transportadora, o estroboscópio de advertência deve piscar. Alterne a chave do transportador para OFF no painel de controle principal, remova o ancinho e reinicie a correia.
5. Responda a outros estroboscópios de advertência verificando os manômetros no controle principal para determinar se o painel do agitador ou o transportador parou. Se necessário, desligue o agitador para permitir que a madeira de ligação queime ou avançando manualmente a correia transportadora no sentido anti-horário no ponto de controle manual no canto traseiro direito do BACB.
6. Reabasteça as panelas de têmpera com água, conforme necessário, para permitir a imersão total das brasas. Não borrife água na esteira transportadora ou nos ladrilhos cerâmicos da fornalha.
7. Continue adicionando matéria-prima na fornalha e criando biochar enquanto as condições permitirem. Certifique-se de que madeira de diâmetro maior seja adicionada no início do dia para que possa ser totalmente convertida em carvão.

8. Cessação das operações

1. Pare de carregar a fornalha aproximadamente 1 a 2 h antes do final do turno.
2. DESLIGUE o agitador quando o material restante não entrar em contato com o painel do agitador e não deixe brasas na fornalha ou na esteira transportadora no final do dia.
3. Deixe o interruptor do transportador ligado até que todos os carvões tenham saído da fornalha. Neste ponto, é apropriado mudar para o modo Biochar para ciclos intermitentes.
4. Durante o dia, as cinzas se acumulam sob a correia transportadora (Figura 5). Mova o BACB todos os dias para um novo local nivelado para evitar que as cinzas impeçam o movimento da correia transportadora.
5. Assim que o fogo estiver apagado e as brasas estiverem todas apagadas, cesse as operações do dia.
   NOTA: Em caso de emergência, o fogo na fornalha pode ser extinto carregando terra sobre as brasas.
6. Deixe as laterais da fornalha abaixadas durante a noite para isolar os pneus das cinzas quentes sob a esteira transportadora.

Figura 5: Exemplo de cinzas e biochar sob a correia transportadora. Durante uma queima, algumas cinzas e biochar cairão através da correia transportadora de metal. Este número foi modificado de¹². Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

9. Reposicionando o BACB

1. Engate o BACB ao veículo de reboque, levante as laterais da fornalha, insira os pinos de deslocamento, levante o suporte do macaco e reboque imediatamente a unidade para a frente.
2. Resfrie as cinzas restantes (Figura 6) misturando-as com água e distribuindo-as pelo solo. Certifique-se de que todos os carvões e cinzas estejam frios ao toque antes de se mudar para um novo local.

Figura 6: Exemplo de acúmulo de cinzas. No final do dia, o acúmulo de cinzas sob a correia transportadora pode atingir a correia transportadora. A abertura de valas antes de colocar o queimador de cortina de ar produtor de biochar é um método para estender o tempo de queima em um local. Se a abertura de valas não for uma opção, o equipamento deve ser puxado para frente e as cinzas limpas todos os dias. Este número foi modificado de¹². Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

De janeiro de 2022 a outubro de 2023, o BACB pirolisou várias matérias-primas em biochar (Tabela 1). Com base em testes de campo, o BACB pode queimar aproximadamente 1 tonelada (900 kg) de matéria-prima por h, e aproximadamente 11% -25% da massa seca da matéria-prima será retida como biochar, com o restante indo para gás (vapor de água, CO2, etc.) e cinzas. O teor de carbono varia de 70% a 90%. Pedaços maiores de madeira (>30 cm) levam mais tempo para pirólise do que madeira com diâmetro variando de 2 a 30 cm. A quantidade e a qualidade do biochar dependem das características da matéria-prima (por exemplo, tamanho, espécie, teor de umidade) e da taxa de carregamento. O tamanho do biochar produzido é de 1 polegada (2,5 cm) e menor, embora pedaços maiores sejam possíveis, especialmente no início de uma corrida. Além disso, algum material não queimado pode passar pela abertura para o transportador na inicialização, e pode ser colocado de volta na fornalha, reservado ou empilhado com o biochar. Em testes de campo sob uma ampla variedade de condições operacionais, o BACB demonstrou ser um método eficaz em madeiras para criar biochar a partir da biomassa lenhosa produzida a partir de tratamentos de combustível e outras operações de colheita e pode reduzir combustíveis perigosos.

Tabela 1: Exemplos de resultados. Localização da produção, matérias-primas representativas utilizadas, quantidade pirolisada em 1 h e concentração de carbono de biochar de um queimador de cortina de ar produtor de biochar contínuo. Um analisador elementar foi usado para determinar o teor de carbono de amostras secas em estufa (60 ° C até um peso constante).

A melhor configuração de trabalhador é um motorista de miniescavadeira e duas pessoas procurando pontos de ignição, direcionando onde e quando carregar a matéria-prima e removendo o biochar da panela de têmpera. Se as toras forem muito longas ou grandes em diâmetro, pode ser necessária uma quarta pessoa para operar uma motosserra.

O BACB é móvel, o que lhe dá a flexibilidade de trabalhar em uma variedade de locais. Isso, juntamente com os benefícios concomitantes de nenhum impacto no solo e menos fumaça do que a queima de pilhas, permite serviços ecossistêmicos adicionais (por exemplo, sequestro de carbono, retenção de água, cobertura do solo e combustíveis reduzidos). A produção de biochar móvel em madeiras é um método ideal para restaurar solos degradados locais associados a desembarques de toras, trilhas de derrapagem, estradas florestais, erosão e mineração.

Os autores não têm nada a divulgar.