大型生物炭窑操作与最佳实践

摘要

犹他州生物质资源小组（UBRG）采用了一种创新方法，通过称为“大箱式窑”（Big Box kilns）的金属箱体，将简易生物炭窑进行了放大，以实现林区内直接生产生物炭，同时减少危险性可燃物。本文概述了大箱式生物炭窑的操作流程及最佳实践方法。

摘要

大型箱式生物炭窑炉是一种可替代露天焚烧的简易金属箱装置，无需活动部件，可在林区直接生产生物炭。该方法基于数百年来木炭生产所使用的技术，但采用了现代机械化操作方式。通过微型挖掘机或其他机械设备完成窑炉的装料、看管和卸料。本文将为初学者制定自有大型箱式生物炭窑炉项目提供最佳实践指南，涵盖设计、运输、安置、装料、点火、熄火冷却和卸料等操作流程。

生物炭的生产需要低氧燃烧环境，而大型箱式窑炉采用火焰封顶法（有时也称为火焰幕帘法）来燃烧物料，从而实现烟雾的最小化排放。这些窑炉被设计为可使用额定载重能力足够的拖车轻松转运至作业现场。通过微型挖掘机或其他机械设备完成窑炉的装料、运行监控和排料操作。据作者所知，目前尚无其他更为便捷的方式，可供人们在农场、牧场或后院实现稳定碳的封存。本文概述了大型箱式生物炭窑炉的最佳实践方法，包括针对初学者自行开展大型箱式生物炭窑炉项目时所需的设计、运输、安放、装料、点火、冷却和卸料等操作流程。

引言

危险可燃物是美国西部广大野外地区面临的一个主要问题¹。由于火灾管理者难以控制天气，因此控制可燃物成为他们最有效的选择²。本方法的目标是提供一种新型的、可扩展的工具，以经济且实际可行的方式减少废木材并生产生物炭。林业工作者传统上会将伐木和可燃物削减项目产生的材料堆成柴堆并进行焚烧，但近年来由于空气质量限制以及火灾季节延长，露天柴堆焚烧已变得困难得多³。此外，研究表明，露天柴堆焚烧产生的过高热量可能对土壤造成长期潜在损害⁴。上述种种挑战正是UBRG开发此项生物炭生产技术的原因。UBRG旨在提供一种低成本、高可及性的危险可燃物削减方法，并同时产出有价值的产物⁵。将可燃物转化为原料，并试图从低价值木材中获取经济价值的这一方法面临诸多挑战。该方法可保留部分原本会因燃烧或腐烂而流失的碳，并将其转化为一种持久形态，其在土壤中的半衰期接近1,000年⁶；这比大多数土壤有机质的滞留时间长10至1,000倍⁷。

大型箱式窑炉的设计过程始于对源自日本的一项技术的其他衍生形式的回顾。2011年，Inoue 等人⁸报道了由日本Moki公司生产的“"无烟木炭窑M50"”中所生产生物炭的炭化效率和质量。这些小型锥形窑炉生产的生物炭，其干基质量转化效率介于13%至19.5%之间。研究发现，该生物炭的固定碳含量和总碳含量与在约600 °C温度下采用闷烧法（retort method）制成的木炭相当。

大型箱式结构最初由 Kelpie Wilson 在为北达科他州林业局开展的一项关于碳化防风林树木清除物的可行性研究中提出。Wilson 建议使用经过改造的钢制垃圾集装箱作为火焰覆盖式窑炉，以处理较大尺寸的物料。下文所述的大型箱式窑炉设计在原有概念基础上进行了多项改进，提升了其耐用性、易用性和可移动性。Wilson 的图示中还提出了将垃圾箱和油罐等容器改造用于此目的的建议；然而，这些再利用的材料通常经过喷漆或镀锌处理，可能使工作坊参与者暴露于空气中的有害化学物质之中。

目前尚未有关于大型箱式窑（Big Box Kiln）排放物的报告，但Cornelissen等人⁹对多种类型的Kon-Tiki窑（一种深锥形窑）进行了排放测试，发现其排放水平通常低于生物质原料露天燃烧的排放。他们还对所生产的生物炭中的多环芳烃（PAH）进行了检测，结果显示PAH含量远低于挪威规定的土壤最大可接受风险（MTR）限值。对俄勒冈窑（一种浅金字塔形窑）进行的生命周期分析表明，火焰覆盖窑在林区运行具有负碳效应，能够实现大气碳在土壤中的净封存¹⁰。

“大盒子”方法的一个局限性在于湿的原料。在干旱气候和使用干燥原料的情况下，这些窑炉每天进行两批次大直径材料的处理是合理的预期；但在湿度较高、燃料含水量较高的地区，每天一批次更为合理。干燥的原料处理效率更高；潮湿的原料会限制窑炉的生产效率。在潮湿天气下使用湿原料效果不佳。直径小于10厘米的湿原料比更大直径的湿原料能更彻底地发生热解。干燥材料则可轻松在潮湿和/或下雪天气中实现热解。“大盒子”窑炉已成功处理直径达0.76米（30英寸）的整根干燥原木，以及直径小于1厘米的枝条。

窑炉操作在大多数空气质量监管机构中被视为露天焚烧，在犹他州，许可仅被授予三次 提前数天进行规划十分困难，尤其是在冬季，因为此时我们社区周围常出现大气逆温现象。进行生物炭焚烧的成本远高于直接焚烧堆料，这构成了该方法的另一项限制。本技术是首个发表的低技术含量生物炭生产方法，其规模无需在热解前对原料进行昂贵的预处理（如研磨和切碎）。该方法适用于大多数未经切碎或仅被切割成便于操作尺寸的木质残余物。但对于小尺寸原料，或易结成片状或团块状的原料（如草类、玉米秸秆和稻壳），该方法不适用。

窑炉设计
BB12 是一种双层壁窑炉，长 3.7 m（12 英尺），宽 1.8 m（6 英尺），高 1.2 m（4 英尺），由 14 号规格钢板制成。窑炉的尺寸和形状可根据需要调整。相关设计图纸可在 UBRG 网站¹¹获取。除顶部外，不允许空气进入窑炉内部；这一点对于形成火焰帽至关重要，火焰帽可在可燃物上升通过热柱时将其大部分燃烧消耗。窑炉内部角落的详细结构见图 1。唯一的例外是一个排水口，称为“狗门”（dog door），如图 2所示，因其尺寸类似于常见的宠物门而得名。该排水口配有带手柄的滑动金属板，操作窑炉时可将其推下关闭，在准备倾倒窑炉内容物时可将其提起（注意：高温）。

两个炉壁之间留有空隙以形成空气隔热层¹²，炉壁顶部敞开，底部除窑体内部外未完全密封。有关空气隔热层和炉壁顶部的详细结构，请参见图3。应避免形成密闭空间，以防止加热膨胀及随后冷却收缩时出现问题。单层壁窑炉在减少有害燃料和生产生物炭方面仍然有效，但双层壁窑炉可使设备和操作人员更接近窑体，同时减少热暴露。如果生产生物炭是首要目标，双层壁窑炉可能更有效；如果主要目标是减少有害燃料，而生物炭生产为次要目标，则单层壁窑炉可能已足够。

方案

1. 前往实验地点

1. 使用小型挖掘机（带抓斗）和链条，或使用四轮叉车，通过叉车插孔将BB12装载到拖车上进行运输。
   注意：后文所有关于小型挖掘机的描述均假设其配备有可操作的抓斗和铲斗。
2. 使用每根破断强度超过1,361千克（3,000磅）的棘轮绑带将窑炉固定在拖车上。示例见图4。
3. 使用小型挖掘机或叉车卸载窑炉，或 将其绑在树或车辆上后驶离，使窑炉落至地面。到达现场后，使用皮卡车和绑带沿滑橇在地面上拖动窑炉。

2. 现场准备

1. 将BB12放置在相对平坦的表面（坡度<10%），并靠近木材堆，若位于斜坡上，应确保狗门排水板位于下坡一侧。
   注意：运行期间请保持狗门排水板关闭。
2. 选择原料，可使用任何木本植物种类。启动窑炉时建议使用小块、干燥的材料，特别是在处理潮湿原料时。
3. 收集并堆放足量的原料以供窑炉使用。将所有原料切割至短于窑炉最大尺寸的长度，以便轻松装入。

3. 危害降低

1. 点火前，应咨询当地消防和空气质量管理部门，确认火灾风险未超出允许点火的范围，并核实空气质量法规是否会影响燃烧计划。务必在点火前通知当地消防部门相关计划。
2. 点火前，需在窑体周围完全构筑一条防火线（宽1英尺、清理至矿质土壤的裸露小道），以防止火势蔓延。点火前应确保配备连接充足水源且已加压的软管，具体配置需根据当前火灾危险等级确定，以保障火灾防控能力。

4. 装窑与点火

1. 使用小型挖掘机将原料随机装入窑炉中；添加原料的顺序和大小均无影响。参见 图5 加载后图像 窑
2. 在窑炉顶部堆放一层较小直径的燃料（原料），以促进快速点燃。
3. 装填完毕后，先点燃窑顶，使用滴油火炬、丙烷火炬或其他点火装置对窑进行点火。参见 图6 用于窑炉点火和窑炉操作的图像。

5. 窑炉养护

1. 让窑炉自然燃烧，并根据火焰情况适时添加燃料；每次向窑内添加物料后，预计会短暂产生烟雾。观察到火焰帽将很快重新形成，并持续燃烧随热烟气流上升的可燃物。照料窑炉的方式应类似于照看营火；一次性添加过多燃料会闷熄火焰，而添加过少则会导致火焰熄灭。火焰帽的示意图参见图7。
2. 密切监控窑体及周围植被，防止飞溅的火花或余烬引发意外着火。
3. 以这种方式持续照看和装料，直至窑体装满、原料耗尽或当班结束。

6. 淬灭

1. 当窑内充满或几乎充满木炭，且明火燃烧转为阴燃或红热燃烧时，应立即进行淬火以终止燃烧过程并保存木炭。图8展示了一个准备淬火的窑。
2. 使用直径3.8 cm（1.5英寸）的软管和水泵（在租赁商店通常称为容积泵或污水泵），从水源或水车引水，约使用300加仑水对窑进行淬火。彻底浸没木炭；持续加水直至木炭完全被静止的水覆盖，并使用小型挖掘机搅拌，以消除干燥热点并阻止继续燃烧。图9展示了使用软管进行淬火的过程。
3. 窑完全淬火后，打开狗门排出水分，以便在倾倒生物炭时减轻窑的重量。

7. 倾倒

1. 当窑炉完全淬火并排空后，将其中的内容物倾倒在窑炉旁边的地面上。
2. 首先准备区域，使用机械在将要堆放木炭的区域周围构筑一条防火带，并清除该区域内的所有可燃物，包括草、树枝、灌木和原木。
3. 使用机械配合链条或绑带将窑炉向机械一侧翻转。图10 显示了小型挖掘机正在倾翻窑炉。
4. 监测小型挖掘机的动臂/液压软管/接头是否受热；可偶尔先用手背靠近，再逐渐接触这些部件，以确认其温度是否过高；若过热，应立即停止操作并使其冷却。

8. 冷拖尾

1. 离开现场前，用手穿过所生产的全部生物炭，确保火焰已完全熄灭。必须确认生物炭完全冷却至无温感，方可认定火已熄灭。
   注意：BB12 配有可用于安全防护的盖子；若发生紧急情况（如火势失控或人员受伤），可将盖子盖在窑体上，防止火花或余烬从窑中逸出，从而安全撤离现场。该操作可在任意时刻暂停。在湿度较高、火灾风险通常较低的地区，可能无需使用盖子。

结果

从10月到3月，Big Box 热解炉将多种类型的原料转化为生物炭（表1）。燃料越干燥、越洁净，热解炉的生产效率就越高。燃料的直径相对不那么重要，这些热解炉曾处理过直径超过76 cm的整根原木；然而，如果生物炭的产量是项目最重要的目标，则需要注意：使用尺寸更均匀的原料填充热解炉，可能获得最高的生物炭产出。热解炉的运行方式可以侧重于最大化生物炭的生产，也可以侧重于最大化危险燃料的消耗，或者可以在上述这两个相对不同的目标之间的任意点上进行优化操作。

炉盖沉重且边缘锋利，不得单独操作。由两人搬运炉盖的情形如图11所示。最好安排2至3人共同照看炉体：一人操作设备，其余人员负责监视是否有明火逸出，使用链锯切割过长而无法装入炉内的材料，以及捡拾可能从炉中掉落的燃烧小块物。

窑炉底部的滑橇可使其短距离拖动。窑炉可在土路或地面上拖动，距离至少可达四分之一英里。图12展示了正在被牵引的窑炉。当最后一部分原料堆被装入窑炉时，与其完成本批次操作并熄灭一个未装满的窑炉，不如在窑炉运行过程中将其在原料堆之间拖动，使用皮卡车和绑带进行操作更为高效。窑炉底部附近设有环扣，可用于连接拖拽用的绑带或链条。到达新的原料堆后，操作人员可按照说明继续向窑炉中装料。

通常会有一些未完全热解成生物炭的原木，这些原木可添加到下一次窑烧过程中，也可作为粗木质残体散布于森林中，从而带来生态效益，或可用于 Hügelkultur 堆木栽培法（将木材堆叠并掩埋以形成抬高的种植床）。图13 展示了未完全热解的原木，有时被称为“骨料”。

图1：空窑内部。 空窑内部结构；请注意无空气间隙。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2：打开的狗门。 狗门部分开启，淬火完成后水正从窑炉中流出。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：墙体之间的间隙。 窑体墙体之间的间隙，显示无密封空腔。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 4：窑炉已固定并准备运输。 使用绑带和拖车安全运输窑炉。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5：装窑过程。 正在将俄罗斯橄榄木装入窑中，展示装窑方法以及窑内堆放缺乏有序性的情况。此为使用轻质原料装窑的一个示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6：点燃窑炉。 操作人员正在使用滴油火炬从顶部点燃已装料的窑炉。图中展示了窑炉装载重型材料的一个示例。请点击此处查看该图的放大版本。

图7：火焰层。 在窑顶形成火焰层，窑中几乎无可见烟雾；背景中可清晰看到周围景观。请点击此处查看此图的放大版本。

图8：准备熄火。 焚烧炉接近满载，正从有焰燃烧转为无焰燃烧，此时开始进行熄火操作。 请点击此处查看此图的放大版本。

图9：淬火。 正在使用消防水带将约1,100升水喷洒到窑中的木炭上，以终止燃烧并保留生物炭。 请点击此处查看此图的放大版本。

图10：倾倒。 使用小型挖掘机倾倒BB16大型箱式生物炭窑，以清空生物炭并开始下一批次的生产。请注意背景中另一台正在运行的窑；一台机械可同时操作多个窑体。 请点击此处查看该图的放大版本。

图11：炉盖。 两名操作人员佩戴厚重的皮手套，协作将炉盖放置到窑炉上。请点击此处查看此图的放大版本。

图12：拖运。 使用绑带将（仍在燃烧的）窑炉从底部的眼环连接到皮卡车上，并沿土路拖拽至下一堆原料处。 请点击此处查看此图的放大版本。

图13：骨状物。 上一批次未完全热解的材料（称为“骨状物”）会在新一批次开始前被添加到窑中。 请点击此处查看该图的放大版本。

大型箱式窑炉在	热解		生物炭
尤因塔-瓦萨奇-凯奇国家森林洛根护林区，11月	22,000 kg	杜松	14 立方米
犹他州摩押，1月	1,200 kg	俄罗斯橄榄原料	8 立方米
尤因塔-瓦萨奇-凯奇国家森林米尔霍洛，11月	25,000 kg	大直径恩氏云杉和亚高山冷杉	16 立方米
蒙大拿州迪伦附近，10月	10,000 kg	花旗松原料	10 立方米
犹他州松谷牧场，3月	24,000 kg	颤杨、亚高山冷杉、恩氏云杉原料	14 立方米

表1：大型箱式窑对不同原料的热解。

讨论

通常，现场生产的一部分生物炭会由工作坊参与者用桶或袋子收集，并施用于人们的花园或农业项目中。生物炭质地疏松，可破碎成小块，通过驾驶车辆碾压、在硬质地面上踩踏或使用小型挖掘机的铲斗捣碎等方式，更易混入土壤。这种材料也可称为木炭，已被收集用于户外炭火烹饪，有望为膳食增添风味，提供一种本地来源的烹饪辅助材料。

与其它生物炭生产方法相比¹²，移动式碳化炉每日可处理63,502公斤（70吨）原料，而大型箱式火焰盖生物炭窑（Big Box kiln）每日仅能处理12,500公斤。移动式碳化炉的成本远高于大型箱式窑，其购买价格起价为50万美元，而制造一台大型箱式窑的成本则低于1万美元。尽管单台大型箱式窑每天处理的物料量仅为移动式碳化炉的20%，但其购置成本仅为移动式碳化炉的2%。

以加热螺旋式窑炉为例，每天可处理最多5,443 kg的生物质，远低于大型箱式窑炉每天12,500 kg的处理能力。此外，原料预处理（如切碎）的成本可能超过实际热解过程本身的成本。而且，像加热螺旋式窑炉这类精密设备无法耐受林业作业中常见的受污染原料；一铲泥土就可能导致螺旋式窑炉停机，而大型箱式窑炉则可耐受多铲泥土而不显著影响运行。最后，螺旋式窑炉的成本可能轻易达到大型箱式窑炉的10倍。

首个建造的大型窑炉被称为BB16，其尺寸为长4.9米（16英尺）、宽2.4米（8英尺），采用单层墙体结构。最初高度为1.8米（6英尺），重量接近1,360千克（3,000磅），需要使用大型挖掘机、持证操作员以及低平板拖车，导致在调度上存在困难。该设计原本为应对犹他州典型的燃料负荷而偏大，但1.8米（6英尺）的高度使得点火困难，且难以观察窑炉内部情况。为解决这些问题，使该设计更适配犹他州的燃料负荷，并提高普通森林管理者对该设备的可操作性，将高度降低至1.2米（4英尺）。这一调整使观察窑内情况和点火操作更加方便。同时，重量降至1,043千克（2,300磅），可使用更常见的皮卡和拖车进行运输，并可用无需操作经验的微型挖掘机进行移动和操作，而此类微型挖掘机可在大多数设备租赁商店租用。

UBRG建造的第二座窑炉采用双层壁结构，可为窑炉附近的操作人员和设备提供更好的隔热保护，并使窑炉内部加热更加均匀¹³。此项改进的一部分是将钢材从12号规格改为14号规格，后者更薄且更轻。UBRG已在这些窑炉中进行了数十次焚烧，尽管窑体局部出现轻微变形，但尚未表现出任何明显的热致金属疲劳迹象。当然，未来仍有可能获得进一步的经验积累，持续改进与创新的空间依然充足。

双层壁BB12是目前最受关注的设计，可能是美国山间西部地区燃料使用中最易实现且最实用的方案。对于更多或更大尺寸燃料的情况，例如美国西北部，使用更大的窑更为合适。该方法已成功应用于长达4.9米（16英尺）的窑体。迄今为止，大型箱式窑已在犹他州、科罗拉多州、蒙大拿州、德克萨斯州和纽约州由其他单位建造。

窑炉的运行可选择以最大化生物炭产量为目标，或以最大化减少危险燃料为目标，也可介于两者之间。如果主要目标是减少危险燃料，则可以随机装填窑炉，并仅在窑内充满木炭时才进行熄火。如果周围火灾风险较低，例如地面覆盖有数厘米厚的积雪时，可以在轮班结束前的傍晚将燃料高堆填入窑中，并使其整夜燃烧，从而在受控空间内消耗燃料。如果主要目标是生产生物炭，则应将原料按尺寸分类，将相近尺寸的物料装入窑中，并频繁熄火以保留木炭。通常情况下，实际操作是介于上述两种极端目标之间的折中方案。除非目标是获得具有特定性质的生物炭，否则原料的物种类型相对不重要。

从这些窑炉中排出的烟雾量很少；其原理在于火焰盖会在可燃物随热气流上升的过程中将其燃烧殆尽。2019年和2020年，犹他州烟雾管理系统协调员保罗·科里根（Paul Corrigan）将其排放检测设备带到了位于犹他州北部洛根附近以及南部摩押的Big Box生物炭窑炉示范现场。在这两次测试中，检测设备均未记录到窑炉排放物的增加，原因是火焰盖在可燃物通过热气柱上升时已将其完全燃烧。2023年4月，美国农业部林务局火灾实验室的排放检测团队在犹他州图埃勒对这些窑炉进行了排放检测；目前该检测结果尚未公布。

照看窑炉的工作人员需要配备消防手动工具，例如铁锹、耙子、普拉斯基斧和链锯。最佳操作规范包括：所有在场人员均应佩戴安全装备，如皮革手套、护目镜、防火服装，或至少穿着天然纤维制成的衣物；必须避免穿着合成纤维衣物。安全帽、皮革靴子、长袖上衣和长裤有助于保护操作人员。

应急通信；应急预案：必须结合操作地点（通常较为偏远）以及发生紧急情况的可能性和相关通信需求进行考虑。应事先了解当地手机信号接收的最佳位置；强烈建议配备卫星电话或应急定位信标（例如 Garmin InReach）。切勿单独作业。

若发生余烬飞溅或出现零星火点，必须将窑炉盖盖上，以防止更多火花逸出窑炉。必须使用机械设备迅速在火点周围挖掘防火隔离带，并将正在燃烧的燃料与未燃烧的燃料分隔开。必须使用水源扑灭火焰。如果无法立即扑灭，应立即拨打911报警。

位于加利福尼亚州沃森维尔的控制实验室（Control Laboratories）使用国际生物炭倡议组织（International Biochar Initiative, IBI）认证计划中的实验室检测方法，对大型箱式窑炉生产的生物炭进行了表征分析，结果显示其有机碳含量为85%，灰分含量为8%；这些指标表明该生物炭具有中等偏高的品质。合作研究人员正在试验在设备底部加装可滚动的滑轨装置（类似于大型垃圾集装箱的滚轮系统），以及将其中一个端墙设计为可开启的门，以方便取出成品生物炭。这些结构在经历极端高温暴露后是否仍能保持正常功能，仍有待观察。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Big Box 生物炭窑炉	ANR Fabrication	BB12	电话：435-753-0310
链锯	Ace Hardware	#7000565	或类似产品
滴油火炬	Forestry Suppliers	7.58182E+11	填充物：30% 汽油，70% 柴油（或使用丙烷火炬）
Garmin InReach 卫星通信设备	Best Buy	6499326	或类似产品
Honda 自吸式水泵	Northern Tool	商品编号 109418	或类似产品
打火机 / 火柴	Amazon
原木链条	Tractor Supply Co.	SKU: 358788199	或类似产品；用于移动/吊装窑炉
带抓斗的小型挖掘机	当地租赁公司		必须配备带抓斗的铲斗
普拉斯基斧（Pulaski）	Grainger	485C27	或类似工具
棘轮绑带	US Cargo Control		每根承重能力 3,000 磅
抹布 / 纸板	Grainger	9JZ92	用于在运输窑炉时保护绑带免受磨损
耙子	Grainger	1WG30	或类似工具
铲子	Grainger	12N166	或类似工具
卡车 / 拖车	自备或当地租赁		用于运输窑炉
排水软管	Grainger	45DT92
水：每次熄火需 300 加仑			另需额外用水用于火情控制
个人防护装备
链锯防护裤	Global industrial	T9FB2019133	或类似产品
听力保护装置	Global industrial	T9F708377	或类似产品
眼部防护装备	Global industrial	T9F708119CLAF	或类似产品
防火裤	Grainger	12R487	或类似产品
防火上衣	Grainger	39EM96	或类似产品
安全帽	Global industrial	T9FB2278977	或类似产品
皮手套	Global industrial	T9FB1145414	或类似产品
烟跳员防火靴	Whites Boots		或类似产品