thesis on biochar pdf

Development and optimization of pyrolysis biochar production systems towards advanced carbon management

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• Dutta, Baishali
• G S Vijaya Raghavan (Supervisor)
• About 10% of the 60 Petagram (Pg)-Carbon fixed annually through worldwide photosynthetic activity ends up in agricultural residues. Through a heat-induced chemical conversion process such residues can be converted to biochar, a form of carbon that can be employed as a soil amendment, thereby providing long-term storage of carbon in soil. In this application, it has the ability to both reduce GHG emissions and enhance soil structure, moisture and nutrient retention, thereby also addressing global food security issues by improving soil fertility and crop yields.Dealing with several aspects of carbon management and resulting mitigation of GHG emissions, the current project sought to maximize biochar yield from microwave-assisted pyrolysis of maple (Acer L.) wood biomass. Microwave-assisted heating processes are known to be faster and more energy-efficient, yielding higher quality products than conventional methods. Volumetric, spectral and thermodynamic analysis of biochar developed through microwave-assisted pyrolysis showed it to exhibit greater porosity, lower reflectance and greater exothermic energy, and therefore greater overall quality than conventionally-produced biochar. This study also showed this microwave-assisted process to be capable of both producing high quality char and synthesize value-added carbon products. A three-dimensional finite element numerical model developed to optimize the primary parameters was instrumental in optimizing microwave pyrolytic process parameters so as to maximize biochar yields. The influence of selective heating phenomena on pyrolysis conditions was an important factor maximizing biochar yields arising from microwave-assisted pyrolysis of biomass. The application of a doping agent (i.e., microwave receptor) such as char enhanced the severity of the pyrolysis process by better temperature distribution within the biomassBased on numerical models and simulation data, the design of a microwave-assisted pyrolysis reactor affording optimal performance in terms of biochar yields was experimentally validated in a custom-built lab-scale unit. Biochar yield decreased with increasing pyrolysis temperature and time while doping ratio had no significant effect on biochar yields. The maximum predicted yield occurred for an microwave-assisted pyrolysis process optimized at the pyrolysis temperature of 250°C, reaction time of 1 min and doping ratio of 16%.The biochar resulting from microwave-assisted pyrolysis was characterized through various physical and chemical analyses: hyper-spectral imaging, pycnometry, proximate analyses, Scanning Electron Microscopy, Fourier Transform Infrared Radiation and Differential Scanning Calorimetry. The biochar's structural development was directly influenced by the pyrolysis conditions of temperature, residence time and doping ratio.In light of GHG emission balances and the economic feasibility of biochar production, a life cycle analysis was important in estimating the benefits of biochar systems over a wide range of biomass, process and application scenarios. The life cycle analysis determined the sustainability — in terms of reducing the undesired effects of pyrolysis biochar systems — of the proposed process for different types of agricultural residues in Quebec, Canada. This would help farmers to assess the economic vs. environmental benefits of employing this technology to put the agricultural waste they generate to optimal use. The economic viability of the pyrolysis-biochar system was found to be largely dependent on the costs of feedstock production, pyrolysis, and the value of carbon offsets. Therefore, the conclusions drawn from such a life cycle analysis would represent a useful tool in assessing the potential of biochar systems worldwide.
• Des 60 Petagram (Pg)-C par an fixés à l'échelle mondiale par l'activité photosynthétique, environ 10% demeurent dans les résidus agricoles. Un processus de transformation thermochimique permet de transformer ces résidus en biochar, une forme de carbone (C) dont l'utilisation comme amendement du sol, permet un entreposage du C à long terme, une réduction correspondante des émissions de gaz à effet de serre, ainsi qu'une amélioration de la structure, teneur en eau et rétention d'éléments nutritifs du sol. En améliorant la fertilité des sols et le rendement des cultures, ce procédé s'adresse donc aux enjeux de la sécurité alimentaire mondiale Le présent projet chercha à maximiser le rendement en biochar advenant d'une pyrolyse de biomasse de bois d'érable (Acer L.). Offrant des produits d'une qualité supérieur à celle des procédés conventionnels, le chauffage assisté par micro-ondes est parmi les procédés les plus rapides et écoénergétiques. Les analyses volumétriques, spectrales et thermodynamiques du biochar provenant d'une pyrolyse assistée par micro-ondes (PAM) démontrèrent sa plus grande porosité, son coefficient de réflexion moins élevé et sa plus grande énergie exothermique, et donc sa plus grande qualité globale par rapport au biochar d'origine conventionnelle. La PAM a produit un biochar de haute qualité tout en synthétisant des composés de carbone à valeur ajoutée. Une modélisation tridimensionnelle par éléments finis visant à optimiser les paramètres du procédé de PAM s'avéra clé à l'optimisation du rendement en biochar. L'influence de phénomènes d'échauffement sélectif sur les conditions de pyrolyse s'avéra un facteur important dans l'optimisation du rendement en biochar produit par PAM de biomasse. L'ajout d'un agent dopant (i.e., matériel récepteur des micro-ondes) tel que du biochar, a réduit la sévérité du procédé de PAM en permettant une meilleure distribution de la température à travers la biomasse.Grâce à des modélisations numériques et des données de simulation, la conception d'un réacteur pyrolytique assisté par micro-ondes, permettant d'obtenir une performance optimale quant au rendement de biochar, fut validée expérimentalement dans un appareil bâti sur mesure à l'échelle du laboratoire. Face à une augmentation de la température de pyrolyse, le rendement en biochar diminua, mais la fraction d'agent de dopage n'eut aucun effet significatif sur celui-ci. Le rendement maximum prévu pour le procédé de PAM fut obtenu avec une température de pyrolyse de 250°C, un temps de réaction de 1 min, et une fraction d'agent de dopage de 16%.Diverses analyses physiques et chimiques de biochar provenant d'une PAM servirent à sa caractérisation: imagerie hyperspectrale, pycnométrie, analyses immédiates, microscopie à balayage électronique, spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier, analyse calorimétrique différentielle. La structure du biochar fut influencée par les conditions de pyrolyse (e.g., température, temps de séjour, coefficient de dopage).Une analyse du cycle de vie s'avéra importante à l'évaluation des avantages des systèmes de biochar pour une variété de biomasses, procédés de pyrolyse et taux d'amendement. Cette analyse évalua, pour différents résidus agricoles du Québec, le caractère durable du procédé proposé, particulièrement vis-à-vis la réduction des effets néfastes de la production de biochar par pyrolyse. Cette analyse permettra aux agriculteurs d'évaluer les avantages économiques vs. environnementaux de cette technologie pour la mise en valeur optimale des résidus agricoles. La viabilité économique du système de production de biochar par PAM se trouva principalement liée aux coûts de production des matières premières, de pyrolyse, et de la valeur des crédits d'émission de carbone. Les conclusions d'une telle analyse représentent donc un outil d'une grande valeur dans l'évaluation du potentiel du biochar à l'échelle mondiale.
• Health And Environmental Sciences - Environmental Sciences
• McGill University
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• Department of Bioresource Engineering
• Doctor of Philosophy
• Theses & Dissertations

Evaluation of Nitrate and Phosphate Removal in Bioswale Using BOF Slag and Biochar

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