木材燃料

**木質燃料**（或**薪材**）是一種燃料，例如柴火、木炭、木屑、薄片、顆粒和鋸末。使用的具體形式取決於來源、數量、質量和應用等因素。在許多地區，木材是最容易獲得的燃料形式，在撿拾枯木的情況下不需要任何工具，或者只需要很少的工具，儘管像任何行業一樣，已經開發了專門的工具，如滑車和液壓劈木機，使生產機械化。鋸木廠廢料和建築業的副產品還包括各種形式的木材尾礦。

發現如何生火以燃燒木材被認為是人類最重要的進步之一。使用木材作為取暖燃料的歷史遠早於文明時代，據推測尼安德塔人已經使用過。今天，木材燃燒是對源自固體燃料生物質的能源的最大利用。木質燃料可用於做飯和取暖，偶爾也可用於為蒸汽機和蒸汽輪機提供燃料以發電。木材可用於室內的熔爐、火爐或壁爐，或室外的熔爐、營火或篝火。

## 歷史發展

幾千年來，木材一直被用作燃料。在歷史上，它的使用只受制於產生火花所需的技術分布。從木材中獲取熱量在世界大部分地區仍然很普遍。早期的例子包括在帳篷里生火。火堆建在地面上，帳篷頂部的煙孔使煙通過對流排出。

在永久性建築和洞穴中，建造或建立了爐灶 -- 石頭或其他不可燃材料的表面，可以在上面生火。煙氣通過屋頂上的煙洞排出。

與相對乾旱地區的文明（如美索不達米亞和埃及）相比，希臘人、羅馬人、凱爾特人、不列顛人和高盧人都有適合作為燃料的森林。幾個世紀以來，高潮期的森林被部分砍伐，其餘的森林演變為以標準林地為主要木材燃料來源的灌木林。這些林地涉及到從老樹樁上採摘新莖的連續循環，輪換周期為 7 至 30 年。最早的關於林地管理的英文印刷書籍之一是約翰 - 伊夫林的 "Sylva，或關於森林樹木的論述"（1664 年），為土地所有者提供關於正確管理森林財產的建議。H. L. Edlin 在 "英國的林地工藝" 中，1949 年概述了自前羅馬時代以來從這些管理的森林中生產的非凡技術和木製品的範圍。在這段時間裡，木材燃料的首選形式是將砍下的樹幹的枝條捆綁成碎塊。較大的、彎曲的或變形的莖，對林地工匠來說沒有其他用處，被轉化為木炭。

與歐洲大部分地區一樣，這些被管理的林地繼續供應其市場，直到第二次世界大戰結束。從那時起，這些林地的大部分已被轉化為大規模的農業。隨著工業革命的進行，對燃料的總需求量大大增加，但這種增加的需求大部分是由新的燃料來源煤炭來滿足的，它更緊湊，更適合於新工業的大規模發展。

在日本的江戶時代，木材被用於多種用途，木材的消耗使日本在那個時代制定了森林管理政策。 

## 壁爐和爐灶

煙囪和壁爐的發展允許更有效地排出煙霧。磚石加熱器或爐子更進一步，將火的大部分熱量和廢氣收集在一個大的熱體中，變得比單獨的壁爐更有效率。

金屬爐是與工業革命同時進行的一項技術發展。爐子是製造或建造的設備，它的四面都有火，並提供了一種控制通風的手段 -- 允許到達火的空氣量。爐子是由各種材料製成的。鑄鐵是比較常見的材料之一。皂石（滑石）、瓦片和鋼都被使用過。金屬爐子通常用耐火材料作為內襯，如耐火磚，因為在幾年的使用過程中，燒柴火的最熱部分會燒掉鋼鐵。

富蘭克林爐子是由班傑明 - 富蘭克林在美國開發的。與其說是爐子，不如說是一個人造壁爐，它有一個開放的正面，後面有一個熱交換器，旨在從地窖中吸入空氣並加熱，然後從兩側釋放出來。熱交換器從來不是一個受歡迎的功能，在後來的版本中被省略了。今天，所謂的 "富蘭克林" 爐子有各種各樣的風格，但沒有一個與最初的設計相似。

19 世紀是鑄鐵爐子的高潮期。每個地方的鑄造廠都會做出自己的設計，爐子被建造出來用於各種用途 -- 餐廳爐子、箱式爐子、營地爐子、鐵路爐子、可攜式爐子、烹飪爐子等等。精心設計的鎳和鉻邊模型將設計推向邊緣，並鑄有裝飾品、腳和門。爐子裡可以燒木頭或煤，因此它們在一百多年裡一直很受歡迎。火的作用，加上灰的腐蝕性，確保了爐子最終會隨著時間的推移而瓦解或破裂。因此，需要有穩定的爐子供應。爐子的維護，需要塗黑，它們的煙味，以及劈柴的需要，都意味著石油或電熱的青睞。

最初由鋼製成的密封爐可以更好地控制燃燒，比當時的其他爐子更緊密地配合。氣密爐在 19 世紀變得很普遍。

隨著其他勞動密集程度較低的燃料的日益普及，木材取暖的使用逐漸減少。除了在有森林的農村地區，木材供暖逐漸被煤炭取代，後來又被燃油、天然氣和丙烷供暖取代。

1967 年石油禁運之後，美國的許多人第一次使用木材作為燃料。環保局提供了關於清潔爐子的信息，這種爐子的燃燒效率要高得多。 

## 70 年代

在 1973 年能源危機期間和之後出現了短暫的流行，當時一些人認為化石燃料將變得如此昂貴，以至於無法使用。隨後是一個創新的時期，許多小製造商根據新舊設計生產爐子。那個時代值得注意的創新包括阿什利加熱器，這是一種恆溫控制的爐子，有一個可選的穿孔鋼外殼，可以防止意外接觸到熱的表面。在這十年裡，還生產了許多雙燃料爐和鍋爐，它們利用管道系統和管道向整個房屋或其他建築輸送熱量。

## 80 年代

木材加熱的普及也導致了更多種類的切割、劈裂和加工木柴的設備的開發和銷售。消費者級別的液壓原木劈裂機被開發出來，可由電力、汽油或農用拖拉機的 PTO 提供動力。1987 年，美國農業部公布了一種生產窯干木柴的方法，其依據是含有較低水分含量的原木可以實現更好的熱量輸出和提高燃燒效率。 

雜誌「Wood Burning Quarterly」出版了幾年，之後更名為「Home Energy Digest」，隨後消失了。

## 現在

顆粒爐是一種燃燒壓縮木材或生物質顆粒的設備。在木柴豐富的地區，繼續使用木柴取暖。對於嚴肅的取暖嘗試，而不是單純的氛圍（開放式壁爐），今天最常使用的是爐子、壁爐內壁和火爐。在美國的農村和森林地區，獨立式鍋爐越來越普遍。它們安裝在室外，離房子有一段距離，並通過地下管道與房子裡的熱交換器相連。木材、樹皮、煙霧和灰燼的混亂局面被擋在外面，火災的風險也被降低。鍋爐足夠大，可以整夜保持火勢，並且可以燃燒較大的木頭，因此需要較少的切割和分割。不需要在房子裡加裝煙囪。然而，與其他燒木頭的設備相比，戶外木頭鍋爐會排放更多的木頭煙和相關污染物。這是由於設計上的特點，如圍繞火箱的充水夾套，起到了冷卻火的作用，導致了不完全燃燒。與其他燃木設備相比，戶外燃木鍋爐的煙囪高度通常也很短，導致地面上的顆粒物水平升高。一個越來越受歡迎的替代方案是木材氣化鍋爐，它以非常高的效率（85-91%）燃燒木材，可以放置在室內或室外。有很多方法來處理木材燃料，而且今天的發明正在分秒必爭地擴大。

今天，許多地方仍在使用木材做飯，要麼用爐子，要麼用明火。它還被用作許多工業過程中的燃料，包括燻肉和製作楓糖漿。

作為一種可持續的能源，木材燃料在容易獲得森林產品和副產品的地區用於發電也仍然是可行的。

## 木柴的測量

在公制系統中，木柴通常按立方米或立方米出售（1 立方米 = ~0.276 cords）。

在美國和加拿大，木柴通常是成捆出售的，128 英尺 ³（3.62 米 ³），相當於一個 8 英尺寬 ×4 英尺高的 4 英尺長的原木堆。在美國大多數州，繩索在法律上是有規定的。一 "thrown cord" 是未被堆放的木柴，被定義為 4 英尺寬 ×4 英尺高 ×10 英尺長。額外的體積是為了使其等同於標準堆放的繩索，因為那裡的空隙較小。還經常看到按 "面繩" 出售的木材，這通常沒有法律上的定義，而且在不同的地區也有差異。例如，在一個州，一堆 8 英尺寬 ×4 英尺高的 16 英寸長的原木常常被當作 "面繩" 出售，儘管它的體積只有一條繩的三分之一。在另一個州，甚至同一州的另一個地區，一條面繩的體積可能有很大的不同。因此，購買以這種方式出售的木材是有風險的，因為交易不是基於法律上可執行的計量單位。

在澳大利亞，它通常是按噸出售的，但通常被宣傳為按手推車 (獨輪手推車)、桶 (典型的撬車的 1/3 立方米桶)、箱或袋 (大約 15-20 公斤) 出售。

## 能量含量

一種常見的硬木，紅橡木，其能量含量（熱值）為每公斤 14.9 兆焦耳（每磅 6,388BTU），如果以 70% 的效率燃燒，可回收 10.4 兆焦耳。 

西澳大利亞政府下屬的可持續能源發展辦公室（SEDO）指出，木材的能量含量為每公斤 16.2 兆焦耳（4.5 千瓦時 / 公斤）。 

根據生物能源知識中心的說法，木材的能量含量與它的水分含量的關係比與它的種類的關係更密切。能量含量隨著水分含量的減少而提高。 

2008 年，用於燃料的木材每 100 萬英熱單位成本為 15.15 美元（每千瓦時 0.041 歐元） 。

## 環境影響

### 燃燒副產物

與任何火一樣，燃燒木材燃料會產生許多副產品，其中一些可能是有用的（熱量和蒸汽），而另一些則是不受歡迎的、刺激性的或危險的。

木材燃燒的一個副產品是木灰，適量的木灰是一種肥料（主要是鉀鹽），有助於礦物質，但由於它含有氫氧化鉀 （鹼液），所以是強鹼性的。木灰也可用於製造肥皂。

煙霧，含有水蒸氣、二氧化碳和其他化學物質和氣膠微粒，包括苛性鹼飛灰，這可能是部分燃燒的木材燃料的刺激性（和潛在的危險）副產品。木煙的一個主要成分是細小的顆粒，在一些地區可能占空氣顆粒污染的很大一部分。在比較涼爽的月份，在澳大利亞墨爾本，木材取暖占細顆粒物的 60% 之多。 

薪材燃燒會釋放出大量的揮發性有機化合物。在燃燒過程中會釋放出大量較小的含氧物種，以及由木質素解聚反應形成的有機物，如酚類、呋喃和呋喃酮。 薪柴的燃燒也被證明會釋放許多有機化合物進入氣膠相。 燃料木材的燃燒被證明會在有效飽和濃度（C\*）為 101-101μg m-3 的揮發性範圍內釋放有機成分。從印度德里地區收集的薪柴樣本的排放物被證明比液化石油氣的排放物對羥基的反應性高 30 倍。此外，當比較從德里的相同燃料木材樣品中排放的 21 種多環芳烴時，來自燃料木材的排放物比來自液化石油氣的排放物的毒性高約 20 倍。。 

慢速燃燒爐提高了燃燒原木的木材加熱器的效率，但也增加了微粒的產生。低污染 / 慢速燃燒爐是目前的一個研究領域。。另一種方法是利用熱解產生幾種有用的生化副產品和清潔燃燒的木炭，或者在一個大的熱體中極快地燃燒燃料，如磚石加熱器。這具有使燃料完全燃燒而不產生微粒的效果，同時保持系統的效率。

在一些最高效的燃燒器中，煙氣的溫度被提高到一個更高的溫度，在這個溫度下，煙氣本身就會燃燒（例如，用於點燃一氧化碳氣體的 609℃ ）。這可能導致煙氣危害的顯著減少，同時也提供了該過程中的額外熱量。通過使用催化轉換器，可以降低獲得清潔煙氣的溫度。美國的一些司法機構禁止銷售或安裝沒有安裝催化轉換器的爐子。

#### 燃燒副產物對人體健康的影響

根據人口密度、地形、氣候條件和所使用的燃燒設備，木材加熱可能會大大增加空氣污染，特別是顆粒物。燃燒木材的條件將極大地影響排放物的含量。顆粒空氣污染可導致人類健康問題，並增加哮喘和心臟病的住院人數。 

將木漿壓縮成顆粒或人造原木的技術可以減少排放。燃燒更清潔，增加的木材密度和減少的水含量可以消除一些運輸散件。運輸中消耗的化石能源減少了，只占生產和分配取暖油或天然氣所消耗的化石燃料的一小部分。 

### 收穫作業

許多木材燃料來自世界各地的原始森林。種植園的木材很少被用作木柴，因為它作為木材或木漿更有價值，然而，一些木材燃料是從種植在農作物中的樹木中收集的，也稱為混農林業。 收集或採伐這種木材會對收集區產生嚴重的環境影響。這些問題通常特定於特定區域，但可能包括常規日誌記錄產生的所有問題。從森林中大量砍伐木材會導致棲息地破壞和土壤侵蝕。然而，在許多國家，例如歐洲和加拿大，正在收集森林殘餘物，並將其變成有用的木材燃料，對環境的影響最小。考慮到土壤營養以及水土流失的問題。使用木材作為燃料的環境影響取決於它的燃燒方式。更高的溫度會使燃燒更完全，熱解產生的有害氣體更少。有些人可能認為燃燒可持續來源的木材是碳中性的。一棵樹，在其一生中，吸收的碳（或二氧化碳）與它燃燒時釋放的碳一樣多。

有些木柴是在為此目的而管理的 "林地" 中收穫的，但在樹木茂盛的地區，木柴更多地是作為天然森林的副產品而收穫的。尚未開始腐爛的枯枝是首選，因為它已經有部分季節性了。站立的枯木被認為是更好的，因為它既經過季節性處理，又有較少的腐敗。採伐這種形式的木材可以減少叢林火災的速度和強度。採伐木柴的木材通常是用電鋸手工進行的。因此，較長的木材 -- 需要較少的手工勞動，以及較少的電鋸燃料 -- 價格較低，只受限於其火箱的大小。價格也因離木料地的距離和木料的質量而有很大的不同。木柴通常與不適合建築或施工的木材或樹木有關。只要消費率控制在可持續的水平，木柴是一種可再生資源。在一些地方，由於缺乏合適的木柴，當地居民破壞了大片的灌木叢，這可能導致進一步的荒漠化。

### 溫室氣體

木材燃燒比森林中木材的生物降解（在一定時期內）在大氣中產生更多的二氧化碳，因為當死樹的樹皮腐爛時，原木已經被其他植物和微生物占據，它們通過將木材的碳氫化合物納入自己的生命周期而繼續封存二氧化碳。木材採伐和運輸作業產生不同程度的溫室氣體污染。木材的低效和不完全燃燒會導致二氧化碳以外的溫室氣體水平升高，在副產品具有更大的二氧化碳當量值的情況下，可能會導致正向排放。 。 為了提供關於生產電力或家庭供暖的二氧化碳相對輸出的定量信息，英國能源和氣候變化部（DECC）公布了一個綜合模型，根據 33 種情況對木材（木屑）和其他燃料的燃燒進行比較。 。

有意和有控制地炭化木材並將其納入土壤是一種有效的碳封存方法，也是改善農業土壤條件的重要技術，特別是在森林覆蓋率高的地區。它構成了被稱為黑土的肥沃土壤的基礎。

### 法規和立法

燃燒木材燃料對環境的影響是有爭議的。一些城市已經開始制定使用標準和 / 或禁止燃燒木材的壁爐。例如，魁北克省蒙特婁市通過了一項決議，禁止在新建築中安裝木材壁爐。燃燒木材的倡導者聲稱正確採伐的木材是碳中和的，因此抵消了燃燒過程中產生的副產品顆粒的負面影響。在森林野火的情況下，從森林環境中移除的木材作為木材燃料使用，可以通過減少露天燃燒的木材數量和燃燒的嚴重程度，同時在規範的條件下燃燒剩餘的材料來減少整體排放。2018 年 3 月 7 日，美國眾議院通過一項法案，將對新的住宅木材加熱器實施更嚴格的排放標準的時間推遲三年。 

## 可再生能源技術的潛在用途

* 開發中國家的高效爐灶
* 顆粒爐
* 鋸末可以造粒
* 木頭顆粒

## 用法

一些歐洲國家用木材或木材廢料生產出其電力需求的很大一部分。在斯堪地那維亞國家，加工木柴的手工勞動成本非常高。因此，從擁有廉價勞動力和自然資源的國家進口木柴是很常見的。波羅的海國家（愛沙尼亞、立陶宛和拉脫維亞）。在芬蘭，人們越來越有興趣以壓實顆粒的形式使用木材廢料作為家庭和工業供暖的燃料。

在美國，木材燃料是可再生能源的第二大主要形式（僅次於水力發電）。 

### 澳大利亞

澳大利亞約有 150 萬個家庭使用木柴作為家庭取暖的主要形式。 截至 1995 年，維多利亞州每年使用約 185 萬立方米的木柴（1 立方米約等於一個汽車拖車的重量），其中一半在墨爾本消耗 。這一數量與維多利亞州所有鋸木和原木林業作業消耗的木材（190 萬立方米）相當。

用作木柴來源的樹種包括：

* 紅膠，來自默里河沿岸的森林（中默里森林管理區，包括 Barmah 和 Gunbower 森林，提供了維多利亞州約 80% 的紅膠木材）。
* Box 和梅斯梅特樹皮，在澳大利亞南部。
* 糖膠，一種具有高熱效率的木材，通常來自小型種植園。
* 紅柳桉，在西澳大利亞的西南部。它產生的熱量比其他大多數可用的木材要大，通常按噸出售。

### 歐洲

2014 年，波羅的海地區最大的顆粒廠在愛沙尼亞 Sõmerpalu 的 Võrumaa 開始建設，預計產量為 110,000 噸顆粒 / 年。在製作顆粒的過程中，將使用不同類型的木材（木柴、木屑、刨花）。Warmeston OÜ 工廠在 2014 年底開始活動。 2013 年，歐洲的主要顆粒消費者是英國、丹麥、荷蘭、瑞典、德國和比利時，正如 U.E. 關於生物燃料的年度報告所述。在丹麥和瑞典，顆粒燃料被發電廠、家庭和中等規模的消費者用於區域供暖，相比之下，奧地利和義大利的顆粒燃料主要被用作小規模的私人住宅和工業鍋爐供暖。 英國是工業木質顆粒燃料的單一最大消費市場，很大程度上是由於其主要的生物質燃料發電站，如 Drax、MGT 和 Lynemouth。 

### 亞洲

日本和韓國都是工業木質顆粒的增長市場，截至 2017 年，由於政府政策傾向於在發電中使用生物質，預計將成為全球第二和第三大木質顆粒市場。

### 北美

美國對木質燃料的需求主要由住宅和商業供暖客戶驅動。截至 2017 年，加拿大不是工業木質顆粒燃料的主要消費者，但有相對積極的去碳化政策，到 2020 年代可能成為工業木質顆粒燃料的重要消費者。

## 也可以看看

* 生物燃料
* 生物質
* 林業
* 木屑
* 燃木烤箱
* 木氣

## 參考