美国玉米带利用农业废弃物开展农户规模生物炭生产的技术经济分析：三种低成本窑炉结构的对比研究

《Bioresource Technology》：Techno-economic analysis of farmer-scale biochar production from agricultural residues in the U.S. Corn Belt: A comparison of three low-cost kiln architectures

　　

• 通过技术经济分析（TEA）对三种农户级生物炭窑炉进行了比较。
• 三种窑炉类型的最低售价（MSP）范围为1.74–3.06 美元/千克。
• 劳动力占成本的95%以上；资本占3%以下，是次要的经济杠杆。
• 间接加热焙烧窑通过将每劳动小时生物炭产出量提高80%来降低成本。
• 在10,000次抽样的蒙特卡洛模拟中，99.9%的情况下成本排名保持不变。

**引言**

生物炭是一种通过在缺氧条件下热解生物质而产生的富碳固体，可以改善土壤结构、保水能力和作物产量，同时在数十年至数百年的时间尺度上固碳，具体取决于原料和热解条件（Author details removed for double-blind review, 2025, Patel and Panwar, 2023, Jeffery et al., 2017, Lehmann and Joseph, 2015, Woolf et al., 2010, Spokas, 2010）。在美国，自愿碳市场和不断增长的特种土壤行业正在为生物炭创造商业需求，而美国中西部——生产全国超过30%的大田作物残余物（美国农业部国家农业统计服务局，2024年）——是一个战略性的原料产区。印第安纳州玉米和大豆农场上的作物残余物管理仍以田间分解为主，或较少情况下焚烧，两者都仅将其中一小部分碳归还到长寿碳库中（Lal, 2005）。将这些残余物的一小部分在农场就地转化为生物炭，可以开辟一条平行的收入渠道，并改变耕作系统的长期碳平衡；然而，净效应取决于因移除残余物而损失的土壤有机碳，本文未对此加以解决（Prateep Na Talang et al., 2024, Blanco-Canqui and Lal, 2009）。

生物炭生产已经出现了两大类部署模式。大型集中式热解工厂热效率高、产品一致性好，但其经济性取决于原料运输成本和资本密集度。针对美国集中式系统的技术经济分析（TEA）报告称，根据工厂规模和联产品不同，最低售价（MSP）范围为每兆克几百到几千美元不等（Sahoo et al., 2021, Campbell et al., 2018, Brown et al., 2011, Roberts et al., 2010）。在另一个极端，低资本投入的农户级"手工"窑炉在残余物产地运作，消除了原料运输需求，也无需专门的公用设施。火焰幕墙式Kon-Tiki概念（Namaswa et al., 2023, Cornelissen et al., 2016, Schmidt and Taylor, 2014）之所以在国际上广泛传播，正是因为其资本成本仅几百美元的量级，并且可以使用公开出版的施工图纸，就地用标准钢板制造（South Umpqua Rural Community Partnership, 2018a, Nebraska Forest Service, 2015）。然而，其代价是农户级窑炉用劳动力代替了资本，其经济性主要由支付给操作工的工资和特定窑炉结构下可达到的劳动生产率（每工时所产生物炭量）所决定（Author details removed for double-blind review, 2022, Smebye et al., 2017, Sparrevik et al., 2015）。

大量实证文献已对火焰幕墙式和焙烧窑结构下的生物炭产率、排放和产品品质进行了表征（Lotz et al., 2026, Cornelissen et al., 2024, Cornelissen et al., 2023, Smebye et al., 2017, Cornelissen et al., 2016, Sparrevik et al., 2015, Schmidt and Taylor, 2014），若干研究还将技术经济分析（TEA）与生命周期评估（LCA）相结合，针对林业残余物和集中式系统进行了分析（Sahoo et al., 2021, Sahoo et al., 2019, Campbell et al., 2018, Roberts et al., 2010）。近期的田间测量表明，经过细致的原料管理，火焰幕墙窑炉的CH?排放量可相对于早期默认因子降低约一个数量级（Lotz et al., 2026, Cornelissen et al., 2023），从而降低了去中心化部署的一个重要环境障碍。然而，针对美国中西部低资本、农户级窑炉的相应经济文献则较为匮乏。现有的美国农场级TEA集中在螺旋式或旋转鼓式移动式机组（Mosleh Uddin et al., 2022, Sahoo et al., 2021, Sahoo et al., 2019, Polin et al., 2019）上，其目标资本档次（20,000–200,000美元）与单个大田作物经营最可能采用的单元级、人工照看窑炉不同。因此，已发表的美国移动式生物炭系统MSP区间无法直接迁移到单个农户、单批次的情境中，而在就地可制造的窑炉中进行架构选择的经济影响——涵盖开放式火焰幕墙燃烧、可控通风火焰幕墙燃烧和间接加热焙烧窑热解——在美国条件下的量化仍然不充分。

因此，本研究的新颖性体现在三个方面。第一，据我们所知，本研究提供了最早在实验基础上对三种就地可制造窑炉架构进行头对头技术经济比较的研究之一，涵盖了从开放式火焰幕墙燃烧到间接加热焙烧窑热解的完整递进，条件为美国玉米带运行环境；此前的美国农场级TEA处理的是单一移动式反应器档次，而非对比人工照看的架构。第二，它孤立出劳动生产率（而非资本成本）作为单元批次规模下起决定性作用的经济杠杆，并量化了每种架构中主动照看部分如何传导至最低售价。第三，它将经济问题重新框定为农场自用，将生产成本与农户本应支付的零售价格而非假设售价进行基准比较，并加入了大田作物残余物（玉米芯、玉米秸秆、高粱秸秆）——这些在美国中西部丰富但在火焰幕墙文献中代表不足的原料。窑炉架构和作物残余物种类如何共同决定生物炭产率、产品品质和排放量的互补问题，在配套工艺研究（Author details removed for double-blind review, 2026）中予以解决，该研究报道了支撑本TEA的产率、炭化时间和近似组成结果。此处，产率被视为固定性能参数，重点在于特定目标用户的经济性：即在大田作物农场以单元批次规模生产生物炭、主要用于自用、在当地需求存在时以场外交售为次要途径的农户。因此，相关基准为美国同类特种生物炭的零售购买价格，该价格在3美元千克?1至5美元千克?1范围内（Gray, 2024, International Biochar Initiative and US Biochar Initiative, 2023）。复现分析所需的所有实验输入均在本文档中报告，因此该TEA是自洽的，不依赖于配套论文的获取。

本研究的目标是在美国玉米带条件下，交付一种透明、可重复的三种农户级生物炭窑炉技术经济分析，参数化数据来自单个中西部田间季节的实验数据。具体而言，本研究：（i）为每种窑炉建立涵盖资本成本分解、代表性农场工资下的劳动力成本、公用设施和维护的统一均化成本模型；（ii）在指示性农场门生物炭价格下计算每种窑炉的MSP、净现值（NPV）和经营利润率；（iii）通过稳健的方差分析（ANOVA）和基于回归的成本分解，量化窑炉架构和原料种类如何影响生产规模下的炭化时间以及每千克生物炭的劳动力成本；以及（iv）通过单次敏感性和蒙特卡洛全局不确定性传播检验结论的稳健性（工资、钢价、产率、批次频率、贴现率、使用寿命、炭化时间标度指数和主动照看比例）。该分析框架旨在可直接适配至美国其他大田作物地区，并为评估低资本生物炭采用的推广服务、土壤健康倡议和气候项目提供参考。

**章节摘要**

**系统边界和功能单位**

系统边界为窑炉门内、单户农场操作。包括窑炉及跨窑炉类型共用的附属设备的资本折旧；残余物装载、炭化、淬冷和卸载的劳动力；辅助公用设施（淬冷水和，对于焙烧窑，间接加热的补充燃料木）；以及例行维护。原料成本设为零，因为此处考虑的残余物——玉米芯、玉米秸秆和高粱秸秆——是现有粮食生产流程的副产品。

**实验产率和炭化时间**

在45个实验批次中（表2），平均生物炭产率随窑炉类型单调递增：A型为22.7 ± 3.2%；B型为32.0 ± 2.2%；C型为46.7 ± 4.0%（平均值 ± 标准差，质量基准，风干原料，各n=15）。平均炭化时间也增加，从A型的9.7 ± 0.6分钟到B型的26.7 ± 4.7分钟再到C型的50.5 ± 7.6分钟。单因素方差分析表明窑炉间炭化时间存在差异（F(2,42)=234.08, p=1.7×10?23），所有三对Tukey HSD对比在p<水平上均显著。

**为何窑炉架构比资本更重要**

核心经济发现——c型尽管资本成本高出62%，但其msp比a型低43%——源于每种架构在炭化循环中如何分配操作工时间。在a型中，操作工必须持续向火焰幕墙添加燃料并管理燃烧，以避免火焰熄灭和过度热解，因此主动照看基本贯穿整个炭化窗口。已发表的火焰盖操作指南同样强调必须添加新的燃料层。

**结论**

本研究在美国玉米带条件下，基于玉米芯、玉米秸秆和高粱秸秆的产率和炭化时间测量值（每窑炉n=15批次），对三种农户级生物炭窑炉架构进行了实验基础上的对比技术经济分析。在农场工资为16.50美元小时?1、贴现率为7%、使用寿命为10年、年运行100天的条件下，估计的最低售价（烘干基准）为：tok（a型）3.06美元千克?1，credit作者贡献声明中提及的c型2.60美元千克?1。

**credit作者贡献声明**

francis asare：撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。rado gazo：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念化。jue mo：撰写 – 审阅与编辑、方法论、数据整理。eva haviarova：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论。henry j. quesada：撰写 – 审阅与编辑、监督。

**资助**

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

作者衷心感谢普渡大学森林与自然资源学院提供的设施和技术支持，使窑炉制造和实验工作得以实现。我们也感谢我们的合作机构，包括csir-forig（加纳）、鲁尔克拉国立技术研究所（印度）和华盛顿大学，在研究全程提供的支持和建设性意见。

francis asare | rado gazo | jue mo | eva haviarova | henry j. quesada | shams r. rahmani | francis w. owusu | shristi s. saraugi | winny routray **为何窑炉架构比资本更重要** 核心经济发现——c型尽管资本成本高出62%，但其msp比a型低43%——源于每种架构在炭化循环中如何分配操作工时间。在a型中，操作工必须持续向火焰幕墙添加燃料并管理燃烧，以避免火焰熄灭和过度热解，因此主动照看基本贯穿整个炭化窗口。已发表的火焰盖操作指南同样强调必须添加新的燃料层。 **结论** 本研究在美国玉米带条件下，基于玉米芯、玉米秸秆和高粱秸秆的产率和炭化时间测量值（每窑炉n=15批次），对三种农户级生物炭窑炉架构进行了实验基础上的对比技术经济分析。在农场工资为16.50美元小时?1、贴现率为7%、使用寿命为10年、年运行100天的条件下，估计的最低售价（烘干基准）为：TOK（A型）3.06美元千克?1，CRediT作者贡献声明中提及的C型2.60美元千克?1。 **credit作者贡献声明** francis asare：撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。rado gazo：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念化。jue mo：撰写 – 审阅与编辑、方法论、数据整理。eva haviarova：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论。henry j. quesada：撰写 – 审阅与编辑、监督。 **资助** 本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。 **利益冲突声明** 作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。 **致谢** 作者衷心感谢普渡大学森林与自然资源学院提供的设施和技术支持，使窑炉制造和实验工作得以实现。我们也感谢我们的合作机构，包括csir-forig（加纳）、鲁尔克拉国立技术研究所（印度）和华盛顿大学，在研究全程提供的支持和建设性意见。 francis asare | rado gazo | jue mo | eva haviarova | henry j. quesada | shams r. rahmani | francis w. owusu | shristi s. saraugi | winny>
**为何窑炉架构比资本更重要**

核心经济发现——c型尽管资本成本高出62%，但其msp比a型低43%——源于每种架构在炭化循环中如何分配操作工时间。在a型中，操作工必须持续向火焰幕墙添加燃料并管理燃烧，以避免火焰熄灭和过度热解，因此主动照看基本贯穿整个炭化窗口。已发表的火焰盖操作指南同样强调必须添加新的燃料层。

**结论**

本研究在美国玉米带条件下，基于玉米芯、玉米秸秆和高粱秸秆的产率和炭化时间测量值（每窑炉n=15批次），对三种农户级生物炭窑炉架构进行了实验基础上的对比技术经济分析。在农场工资为16.50美元小时?1、贴现率为7%、使用寿命为10年、年运行100天的条件下，估计的最低售价（烘干基准）为：tok（a型）3.06美元千克?1，credit作者贡献声明中提及的c型2.60美元千克?1。

**credit作者贡献声明**

francis asare：撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。rado gazo：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念化。jue mo：撰写 – 审阅与编辑、方法论、数据整理。eva haviarova：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论。henry j. quesada：撰写 – 审阅与编辑、监督。

**资助**

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

作者衷心感谢普渡大学森林与自然资源学院提供的设施和技术支持，使窑炉制造和实验工作得以实现。我们也感谢我们的合作机构，包括csir-forig（加纳）、鲁尔克拉国立技术研究所（印度）和华盛顿大学，在研究全程提供的支持和建设性意见。

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