生物炭：一种可持续的土壤改良剂和碳封存材料

生物炭：一种可持续的土壤改良剂和碳封存材料

生物炭

生物炭是由生物质在缺氧条件下通过热解产生的高碳固体物质，常被用作土壤改良剂，具有碳封存和改善土壤健康等多重效益。作为一种稳定且富含碳的物质，生物炭能在土壤中存留数千年。目前，科研人员正在研究将生物炭作为固碳手段，以期缓解全球变暖和气候变化。这一过程与热解碳捕获和储存（PyCCS）技术密切相关。

国际生物炭倡议将生物炭定义为“在氧气受限的环境中通过生物质的热化学转化获得的固体材料”。研究表明，生物炭能有效改善酸性土壤（低pH值土壤）的肥力，提升农业生产力，并为作物提供防护，抵御某些叶面和土壤传播的病害。

生物炭的生产

生物炭是一种高碳、细颗粒的残留物，目前主要通过现代热解工艺制备。该工艺在缺氧条件下对生物质进行直接热分解（防止燃烧），产生固体（生物炭）、液体（生物油）和气体（合成气）的混合产物。热解的产率受工艺条件（如温度、停留时间和加热速率）的影响。例如，温度在400-500°C时有利于生成更多生物炭，而超过700°C则更利于液体和气体燃料的生成。在更高的温度下，热解过程会更快，通常只需几秒钟。当温度在350-600°C范围内时，提高加热速率会导致生物炭产量下降。典型的产率分布为：60%生物油、20%生物炭和20%合成气。相比之下，缓慢热解可产生更多生物炭（约35%），这有助于提升土壤肥力。

除热解外，烘焙和水热碳化过程也能将生物质转化为固体物质，但这些产品不能严格定义为生物炭。烘焙过程中的碳产物仍含有一些挥发性有机成分，其性质介于生物质原料和生物炭之间。水热碳化虽能产生富碳固体，但与传统热转化过程有显著差异，因此其产物被称为“水焦”而非“生物炭”。

亚马逊地区的坑/沟法在生产过程中会释放大量CO2和其他温室气体，尽管其排放量少于生物质生长过程中所捕获的温室气体。商业规模的系统通常会处理农业废物、纸浆副产品甚至城市固体废物，并通过捕获和使用液体和气体产品来减少副作用。在大多数情况下，生物炭的生产并非首要目标。

集中式、分散式和移动系统

生物炭的生产系统可分为集中式、分散式和移动式三种类型。集中式系统将一个区域内的所有生物质集中到中央工厂（如以生物质为燃料的热电站）进行处理。分散式系统则由每个农民或一组农民经营技术含量较低的窑炉。移动式系统则配备了热解器的卡车，可以从一个地方移动到另一个地方进行生物质热解。车辆动力来自合成气，而生物炭则留在农场。生物燃料会被送到炼油厂或存储站点。选择不同系统类型时需要考虑的因素包括液体和固体副产品的运输成本、要处理的材料量以及直接接入电网的能力。

用于制造生物炭的常见生物质原料包括各种树种以及特定的能源作物，如纳皮尔草等，这些作物能在较短时间内存储更多碳。

对于非专门用于生物炭生产的农作物，其残留物与产品之比（RPR）和收集因子（CF）可用于评估可用于热解的原料量。例如，巴西每年收获约4.6亿吨甘蔗，RPR为0.30，甘蔗皮的CF为0.70，通常在田间燃烧。这相当于每年约100万吨的残留物，可以进行热解以产生能量和土壤添加剂。加入蔗渣（蔗糖废料）（RPR = 0.29 CF = 1.0），否则会在锅炉中燃烧（效率低下），使热解原料总量增加至230万吨。但需要注意的是，部分植物残渣必须保留在土壤中，以避免增加成本和氮肥的排放。

用于处理松散和叶状生物质的热解技术可产生生物炭和合成气。

热催化解聚

近年来，利用微波的“热催化解聚”技术在工业规模上被用来高效地将有机物转化为生物炭，产率可达50%。

生物炭的属性

生物炭的物理和化学性质由原料和技术决定，这对生物炭在工业和环境中的应用至关重要。通过不同的表征数据可以评估生物炭在特定用途中的性能。例如，国际生物炭倡议发布的指南提供了评估用于土壤的生物炭产品质量的标准化方法。生物炭的性质可以从多个方面进行表征，包括元素组成、pH值、孔隙率等。生物炭的原子比（如H/C和O/C）与其有机物含量（如极性和芳香性）相关。van-Krevelen图可用于显示生产过程中生物炭原子比的演变。在碳化过程中，由于释放出含有氢和氧的官能团，H/C和O/C比率均会下降。

直接和间接利益

• 森林或农业来源的生物质残留物的热解可产生生物燃料，且不会与作物生产竞争。
• 生物炭作为热解副产物，可耕作到农田的土壤中以增强其肥力和稳定性，并用于中长期固碳。这意味着热带土壤的显着改善，对增加土壤肥力和改善西欧土壤的抗病性具有积极作用。
• 生物炭增强了自然过程：生物圈捕获二氧化碳。尤其是通过植物生产，但只有一小部分在相对较长的时间内被稳定地隔离（土壤、木材等）。
• 生物质生产以获取生物燃料和生物炭用于固碳在土壤中是一个碳负过程，即更多的CO2从大气中除去后再释放，因此可以长期隔离。