巴西坚果树果实热传导和燃烧时间的热诊断

摘要：这项工作的目的是使用热成像图像评估巴西坚果树 ( Bertholletia excelsa Bonpl.) 果实燃烧过程的空间和时间动态，以表征这种生物质作为能源的潜力，用于陶瓷窑。红外热像仪被用作诊断工具，试验于 2018 年 11 月进行，分为两个区块，每个区块重复两次，水果排列整齐，空腔朝上和朝下。使用 Flir Tools (6.3 v) 分析热分析图。果实中心的温度最高（>160°C），在 6分钟 30内达到白炽状态 s。热量从中心传播到边缘，对于空腔向上的水果，这个过程更快。二阶多项式模型解释了最大持续时间为 7.2 分钟的燃烧时间。热成像诊断有可能用于将这种生物质作为能源的管理策略，从而将价值汇总到采掘者在收获期间通常留在森林中的残留物上。

关键词

剩余生物量,热成像模式,非木材林产品

一、简介

亚马逊雨林的生物多样性通过提取过程中的副产品和物质具有巨大的生物技术和生物能源潜力，这些能够为该地区的人口带来显着的经济效益 [ 1 ] - [ 20 ]。在这些可能性中，有巴西坚果树 (Bertholettia excelsa Bonpl. Lecythidaceae) 等本土物种，它具有通过非木材林产品聚合价值的巨大潜力 [ 2 ]，其果实命名为ouriços，平均重量为 1.6 公斤，包含 12 至 25 颗种子，被非常厚且抗性的树皮覆盖，其中发现了 natura 中的种子 [ 17 ]。

巴西坚果在经济上的重要性越来越高，这主要是由于对其营养价值的研究结果 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]。在亚马逊的一些地方，巴西坚果是出口的主要采掘产品，它还具有利用收获的剩余生物质发电的巨大潜力 [ 4 ]。由于该地区非常丰富，巴西坚果树也可以被认为是评估保护和发展指标的关键树种，因为它的收获每年都发生在原生森林中。巴西坚果的收获本身对环境的影响很小 [ 21 ]，但果实的果皮在去除种子后很少使用。

巴西2012年至2013年期间的B. excelsa产量分别为38,805和38,300吨，并集中在北部地区，2013年产量为36,704吨，占全国产量的96%，产量最大的州是英亩、亚马孙和帕拉。此外，雨季产量更高，降雨量大的年份会导致下一年的收成增加[ 19 ]。

目前，当地、区域、国家和世界市场对巴西坚果的需求很大，这增加了企业的就业机会、收入和兴趣，以及生产商在巴西坚果产区安装公司。此外，巴西坚果贸易加强了作为农业开采社区基础的生产链 [ 5 ]。

生物质燃烧是一种基于通过一系列化学反应将化学能转化为热能的原理的转化技术[ 7 ]-[ 15 ]。使用能够诊断加热过程和响应时间的技术可以帮助了解储存在生物质（巴西坚果果实）中的能量转换到燃烧点的过程。生物质燃烧主要用于木材炉、原木锅炉、颗粒燃烧器、自动木屑炉和秸秆燃烧炉等中小型装置的产热 [ 18]。以颜色梯度表示的热梯度表明红外光谱中的辐射与被测物体的温度成正比 [ 9 ]。需要强调的是，热成像允许识别来自被测物体表面发出的能量的热响应，并将该响应转换为显示由热成像相机捕获的热梯度的图像 [ 22 ]。

鉴于目前可用的技术资源和工具种类繁多，这项工作的目的是使用热成像图像评估巴西坚果树 (Bertholletia excelsa Bonpl.) 果实燃烧过程的空间和时间动态，以便描述这种生物质作为亚马逊陶瓷窑能源使用的潜力。

二、材料与方法

巴西坚果果实 (Bertholletia excelsa Bonpl.) 的样品于 2018 年 11 月初在 Fazenda Aruanã（03˚00'30.63"S 和 58˚45'50"W），海拔 150 m，位于巴西亚马孙州 Itacoatiara 市 AM-010 高速公路上（图 1）。

为实验选择的材料被运送到马努阿斯市，在那里进行干燥过程以去除多余的水分。干燥后，直径在 10 至 15 厘米之间的样品被运送到附近的伊兰杜巴（03˚08'19.8"S 和 60˚21'39.3"W）的陶瓷窑炉中，以便在窑炉中进行温度测试700℃以上。进行这些测试是为了量化水果进入燃烧的时间，并使用红外热像仪监控整个过程，如下图所示。

水果被组织成两个块，一个块的水果开口朝上，另一个块的开口朝下。将水果放入烤箱中，测量将块安装在烤箱前部直至水果开始燃烧所需的时间。随后，取出样品以进行热成像，这也在烤箱的外部进行，目的是描述水果中的热传导过程。

烤箱是半连续的，属于“paulistinha”类型（图 2 (a) 和图 2 (b)）。作为参考，使用了烤箱入口处的平均温度，因为这是在烧砖过程中引入待烧材料的场所（图 2 (c) 和图 2 (d)）。

为了为实验试验提供更广泛的支持，该地区的地理参考气候数据从 [ 14 ] 中使用，仅使用来自亚马逊州的数据来空间识别伊兰杜巴地区。图 3显示柯本气候类型为 Am 3，表明最少雨月平均降雨量在 60 毫米以下，年降雨量在 2000 至 2500 毫米之间。由此可见，伊兰杜巴陶瓷工业中心的气候条件有利于亚马逊本土巴西坚果林的生长。

由于伊兰杜巴靠近马瑙斯大都市区，因此还使用了国家气象研究所 (INMET) 提供的气候数据，根据 1961 年至 1990 年的历史系列，确定研究区具有年平均的热状态温度为 26.7°C，最高为 31.4°C，最低为 23.3°C。水文状况方面，年平均降雨量为2307.4毫米，其中降雨量最多的3月为335.4毫米e，降雨量最少的8月为47.3毫米，年平均空气相对湿度为83.1%[ 6 ]。

图 1。Fazenda Aruanã 的位置图片位于高速公路 AM-10 的东侧（Manaus-Itacoatiara，215 公里）。资料来源：作者。

图 2。来自巴西的栗子刺猬。

还使用了来自马瑙斯 INMET 自动气象站（北纬 03°06'19" 和东经 60°00'49"W）的气候数据来确定实验当天（2018 年 11 月 23 日）的气候条件)，发生在 15 h:00 min 和 16 h:00 min 之间，考虑到实验地点受到马瑙斯自动气象站测量范围内普遍存在的气候条件的影响。

使用热成像红外相机 (FLIR T650sc) 通过图像采集进行数据收集，该相机具有 25 mm 固定镜头，温度范围为 40˚C 至 150˚C，热敏度为 50 mK（<0.05˚C at环境温度为 30˚C）。相机的光谱范围为 0.7 至 100 μm，但图像目标呈现 0.7 至 3.0 μm 之间的响应，光学分辨率为 640 × 480 像素，最大发射率指数为 0.95。

图 3。伊朗杜巴陶瓷工业中心的砖窑炉（（a）和（b））和测试表面组织的示例（水果（c）和（d））。

随后，使用软件 Flir Tools, 6.3v [ 10 ] 处理图像，从中提取最小、最大和振幅热数据。

将样品分成四个块，其中两个块的果实开口朝上，另一个块开口朝下，这样每个块至少有一个来自每个处理组的代表。对于图像处理，调色板被定义并分类为白色、红色、黄色、绿色和蓝色的热波段。为了评估热波段，从对应于每个块的每个图像中提取五个点，如图 4所示。

使用程序 BioEstat，版本 5.3 [ 3 ]，使用方差分析 (ANOVA) 对目标之间的热响应模式进行统计分析。此外，分析了果实进入燃烧所需的时间（因变量（x））与作为自变量（y）的热带之间的函数关系，以验证模型是否可以解释燃烧过程。热传导。

3。结果与讨论

陶瓷窑目标成像实验试验时的气象变量显示，平均气温为24.8℃，空气相对湿度为89.3%，试验期间没有降雨。果实的热像图显示，以白色为代表的温度都在160℃以上，对于开口朝上和朝下的果实都进行了处理。对于红色图案的最大值，

图 4。Martorano 等人改编的法律亚马逊的柯本气候类型学。(1993)，Martorano 等人使用的地理数据库。（2017）。

最低和平均温度分别为 135.3˚C、122.0˚C 和 128.5˚C。对于白色和红色图案，果实的温度高于 100°C，表明果实中心的热量集中度更高。黄色图案中提取的样品的最大值为 91.8°C，最小值为 84.8°C，平均值为 86.9°C。

在绿色图案所代表的区域中，最大热值为 75.0˚C，最小值为 63.0˚C，平均值为 67.0˚C。蓝色图案的最热区域为 45.0˚C，最低为 41.0˚C，平均为 44.0˚C。表达热传导的等温线表明，水果中心的高温超过了热像仪的热极限，并且成像表面存在差异，这表现为等温线的重合。较高的热振幅达到 13°C 左右的值，表明水果具有很高的热传导潜力，因为该值超过了 120°C。果实外围的温度都在40℃以上，说明果实边缘的温度也很高（图 5）。

开口向上和向下的两种处理在 3 到 5 分钟的间隔内温度升高加剧，这些在 5 分钟和 40 秒后开始燃烧，当材料保持 6 分钟和 30 秒时变得完全白炽（图 6）。水果燃烧过程的速度可能与其具有高木质素和纤维素含量的化学成分有关 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]。重要的是要强调的是，对于水果所在的块，它们的开口朝上，白炽灯会更快地到达。

开口朝下的方块之间的微小变化可能与较大的水蒸气浓度有关，因为难以

图 5。使用 Flir 工具指示水果上的目标收集点的图像示例。

图 6。巴西坚果树 (Bertholletia excelsa Bonpl.) 果实中热传导的热成像诊断。

在加热水果的过程中释放周围的空气。在 t 1（1 分 30 秒），果实的平均温度达到 73.6˚C 并快速加热，在 t 2（3 分 00 秒），它们达到了 118.0 ˚C 的平均值。在 t 3（4 分 00 秒）温度平均为 120.0˚C，而在 t 4（5 分 00 秒）迅速平均为 133.0˚C。在 t 6 (7 min 00 s) 果实达到 160.0˚C 以上的温度并开始燃烧（图 5 (a) 和图 5(b))。通过二阶多项式可以估计水果温度的概率为 97%，其中一阶导数得到的拐点出现在 7.2 分钟，这代表了水果的最大白炽时间（图 7）。

还观察到，水果开口向上的水果块比水果开口向下的水果块经历了更快的冷却过程。出炉5分00后，开口朝下的果实平均温度降至近65.0℃，而开口朝上的块平均温度为62.0℃。这个 3.0˚C 的差异代表了在组织这种生物质以放置在烤箱中的过程中应该做出决定的一个点，以保证为烤箱提供一致的能量供应，并进一步汇总这种材料的价值，即通常由收割者丢弃在森林中。

亚马孙地区的贝氏菌的自然产区集中在阿克雷、亚马孙、帕拉、阿马帕、朗多尼亚、罗赖马、马托格罗索和马拉尼昂 [ 23 ] 州。在亚马逊州，对巴西坚果生产最重要的城市是 Beruri、Humaitá 和 Lábrea [ 12 ]，这表明了在马瑙斯大都会周围的陶瓷工业中心的窑炉中使用生物质生产的潜力

图 7。用于估计巴西坚果树 (Bertholletia excelsa Bonpl.) 果实的平均热传导时间的二阶多项式模型，作为在亚马逊伊兰杜巴陶瓷工业中心窑炉中使用的策略。

地区。考虑到一棵巴西坚果树平均产生 236 个果实 [ 13 ] - [ 24 ]，并且每个果实平均拥有大约 20 个种子 [ 25]，据估计，每棵树的年生产潜力为 4720 粒种子。还考虑到种子的平均重量为 6.0 克，那么每棵树产生的种子总重量为 28.3 公斤/收获年。如果平均年产量为 4 万吨，来自 1,716,738 棵树，那么潜在的生物质产量将为每年 7 吨，可用于马瑙斯附近伊兰杜巴陶瓷工业中心窑炉的燃烧过程。除此之外，巴西坚果可以被认为是保护与发展相结合的关键物种，因为它在亚马逊地区很丰富，几乎只在天然林中收获，并且由于市场需求旺盛，短期内被各个社区利用并且成本低，除了收获对环境的影响低[9 ] - [ 28 ]。

水果中的高木质素和纤维素含量使它们在 7 分钟内开始燃烧，这一结果表明，使用这种生物质代表了一种为该地区的陶瓷窑炉提供替代燃料来源的策略，以及进一步的工作和规划应该进行以改进对每年所需的生物量的估计。

4。结论

巴西坚果果实 (Bertholletia excelsa Bonpl.) 具有很高的燃烧潜力，最长燃烧时间为 7.5 分钟。使用二次多项式估计巴西坚果果实的燃烧时间，作为一种策略，将这些剩余生物量的价值汇总到农业开采社区通常在收获时丢弃的剩余生物量。热诊断允许量化燃烧时间和识别水果中的热传导带，这些结果可用于帮助规划使用来自亚马逊地区丰富的非木材林产品的剩余生物量。使用巴西坚果刺猬的优势非常明显，因为与其他巴西生物质相比，燃烧时间非常快。

致谢

这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。然而，作者感谢 EMBRAPA（MAPCAST​​ 项目）、Rede BIONORTE 和亚马逊联邦大学（UFAM）在第一作者和第三作者博士研究方面的科学合作，作者也感谢 Montemar Ceramic 的所有者和合作者公司在实地研究期间的支持。

利益冲突

作者声明与本文的发表没有利益冲突。

参考

[ 1 ] Astolfi, FS, Nunes-Silva, CG 和 Bigi, MFMA (2014) Bioprospeccao e biotecnologia。Parcerias Estratégicas, 19, 45-80。

http://seer.cgee.org.br/index.php/parcerias_estrategicas/article/view/732

[ 2 ] Auca, EC, Silva Dionisio, LF, Bardales-Lozano, RM 和 Schwartz, G. (2018) 在迷你温室中使用种子繁殖巴西坚果 (Humb. y Bonpl) 幼苗。Revista Agro@mbiente 在线，12, 300-313。

[ 3 ] Ayres, M., Ayres, JM, Ayres, DL 和 Santos, AAS (2007) BioEstat: Aplicacoes estatísticas nas áreas das ciências biomedicas, Belém-Pará。

[ 4 ] Barbosa, MAM 和 Moret, AS (2018) Ourico da Castanha-do-Brasil。对话经济与社会，2, 45-54。

http://dialogos.saolucas.edu.br/index.php/REDIAL/article/view/13

[ 5 ] Bayma, MMA, Sá, CP, Fonseca, FL 和 Wadt, LH (2014) Aspectos da cadeia produtiva da castanha-do-brasil no estado do Acre, 巴西。Boletim do Museu Paraense Emilio Goeldi。自然科学，9, 417-426。

https://www.alice.cnptia.embrapa.br/handle/doc/996473

[ 6 ] 巴西（1992 年）气象部门。气候规范 1961-1990。Ministério da Agricultura e Reforma Agrária，里约热内卢。

http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=clima/normaisClimatologicas

[ 7 ] Cardoso, JM 和 Joao, JJ (2019) 情境化和实验：使用蒸汽机模拟实验的化学和物理跨学科方法。Revista Virtual de Química, 11, 339-352。

[ 8 ] Carmona, IN, Sampaio, J., Andrade, FWC, Júnior, CDC, Junior, SMOM, Moreira, LS 和 Moutinho, VHP (2017) Potencial energético dabiotica e carvao vegetal de resíduos de castanha-do-pará (bertholletia excelsa bonpl .)。III Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia da Madeira，弗洛里亚诺波利斯。