Name: 使用便携式火焰帽窑在树林中生产、表征和量化生物炭 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-01-05T13:40:00.000+00:00
Duration: 7 min 27 s
Description: 了解在树林中使用便携式火焰帽窑生产生物炭的方法，结合数字应用程序进行监测和碳核算。该协议为林业废弃物处理和碳封存提供了可重复的现场测量技术。

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非常感谢美国生物炭倡议组织（US Biochar Initiative）和美国农业部林业局（USDA Forest Service）的资助与支持，推动了“生物炭在林地”网络（Biochar in the Woods network）的发展，该网络致力于促进各类实践者之间的信息交流，共同探索并完善生物炭的制备与应用方法，以服务于环境管理和气候减缓目标。

注意：本方法使用 Ikhala 智能手机应用程序（以下简称 D-MRV 应用程序；材料表）来获取碳清除支付、田间测量以及数字化的监测、报告和核证。
1. 收集原料并确认其适用性
<ol>
	<li>选择并记录原料尺寸。</li>
	<li>选择直径小于 15 cm 的木质材料。确保所有材料具有分枝状或形状不规则，以避免紧密堆积，阻碍窑内空气流通。</li>
	<li>在 D-MRV 应用程序中，点击 拍摄照片 按钮进入 原料 部分以打开相机。相机开启后，对准拍摄对象（带有测量尺的干燥原料堆），然后点击屏幕上的 快门 按钮拍摄照片。</li>
	<li>报告原料物种：打开 D-MRV 应用程序，填写简短的数字问卷，报告每种物种类型的数量。报告依据为目视估算。</li>
	<li>测定并报告原料含水率。
	<ol>
		<li>使用标准的木柴含水率测定仪，将探针插入每种原料最大块样本的中部，读取数值。</li>
		<li>在 D-MRV 应用程序中，拍摄每次含水率测定仪读数的照片。点击含水率测定仪部分的 拍摄照片按钮，并在文本框中输入含水率测定仪上显示的数值。每次含水率测定需提交一张照片和一条文本记录。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 窑炉的组装、装料与点火
<ol>
	<li>在平坦的地面上，清理出一个直径约3米的圆形区域，移除其中的可燃有机物。使用连接支架将6块内层窑板组装成一个圆柱体。</li>
	<li>使用铁锹或类似工具，用少量矿物土或黏土在圆柱体底部边缘筑起一道小堤，以防止空气从窑底进入。</li>
	<li>将6块隔热板通过连接支架固定在圆柱体外侧，确保隔热板底部留有空气间隙，以便空气能够通过内外圆筒之间的环形空隙流动。使用隔热板配套的硬件将窑编号标签固定在隔热板上。</li>
	<li>确认本批次所使用的窑。在燃烧准备部分，点击拍摄照片按钮，为已组装的窑体和编号标签拍照，并在现场为每个窑提交相应的照片。</li>
	<li>装窑：初始装窑时应使用较小且较干燥的材料（理想厚度为2–6 cm）。将材料装填至窑口边缘，对于杆状等非枝状材料，应合理摆放，避免过度紧密堆积而阻碍空气流通。 
	注意：目标是使材料紧密到足以维持燃烧，同时又能允许助燃空气到达料堆底部。</li>
	<li>点火：在装填好的窑顶放置少量干燥的引火物。如有需要可使用助燃剂，用火柴点燃，或使用丙烷喷枪点火。应在窑顶多个位置点火，使火焰迅速在整个窑顶形成连续的火焰层。</li>
	<li>使用D-MRV应用程序，在火焰层稳定形成后立即拍摄一段30秒的视频。在燃烧开始部分，点击拍摄视频按钮，然后点击提交视频按钮。</li>
</ol>
3. 窑炉的加料与维护
<ol>
	<li>在运行的第一阶段，空气从窑炉顶部被吸入到底部，初始投料主要燃烧形成一层木炭。在添加更多物料之前，确保首层物料充分燃烧，形成良好的木炭层。当上一层物料表面开始出现一层白色灰烬时，添加新的一层原料。</li>
	<li>过渡到连续投料：以稳定速率向窑炉中添加新物料。尽量保持每层木材直径一致，以确保炭化均匀。
	<ol>
		<li>利用火焰作为投料速率的指示：以火焰状态为依据决定添加新物料的时机。确保顶部维持旺盛的火焰，因为这是生成木炭所需的热源。</li>
		<li>若操作人员投料过多或过快，火焰将被窒息。若发生这种情况，应暂停投料，等待火焰恢复。若投料不足，火焰会减弱，木炭将开始进一步燃烧成灰。一旦出现此趋势，应及时补充物料以维持火焰持续燃烧。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在燃烧过程中确认火焰存在，作为清洁、高温燃烧的指标，这有助于减少甲烷排放，并促进稳定木炭的形成。
	<ol>
		<li>使用 D-MRV 应用程序，在窑炉点火约 1 小时后拍摄一段 30 秒的火焰视频。进入 Burn Quality Proof （燃烧质量证明）部分，点击 Proof of Burn at First Hour （第一小时燃烧证明）按钮。</li>
		<li>点击 Take Video（拍摄视频）按钮，至少按 Record （录制）30 秒，然后点击 Submit Video（提交视频）按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在燃烧的中期阶段加入最大尺寸的物料，使其有足够时间完成完全炭化。窑炉中生物炭的填充速度会因原料类型、尺寸和含水率的不同而有所差异。</li>
	<li>使用 D-MRV 应用程序，在燃烧进行至第二小时末时拍摄一段 30 秒的火焰视频。点击 Proof of Burn at Second Hour（第二小时燃烧证明）按钮，然后点击 Take Video （拍摄视频）按钮。至少按 Record （录制）30 秒，然后点击 Submit Video （提交视频）按钮。</li>
	<li>使用 D-MRV 应用程序，在燃烧进行至第三小时末时拍摄一段 30 秒的火焰视频。点击 Proof of Burn at Third Hour（第三小时燃烧证明）按钮，然后点击 Take Video （拍摄视频）按钮。至少按 Record （录制）30 秒，然后点击 Submit Video （提交视频）按钮。</li>
	<li>当窑炉内充满通红发亮的木炭时，最后几层应使用中等尺寸物料，以便任何较大块的物料能完成炭化过程。</li>
</ol>
4. 生物炭的完成、淬灭与测量
<ol>
	<li>当积聚的生物炭距离窑顶边缘仅剩 10–20 cm、原料已全部用完或当天工作结束时，停止燃烧。</li>
	<li>当不再有火焰时，炭化过程即已完成。在添加最后一块原料后，等待 10–15 分钟，直至火焰完全熄灭。总会存在少量较大的未完全炭化的物料，此情况无需担忧。</li>
	<li>在熄火前，使用钢制耙子将窑内炽热发红的炭料耙平。
	<ol>
		<li>将一根测量杆垂直放置于窑内壁处，使其一端接触平整的炭层表面。在 D-MRV 应用程序中，进入测量生物炭部分，点击拍摄照片按钮，拍摄一张显示测量杆在窑内炭层深度的照片。</li>
		<li>在问题从生物炭顶部到窑顶部的读数是多少对应的文字输入框中，输入测量杆上的数值。</li>
		<li>通过点击提交并添加另一张照片按钮，在窑内不同位置重复上述测量和拍照操作两次。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在报告炭层深度测量值后，立即拍摄窑体标识标签的照片，以供核验。</li>
	<li>测量炭的容重。
	<ol>
		<li>当一批生物炭制备完成但尚未熄火前，用铁铲从窑内取出炽热发红的炭料装满一个金属桶。使用悬挂式秤称量该桶重量，得到皮重，并拍照记录该重量值。</li>
		<li>将桶装满炽热炭料后再次称重，并拍照记录总重量。</li>
		<li>重复取样步骤（4.5.1–4.5.2）两次，从窑内不同区域取样，并通过拍照记录每次的重量值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用水熄火。
	<ol>
		<li>开始以低压喷水方式向窑内喷水，直至隔热罩冷却至可安全触碰。随后拆下所有隔热罩面板，并将其移至一旁堆放。</li>
		<li>在持续喷水的同时，拆除若干窑体面板，并用耙子将炭料耙出，摊成薄层以加速冷却。持续喷水并翻耙，直至炭料完全冷却。最终生物炭应冷却至可用手直接接触的程度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>移除并记录未燃烧的物料。将所有部分炭化的物料取出，并单层平铺于一块窑体面板上，旁边放置测量杆作为参照。使用 D-MRV 应用程序拍摄未完全炭化物料的照片。</li>
</ol>

Carbon Sequestration and Soil Enhancement Through Onsite Biochar Production

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</ol>

作者 Kelpie Wilson 是“火之环生物炭窑”（Ring of Fire Biochar Kiln）的发明者和制造商。作者 Wihan Bekker 是非洲数据技术有限公司（African Data Technologies (Pty) Ltd.）的共同所有人之一，该公司开发了 CM002 组件法和 Ikhala D-MRV 报告平台。

不同生物质种类所产生的生物炭，其碳和灰分的含量比例各不相同，这一差异与制备温度无关，主要取决于生物质的元素组成24。由于目前针对不同原料的生物炭特性数据库尚不完善，项目可能需要提交样品进行实验室分析，以确认生物炭的有机碳含量。为了降低项目成本，我们推荐一种简单的实验方法，该方法成本低廉，适合在高中或社区学院级别的学校实验室中由学生完成25。随着越来越多的项目在实际中实施，不同原料类型生物炭的碳含量数据将不断积累，数据库也将日益完善并更具实用性。
许多D-MRV测量旨在验证生产条件是否处于最佳状态，以制备出特性与数据库数值高度匹配的生物炭。这些关键测量包括原料含水量以及记录有焰燃烧质量的视频系列，后者决定了生产温度及生物炭中碳的最终稳定性。
尽管测量窑中产生的生物炭体积是直接的，但确定所产生生物炭的干重却并不容易。处理生物炭具有挑战性，因为该材料复杂的颗粒密度使得难以准确测定其容重26。一旦生物炭被淬灭，就无法在野外获得一定体积生物炭的干重。然而，可以通过将已知体积的金属桶装满热炭并称重，在野外测量生物炭的干容重。该方法可为我们提供生物炭干重的良好估算值。
该方法的一个主要缺点是现场操作固有的变异性，包括原料的变异性和操作人员的技术水平。操作人员必须确定原料的投加速率，并努力维持窑内稳定的强火焰。若因投料过多而导致火焰不稳定，将影响生物炭形成时的温度，从而影响生物炭的稳定性。最有效的应对措施是为操作人员提供有效的培训计划。工作人员的培训和安全操作规程对于现场生物炭生产的成功至关重要。鉴于生产所需的人力投入，培训计划必须组织得当并广泛推广27。
该方法学的另一个局限性在于实施D-MRV测量时的变异性。即使同一批次的原料在其他方面完全一致，其含水量仍可能存在较大差异。通过在燃烧过程中拍摄三段火焰的瞬时视频以确认达到适当温度的方法，受限于燃烧过程的动态特性；这三段瞬时视频可能无法代表整个燃烧过程的真实情况。对此测量结果的一个有效交叉验证方法是准确记录燃烧持续的时间以及所生成的生物炭产量，因为非最佳温度条件将导致产量降低。现场进行的D-MRV体积和容重测量在精度上存在局限；然而，这一不足通过采用安全裕度得到补偿，以确保最终数值保守可靠，不会高估碳去除量。
操作物流也会影响生物炭生产参数的变异性以及项目的成功。操作物流必须考虑天气、地形、通行条件、工人安全、培训、工具与设备以及水源可得性等因素。制造生物炭所需的大多数工具和物资均为消防员和林业工作人员配备的标准装备。实施“火环”生物炭窑的D-MRV过程中所需的特定工具列于材料表文件中。
利用废弃物生物质在田间制备生物炭，必须与露天焚烧或焚烧处理等替代方法竞争，后者具有成本极低的优势。相较于露天焚烧，生产生物炭的边际成本主要体现在劳动力需求的增加，而简易火焰覆盖窑炉的资本成本较低27。迄今为止，尚缺乏足够多的大规模项目并辅以可靠的数据收集，以准确确定生物炭生产相对于焚烧的边际成本。然而，一个实例可以说明碳融资在弥补这一成本差距方面的潜力。
2021年，位于蒙大拿州米苏拉的Watershed Consulting公司使用“火之环”（Ring of Fire）生物炭窑，处理了美国蒙大拿州西部21英亩混交针叶林中清理出的采伐残留物28。该项目总成本为42,302.00美元，共生产生物炭112.5立方码。根据我们对火焰覆盖式窑炉所产生物炭特性的标准假设，估计该项目封存了31.75公吨的CO2，每吨成本为1,332.35美元。若采用堆叠焚烧方式处理这些材料，成本为15,750.00美元，因此改用生物炭生产方式的边际成本为26,552.00美元，即每吨生物炭生产成本为836.28美元。这一边际成本可通过每吨CO2 100至200美元的碳清除支付得到部分补偿，从而验证了D-MRV流程的重要性。为了全面评估该项目的经济价值，融资机构还需承认避免焚烧堆对土壤造成破坏、减少温室气体排放和颗粒物空气污染所带来的生态系统效益，以及将生物炭返还森林土壤后在保水、养分循环和土壤健康方面的积极作用。
本文所述的详细方法将有助于在受外来入侵物种、干旱和野火影响的生态系统中工作的个人和团体，实施经济可行的生物质制生物炭项目。这些项目可在避免温室气体排放并封存碳以减缓气候变化的同时，改善和恢复土壤及本地生态系统。尽管该实用野外方法在测量和验证点上存在变异性且精确度有限，但我们认为，在其他方法（如将生物质运往工业热解设施）不可行的野外情况下，这仍是一种有价值的碳封存途径。

在包括美国西部在内的全球许多地区，气候变化、干旱和外来入侵物种导致了野火危机，威胁着生态系统和社区安全。当森林和林地失控燃烧时，大量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灾难性影响。例如，2020年加利福尼亚州的野火估计释放了约1.27亿兆吨的温室气体，大约是加州2003年至2019年期间温室气体减排总量的两倍1。科学家和土地管理者正越来越多地研究能够帮助恢复这些森林、林地及其生态系统服务功能的人为干预措施。其中，人工疏伐并清除过量生物量是最关键的措施之一2。生物量的清除包括其后续处置；而在偏远且难以进入的地区，除了在原地以无管理方式焚烧枝桠堆外，几乎别无选择。无管理的焚烧堆虽然能够清除景观中的可燃物，但会对森林土壤造成损害，因为堆下集中产生的高温会烧毁土壤的有机层，留下裸露的土壤，容易遭受侵蚀并被入侵物种定殖。焚烧堆遗留的土壤有机层可能需要数十年时间才能恢复3。此外，无管理的焚烧堆也是颗粒物和温室气体排放的来源。枝桠堆燃烧产生的烟雾还会在空气质量受限的流域内缩短允许焚烧的时间窗口，使相关工作更难开展。
美国农业部林务局的研究人员已研究了利用采伐剩余物生产生物炭的替代方案，并确定了几种有前景的技术，其中包括在林区使用小型移动式生物炭窑4。与目前通过焚烧堆处理采伐剩余物的做法相比，在现场将采伐剩余物转化为生物炭具有诸多生态优势，包括减少土壤受热和颗粒物排放。现场生产的生物炭可被运出并用于农业，也可就地留存，以发挥多种功能，促进森林健康恢复，并提高对气候变化和干旱的适应能力。由于许多森林土壤中高达50%的总碳含量来自历史上自然火灾产生的木炭5，将生物炭留在其生产地点可恢复因长期防火措施而缺失的森林土壤木炭，而这种缺失对生态系统过程的影响尚不明确6。留在森林土壤中的生物炭能够模拟自然火灾产生的木炭效应，对土壤碳含量以及土壤的物理、化学和生物学性质产生类似的影响7。
近年来，一个由林业工作者、林地所有者、研究人员和生物炭顾问组成的国际网络开发出一系列碳化方法，可将林地采伐剩余物就地转化为生物炭，以替代传统的采伐剩余物焚烧处理方式。这些方法基于火焰碳化原理，最初由日本Moki公司开发并实现商业化，即“无烟碳化炉”8。这种钢环炉可生产出碳化充分的生物炭，其生物质转化为生物炭的效率据报可达13%至20%，具体效率取决于所使用的原料9。
生产生物炭或木炭的过程通常称为热解，即在无氧条件下通过加热使生物质组分分离的过程。这通常被理解为釜式热解，即生物质被置于外部加热的容器中，与空气实现物理隔离。然而，热解也可在有限空气存在下进行，例如气化和火焰炭化过程，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，即材料中的水分被蒸发。随后发生脱挥发分和同时进行的炭化，这一过程也称为热解。含氢和氧的挥发性气体被释放并在火焰中燃烧，持续为该过程提供热量。随着气体的释放，残留的碳转化为芳香族碳，即炭。燃烧的最后阶段是炭被氧化为矿物灰烬10。
由于这些是在开放燃烧过程中发生的离散阶段，我们可以通过移除空气或热量，在炭化形成后中止该过程。在生物炭制备过程中，这一目标通过持续向燃烧堆中添加新物料来实现：新物料覆盖在热的炭化物上，阻断氧气供应。只要火焰存在，热的木炭便会在堆底部积聚，并因火焰消耗了大部分可用氧气而避免进一步燃烧成灰烬。当所有燃料均已加入堆中后，火焰开始逐渐减弱。此时，可通过去除氧气和热量来保存热的木炭，通常做法是向炭火喷水并将其摊薄以加速冷却11。
其基本工作原理为逆流燃烧。逆流燃烧空气可使火焰保持低位，并防止余烬或火花逸出。火焰还能燃烧大部分烟雾，从而减少排放。总之，以下原理可解释火焰盖窑中逆流燃烧的工作过程：（1）气体向上流动，而燃烧空气向下流动；（2）燃料燃烧时将空气向下抽吸，形成逆流；（3）火焰保持低位并紧贴燃料，最大限度减少余烬逸出；（4）烟雾在高温区被燃烧；（5）由于所有燃烧空气均来自上方，因而被火焰完全消耗；（6）仅有极少量空气能够到达掉落至窑底的未燃煤块；（7）这些煤块在整个过程结束前得以保存，直至被熄灭或闷熄。
除了对土壤的益处外，生物炭也是实现气候变化减缓的碳去除主要方法之一。木质生物质中高达一半的碳可转化为稳定的芳香族碳，即以生物炭的形式存在12。然而，并非所有热解技术都能产生相同数量的难降解碳，而这种碳在土壤中可稳定存在100年或更长时间（这是确定碳去除价值的关键指标）。生物炭的稳定性与其制备温度密切相关。木材燃烧时的绝热火焰温度估计接近丙烷的燃烧温度，约为1,977 °C13。在火焰覆盖式窑炉中，生物炭的生产过程与火焰紧密耦合，不存在像间接热解那样通过金属壁传导造成的热量损失。因此，只要在生产过程中维持火焰，其制备温度就应处于较高水平。一项利用拉曼光谱对多种炭材料进行的调查研究14报告指出，来自火焰覆盖式窑炉的生物炭样品（由第一作者Kelpie Wilson提供）是三种炭化形成表观温度最高的样品之一，其形成温度范围约为900 °C。
需要使用热电偶进入燃烧区域内部，以准确测量火焰覆盖窑或燃烧堆中生物炭的生产温度，但热电偶价格昂贵，且不易被低技术生产者获取。因此，我们采用了一种由在巴西亚马逊地区工作的研究人员所描述的方法，该方法使用焊工用于检测金属部件温度的热敏蜡笔（其在标定温度下会熔化）15。将蜡笔在砖块上做标记后，用铝箔包裹，并在生产过程中放置于窑内不同位置。我们多次使用该方法，发现窑内温度超过了650°C，因为蜡笔标记已完全熔化。该方法在需要确认生产温度时将非常有用；然而，主要的验证依据仍将是全程记录火焰的存在情况。
关于采用低技术火焰炭化方法制备的生物炭特性，目前公开发表的数据较少。然而，Cornellissen 等人分析了多种窑炉中通过火焰炭化法制备的生物炭样品，发现其符合欧洲生物炭认证标准（EBC），包括低多环芳烃（PAH）含量和高生物炭稳定性。此外，以木本和草本原料制备的生物炭平均碳含量为76%11。美国林务局落基山研究站16对2022年在加利福尼亚州一次现场活动中使用火焰覆盖窑和燃烧堆制备的五份生物炭样品进行了分析，其样品平均碳含量为85%。基于这些结果，我们可以推断，在火焰覆盖窑中由木本残余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。
目前，Verra17 和欧洲生物炭联盟全球手工碳汇协议（European Biochar Consortium Global Artisan C-Sink protocol）18 已发布两项面向低碳技术、基于地域的生物炭生产碳清除协议。这些新开发的协议具有良好的前景；然而，在应用于面临干旱和野火威胁的森林、林地及其他景观时，仍存在一定的局限性。因此，本文将介绍由 AD Tech19 正在开发的一种新方法——CM002 V1.0 方法学，该方法专门针对作为植被管理和可燃物负荷削减活动组成部分的木质残体明火炭化过程。生命周期分析证实，通过在明火覆盖窑中就地利用木质生物质生产生物炭并实现碳封存，可产生净碳清除效益20。成功实施碳清除协议有助于为必要的可燃物削减工作提供资金支持，从而保护社区和生态系统免受野火及生态系统退化的威胁。为了获得碳清除支付资格，本研究所描述的生物炭生产方法已将实地测量以及数字化监测、报告与核证（D-MRV）方法纳入常规操作实践。该平台的详细信息见补充资料（补充文件 1）。
尽管目前有多种开源设计的火焰帽窑由个人自行制造以供自用21，但据我们所知，目前在北美地区唯一一款容积超过一立方米并实现批量销售的火焰帽窑是“火之环窑”（Ring of Fire Kiln）22，这是一种轻便、可移动的火焰帽窑，专为依靠人力团队轻松搬运而设计。该窑由内环构成，内环由六片低碳钢板固定连接而成；外环则采用较薄规格的钢板，通过螺栓连接到固定内环的支架上。外环作为隔热罩，能够有效保留热量，从而提高燃烧效率。窑体顶部向空气中敞开，火焰帽即在此处形成。空气从主窑体与隔热罩之间的环形间隙上升，为窑内提供预热的助燃空气，进一步提升燃烧效率（图1）
<img alt="生物炭窑炉示意图，展示气流、生物质燃烧和余烬 containment 过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65543/65543fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 
图 1：环形火窑中气流、火焰特征及生物炭积聚过程的示意图。 逆流燃烧空气将烟雾吸入高温区并使其充分燃烧。空气从主窑体与隔热罩之间的环形间隙向上流动，为窑炉提供预热的助燃空气，进一步提高燃烧效率。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65543/65543fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
窑体直径为2.35 m，形成一个高一米的圆柱体，总体积为4.3 m3。实际操作中，窑体不会完全装满至顶部，因此典型的生产批次会将窑体填充至1/2到3/4之间，所得生物炭体积在2至3立方米之间。
由于火环窑是一种标准化设计，它正被采纳为CM002组件方法中首个认证技术，该方法为量化温室气体（GHG）减排效益提供了标准化程序。符合CM002要求的测量与数据收集步骤已纳入本方法中。报告通过智能手机应用程序完成，用户在过程中回答简短问卷，并上传照片和视频片段至移动应用。

<table><tbody><tr><td>数字悬挂秤</td><td>AvaWeigh</td><td>HSD40</td><td>44磅称重秤，用于农产品称重</td></tr><tr><td>Ikhala智能手机应用程序</td><td>AD Tech</td><td>N/A</td><td>从Android或Apple应用商店下载</td></tr><tr><td>金属直尺</td><td>Azbvek</td><td>ZG0044-New</td><td>不锈钢100厘米直尺</td></tr><tr><td>火焰环窑炉</td><td>Wilson Biochar</td><td>ROF 1.2</td><td>带隔热罩的板式火焰封顶窑炉</td></tr><tr><td>智能手机</td><td>任意</td><td>N/A</td><td>必须使用iOS或Android操作系统</td></tr><tr><td>钢制通用桶 - 7升</td><td>Behrens</td><td>120GS</td><td>镀锌钢制通用桶</td></tr><tr><td>木材水分测定仪</td><td>General Tools</td><td>MMD4E</td><td>数字式针型水分测定仪，带LCD显示屏</td></tr></tbody></table>

使用便携式火焰盖窑在林地中生产、表征与量化生物炭

Producing, Characterizing and Quantifying Biochar in the Woods Using Portable Flame Cap Kilns

利用非商业性森林生物质面临的主要挑战之一是其分布广泛。为避免高昂且碳排放密集的加工（如切碎）和运输成本，最佳解决方案是在现场进行处理。然而，传统的焚烧堆会对森林土壤造成破坏，除减少可燃物外几乎不带来任何益处。与目前通过焚烧堆处置采伐剩余物的做法相比，在现场将森林采伐剩余物转化为生物炭具有诸多生态优势，包括降低土壤受热程度和减少颗粒物排放，同时将生物炭保留在原地还能改善森林土壤健康状况并提升其持水能力。在林区现场制备生物炭，是一种将因近年来火灾抑制政策而缺失的热解碳组分重新归还森林土壤的方式。此外，生物炭也是当前最具前景的碳移除与封存方法之一，有助于缓解气候变化。本研究记录了一种使用便携式生物炭窑现场制备生物炭的方法。该低成本方法依赖人工团队操作，并配备水源，以便在生物炭完全燃烧成灰之前及时熄灭窑体。本方法还整合了对所产生物炭进行量化与表征的简易技术，旨在评估其环境影响，并满足碳移除认证要求，从而帮助抵消作业成本。我们介绍了CM002组件方法学，该方法学为整个过程中三个阶段的温室气体（GHG）效益量化提供了标准化程序：废弃生物质来源、生物炭生产以及生物炭土壤施用。CM002方法学基于国际最佳实践，包括最新的VCS方法学VM0044标准和EBC C-Sink手工艺人标准。采用适当安全系数的可靠量化方法，是实现碳移除融资资格的第一步关键措施。

采用环形燃烧窑（Ring of Fire kiln）进行组织有序且规范实施的生物炭批次生产，可在4至5小时的燃烧时间内产出2-3 m3的生物炭。使用CM002组分法并在D-MRV应用程序中记录燃烧参数，旨在使经认证的核查人员能够确认该批次生物炭的产量和质量。有关该方法的更多信息详见补充资料（Supplementary File 1）。
此处列出了在火焰环窑中生产一批典型生物炭的过程验证要点（图2）。表1给出了在实地测量或通过验证确定的典型数值。
1. 报告原料类型。 
2. 原料尺寸：放置有标尺的原料堆照片。 
3. 原料含水量：每种原料最大样品块上水分仪读数的照片一张，用于显示含水量。 
4. 点火过程：一段30秒视频，展示窑炉燃烧的起始阶段，并记录开始时间。视频中可见明显的火焰覆盖层。 
5. 基于火焰存在的生产温度验证：三段各30秒的视频，显示燃烧过程中持续存在强烈火焰。 
6. 生物炭体积：三张照片，展示窑内三个不同位置插入测量杆以测量炭层高度。从窑顶到炭层的三个测量距离取平均值，用于后续计算。 
7. 容积密度：一张照片显示桶空重时的电子秤读数；三张照片显示桶与炭总重时的电子秤读数，炭样取自窑内三个不同位置。三个重量测量值取平均值用于计算。
<img alt="生物炭制备示意图；原料类型、尺寸、含水量、点火、火焰、体积、密度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65543/65543fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：展示工艺验证点的信息图。 在“火焰环”窑中生产典型批次生物炭的工艺验证点。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65543/65543fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="4"></td>
			<td>数据点 #1</td>
			<td>数据点 #2</td>
			<td>数据点 #3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">原料物种</td>
			<td>松木 50%</td>
			<td>冷杉 50%</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">水分测定仪读数</td>
			<td>19%</td>
			<td>23%</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">窑体空腔体积</td>
			<td colspan="3">4.3 m3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">窑体高度</td>
			<td colspan="3">1 m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">窑内炭层高度</td>
			<td>60 cm</td>
			<td>61 cm</td>
			<td>59 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">7升桶的皮重</td>
			<td colspan="3">0.6 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">装有炭的桶重量</td>
			<td>1.8 kg</td>
			<td>1.9 kg</td>
			<td>2.0 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">数据库中的炭碳含量值</td>
			<td colspan="3">86.8%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="4">碳稳定性因子</td>
			<td colspan="3">0.74</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：用于验证在“火之环”生物炭窑中生产的一批典型生物炭的生产结果和工艺参数的代表性数值。
通过这些控制点，验证人员确认该生物炭使用了合适的原料，并在高于 600 °C 的温度下制备，符合 CM002 组件方法对长期稳定性的要求。因此，可对该批生物炭应用 0.74 的碳稳定性因子，以实现 100 年的持久性。为确定该批生物炭的体积，验证人员使用经窑体 ID 标签确认的窑体空容积（4.3 m3）以及窑内炭层高度（1 m - 0.4 m = 0.6 m）。由于窑体填充率为 60%，生物炭体积为 0.6 × 4.3 m3 = 2.6 m3。随后，验证人员根据桶装测量结果计算生物炭的容重。从每次测量值中扣除 0.6 kg 的桶重，得到 1.2 kg、1.3 kg 和 1.4 kg 三个数值，取平均值为 1.3 kg/7 L，相当于 185.7 kg/m3。因此，所生产的生物炭干重为 (185.7 kg/m3) × (2.6 m3) = 483 kg。
验证方可以从数据库中获取生物炭的碳含量，或者在本例中，通过一项简单的实验室测试获得数据，该测试确认了2021年在加利福尼亚州索诺玛县使用“火之环”窑炉生产的混合软木生物炭批次的碳含量为86.8%。该测试由加利福尼亚州沃森维尔的Control Laboratories完成23。应用的碳稳定性因子为0.74。因此，生物炭在干重基础上的稳定有机碳含量由生物炭质量、其有机碳含量以及100年稳定性因子共同计算得出，最终结果为 (483) × (0.868) × (0.74) = 310.2 kg 稳定碳。为了得到最终的碳清除量，需减去项目泄漏量，并应用适当的安全裕度以及从固态碳转换为二氧化碳的换算因子，具体方法见补充文件1。生物炭的认证清除值取决于最终验证结果，即生物炭已被施用于土壤或堆肥中，且未被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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65543/Supplementary%20File%201.docx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

就地处理林木采伐剩余物的新方法可生成热解碳，用于恢复森林土壤健康，并实现碳的清除与封存。本文介绍了一种生物炭制备方法，该方法结合了新型碳清除核算方法学及数字化应用。

利用非商业性森林生物质的最大挑战之一在于其分布广泛。解决生物质问题的最佳方案是……

我们正在寻求解决木本残体、焚烧以及林业相关问题的方案。我们希望开发出利用简单技术就地生产生物炭的方法，这些技术应具有成本效益，并可量化以确定其碳封存价值。目前，人们正在开发新技术，以便在生物质积聚的地方生产生物炭，从而避免高昂的运输成本。这些技术包括机械化空气幕燃烧器，以及通过人工或机械投料的简易容器。这些方法基于火焰炭化原理进行工作。为了支付生物炭制备的成本，我们可以申请碳清除信用额度，但在田间条件下准确量化所生成的生物炭量仍具有挑战性。我们需要适当的碳核算规程和方法，以进行监测、报告和核查。目前，利用简单技术在田间量化生物炭产量的方法尚未得到充分发展。本方案为建立可靠且可重复的测量技术提供了初步步骤。我们的生物炭生产现场核查碳核算方案提供了详细的生产过程信息，并通过整个生产过程中获取的视觉证据进行验证。其他现有的方案控制措施较少，更多依赖估算值和安全系数。我们的方案能够使实际操作人员获得最大效益。首先，选择并记录原料的尺寸。应选择直径小于15厘米的材料。启动DMRV应用程序，点击“原料”部分下方的“拍照”按钮以激活摄像头。仔细调整相机位置以对准被摄物体，然后点击显示屏上的快门按钮。要测量每种原料类型的最大块料，需使用柴火水分测定仪，将其探针插入物料中心。随后，进入DMRV应用程序，在水分测定仪部分选择“拍摄照片”按钮。将水分测定仪显示的数值输入到提供的文本框中。在平坦地面上清理出一个直径三米的圆形区域，移除其中的易燃有机物。使用连接支架将六个内炉板组装成圆柱形，并用铲子将矿物、土壤或黏土堆成小堤，密封圆柱体的底部边缘。然后，将六个隔热板安装到连接支架上。使用隔热板配件将窑炉编号标签牢固地固定在隔热板上。确认本批次中所使用的窑炉。然后进入烧制准备部分，使用“拍摄照片”功能拍摄组装好的窑炉及其附带的ID标签的图像。现在选择较小且干燥的材料用于初次装窑。小心地将这些材料装填至窑口边缘，较大直径的材料则留待烧制开始一小时后再使用。在装填好的窑顶添加少量干燥的引火材料。如有必要，可使用助燃剂，并用火柴或点火器在窑顶多处点燃。火焰层稳定形成后，进入 DMRV 应用程序的燃烧启动部分。单击“拍照”按钮，然后单击“提交照片”按钮以拍摄照片。首先装填窑炉并点火加热。确保首次装料后形成坚实的炭床，然后再添加更多材料。当上一层材料开始出现一层白色灰烬时，以稳定的速度向窑内添加新物料。密切观察火焰，根据火焰情况指导新物料的添加，并始终维持顶部有旺盛的火焰。点火一小时后，启动 DMRV 应用程序。进入烧录质量验证部分，选择“首小时烧录证明”按钮。选择“拍摄视频”选项，并录制至少30秒的视频。然后，点击“提交视频”按钮。在燃烧的中期阶段放入最大的材料，以确保其完全炭化。燃烧进行至第二小时后，使用 DMRV 应用程序点击“第二小时燃烧证明”，录制一段30秒的火焰视频，并按之前所示方式提交。同样，在燃烧进行至第三小时结束时，点击应用程序上的“第三小时燃烧证明”，开始录制一段30秒的火焰视频。在最后阶段，当窑内充满通红发亮的炭火时，用中等大小的材料铺设最上几层，以便较大的物料完成炭化过程。首先，装填并点燃窑体，使其燃烧直至内部充满通红发亮的炭火。当生物炭堆积至距离窑顶10至20厘米时，停止燃烧。添加最后一次原料后，让火焰自然熄灭10至15分钟。将测量杆垂直置于炉壁旁，确保其一端接触炭化物的水平面。在DMRV应用程序中，进入“测量生物炭”部分，点击“拍照”按钮，以展示炉内炭化层的深度。接下来，找到标有“从生物炭顶部到窑顶部的读数是多少”的文本输入框，并输入测量杆上对应的数值。通过点击“提交并添加另一张照片”按钮，在窑的不同位置重复进行两次测量和拍照记录。在完成炭层深度测量后，拍摄窑的ID标签图像以作证明。完成生物炭批次后，在启动淬火过程之前，将窑中灼热的炭块铲入金属桶中。确定皮重后，使用悬挂秤称量炭块的重量，并拍照记录该重量。轻轻向窑内喷水，直至隔热层可安全触碰。移除所有隔热板，并将其堆放在远离工作区的位置。在喷水的同时，取下几块炉膛面板，将炭化物分散成薄层以促进冷却。移除任何部分炭化的碎片，并将其单层排列在其中一块炉膛面板上，同时将测量尺并排放置。使用 DMRV 应用程序拍摄不完整的炭化碎片的照片。

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