Войти
Кусок биоугля 
Меньшие гранулы biochar 
Biochar после производства в большой куче Biochar - это древесный уголь, который производит пиролизом биомассы, но в отсутствие кислорода и используется в качестве мелиоранта для улучшения состояния почвы и улучшения состояния почвы. Биочар - это стабильное твердое вещество, богатое углеродом и способное оставаться в почве в течение тысяч лет. Biochar исследуется как средство связывания углерода, и он может быть средством смягчения последствий глобального потепления и изменения климата. Он является результатом процессов, связанных с пирогенным улавливанием и хранением углерода (PyCCS).
Biochar может увеличить плодородие почвы из кислых почв (низкий pH почвы), повышают продуктивность сельского хозяйства и защиту некоторых листовых и почвенных болезней. Что касается определения в производстве, biochar определяется как «твердый материал, полученный в результате термохимического преобразования биомассы в среде с ограниченным содержанием кислорода».
Слово «biochar» - это английский неологизм конца 20 века, образованный от греческого слова βίος, bios, «life » и «char » (продукт карбонизации биомассы, как древесный уголь ). Это просто древесный уголь, но он используется в определенных приложениях.
Доколумбийцы амазонцы производили биоуголь путем тления сельскохозяйственных отходов (т. Е. Прикрытия горящей биомассы почвой) в ямах или траншеях. Неизвестно, они намеренно использовали биоуголь для повышения продуктивности почвы. Европейские поселенцы назвали его terra preta de Indio. После наблюдений и экспериментов группа исследователей, работающая во Французской Гвиане, выдвинула гипотезу, что амазонский дождевой червь был основным агентом тонкого измельчения и включения обломков древесного угля в минеральную почву.
Biochar - это высокоуглеродистый мелкозернистый остаток, который в настоящее время получает с помощью современных процессов пиролиза ; это прямое термическое разложение биомассы в отсутствие кислорода (предотвращение горения ), в результате которого образуется смесь твердых веществ (собственно биоугля), жидкости (бионефть ) и газ (синтез-газ ). Конкретный выход от пиролиза зависит от условий процесса, таких как температура, время пребывания и скорость нагревания. Эти параметры можно оптимизировать для производства энергии или биоугля. При температуре 400–500 ° C (673–773 K) образуется больше полукокса, в то время как температура выше 700 ° C (973 K) способствуют выходу компонентов жидкого и газового топлива. Пиролиз происходит быстрее при более высоких температурах, обычно требуя секунд, а не часов. Увеличение скорости также приводит к снижению выхода пиролизного биоугля, при этом температура находится в диапазоне 350–600 ° C (623–873 K). Типичные выходы составляют 60% бионефти, 20% биочара и 20% синтез-газа. Для сравнения, при медленном пиролизе можно получить значительно больше полукокса (≈35%); это способствует наблюдаемому плодородию почвы terra preta. После инициализации обоих процесса производят чистую энергию. Для типичных вводов энергии, необходимая для работы «быстрого» пиролизера, составляет примерно 15% от энергии, которую он выводит. Современные пиролизные установки могут использовать синтез-газ, полученный в процессе пиролиза, и вырабатывать в 3–9 раз больше энергии, чем требуется для работы.
Помимо пиролиза, торрефикация и гидротермальная карбонизация Процесс также может термически разложить биомассу на твердый материал. Однако эти продукты нельзя определять как biochar. Углеродный продукт процесса торрефикации все еще содержит некоторые летучие органические компоненты, поэтому его свойства находятся между характеристиками сырья биомассы и биоугля. Кроме того, даже гидротермальная карбонизация может дать богатый углеродом твердый продукт, гидротермальная карбонизация, очевидно, отличается от обычного термической конверсии. Таким образом, твердый продукт гидротермальной карбонизации определяется как «гидрокарбонат», а не «биочар».
Метод амазонской ямы / траншеи не собирает ни бионефти, ни синтез-газа, и выделяет большое количество CO. 2, черного углерода и других парниковых газов ( ПГ) в воздух, хотя парниковых газов меньше, чем улавливается при росте биомассы. Системы промышленного масштаба перерабатывают сельскохозяйственные отходы, побочные продукты бумаги и даже бытовые отходы и обычно устраняют эти побочные эффекты за счет улавливания и использования жидких и газовых продуктов. Производство биоугля продукта в большинстве случаев не является приоритетом.
В централизованной системе вся биомасса в системе доставляется на центральную станцию (т.е. тепловая электростанция, работающая на биомассе ) для переработка в biochar. В качестве альтернативы, каждый фермер или группа фермеров могут использовать менее технологичную печь. Наконец, грузовик, оснащенный пиролизером, может перемещаться с места на место для пиролиза биомассы. Энергия транспортных средств поступает из потока синтез-газа, в то время как biochar остается на ферме. Биотопливо отправляется на нефтеперерабатывающий завод или на склад. Факторы, влияющие на выбор типа системы, включают стоимость транспортировки жидких и твердых побочных продуктов, количество обрабатываемого материала и возможность подачи питания непосредственно в электросеть.
наиболее распространенными культурами, используемым для производства биоугля, различными видами деревьев, а также различными энергетическими культурами. Из этих энергетических культур (например, трава Нэпиер ) также могут накапливать некоторые больше углерода за более короткие промежутки времени, чем деревья.
Для культур, которые предназначены исключительно для производства биоугля, Отношение остатка к продукту (RPR) и коэффициент улавливания (CF) процент остатка, не использованного для других целей, измеряют приблизительное количество материалов, которое может быть получено для пиролиза после сбора первичного продукта. Например, Бразилия ежегодно собирает около 460 миллионов тонн (MT) сахарного тростника с RPR 0,30 и CF 0,70 для ботвы сахарного тростника, которые обычно сжигаются в поле. Это означает, что ежегодно образует примерно 100 тонн остатков, которые можно подвергнуть пиролизу для получения энергии и почвенных добавок. Добавление жмыха (отходы сахарного тростника) (RPR = 0,29 CF = 1,0), который в результате уничтожается (неэффективно) в котлах, увеличивает общее количество материалов до 230 тонн. Однако некоторые растительные остатки должны оставаться на почве, чтобы избежать увеличения затрат и выбросов азотных удобрений.
Технологии пиролиза для обработки рыхлой и листовой биомассы производят как биочарк, так и синтез-газ.
В качестве альтернативы, «термокаталитическая деполимеризация», которая использует микроволны, недавно была использована для эффективного преобразования органического вещества в биоуголь в промышленных производственных масштабах, я ≈50 % полукокса.
Физические и химические свойства биочаров, определяемые сырьем и технологиями, имеют решающее значение для применения биохаров в промышленности и окружающей среде. Для биочаров используются различные характеристики, которые определяют их характеристики при конкретном использовании. Например, руководство, опубликованное инициативой по биочагу, предоставляет стандартизированные методы оценки качества продукта biochar для внесения в почву. Свойства biochar можно охарактеризовать по нескольким параметрам, приблизительный и элементный состав, значение pH, пористость и т. Д., Которые коррелируют с различными свойствами biochar. Атомные отношения biochar, включая H / C и O / C, коррелируют со свойствами biochar, которые имеют отношение к органическому содержанию, такой как полярность и ароматичность. Диаграмму Ван-Кревелена можно показать для демонстрации эволюции атомных материалов биоугля в процессе производства. В процессе карбонизации соотношение H / C и O / C уменьшилось из-за высвобождения функциональных групп, настроенных водород и кислород.
При сжигании и языковом разложении биомассы выделяются большие количества двуокиси углерода и метана в атмосфере Земли. В процессе производства биоугля также выделяется CO2 (до 50% биомассы); однако оставшееся содержание углерода стабильно бесконечно. Biochar представляет собой стабильный путь в земле на протяжении веков, снижая или останавливая рост уровней парниковых газов в атмосфере. Одновременно его присутствие в земле может улучшить качество воды, повысить плодородие почвы, повысить продуктивность сельского хозяйства и снизить нагрузку на старовозрастные леса.
Biochar может связывать в почве от сотен до углерода тысяч лет, как уголь. Такая углеродно-отрицательная технология к чистому изъятию CO 2 из атмосферы с производством потребляемой энергии. Этот метод пропагандируется такими учеными, как Джеймс Хансен, глава Института космических исследований имени Годдарда НАСА, и Джеймс Лавлок, создатель Гипотеза Гайи, для смягчения последствий глобального потепления посредством восстановления парниковых газов.
Исследователи подсчитали, что устойчивое использование биоугля может снизить глобальные чистые выбросы двуокиси углерода (CO. 2), метан и закись азота на значение до 1,8г CO. 2-С эквивалент (CO. 2-Ce) в год (12% от текущего антропогенного CO. 2-Ceвыбросы), а общие чистые выбросы в течение следующего столетия на 130 Пг CO. 2-Ce, не подвергается опасности Продовольственная безопасность, среда среды обитания или Сохранение почвы.
Biochar в подготовки в качестве поправки для почвы Biochar признан предлагающим ряд почвы преимуществом. Обнаружено, что чрезвычайно пористая природа biochar эффективно удерживает воду и водорастворимые питательные вещества. Биолог почв Элейн Ингхэм указывает на исключительную пригодность биочара в качестве среды среды обитания для многих полезных почвенных микроорганизмов. Она отмечает, что при предварительном использовании этих методов работы организмами biochar становится эффективным средством для улучшения состояния, в свою очередь, здоровья растений.
Biochar также снижает выщелачивание E-coli через песчаные почвы в зависимости от нормы внесения, материалов, температуры пиролиза, содержания влаги в почве, текстуры почвы и свойств поверхности бактерий..
Для растений, которым требуется высокий калий и повышенный pH, биочар можно использовать в качестве почвенной добавки для повышения урожайности.
Biochar может улучшить качество воды, снизить выбросы в почву парниковых газов, уменьшить вымывание питательных веществ, снизить кислотность почвы и снизить орошение и удобрения. Было также обнаружено, что при определенных биочарных заболеваниях вызываются возбудители грибковых заболеваний, вызываемые почвенными патогенами.
Различные воздействия биочара могут зависеть от свойств биочара, так как а также отсутствует применяемое количество, и все еще информация о важных механизмах и свойствах. Воздействие Biochar может зависеть от местных условий, включая тип почвы, состояние почвы (истощенная или здоровая), температура и влажность. Небольшие добавки биоугля в почву сокращают выбросы закиси азота N. 2O на 80% и устраняют выбросы метана, которые являются более сильными парниковыми газами, чем CO. 2.
Исследования показали положительный эффект от biochar на растениеводство на деградированных и бедных питательных веществ почвах. Внесение компоста и биоугля в рамках проекта FP7 FERTIPLUS оказало положительное влияние на влажность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур в разных странах. Biochar может быть разработан с особыми качествами, чтобы воздействовать на различные свойства почв. В почве колумбийской саванны biochar уменьшил вымывание важнейших питательных веществ, повысил потребление питательных веществ растительными веществами и обеспечил большую доступность питательных веществ в почве. При уровне 10% biochar уровни загрязнения веществ в растениях до 80%, одновременно снижающее общее содержание хлордана и DDX в растениях на 68 и 79% соответственно. С другой стороны, из-за своей высокой адсорбционной способности biochar может снизить эффективность применяемых в почве пестицидов, которые используются для борьбы с сорняками и вредителями. Биохар с большой площадью поверхности может быть особенно проблематичным в этом отношении; необходимы дополнительные исследования долгосрочных эффектов добавить биочара в почву.
Переход от косой черты к Использование подсечно-огневых методов в Бразилии может уменьшить как обезлесение бассейна Амазонки, так и выбросы углекислого газа, а также повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Подсечь и сжигание оставляет только 3% углерода из органического материала в почве.
Подсечно-обугливание может удерживать до 50% углерода в очень стабильной форме. Возврат биоугля в почву вместо его полного удаления для производства энергии снижает потребность в азотных удобрениях, тем самым снижая затраты и выбросы от производства и транспортировки удобрений. Кроме того, улучшенная способность почвы к обработке, ее плодородие и материалы, повышающие качество материалов, повышающие качество почвы, быстро истощенные питательные вещества, вынуждая фермеров покидать поля, производя непрерывную рубку и цикл горения и продолжающуюся потеря тропических лесов. Использование пиролиза для производства биоэнергии также имеет дополнительное преимущество, так как не требует изменений инфраструктуры способа обработки биомассы для получения целлюлозного этанола. Кроме того, произведенный biochar может использовать используемую в настоящее время техники для обработки почвы оборудования, используемого для внесения удобрений.
Биочар гигроскопичен. Таким образом, это желательный почвенный материал во многих местах из-за его способности притягивать и удерживать воду. Это возможно из-за его пористой структуры и высокой удельной поверхности. В результате питательные вещества, такие как фосфат и агрохимикаты, сохраняются на благо растений. Таким образом, растения становятся более здоровыми, и меньше удобрений выщелачивается в поверхностные или грунтовые воды.
Мобильные Установка пиролиза может использоваться для снижения затрат на транспортировку биомассы, если биоуголь возвращается в почву, а поток синтез-газа используется для процесса питания. Биомасло содержит органические кислоты, которые вызывают коррозию стальных емкостей, имеет высокое содержание водяного пара, вредного для воспламенения, и, если его очистить, содержит некоторые частицы биоугля, которые блокируют форсунки. В настоящее время он менее пригоден для использования в качестве разновидности биодизеля, чем другие источники.
Если биоуголь используется для производства энергии, а не для улучшения почвы, он может быть напрямую заменен любым применением, в котором используется уголь. Пиролиз также может быть наиболее рентабельным способом производства электроэнергии из биоматериалов.
A Фермер из Западной Австралии исследовал использование биоугля, смешанного с меласса в качестве сырья корм. Он утверждает, что у жвачных биоуголь может способствовать пищеварению и сокращать производство метана. Фермер также использует навозных жуков для обработки навоза, пропитанного биочаром, в почву без использования техники. Предполагается, что азот и углерод, содержащиеся в навозе, включаются в почву, а не остаются на поверхности почвы, что снижает производство закиси азота и диоксида углерода, которые являются парниковые газы. Затем азот и углерод повышают плодородие почвы. Существуют также данные на ферме о том, что корм привел к улучшению прироста живой массы скота ангусского кросса.
Дуг Поу получил премию правительства Австралии за инновации в области управления земельными ресурсами на церемонии вручения награды Western Australia Landcare в 2019 году Награды за это нововведение. Работа г-на Поу привела к двум дальнейшим испытаниям на молочном скоте, которые показали снижение запаха и увеличение производства молока.
Исследования по аспектам, связанным с пиролизом / биоуглями, ведутся во всем мире. С 2005 по 2012 год было опубликовано 1038 статей, в которых слово «biochar» или «bio-char» было включено в тему, проиндексированную в ISI Web of Science. Дальнейшие исследования проводятся такими разнообразными учреждениями по всему миру, как Корнельский университет, Эдинбургский университет (в котором есть специальное исследовательское подразделение), Университет Джорджии, Организация сельскохозяйственных исследований (ARO) Израиля, Центр вулканических исследований и Университет Делавэра.
Изучено долгосрочное влияние биоугля на почву Улавливание углерода недавнего поступления углерода с использованиемпочвы с пахотных полей в Бельгии. с черными пятнами, обогащенными углем, датируемыми>150 лет назад историческими каменными обжигами для производства древесного угля. Верхний слой почвы из этих «черных пятен» имеет более высокую концентрацию органического углерода [3,6 ± 0,9% органического углерода (ОС)], чем прилегающие почвы за пределами этих черных пятен (2,1 ± 0,2% ОС). Почвы обрабатывались кукурузой в течение как минимум 12 лет, что обеспечивало постоянное поступление C изотопной сигнатурой C (δ13C) −13,1, в отличие от δ13C органического углерода почвы (−27,4 ‰) и древесного угля (−25,7 ‰)). собраны в окрестностях. Изотопные сигнатуры в почве показали, что углерода, полученного из кукурузы, значительно выше в образцах с добавками древесного угля («черные пятна»), чем в соседних образцах без поправок (0,44% против 0,31%; P = 0, 02). Затем собирали верхний слой почвы в виде градиента по двум «черным пятнам» с соседними почвами за пределами этих черных пятен и почвы почвы, а также физическое фракционирование почвы. Уголь не повлиял на общее дыхание почвы (130 дней), но дыхание углерода кукурузы на единицу ОК кукурузы в почве значительно снизилось примерно наполовину (P < 0.02) with increasing charcoal-derived C in soil. Maize-derived C was proportionally present more in protected soil aggregates in the presence of charcoal. The lower specific mineralization and increased C sequestration of recent C with charcoal are attributed to a combination of physical protection, C saturation of microbial communities and, potentially, slightly higher annual primary production. Overall, this study provides evidence of the capacity of biochar to enhance C sequestration in soils through reduced C turnover on the long term. (Hernandez-Soriano et al, 2015 ).
Биочар вызывает вызывает вызовы в почвах из-за его длительного времени, пребывания составляющего от нескольких лет до тысячелетий. Кроме того, биочар может быть минералом непрямой секвестрации углерода за счет увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, понижая минерализацию углерода. Лабораторные исследования подтвердили влияние biochar на C-минерализацию сигнатур изотопа 13C. (Kerre et al, 2016)
Флуоресцентный анализ растворенного органического вещества из почвы, измененной с помощью biochar, показано, что применение biochar увеличивает гуминоподобный флуоресцентный компонент, вероятно, связанный с biochar-углеродом в растворе. Комбинированный подход спектроскопии и микроскопии выявил накопление ароматического углерода в дискретных точках в твердой фазе микроагрегатов и его совместную локализацию с глинистыми минералами для почвы, измененной неочищенным остатком или биочагом. Совместная локализация ароматических C: полисахаридов-C постоянно снижается при применении biochar. Эти данные свидетельствуют о том, что повышенный метаболизм углерода является важным механизмом стабилизации углерода в почве с добавлением биоуглерода (Эрнандес-Сориано и др., 2016)
Студенты Технологического института Стивенса в Нью-Джерси: разработка суперконденсаторов, в которых используются электроды из биоугля. Процесс, который формирующими исследователями Университета Флориды, который удаляет фосфат из воды, также дает газообразный метан, можно использовать в качестве топлива, и насыщенный фосфатами углерода, пригодный для обогащения почвы. Исследователи из Оклендского университета также работают над уменьшением выбросов углерода при производстве и увеличении прочности. Также было предположено, что biochar можно использовать в качестве подходящего наполнителя в полимерной матрице. Недавно были приготовлены биокомпозиты на основе биоугля и крахмала, и его наномеханические свойства были исследованы с использованием передовой динамической атомно-силовой микроскопии.
Исследования и практические исследования потенциала биоугля для грубых почв в полузасушливых и деградированных экосистемах продолжаются. В южноафриканской стране Намибия биочар изучается в качестве меры в рамках адаптации к изменению климата, усиливая устойчивость местных сообществ к засухе и Продовольственную безопасность за счет местного производства и применения biochar из обильной вторгающейся биомассы.
Если биомасса пиролизируется до biochar и возвращается в почву, а не полностью сжигается, это может снизить выбросы углерода. Потенциально биоэнергетическая промышленность может быть даже вынуждена изолировать чистый пластик. Пиролиз может быть рентабельным для комбинации долларов секвестрации и производства энергии, когда стоимость. 2тонны CO достигает 37. может помочь упростить его за счет использования других производителей энергии из биомассы не имеют ни мотивации для производства биоугля, ни мотивации для его производства (внедрение производства биоугляит меньше энергии для производства электроэнергии).
Текущие проекты по производству биоугля не оказывают существенное влияние на общий глобальный внутренний бюджет, хотя расширение этого метода пропагандируется как подход геоинженерии. В мае 2009 года Biochar Fund, небольшая «общественная коммерческая организация», получила грант от проекта в Центральной Африке по одновременному замедлению обезлесения, увеличение Продовольственная безопасность других сообществ, обеспечение возобновляемой энергией и улавливание углерода. Хотя некоторые фермеры сообщили о лучших урожаях кукурузы, проект завершился досрочно без значительных результатов и обещания, данные фермерам, не были выполнены.
Нормы внесения 2,5–20 тонн на гектар (1,0–8,1 т / акр) кажутся потребуются для значительного повышения урожайности растений. Стоимость биочара в развитых странах колеблется от 300 до 7000 долларов за тонну, что обычно слишком дорого обходится. В стране ограничения в отношении сельскохозяйственного биоугля больше связаны с доступностью биомассы и временем производства. Альтернативой является использование большего количества удобрений.
Различные компании в Северной Америки, Австралии и Англии продать единицу производства биоугля или биоугля. В Швеции «Стокгольмское решение» - это городская система посадки деревьев, которая используется 30% биоугля для поддержки здорового роста городского леса. В Qatar Aspire Park теперь используется biochar, чтобы помочь деревьям справиться с сильной жарой летом.
На Международной конференции Biochar в 2009 году была представлена мобильная установка пиролиза с заданным потреблением 1000 фунтов 450 кг для сельскохозяйственных приложений. Блок длины 12 футов и высоты 7 футов (3,6 м на 2,1 м).
Открыто производственное предприятие в Данлэпе, штат Теннесси от Mantria Corporation в августе 2009 года после тестирования и первого запуска, позже был остановлен в рамках расследования схемы Понци.
Экологический портал 