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为解决农业残渣管理温室气体（GHG）排放高、现有生物炭系统难以合规处理多原料等难题，研究人员设计并评估了一套集成的并行生物炭生产系统。该研究以利兹大学研究农场为案例，进行了生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）。结果表明，该系统年产能达300吨生物炭，固碳350吨CO2e，并将粪便管理排放降低75%。研究为农场规模生物炭部署提供了一个新颖、合规且可扩展的系统框架，量化了成本、碳移除与设计决策之间的权衡关系，对推动农业部门脱碳具有重要意义。
为了实现2050年净零排放目标，英国农业部门正面临越来越大的减排压力。其中，粪便管理就贡献了该部门近10%的温室气体排放，而秸秆等作物残渣的管理也常常效率低下，导致资源浪费或排放失控。生物炭作为一种有前景的工程化温室气体移除途径，通过热解生物质残渣产生稳定的碳封存材料，不仅能固碳，还能减少土壤温室气体排放并增强土壤功能。然而，其广泛应用却受到技术、法规和经济等多重障碍的制约。一个关键限制在于，缺乏既能处理多种原料（如水分含量差异巨大的秸秆和粪便），又能遵守当前英欧法规（禁止将混合原料生产的生物炭施用于土地）的系统设计。此外，小规模系统高昂的资本和运营成本也让许多农民望而却步。尽管此前已有研究通过生命周期评估和技术经济分析揭示了生物炭的固碳潜力，但鲜有研究提出一种在合规前提下实现原料分离、提升能源效率的综合性农场级生物炭生产系统框架。因此，这项研究应运而生，旨在探究一种既合规又能在真实农场条件下实现环境与经济双赢的生物炭生产方案。
本研究主要应用了生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）相结合的系统工程方法。研究以英国利兹大学研究农场（包含230公顷耕地和超过6000头猪）为具体案例，采用“从摇篮到坟墓”的系统边界，对提出的并行生物炭生产系统与现有管理实践进行了对比评估。通过建立详细的生命周期清单和基于小时分辨率的过程能量模型，量化了系统的温室气体排放、碳封存以及能量平衡。同时，采用指数回归法对商业设备数据进行缩放，估算了系统的资本与运营成本，并进行了敏感性分析以识别关键影响因素。
3.1 环境影响结果
通过对比参考情景（RF，现有管理）与生物炭利用情景（RB，提出系统），研究发现所提出的并行生物炭生产系统能在农场层面实现净负温室气体排放。这一显著环境效益主要源于三个方面：首先，系统处理了粪便中75%的干物质，从而将粪便管理排放减少了约75%。其次，生物炭生产实现了显著的碳封存，其封存量相当于RF情景总排放量的39%。最后，系统产生的余热被用于满足农场的供热需求，额外避免了29吨CO2e的排放。与生物炭的碳封存量相比，系统运行本身产生的排放相对较小，仅占封存总量的15%，且其中99.8%来自电力消耗。
3.2 经济影响结果
经济分析显示，与RF情景近乎为零的成本相比，RB情景需要每年218，055英镑的巨额投资。结合环境效益计算，系统的碳减排成本约为每吨CO2e 226英镑，生物炭的生产成本约为每吨754英镑。成本构成中，年化资本支出（CAPEX）占比最高（38%），其次是运营支出（OPEX，32%）和能源消耗成本（30%，其中电力占99%）。在CAPEX中，热解设备、脱水设备和干燥机分别贡献了63%、32%和5%。
3.3 敏感性分析
敏感性分析指出，秸秆产量是影响系统性能（生物炭单位成本和碳减排单位成本）的最主要因素，其5%的波动会导致碳减排成本约3.5%的变化。其他因素如生物炭产率、脱水后粪便厚馏分的干物质含量、设备成本和电力消耗的影响相对较小。分析还特别探讨了在秸秆产量不足导致热量短缺时的三种应对策略：外购秸秆、减少粪便处理量和用电补足热量缺口。结果表明，外购秸秆策略在环境效益和单位成本方面均表现最优。
3.4 作物轮作的影响
基于农场2021至2028年的轮作计划，研究模拟了秸秆供应的年际波动。结果显示，秸秆产量最高年份（2021）比最低年份（2023）高出约三分之一。这导致生物炭产量、年温室气体减排量以及相应的单位成本均随秸秆供应量大幅波动。系统性能主要受秸秆总供应量驱动，而非特定秸秆种类（小麦、大麦、油菜籽）的组成差异。扩大生产规模（通过提高秸秆供应）可显著提升系统的环境效益和经济可行性。
3.5 单位面积秸秆产量的影响
进一步使用英国全国平均秸秆产量进行模拟发现，在八年中有五年会出现热量短缺，无法满足粪便线的干燥需求。这凸显了在低秸秆产量条件下系统的能源风险。同样，外购秸秆被证明是应对此类短缺最有效的策略，能维持最高的环境效益和最低的单位减排成本。
4.1 生命周期解释
讨论部分指出，尽管该系统的碳减排成本（￡226/t CO2e）仍高于当前碳价（约$90/t CO2e）和英国温室气体移除政策报告中的建议成本，但其展示了农场级生物炭生产的巨大环境潜力。成本构成分析揭示了显著的优化空间：采用模块化建造、优化供应链可降低资本支出；由农场主直接操作可削减约29%的运营成本（主要来自劳动力）；未来使用农场自产可再生能源供电则可降低电力相关的环境和财务成本。将系统扩展为多农场合作社模式，能够缓冲秸秆供应的年际波动，提高规模经济和能源效率，是提升经济可行性的重要路径。
4.2 区域电力碳强度的影响
研究评估了英国不同地区电网碳强度对系统生命周期温室气体减排量的影响。尽管存在区域差异，但所有地区每年都能实现约1000吨CO2e的减排量，表明该系统在全国范围内都具有环境有效性。其中，可再生能源占比高的东北地区，其减排潜力比占比低的西南地区高出约5.6%。随着电网持续脱碳，该系统的气候效益将进一步提升。
4.3 提高经济可行性的途径
讨论强调了所提出的并行生产模型在应对法规限制（原料分离处理）和实现能源整合（余热利用）方面的创新性。解决小规模生产经济可行性的关键在于：技术优化（如模块化设计）、运营模式创新（如农场主自运营、多农场合作）以及可能的政策激励（如将英国排放交易体系碳价计入收益）。多农场合作模式不仅能稳定原料供应、提高产能利用率、降低单位成本，还能产生更多余热用于本地能源需求，增强系统韧性。
4.4 跨农场类型和规模的适用性
该模型的适用性取决于农场的残渣构成、水分管理选项、现场热需求及获取补充残渣的能力。以种植业为主的农场（秸秆丰富）运行成本较低；种养平衡的农场能从运营互补性中获益；以畜牧业为主的农场（粪便多、水分高）可能需要外购秸秆，成本较高。研究表明，根据本地残渣概况和热需求调整反应器规模、预处理和热集成方案，该模型可适用于不同类型的农场。对于残渣供应不稳定或不足以维持全年运行的单个农场，采用合作配置是更优选择。
5 结论
本研究以利兹大学研究农场为案例，开发并评估了一套集成生物炭生产系统。该系统创新性地采用并行生产模型，分离处理秸秆和粪便以确保合规，同时实现了跨生产线的热回收与整合，为农场级生物炭部署提供了一种实用且适应性强的解决方案。研究证明，即使在230公顷的小型农场，该系统每年也能生产约300吨生物炭，减少约1000吨CO2e排放，其中粪便管理排放降低75%，并通过余热利用额外避免30吨CO2e排放。尽管当前碳减排成本（￡226/t CO2e）较高，但敏感性分析和讨论揭示了通过技术优化、运营模式创新（如多农场合作）和政策支持大幅降低成本的清晰路径。该研究通过耦合系统设计与农场尺度的生命周期评估和技术经济分析，为不同农场类型和规模提供了配置指南，其模块化架构可从单农场安装扩展到合作中心，从而提高产能利用率、降低单位成本并增强应对残渣年际波动的韧性。
