使用便携式火焰帽窑在树林中生产、表征和量化生物炭

在包括美国西部在内的世界许多地区，气候变化、干旱和外来入侵物种造成了一场威胁生态系统和社区的野火危机。随着森林和林地不受控制地燃烧，大量的颗粒物和温室气体被排放到大气中，对人类健康和气候造成毁灭性后果。例如，据估计，2020 年加利福尼亚州的野火释放了约 1.27 亿兆吨的温室气体排放量，约为 2003 年至 2019 年加州温室气体减排总量的两倍¹.越来越多的科学家和土地管理者正在研究有助于恢复这些森林和林地及其生态系统服务的人类行为。手动疏伐和去除多余的生物质是必须采取的最重要的行动之一².生物质的清除包括其处置，如果生物质位于偏远和难以进入的地方，除了在无人管理的斜坡堆中现场焚烧外，几乎没有其他选择。未经管理的燃烧桩可以清除景观中的燃料，但它们会破坏森林土壤，因为桩下的集中热量会焚烧土壤的有机层，留下裸露的土壤，容易受到入侵物种的侵蚀和殖民。在烧伤堆疤痕中再生有机土壤层可能需要几十年的时间³.未经管理的燃烧堆也是颗粒物和温室气体排放的来源。斜线堆燃烧产生的烟雾也限制了空气质量有限的流域的燃烧窗口，使完成工作变得更加困难。

美国农业部林务局的研究人员研究了从砍伐材料中生产生物炭的替代方案，并确定了几种有前途的技术，包括在森林中使用小型移动生物炭窑的选择⁴.与目前通过焚烧堆焚烧来处理砍伐的做法相比，现场将森林砍伐转化为生物炭具有许多生态优势，包括减少土壤加热和颗粒物排放。现场生产的生物炭可以被移除并用于农业，也可以留在原地，在恢复森林健康和改善对气候变化和干旱的适应方面发挥多种作用。由于许多森林土壤中高达 50% 的总碳是来自历史性自然火灾的木炭⁵，因此将生物炭留在制造它的地点可以恢复森林土壤木炭，而这些木炭由于灭火而经常从最近的土壤层中消失，对生态系统过程的影响未知⁶.留在森林土壤上的生物炭可以模仿自然火产生的木炭的影响，并对土壤碳含量和土壤物理、化学和生物性质产生类似的影响⁷.

近年来，一个由林业工人、林地所有者、研究人员和生物炭顾问组成的国际网络开发了一套碳化方法，用于在现场将森林砍伐转化为生物炭，作为砍伐桩焚烧的替代方案。这些方法基于火焰碳化原理，首先在日本开发并商业化为Moki公司提供的"无烟碳化窑"⁸。该钢环窑生产碳化良好的生物炭，据报道生物质到生物炭的转化效率为 13% 至 20%，具体取决于使用的原料⁹.

生产生物炭或木炭的过程通常被称为热解，即在没有氧气的情况下通过加热分离生物质成分。这通常被认为是蒸馏热解，其中生物质在外部加热容器中与空气物理隔离。然而，热解也可以在有限的空气存在下发生，如气化和火焰碳化，因为木材等固体燃料是分阶段燃烧的。当对生物质施加热量时，燃烧的第一阶段是脱水，因为水从材料中蒸发。随后是脱挥和同时形成炭，也称为热解。含有氢气和氧气的挥发性气体被释放并在火焰中燃烧，不断增加过程的热量。随着气体的释放，剩余的碳被转化为芳香族碳或焦炭。燃烧的最后阶段是将焦炭氧化成矿物灰^{分 10}。

因为这些是开燃过程中发生的离散相，所以我们有机会在炭化后通过去除空气或热量来停止该过程。这是在生物炭生产过程中通过不断向燃烧堆中添加新材料来实现的，以便热炭被切断氧气流动的新材料掩埋。热木炭积聚在堆的底部，只要有火焰，就可以防止燃烧成灰烬，因为火焰会消耗大部分可用的氧气。当所有的燃料都添加到堆中时，火焰开始熄灭。在这一点上，可以通过去除氧气和热量来保存热木炭，通常是通过用水喷洒煤并将它们耙得很薄以冷却¹¹.

工作的基本原理是逆流燃烧。逆流燃烧空气使火焰保持在低水平，并防止余烬或火花的排放。火焰还可以燃烧大部分烟雾，从而减少排放。总之，以下原理解释了火焰盖窑中逆流燃烧的操作:（1）气体向上流动，而燃烧空气向动，（2）当燃烧的燃料向下吸入空气时，形成逆流，（3）火焰保持在低位并靠近燃料，最大限度地减少余烬逸出，（4）烟雾在热区燃烧，（5）因为所有的燃烧空气都来自上方， 它被火焰吞噬 （6） 很少有空气能够到达落到窑底的未燃烧的煤，（7） 煤被保存到淬火或熄灭的过程结束。

除了对土壤有益外，生物炭还是减缓气候变化的主要碳去除方法。木质生物质中多达一半的碳可以以生物炭的形式转化为稳定的芳香碳¹².然而，并非所有热解技术都能产生相同数量的顽固碳，这些碳在土壤中保持稳定 100 年或更长时间（确定碳去除值的关键指标）。生物炭的稳定性与生产温度密切相关。据估计，燃烧木材的绝热火焰温度接近丙烷的绝热火焰温度，为1,977°C¹³。火焰盖窑中的生物炭生产与火焰紧密耦合，不会像蒸馏热解那样通过金属壁传导而造成传热损失。因此，我们预计，只要在此过程中保持火焰，生产温度就会很高。使用拉曼光谱¹⁴ 对炭进行的调查报告说，来自火焰帽窑的生物炭样品（由主要作者 Kelpie Wilson 提供）是炭形成表观温度最高的三个样品之一，在 900 °C 范围内。

需要热电偶进入燃烧内部并准确测量火焰帽窑或燃烧堆中生物炭的生产温度，而这些价格昂贵，低技术含量的生产商无法获得。因此，我们使用了在巴西亚马逊工作的研究人员描述的一种方法，该方法使用热蜡笔（焊工用于检查金属零件的温度）在校准温度¹⁵ 下熔化。砖块用蜡笔做标记，用铝箔包裹，并在生产过程中放置在窑内的各个地方。我们多次使用这种方法，并确定窑温超过650°C，因为蜡笔标记完全熔化。这将是在需要时确认生产温度的有用方法;但是，主要的验证点将是记录整个过程中火焰的存在。

关于通过低技术火焰碳化方法制成的生物炭特性的已发表数据并不多。然而，Cornellissen等人分析了几种窑炉类型中通过火焰碳化方法制备的生物炭样品，发现符合欧洲生物炭证书（EBC）的生物炭标准，包括低PAH含量和高生物炭稳定性。此外，由木本和草本原料生产的生物炭的平均碳含量为 76%¹¹。美国林务局落基山研究站¹⁶ 分析了 2022 年在加利福尼亚州的一个田间日制作的火焰帽窑和燃烧桩中的五个生物炭样品。样品的平均碳含量为85%。鉴于这些结果，我们可以得出结论，在火焰帽窑中由木质残留物制成的生物炭很可能满足经验证的碳去除的基本要求:高碳含量和高生物炭稳定性。

Verra¹⁷ 和欧洲生物炭联盟全球工匠 C-Sink^{协议 18} 现已发布了两个用于低技术、基于地点的生物炭生产的碳去除协议。这些新开发的协议很有前途;然而，当应用于森林、林地和其他受到干旱和野火威胁的景观时，它们有一些局限性。因此，本文将介绍AD^{Tech 19}的一种新方法，即CM002 V1.0方法，该方法专门针对木质碎片的火焰碳化而开发，作为植被管理和燃料负荷减少活动的一部分。生命周期分析证实，在火焰盖窑中使用木质生物质的现场生物炭生产生物炭碳封存可产生净碳去除效^益20。成功实施碳去除协议有助于在财政上支持重要的燃料减排工作，以保护社区和生态系统免受野火和生态系统退化的影响。为了获得碳去除付款，现场测量和数字监测、报告和验证 （D-MRV） 方法作为常规做法被纳入此处描述的生物炭生产方法中。该平台的详细信息在补充信息（补充文件 1）中进行了讨论。

虽然个人正在制造几种开源设计的火焰帽窑供自己使用²¹，但据我们所知，目前，只有一种容量大于一立方米的火焰帽窑正在北美批量生产销售，即火环窑²²， 一种轻巧、便携式的火焰帽窑，设计用于使用手动人员轻松移动。窑炉由一个内圈组成，内圈由六块低碳钢板固定在一起。外圈由较轻规格的钢螺栓组成，固定在将内圈固定在一起的支架上。外圈用作隔热罩，可保持热量以提高效率。窑炉的顶部是向空气敞开的，这就是火焰帽形成的地方。通过主窑体和隔热罩之间的环形间隙向上流动的空气为窑炉提供预热的燃烧空气，进一步提高燃烧效率（图1）

图 1:火窑环内气流、火焰特性和炭化堆积示意图。 逆流燃烧空气将烟雾拉入热区，在那里燃烧。通过主窑体和隔热罩之间的环形间隙向上流动的空气为窑炉提供预热的燃烧空气，进一步提高燃烧效率。 请点击这里查看此图的较大版本.

窑直径为2.35米，形成一个一米高的圆柱体，总容积为4.3米³。在实践中，窑炉永远不会完全填充到顶部，因此典型的生产批次会将窑炉从 1/2 到 3/4 充满，以获得 2 到 3 立方米之间的生物炭体积。

由于火窑环是一种标准化设计，因此它被采用为CM002组件方法中使用的第一个认证技术，该方法为温室气体（GHG）效益的量化提供了标准化程序。该方法中包含了符合 CM002 要求的测量和数据收集步骤。报告是通过智能手机应用程序完成的，在整个过程中回答简短的问卷，并将照片和视频剪辑上传到移动应用程序。

注意:此方法使用 Ikhala 智能手机应用程序（以下简称 D-MRV 应用程序; 材料表）获得碳清除付款、现场测量和数字监测、报告和验证。

1. 收集原料并确认适用性

1. 选择并报告原料粒度。
2. 选择直径小于 15 厘米的木质材料。确保所有材料都是分枝状或形状不均匀，以免堆积紧密并抑制窑内气流。
3. 在 D-MRV 应用程序上，单击"原料"部分中的"拍照"按钮以打开相机。打开相机后，瞄准拍摄对象（用测量棒堆干原料），然后按屏幕上的快门按钮拍摄图像。
4. 报告原料种类:打开 D-MRV 应用程序并回答简短的数字问卷，报告每种物种类型的数量。报告基于目视估计。
5. 确定并报告原料水分。
   1. 使用标准木柴湿度计，通过将销钉插入每种原料的最大块中间来读取读数。
   2. 在 D-MRV 应用程序上，拍摄每个湿度计读数的照片。单击湿度计部分中的 "拍照" 按钮，然后在文本字段中输入湿度计上显示的值。为每个湿度计读数提交一张照片和文字条目。

2. 组装、装载和点燃窑炉

1. 在水平地面上，从直径约 3 m 的圆圈中清除易燃有机材料。使用连接器支架将 6 个内窑板组装成一个圆柱体，
2. 使用铲子或类似工具，用一小块矿物污垢或粘土密封圆柱体的底部边缘，使空气无法从底部进入窑炉。
3. 将 6 个隔热板连接到连接器支架上，确保隔热罩底部留有气隙，以便空气可以通过内外气缸之间的环形间隙流动。使用隔热板硬件将窑 ID 标签连接到隔热罩上。
4. 确定批次中使用的窑炉。在 "烧制准备 "部分，单击" 拍照 "按钮，拍摄组装好的窑炉和 ID 标签的照片，并提交现场每个窑炉的照片。
5. 装载窑炉:使用较小（2-6厘米厚是理想的）较干燥的材料进行窑炉的初始装载。将材料包装到窑边缘，安排任何非分枝材料，例如杆子，以免包装得太紧并限制气流。
   注意:目标是确保材料包装得足够紧密以维持火焰，同时也允许燃烧空气到达堆的底部。
6. 点燃窑炉:在装载的窑炉顶部添加小的干燥火种材料。如果需要，使用促进剂并用火柴点燃，或使用丙烷火炬。在顶部的几个地方点燃窑炉，使火焰帽迅速在整个窑炉上形成。
7. 使用 D-MRV 应用程序，在建立火焰帽后立即拍摄 30 秒的视频剪辑。在 "开始刻录" 部分中，单击" 拍摄视频 "按钮，然后单击" 提交视频 "按钮。

3. 给窑喂料和照料

1. 在运行的第一阶段，空气从窑的顶部向下吸入底部，而初始负载主要燃烧成一层煤。在添加更多材料之前，确保第一次装载产生良好的煤层。当前一层开始显示白色灰膜时，添加一层新的原料。
2. 过渡到连续装载:以稳定的速度将新材料装载到窑中。尽量保持每层木材的直径相同，以便炭化均匀。
   1. 使用火焰作为加载率的指标:让火焰成为添加新材料的指南。确保顶部保持良好的强烈火焰，因为这是制造焦炭的热源。
   2. 如果操作员装载太多、太快，火焰就会被窒息。如果发生这种情况，请暂停并等待火焰重新升起。如果操作员没有装载足够的材料，火焰就会熄灭，焦炭就会开始燃烧成灰烬。如果这种情况开始发生，请添加更多材料以保持火焰继续燃烧。
3. 验证燃烧过程中的火焰存在，作为清洁、热燃烧的指标，这将最大限度地减少甲烷排放并最大限度地形成稳定的炭。
   1. 使用 D-MRV 应用程序，在窑炉点燃后约 1 小时拍摄 30 秒的火焰视频。导航到 "烧伤质量证明 "部分，然后单击" 第一小时烧伤证明 "按钮。
   2. 点击 拍摄视频 按钮，按 住录制 至少 30 秒，然后单击 提交视频 按钮。
4. 在燃烧的中间阶段添加最大的材料，以便有时间完全烧焦。窑炉将以不同的速率填充生物炭，具体取决于原料类型、大小和水分。
5. 使用 D-MRV 应用程序，在燃烧的第二个小时结束时拍摄火焰的 30 秒视频。单击" 第二小时燃烧证明 "按钮，然后单击" 拍摄视频 "按钮。按 住录制 至少 30 秒，然后单击 提交视频 按钮。
6. 使用 D-MRV 应用程序，在燃烧的第三个小时结束时拍摄火焰的 30 秒视频。单击" 第三小时燃烧证明 "按钮，然后单击" 拍摄视频 "按钮。按 住录制 至少 30 秒，然后单击 提交视频 按钮。
7. 当窑炉中充满炽热的发光煤时，制作最后几层中等大小的材料，以使任何较大的碎片完成炭化。

4. 精加工、淬火和测量生物炭

1. 当积聚的生物炭在窑顶边缘 10-20 厘米以内、原料全部用完或工作日结束时停止燃烧。
2. 当不再有任何火焰时，炭化就完成了。添加最后一块原料后等待 10-15 分钟，让火焰熄灭。总会有一些较大的碎片没有完全烧焦，这不是问题。
3. 淬火前，用钢耙将窑中炽热、发光的煤平整。
   1. 将一根量尺垂直放置在窑中，靠在窑壁上，使一端接触水平炭。在 D-MRV 应用程序上，通过导航到" 测量生物炭 "部分并单击" 拍照 "按钮，拍摄显示窑中炭深度的测量棒的照片。
   2. 在问题" 从生物炭顶部到窑顶的读数是多少"的文本输入字段中，输入测量棒上的值。
   3. 通过单击" 提交并添加另一张照片 "按钮，在窑内的不同位置重复此测量和照片记录两次。
4. 在报告炭化深度测量后，立即拍摄窑炉识别标签的照片以进行验证。
5. 测量炭块密度。
   1. 当生物炭批次完成后，但在淬火之前，用从窑中铲出的热发光煤填充金属桶。使用悬挂秤称量铲斗以获得皮重。拍照记录重量。
   2. 用热煤装满桶并称重，拍照记录重量。
   3. 重复取样程序（4.5.1-4.5.2）两次，从窑的不同部位取样并用照片记录值。
6. 用水淬火。
   1. 开始低压向窑中喷水，直到隔热罩冷却到可以触摸为止。拆下所有隔热板并将它们堆叠起来。
   2. 喷水时，取下几块窑板，将炭耙成薄薄的一层冷却。继续喷洒和耙，直到焦炭完全冷却。生物炭应该足够凉爽，可以把手伸进去。
7. 移除并记录未燃烧的碎片。取出任何部分烧焦的碎片，并将它们单层排列在其中一个窑板上，并将测量棒放在旁边。使用 D-MRV 应用程序，拍摄未完全烧焦的碎片的照片。

使用 Ring of Fire 窑井组织良好和实施的生物炭批次将在 2-3-3 小时的燃烧时间内生产 4-5 m5 的生物炭。使用 CM002 组件方法并在 D-MRV 应用程序中记录燃烧参数旨在允许经过认证的验证者确认批量生物炭产量和生物炭质量。有关该方法的更多信息，请参阅补充资料（补充文件1）。

这里列出了在火环窑中制造的典型一批生物炭的工艺验证点（图2）。 表 1 给出了在现场测量或通过验证确定的典型值。

1.报告原料类型。
2.原料尺寸:原料堆的图片，有尺子。
3. 原料水分:一张图片显示了每种原料中最大一块的水分计读数。
4.点火:一个30-s的视频，显示窑烧的开始和开始的记录时间。视频显示，一个强烈的火焰帽已经形成。
5.基于火焰存在的生产温度验证:三个30-s视频显示燃烧过程中存在强烈的火焰。
6.生物炭体积:窑内量尺三张图片，显示窑内三个位置的水平炭高度。从窑顶到炭的测量距离被平均为一个值进行计算。
7. 堆积密度:一张显示铲斗空重的秤图。三张秤图片，显示了炭和桶的重量。从窑中的3个位置采集的炭。将三个重量测量值平均为一个值进行计算

图 2:显示过程验证点的信息图。 在火环窑中制造的典型一批生物炭的工艺验证点。 请点击这里查看此图的较大版本.

表 1:用于验证在 Ring of Fire 生物炭窑中生产的典型批次生物炭的生产结果和加工参数的代表性值。

使用这些控制点，验证者确定生物炭是用适当的原料和高于 600 °C 的温度制成的，以满足 CM002 组分方法对长期稳定性的要求。这允许将 0.74 年的碳稳定性系数应用于 100 年的持久性，适用于生物炭批次。为了确定生物炭批次的体积，验证者使用通过窑ID标签（4.3 m3）验证的空窑体积和窑中炭水平的高度（1 m - 0.4 m = 0.6 m）。由于窑炉已满 60%，因此炭的体积为 0.6 x 4.3 m3 = 2.6 m3。然后，验证者根据桶测量值计算生物炭的堆积密度。从每次测量中减去 0.6 kg 的铲斗重量，得出 1.2 kg、1.3 kg 和 1.4 kg 的值，平均为 1.3 kg/7 L。这相当于 185.7 kg/m3.因此，生产的生物炭的干重为 （185.7 kg/m3） x （2.6 m3） = 483 kg。

验证者可以从数据库中获取生物炭的碳含量，或者在这种情况下，从一个简单的实验室测试中获取，该测试确认了 2021 年在加利福尼亚州索诺玛县的火窑中生产的一批混合软木的碳含量为 86.8%。该测试由加利福尼亚州沃森维尔的控制实验室23 进行。碳稳定系数为0.74。因此，生物炭在干重基础上的稳定有机碳含量来自生物炭的质量、其有机碳含量和最终值 （483） x （0.868） x （0.74） = 310.2 kg 稳定碳的 100 年稳定因子。为了得出碳去除的最终值，减去项目泄漏，并应用适当的安全裕度以及从固体碳到二氧化碳的转换系数，如 补充文件 1 中所述。生物炭的认证生物炭去除值取决于最终验证生物炭已应用于土壤或堆肥并且未燃烧或以其他方式氧化。

补充文件1:有关方法和计算的详细信息。请点击此处下载此文件。

作者凯尔派·威尔逊（Kelpie Wilson）是火环生物炭窑的发明者和制造商。作者 Wihan Bekker 是 African Data Technologies （Pty） Ltd. 的部分所有者，该公司是 CM002 组件方法和 Ikhala D-MRV 报告平台的开发商。