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。