从五薪柴能源性质的判定来选择树种在埃塞俄比亚东南部热带高地

抽象

本研究的目的是确定当地社区首选和使用的薪材样品的能量特性。这项研究同时使用了住户的横断面调查和实地调查。系统的家庭抽样用于家庭，随机抽样用于树种。在研究中为家庭选择的样本量是134。地方社区薪柴消费有序偏好的横断面调查金合欢，阿拉伯相思，奥莱亚AFRICANA，相思seyal，和Acokanthera schimperi。然而，对于实验室结果和在它们的密度和水分，灰分，挥发，和固定碳含量树种的细节主成分分析（PCA），奥莱亚AFRICANA强烈建议优先选择薪材金合欢，阿拉伯相思，相思seyal，和Acokanthera schimperi。社会偏好和对不同树种的消耗薪柴科学评估的鉴定将提高他们的种植园计划在该地区的扩张。

1.简介

能源构成了人类生活中最重要的方面之一。它是一种商品，也对现代生活的生存至关重要[1]。尽管能源在发展中国家的各种来源，据估计，大约2.5十亿人依靠生物燃料来满足他们做饭，取暖和照明的需要。对于许多国家而言，超过90％的家庭总燃料的生物质是[2]。传统上，在柴，树枝，和木炭形式的能量一直是可再生能源的主要来源，对许多发展中国家[3]。

在非洲，固体生物燃料报道占了非洲的能源需求约50％[1]。同样地，在埃塞俄比亚，总能耗的92％从传统的燃料来〔4]。如果没有新的政策，依靠生物质燃料的人数预计到2030年（约三分之一的世界人口）增加至2.7十亿由于人口增长[五]。

薪柴是在埃塞俄比亚能量的最主要来源，在农村和城市社区显著用于烹饪和许多其他加热应用[6]。因此，在许多发展中国家，在世界各地，木质燃料将继续在农村家庭的主要炊事能源的未来[7]。如今，木能耗已不再是全球森林砍伐的主要原因，而是土地耕种的空地。围绕撒哈拉以南非洲清理林区的95％，例如，归因于新的土地需求农作物[8]。柴然而，集中于工业和城市需求弱调控组合仍然可以促进森林退化和滥伐森林围绕消费的主要中心[9]。至于影响的应对策略，以社区为基础的森林管理，旨在促进当地社区和用户组可以创建资源节约和可持续的方法与引进创新技术发展林业的激励中的领导和责任;木柴和木炭可以成为在农村和城市的人口[一个可再生能源和气候友好型能源10]。燃料对环境和健康的好处主要取决于它的加工和使用技巧。低效和传统的方式木质燃料对健康，生产力，性别平等和环境[严重的影响11]。要为国家提供环保和可持续能源，薪材主要是高固定碳柴可以作为一个替代方案。在世界上，还有诸如木质生物质能开发各种相关文章[12]和木柴和木炭性质[13，14]。同样，在非洲，有关薪材的文章是“为煤球六个热带硬木树种木材燃料性能的评价” [15]。尽管埃塞俄比亚深刻地取决于fuelwoods和生物质作为城镇领先的能源资源都和农村地区[16]，也有在确定其密度方面的科学属性能量的表征小的研究报告;可燃性;挥发性物质，灰分，水分，和固定碳含量;等等。至于有关研究人员的知识，五郎区midhighlands薪材的能量特性是不可用的。尽管没有科学数据的，当地群众历来被使用柴草为能源的世代特定树种;存在缺乏科学的数据来验证他们的这些物种的偏好。

在五郎的经验做法将显示在有限的资源基础和这些传统燃料的利用效率低下的模式，这样的严重依赖是家庭能源消费的特点。因此，问题是令人震惊的，需要迫切的科学研究能够发现有效的能源，以减轻该地区的问题树种。

这项研究的总体目标是确定所选的五个树种五郎区midhighlands作出的薪柴能源属性。从这项研究中产生的信息可以是特别为使用薪材作为能源的来源农村和城市社区有益。该研究成果有助于他们选择的固定碳含量的基础柴类型。使用固定碳薪柴高值降低了森林砍伐的压力。

2.研究区和数据的方法

Goro district is situated 490 km southeast of Addis Ababa and 60 km from the zonal capital Robe as observed in Figure1。它在地理上位于6°29之间 -7°15北纬40°10 -40°45经度。它是戈罗区的行政中心。总面积1339 km²（133，900 ha), with elevation ranging from 1200 m to 2800 meters a.s.l. [17]。五郎区是14区分区中最大的。该地区被划分为26 kebeles和三个中心城市。The specific area of this research for the tree species is Gadulla kebele which is located 21 km northeast of Goro town. In Gadulla, there is a 400-hectare natural forest.

根据Goro地区农业和自然资源办公室报告（2017年），根据农作物种植的农业分类，该地区有三个农业气候区，分别为高地34.48%、半高地31.93%和低地27.59%。全区年平均降雨量约750 mm-1150 mm。有两个降雨和种植季节：3月至5月为主要雨季，8月至11月为短雨季。前者占全年作物总产量的55%。后者包括中高海拔地区。低地地区年平均气温在25℃~30℃之间，高原地区年平均气温在16℃~20℃之间[17]。

根据农业和自然资源办公室的文件，该地区最常见的植被类型包括相思brevispica，Acokanthera schimperi，奥莱亚AFRICANA，相思树，柳mucronata，Albizia gummifera，柴龙树属dimidiata，白金合欢，榕sycomorus，相思拉海，相思tortilis，相思seyal，和相思oerfota。相思木种是研究区最主要的树种。

人口完全依赖于木柴和木炭。在小区太阳能发电，沼气的使用是微不足道的。社区完全是中继上木柴和木炭的能源消耗。对使用高效燃料和现代炉具的意识也很薄弱。他们的经济也受价格木柴和木炭供应的上升。

在本研究中使用的系统抽样设计收集木本物种的数据。该研究使用这两个实际的实地测量和实验室分析。对于现场研究所需的材料是用于测量重量的样品的电子天平，GPS用于划定研究区，照相机用于拍摄研究区，和用于记录焦点小组讨论录音机。将样品容纳在样品架上。一种锯（AX）被用于切碎样品和一米磁带长度的测定和样品的周长。所获得的数据通过铅笔在笔记本注册，并被用于记录学习区域的温度的温度计。All the samples were weighed on a digital analytical balance (ADAM, Model AFP-110L, England) with 120 g loading capacity and ±0.0001 precision. A heating furnace of a UK manufacturer called CWF1313-230SN working in the temperature between 750°C and 1300°C was used for heating the sample. A drying oven (Digitheat, J.P. Selecta, Germany) was used for drying the samples placed on an evaporating dish. A beaker (Duran, Germany) was used for measuring different volumes of samples.

2.1。样本量

收集必要的数据，调查问卷的设计和使用以下程序使用。使用以下式[确定选择用于调查表的样本户的数量18]： 哪里是所需的样本大小时人口大于10,000;是当人口小于10,000样本大小的数量;是95%置信限，即1.96；为0.1时，即，在被包括在样品中的人口比例，即10％; ，即，0.9;ñ是人口的总数;和是误差或精度的程度的余量所需的（0.05）。

5％的意外被认为是谁可以拒绝参加调查问卷的家庭。

因此，使用上述等式，样本大小的用于家庭的数目是134。

2.2。样品采集技术

基于家庭的偏爱，柴木兰科5树种进行了鉴定。来自两个kebeles即罢了变色龙和Gadulla，使用随机采样技术，Gadulla被选中。By going 300 m to the forest from Gadulla kebele, wood land inventory was taken in the customary wood land to assess the tree fuel species in the woody plant community. Then, by going up 120 m from the river burka, sample plots of 15 hectares were made through the wood lands using GPS. Thirty m个次要地块被随机放置在习惯的林地中。在这30个亚区，每个物种的总数被统计:非洲洋槐42、尼罗洋槐67、阿拉伯洋槐86、阿拉伯洋槐63和阿拉伯洋槐74。对所有小区的优良树种进行了登记。采用随机抽样的方法，选择每一个较理想的树种，即每一树种的三棵独立的树干[15]。The tree trunk of each species collected had a diameter of 5 to 10 cm and a length of 20 to 30 cm of the mature tree (10 to 20 years old) from the lower tower approximately 3 cm from the branching to avoid localized swelling. A total of fifteen samples were collected for fuelwood. After leveling each sample, it was kept in the plastic bag until the first measurement was taken. All samples were weighed after two hours of cutting in the field using a measuring balance by removing their bark. Then, all samples were sun dried for four weeks at a temperature of 18°C to 27°C.

2.3。首选树种木柴

首先，关键知情人被要求说出薪材他们的首选树种。他们列举了7种薪材。从七种，所选的五个种为奥莱亚AFRICANA（ejersa），Acokanthera schimperi(qaraaruu),金合欢（burquqqee），相思seyal（waaccuu），和阿拉伯相思（dodotti）。

2.3.1。问卷调查结果

据受访者中，在时区柴消费的依赖惊人的速度增长。

从他们的本土积累的知识，社区提出了薪柴的有序他们首选的燃烧质量如表所列1. 因此，他们按照偏好的顺序选择了五个顶级物种：金合欢 > 阿拉伯相思 > 奥莱亚AFRICANA > 相思seyal > Acokanthera schimperi。本地用户偏好的燃料特性与在非洲进行的研究相似[19]。

2.3.2。为实验室分析准备样品

对于密度，灰分含量，挥发物和水分​​含量的测定，取15个样品。三棵树从每个物种使用。A disk of 20 cm height was taken from the branch of each tree. Every disk was sawn into strips of 2.5 cm width. From the strips, 45 specimens were prepared for firewood. The strips are oven-dried prior to analysis. The samples were further comminuted with a wood machine except for density to obtain wood particles with a diameter of 1-2 mm. Smaller and larger particles were discarded.

2.4。程序实验室分析

2.4.1。薪材密度的测定

水置换法可以方便、可靠地测量不规则形状样品的体积。一个能够容纳样品的容器装满了水，放在一个精度为0.0001 g的数字天平上。然后将余额重新归零(读数应该为零)。每次测量后，电子秤都要重新调零。然后，把烘干的木柴和木炭标本小心地沉入水中，使它完全浸在水下。

2.4.2。水分含量百分比的测定（PMC）

根据Akowuah等人。[3], for proximate biomass characterization, a 40 g to 158 g sample should be dried to constant weight in an oven at a temperature of 105°C for 14 hours. The loss in weight should be taken as moisture. The remaining weight should indicate the dry matter. The moisture content ought to be obtained by 哪里是14小时和之后的重量变化应该是干燥样品的重量。

2.4.3。挥发物的百分比的测定（PVM）

的生物质材料的挥发性物质的百分比是根据ASTM国际（2008）ASTM D3175-11 [测定15]。将粒径为1-2 mm的生物质材料各约40 ~ 145 g置于陶瓷坩埚中。每个样品先烘干，然后在550℃的炉中保存10分钟，在干燥器中冷却后称重。挥发物百分比计算如下: 哪里是烘箱干燥的样品的重量和is the weight of the sample after 10 min in the furnace at 550°C。

2.4.4条。灰分百分比（PAC）的测定

生物质材料的灰分含量是根据ASTM国际(2008)ASTM D 1102-84 [15]。This was done by heating approximately 40 g to 145 g of oven-dried mass of each biomass material with particle size of 1-2 mm, in an electric furnace (Carbolite CW 1300°C, U.K.), at a temperature of 600°C for four hours. Thereafter, it was cooled and weighted to represent the ash content of the sample. The ash content was determined using the equation: 哪里灰重和是样品的重量。

2.4.5。固定碳的百分比的测定（PFC）

为了确定固定碳，得到的挥发物，水分含量的总和，然后灰分含量从100中减去该平衡是固定碳含量[3]：

2.5。数据分析

SAS 9.4用于与本工作的95％置信水平的统计分析。相关性分析也用于与固定碳的百分比来显示木材样品的能量特性。

3.结果

后的各优选的树种在18℃的温度下干燥最多至四个星期到27℃，水分含量丢失由每个种类：O. AFRICANA 14.61％，A.尼罗16.25％，A. etbaica 18.35％，A. seyal 24.34％，和A. schimperi 27.44％。优选5个树种（各三个样品）的直径，制备，然后，它们的相应密度和水分，灰分，挥发物百分比，固定碳含量在表表列2。

实验结果证明，O. AFRICANA保持表中所示的最高固定碳含量2，鉴于A. schimperi固定碳含量最低。然而，当地社区大多说金合欢主要是优选的。他们从他们的反应有序的偏好是金合欢，阿拉伯相思，奥莱亚AFRICANA，相思seyal，和A. schimperi。这些差异可能会选择通过可用性，易燃性，以及接近该地区的木材种类的影响。

3.1条。木材密度

在表2，第3栏显示的用于学习五个树种密度。The densities of the species were ranged from 0.553 g/cm³（Acokanthera schimperi）to 0.914 g/cm³（奥莱亚AFRICANA）作为列于表2。奥莱亚AFRICANA证明具有在其他的研究样本中最高密度的木本植物。结果进一步表明，奥莱亚AFRICANA如表所示，对于固定碳含量相关性较高的木柴样品，其单位体积能量是否比其他物种更高3。在图图的结果1有木材的碳性能的类似的工作由[出版密度和固定碳值之间几乎直接的关联关系15]。

3.2。水分含量

根据Akowuah等人。[3]，水分含量是可以极大地影响生物质的燃烧特性非常重要的属性。一个刚刚倒下的树中包含根据树的种类，以及一年的四季[吸湿水分40％〜60％15]. 在这里，样品只干了四周。在表的第四列2中，水分含量范围为5.908（油橄榄AFRICANA）至9.927（Acokanthera schimperi）。O. AFRICANA还具有至少水分含量和如与表另一个样品绘制成反比与固定碳含量关联2。更高挥发性物质是至少固定碳含量，并且反之亦然的指标。图中的曲线1或表它们之间的相关关系3在dos Santos Viana等人出版的生物量特性方面有类似的工作成果。[20]。

3.2.1。灰分

在表的第五列2，灰分含量从0.994范围（奥莱亚AFRICANA）至4.445（Acokanthera schimperi).

据阿尔瓦雷斯 - 阿尔瓦雷斯等人。[21]，该树种具有最高的固定碳托起至少灰分含量。类似的观察在本研究中发现。其降低如表观察手段的灰分含量的百分比增加，固定碳百分比3。高灰分含量Acokanthera schimperi表明它具有高的矿物质含量[15]. 根据Ijagbemi等人。[22]，灰分对焦炭燃烧时的热传递至燃料的表面以及扩散氧到燃料表面显著影响。

3.2.2。挥发物

挥发性物质是指当生物质被加热到400°C到500°C时作为挥发性气体释放出来的部分。挥发性物质是指存在于生物质中的碳、氢和氧的成分，当被加热变成蒸汽时，通常是短链和长链碳氢化合物的混合物[23]. 从表3，挥发物是成反比的固定碳的百分比。也就是说，随着挥发性物质的增加，固定碳的百分比降低，反之亦然。O. AFRICANA仍然具有样品中的其他木本物种中最小的PVM。挥发物含量已被证明影响固体燃料的热行为[3]。然而，这又是由燃料中的结构和键合的影响。作为Akowuah等。[3]报道，低档的生物质，如粪便，趋向于具有导致阴燃的低挥发物含量。他们还指出，它导致不完全燃烧，其被释放导致的烟雾和有毒气体的显著量。没有特别的趋势是观察挥发物含量和固定碳含量随树龄[24]。

一般情况下，图中的曲线1实验测定PMC、PAC、PVM与PFC的相关关系如表所示2对由多斯桑托斯维亚纳等人公布的生物量性能类似的工作输出。[20]。

3.2.3条。固定碳

燃料的固定碳指示可用于焦炭燃烧碳的百分比。由于显著量被释放，如挥发性烃是不等于在燃料碳的总量。在表固定碳的百分比2柱7米的范围从5.955％（A. schimperi）至22.388％（油橄榄AFRICANA）的木柴样品英寸总的趋势表明，示于表固定碳（PFC）随着从明显的实验室结果的密度的百分比增加2。此外，PFC降低如表1所示的的灰分百分比，水分含量，和从实验室结果观察到挥发物的增加2。

此外，表3描述了木材密度，PMC，PVM，和PAC与PFC的相关性分析。密度（ ）与PFC，PMC（正相关 ）与PFC，PAC（负相关 ）与PFC，和PVM（负相关 ）与pfc呈负相关，说明其中一种性能的增加会增加或减少其他性能。例如,增加密度减少PMC, PAC, PVM,而增加曼宁同样,PMC的增加增加PAC和PVM但减少密度和曼宁的意义分析PMC, PAC,和PVM在确定固定碳含量表将是非常重要的在确定的燃料性质不仅薪材生物量、木球和其他燃料来源(25]。

4。讨论

生物质材料的密度起着其燃料价值的确定中起重要作用。密集的木材中含有，他们往往烧更长的时间每单位体积更多的热量。在密度显著差异使用木材样品中被发现（ ).这些变化可能是由于树种和/或环境条件[年龄的差异22]。影响薪柴性能的主要物理性质的水分含量，化学，元素组成，和木材密度[15]。增大的水分在木材导致降低所获得的的热的量，因为更多的能量被用于蒸发水，这降低了燃烧效率[26]。对于树种的木材样品完全燃烧，应该有必要通过蒸发除去水在其中。像的密度，所用的各种样品薪柴在水分含量百分比分别为显著不同（ ）如表2。这些变化可能是由于树种和/或环境条件以及物种变化的年龄差异。

的用于这些分析各种薪柴样品中灰分含量的百分比为显著不同（ ）如表2。这种灰烬是由木材本身含有的矿泉水和在运输过程中产生的杂质混合而成的。矿物质分布在整棵树的各处，相当不规律。火山灰主要由碳酸钾组成，含有不同程度的钙、镁、碳酸钠以及少量的氧化铁、氧化铝和二氧化硅。纯灰呈白色[13]。植物部分的高灰分含量使得作为燃料它不太理想的，因为体积的相当大的部分不能被转化为能量[23，27]。一般来说，热带植物的灰分和水分含量相对较高[14]。传热灰沉积物表面在气化炉锅炉表面和内表面加速交换管热的热的腐蚀，并且还降低了它们的效率[15]。年龄较低(2-6岁)的树木，其灰分含量远高于已成熟(20岁)的树木[24]。

生物质材料的高挥发物含量表示在燃烧过程中，大多数将挥发并在炉灶作为气体燃烧[15]。生物质通常具有围绕干生物质，这使得生物质更具反应性的燃料在脱挥发分相比其它燃料例如煤得到快得多的燃烧率的重量的70-86％的挥发物含量[15]。表2示出的挥发性物质采用不同的木柴样品之间的变化（ ).

有在使用薪柴样品中的固定碳的比例显著差异（ ).在固定碳含量的变化示于表2。观察到不同的固定碳含量作为与所使用的木材高木质素含量相关联的低灰分含量的结果[22]。

5个。结论

本研究评估五个树种的燃料性能。It can be concluded from the results that all species studied had density ranging from 0.553 to 0.914 g/cm³水分5.908～9.927%，灰分0.994～4.445%，挥发分70.710～79.673%，固定碳5.955～22.388%。O. AFRICANA具有最高的固定碳，而Acokanthera schimperi固定碳最少。水分、灰分和挥发性物质是预测物种碳含量的关键参数。木材燃料的偏好并不取决于物种的单一能量特性，而是PFC、PAC、PMC、PMV和密度的整体特征。家庭对木材燃料的偏好不仅基于木材的能源特性，还包括可用性、可燃性和靠近研究区域。薪炭林树种的选择应依靠科学的评价，以满足当地广大社区的需要。

它可以进一步从研究中得出的结论;种具有相对高的水分含量和挥发物含量但低的固定碳含量。这是最好的首选树种的现状和矮林管理进行进一步的研究。

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

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