RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Новые методы утилизации подсечных отвалов в лесном хозяйстве производят пирогенный углерод для восстановления здоровья лесных почв, а также для удаления и секвестрации углерода. Здесь мы представляем метод производства биоугля, объединяющий новую методологию учета удаления углерода и цифровое приложение.
Одной из самых больших проблем при использовании некоммерческой лесной биомассы является ее широко распространенный характер. Лучшим решением проблемы биомассы, чтобы избежать дорогостоящей и углеродоемкой переработки (измельчения) и транспортных расходов, является ее переработка на месте. Однако обычные сжигатели оказывают разрушительное воздействие на лесную почву и не дают никаких преимуществ, кроме снижения расхода топлива. Преобразование подсечной лесной рубки в биоуголь на месте имеет много экологических преимуществ по сравнению с существующей практикой утилизации подсечного мусора путем сжигания в кучах для сжигания, включая снижение нагрева почвы и выбросов твердых частиц, наряду с многочисленными преимуществами биоугля для здоровья лесной почвы и водоудерживающей способности при оставлении на месте. Изготовление биоугля на месте в лесу — это способ вернуть в лесные почвы пирогенный углеродный компонент, который отсутствовал из-за недавней истории тушения пожаров. Биоуголь также является ведущим методом удаления и секвестрации углерода для смягчения последствий изменения климата. В этом исследовании мы документируем метод изготовления биоугля с использованием портативной печи для обжига биоугля. В этом недорогом методе используются ручные бригады, оснащенные водой для закалки в печах до того, как биоуголь сгорит до золы. Простые методы количественной оценки и определения характеристик произведенного биоугля включены в метод с целью измерения воздействия и получения сертификатов на удаление углерода, чтобы помочь оплатить стоимость работ. Мы описываем методологию компонентов CM002, которая обеспечивает стандартизированные процедуры количественной оценки выгод от выбросов парниковых газов на трех этапах процесса: поиск отходов биомассы, производство биоугля и внесение биоугля в почву. Методология CM002 основана на передовом международном опыте, в том числе на новейшей методологии VCS VM0044 Standards и EBC C-Sink Artisan Standards. Надежные методы количественной оценки с использованием соответствующих коэффициентов безопасности являются первым важным шагом на пути к получению права на финансирование по удалению углерода.
Во многих регионах мира, включая западную часть США, изменение климата, засуха и чужеродные инвазивные виды вызвали кризис лесных пожаров, который угрожает экосистемам и сообществам. Поскольку леса и лесные массивы бесконтрольно горят, в атмосферу выбрасывается большое количество твердых частиц и парниковых газов, что приводит к разрушительным последствиям для здоровья человека и климата. Например, в результате лесных пожаров в Калифорнии в 2020 году, по оценкам, было выброшено около 127 миллионов мегатонн выбросов парниковых газов, что примерно в два раза превышает общий объем сокращения выбросов парниковых газов в Калифорнии с 2003 по 2019год. Все чаще ученые и землеустроители изучают действия человека, которые могут помочь восстановить эти леса и лесные массивы и их экосистемные услуги. Ручное прореживание и удаление избыточной биомассы является одним из наиболее важных действий, которые необходимо предпринять2. Удаление биомассы включает в себя ее утилизацию, и там, где биомасса находится в отдаленных и труднодоступных местах, существует несколько вариантов, кроме сжигания на месте в неуправляемых отвалах. Неуправляемые сжигаемые кучи выполняют работу по удалению топлива из ландшафта, но они повреждают лесные почвы, поскольку концентрированное тепло под кучами испепеляет органический горизонт почвы, оставляя после себя голую почву, уязвимую для эрозии и колонизации инвазивными видами. На восстановление органического почвенного горизонта в шраме от гари могут уйти десятилетия3. Неуправляемые горящие отвалы также являются источником выбросов твердых частиц и парниковых газов. Дым от сжигания подсечно-подсечных куч также ограничивает горящее окно в водосборных бассейнах с ограниченным качеством воздуха, что затрудняет выполнение работ.
Исследователи из Лесной службы Министерства сельского хозяйства США изучили альтернативу производства биоугля из подсечных материалов и определили несколько перспективных методов, в том числе вариант использования небольших мобильных печей для обжига биоугляв лесу. Преобразование лесных порубков в биоуголь на месте имеет много экологических преимуществ по сравнению с существующей практикой утилизации подсечного мусора путем сжигания в кучах для сжигания, включая снижение нагрева почвы и выбросов твердых частиц. Биоуголь, произведенный на месте, может быть удален и использован в сельском хозяйстве, или его можно оставить на месте, где он выполняет несколько функций по восстановлению здоровья лесов и улучшению адаптации к изменению климата и засухе. Поскольку до 50% общего углерода во многих лесных почвах приходится на древесный уголь, образующийся в результате исторических природныхпожаров5, оставление биоугля на участке, где он производится, может восстановить древесный уголь в лесной почве, который часто отсутствует в почвенных горизонтах из-за тушения пожаров, с неизвестным воздействием на экосистемные процессы6. Биоуголь, оставленный на лесных почвах, может имитировать воздействие древесного угля, образующегося в результате естественного пожара, и оказывать аналогичное воздействие на содержание углерода в почве и физические, химические и биологические свойства почвы7.
В последние годы международная сеть работников лесного хозяйства, владельцев лесных угодий, исследователей и консультантов по биоугле разработала набор методов карбонизации для превращения лесной порубки в биоуголь на месте в качестве альтернативы сжиганию сжигания сжигания. Эти методы основаны на принципе пламенной карбонизации, впервые разработанном и коммерциализированном в Японии как «бездымная печь для карбонизации», предлагаемой компанией Moki8. Эта стальная кольцевая печь производит хорошо карбонизированный биоуголь с заявленной эффективностью преобразования биомассы в биоуголь от 13% до 20%, в зависимости от используемого сырья9.
Процесс производства биоугля или древесного угля часто называют пиролизом, разделением компонентов биомассы теплом в отсутствие кислорода. Обычно это воспринимается как пиролиз реторты, при котором биомасса физически отделяется от воздуха в сосуде с внешним обогревом. Однако пиролиз может происходить и в присутствии ограниченного количества воздуха, как при газификации и пламенной карбонизации, потому что твердые виды топлива, такие как древесина, горят поэтапно. Когда тепло прикладывается к биомассе, первой стадией горения является обезвоживание, так как вода испаряется из материала. За этим следует дегазация и одновременное образование угля, также известное как пиролиз. Летучий газ, содержащий водород и кислород, высвобождается и сжигается в пламени, постоянно добавляя тепло процессу. По мере высвобождения газа оставшийся углерод превращается в ароматический углерод, или уголь. Заключительной стадией горения является окисление угля до минеральной золы10.
Поскольку это дискретные фазы, которые происходят в процессе открытого горения, у нас есть возможность остановить процесс после образования угля, удалив воздух или тепло. Это достигается в процессе производства биоугля путем постоянного добавления нового материала в кучу для сжигания, чтобы горячий уголь был погребен новым материалом, который перекрывает поток кислорода. Горячий древесный уголь накапливается на дне кучи и не может сгореть до пепла до тех пор, пока присутствует пламя, потому что пламя потребляет большую часть доступного кислорода. Когда все топливо добавлено в кучу, пламя начинает затухать. В этот момент горячий уголь можно сохранить, удалив кислород и тепло, обычно опрыскивая угли водой и разгребая их тонким слоем, чтобы охладить11.
Основным принципом работы является противоточное горение. Противоточный воздух для горения поддерживает низкое пламя и предотвращает выброс углей или искр. Пламя также сжигает большую часть дыма, уменьшая выбросы. Таким образом, следующие принципы объясняют работу противоточного горения в печи с пламенным колпачком: (1) Газ течет вверх, а воздух для горения - вниз, (2) Создается противоточный поток, когда горящее топливо втягивает воздух вниз, (3) Пламя остается низким и близко к топливу, сводя к минимуму утечку углей, (4) Дым горит в горячей зоне, (5) Поскольку весь воздух для горения поступает сверху, Он поглощается пламенем (6) Очень мало воздуха способно достичь несгоревших углей, которые падают на дно печи, (7) Угли сохраняются до конца процесса, когда они гасятся или гасятся.
В дополнение к своим преимуществам для почвы, биоуголь также является ведущим методом удаления углерода для смягчения последствий изменения климата. До половины углерода в древесной биомассе может быть преобразовано в стабильный ароматический углерод в форме биоугля12. Однако не все технологии пиролиза производят одинаковое количество неподатливого углерода, которое остается стабильным в почве в течение 100 лет и более (ключевой показатель для определения величины удаления углерода). Стабильность биоугля тесно коррелирует с температурой производства. Температура адиабатического пламени горящей древесины, по оценкам, близка к температуре пропана, 1 977 °C13. Производство биоугля в печи с пламенным колпачком тесно связано с пламенем, без потерь теплопередачи за счет проводимости через металлическую стенку, как при пиролизе реторты. Поэтому можно было бы ожидать, что температура производства будет высокой до тех пор, пока пламя поддерживается во время процесса. Исследование угольщиков с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света14 показало, что образец биоугля из печи для обжига колпачков (предоставленный ведущим автором Келпи Уилсоном) был одним из трех образцов с самой высокой кажущейся температурой образования угля в диапазоне 900 °C.
Термопары необходимы для доступа к внутренней части сжигания и точного измерения температуры производства биоугля в печи с пламенным колпачком или куче для сжигания, а они стоят дорого и недоступны для низкотехнологичных производителей. Поэтому мы использовали метод, описанный исследователями, работающими в бразильской Амазонии, который использует тепловые мелки (используемые сварщиками для проверки температуры металлических деталей), которые плавятся при калиброванной температуре15. Кирпичи маркируются мелками, заворачиваются в алюминиевую фольгу и помещаются в различные места печи во время производства. Мы использовали этот метод несколько раз и определили, что температура печи превышает 650° C, так как следы от карандашей полностью расплавились. Это будет полезным методом для подтверждения температуры производства там, где это необходимо; Тем не менее, основным пунктом проверки будет документирование наличия пламени по всему периметру.
Опубликованных данных о характеристиках биоугля, полученного низкотехнологичными методами пламенной карбонизации, не так много. Тем не менее, образцы биоугля, изготовленные методами пламенной карбонизации в нескольких типах печей, были проанализированы Cornellissen et al. и признаны соответствующими стандартам Европейского сертификата биоугля (EBC) для биоугля, включая низкое содержание ПАУ и высокую стабильность биоугля. Кроме того, биоуголь, произведенный как из древесного, так и из травянистого сырья, имел среднее содержание углерода 76процентов11. Исследовательская станция16 Лесной службы США в Скалистых горах проанализировала пять образцов биоугля из печей для обжига колпачков пламени и куч для сжигания, сделанных на дне поля в Калифорнии в 2022 году. Среднее содержание углерода в образцах составило 85 процентов. Учитывая эти результаты, можно сделать вывод, что вполне вероятно, что биоуголь, изготовленный из древесных остатков в пламенных колпачковых печах, будет соответствовать основным требованиям для верифицированного удаления углерода: высокое содержание углерода и высокая стабильность биоугля.
Два протокола удаления углерода для низкотехнологичного производства биоугля на месте были выпущены Verra17 и Европейским консорциумом биоугля Global Artisan C-Sinkprotocol 18. Эти недавно разработанные протоколы являются многообещающими; Однако они имеют некоторые ограничения при применении к лесам, редколесьям и другим ландшафтам, находящимся под угрозой засухи и лесных пожаров. Соответственно, в этом документе будет описана новая методология, Методология CM002 V1.0 от AD Tech19, которая разрабатывается специально для пламенной карбонизации древесных остатков в рамках мероприятий по управлению растительностью и снижению топливной нагрузки. Анализ жизненного цикла подтверждает, что секвестрация углерода биоуглем с использованием производства биоугля из древесной биомассы на месте в печах с пламенными колпачками дает чистый эффект от удаления углерода20. Успешная реализация протоколов по удалению углерода может помочь финансово поддержать жизненно важную работу по сокращению использования топлива, которая должна быть проведена для защиты сообществ и экосистем от лесных пожаров и деградации экосистем. Чтобы получить доступ к платежам за удаление углерода, полевые измерения и методы цифрового мониторинга, отчетности и верификации (D-MRV) включены в качестве рутинной практики в описанную здесь методологию производства биоугля. Подробная информация о платформе приведена в Дополнительной информации (Дополнительный файл 1).
В то время как несколько конструкций печей с пламенными колпачками с открытым исходным кодом изготавливаются частными лицами для собственного использования21, насколько нам известно, в настоящее время существует только одна печь для обжига колпачков емкостью более одного кубического метра, которая массово производится для продажи в Северной Америке, Ring of Fire Kiln22. Легкая, портативная печь для обжига колпачков, предназначенная для легкой мобильности с помощью ручных бригад. Печь состоит из внутреннего кольца, состоящего из шести листов низкоуглеродистой стали, скрепленных вместе. Наружное кольцо, состоящее из стали меньшего калибра, крепится болтами к кронштейнам, которые удерживают внутреннее кольцо вместе. Наружное кольцо служит тепловым экраном, который удерживает тепло для повышения эффективности. Верхняя часть печи открыта для воздуха, и именно здесь образуется колпак пламени. Воздух, проходящий вверх через кольцевой зазор между корпусом основной печи и теплозащитным экраном, подает предварительно нагретый воздух для горения в печь, что еще больше повышает эффективность горения (Рисунок 1)

Рисунок 1: Схема, показывающая расход воздуха, характеристики пламени и накопление угля в печи Ring of Fire. Противоточный воздух для горения вытягивает дым в горячую зону, где он сгорает. Воздух, проходящий через кольцевой зазор между основным корпусом печи и теплозащитным экраном, подает предварительно нагретый воздух для горения в печь, что еще больше повышает эффективность горения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Диаметр печи составляет 2,35 м, образуя цилиндр высотой один метр при общем объеме 4,3 м3 . На практике печь никогда не заполняется полностью доверху, поэтому типичная производственная партия заполняет печь от 1/2 до 3/4 для объема биоугля от 2 до 3 кубических метров.
Поскольку печь Ring of Fire представляет собой стандартизированную конструкцию, она была принята в качестве первой сертифицированной технологии для использования в методологии компонентов CM002, которая обеспечивает стандартизированные процедуры для количественной оценки преимуществ парниковых газов (ПГ). Этапы измерения и сбора данных, отвечающие требованиям CM002, включены в метод. Отчетность осуществляется через приложение для смартфона, отвечая на короткие анкеты на протяжении всего процесса и загружая фотографии и видеоклипы в мобильное приложение.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этой методологии используется приложение для смартфонов Ikhala (далее — приложение D-MRV; Содержание материалов) для доступа к платежам за удаление углерода, полевым измерениям и цифровому мониторингу, отчетности и проверке.
1. Сбор сырья и подтверждение пригодности
2. Сборка, загрузка и розжиг печи
3. Подача и уход за печью
4. Финишная обработка, тушение и измерение биоугля
Хорошо организованная и внедренная партия биоугля с использованием печи Ring of Fire позволит произвести 2-3м3 биоугля за 4-5 часов горения. Использование методологии компонентов CM002 и запись параметров сжигания в приложении D-MRV предназначены для того, чтобы позволить сертифицированному верификатору подтвердить объем производства биоугля партии и качество биоугля. Более подробная информация о методологии представлена в Дополнительной информации (Дополнительный файл 1).
Здесь перечислены точки проверки процесса для типичной партии биоугля, изготовленного в печи Ring of Fire (Рисунок 2). В таблице 1 приведены типичные значения, измеренные в полевых условиях или определенные с помощью верификации.
1. Сообщить о типе исходного сырья.
2. Размер исходного сырья: изображение штабеля сырья с линейкой.
3. Влажность сырья: одно изображение, показывающее показания влагомера от самого большого куска каждого вида сырья.
4. Зажигание: Одно 30-секундное видео, показывающее начало горения печи и записывающее время запуска. На видео видно, что образовалась сильная пламенная шапка.
5. Проверка температуры производства на основе наличия пламени: три видео 30-х годов показывают сильное присутствие пламени во время горения.
6. Объем биоугля: три изображения измерительной палочки в печи, чтобы показать высоту уровня угля в печи в трех местах. Измеренные расстояния от верхней части печи до угольника усредняются до одного значения для расчетов.
7. Насыпная плотность: одно изображение весов, показывающее пустой вес ведра. Три изображения весов, показывающие вес угля и ведра. Уголь берется из 3-х мест в печи. Для расчетов три измерения веса усредняются до одного значения

Рисунок 2: Инфографика, показывающая точки верификации процесса. Точки проверки процесса для типичной партии биоугля, изготовленной в печи Ring of Fire. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
| Точка данных #1 | Точка данных #2 | Точка данных #3 | |
| Виды сырья | сосна 50% | пихта 50% | |
| Показания влагомера | 19% | 23% | |
| Объем пустого цилиндра печи | 4,3м3 | ||
| Высота цилиндра печи | 1 м | ||
| Высота уровня обжига в печи | 60 см | 61 см | 59 см |
| Вес тары 7 литрового ведра | 0,6 кг | ||
| Вес ковша с углем | 1,8 кг | 1,9 кг | 2,0 кг |
| База данных по содержанию углерода в угле | 86.8% | ||
| Коэффициент углеродной стабильности | 0.74 |
Таблица 1: Репрезентативные значения, используемые для проверки результатов производства и параметров обработки для типичной партии биоугля, произведенного в печи для обжига биоугля Ring of Fire.
Используя эти контрольные точки, верификатор определяет, что биоуголь был изготовлен из соответствующего сырья и при температуре выше 600 °C, чтобы соответствовать требованиям методологии CM002 Component для долгосрочной стабильности. Это позволяет применять к партии биоугля коэффициент стабильности углерода 0,74 для 100-летнего постоянства. Для определения объема партии биоугля верификатор использует объем пустой печи, проверенный идентификационной биркой печи (4,3м3) и высоту уровня обуглива в печи (1 м - 0,4 м = 0,6 м). Так как печь заполнена на 60%, объем угля составляет 0,6 х 4,3м3 = 2,6м3. Затем верификатор рассчитывает насыпную плотность биоугля на основе измерений в ведре. Вычитание веса ведра 0,6 кг из каждого измерения дает значения 1,2 кг, 1,3 кг и 1,4 кг, которые в среднем составляют 1,3 кг/7 л. Это эквивалентно 185,7 кг/м3. Таким образом, сухая масса произведенного биоугля составляет (185,7 кг/м3) x (2,6м3) = 483 кг.
Верификатор может взять содержание углерода в биоугле из базы данных или, в данном случае, из простого лабораторного теста, который подтвердил содержание углерода в 86,8% из партии смешанной древесины хвойных пород, произведенных в печи Ring of Fire в округе Сонома, штат Калифорния, в 2021 году. Испытание было проведено Control Laboratories в Уотсонвилле, штат Калифорния,23. Применяется коэффициент стабильности углерода, равный 0,74. Таким образом, содержание стабильного органического углерода в сухом весе для биоугля определяется массой биоугля, содержанием в нем органического углерода и 100-летним коэффициентом стабильности для конечного значения (483) x (0,868) x (0,74) = 310,2 кг стабильного углерода. Чтобы получить окончательную величину удаления углерода, вычитается проектная утечка и применяется соответствующий запас прочности вместе с коэффициентом пересчета из твердого углерода в углекислый газ, как описано в Дополнительном файле 1. Сертифицированная степень удаления биоугля зависит от окончательной проверки того, что биоуголь был нанесен на почву или компост и не сгорел или иным образом не окислен.
Дополнительный файл 1: Подробная информация о методологии и расчетах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Автор Келпи Уилсон является изобретателем и производителем печи для обжига биоугля Ring of Fire. Автор Вихан Беккер является совладельцем компании African Data Technologies (Pty) Ltd., разработчика методологии компонентов CM002 и платформы отчетности Ikhala D-MRV.
Новые методы утилизации подсечных отвалов в лесном хозяйстве производят пирогенный углерод для восстановления здоровья лесных почв, а также для удаления и секвестрации углерода. Здесь мы представляем метод производства биоугля, объединяющий новую методологию учета удаления углерода и цифровое приложение.
Большое спасибо Инициативе по биоуглю США и Лесной службе Министерства сельского хозяйства США за спонсирование и поддержку сети Biochar in the Woods для обмена информацией между различными практиками, которые изобретают и совершенствуют методы производства и использования биоугля для управления окружающей средой и смягчения последствий изменения климата.
| Цифровые подвесные весы | AvaWeigh | HSD40 | 44 фунтовые весы для взвешивания производства |
| Ikhala приложение для смартфона | AD Tech | Н/Д | скачать с Android или Apple App Store |
| Металлическая линейка | Azbvek | ZG0044-новый | Нержавеющая сталь 100 см Линейка |
| Кольцо огня Печь для обжига | Wilson Biochar | ROF 1.2 | Панельная печь для обжига пламени с теплозащитным экраном |
| Smart телефон | любой | н/д | должен использовать либо I-OS, либо операционную систему Android |
| Стальное ведро - 7 литров | Ведро из оцинкованной стали Behrens | 120GS | Хозяйственное ведро |
| Измеритель влажности древесины | Общие инструменты | MMD4E | Цифровой влагомер, контактный тип с ЖК-дисплеем |