Biochar production in an auger pyrolysis reactor and its amendment to soil as a tool to mitigate climate change.

Référence :

Brassard, P. 2017. Biochar production in an auger pyrolysis reactor and its amendment to soil as a tool to mitigate climate change. Doctoral thesis. Department of Bioresource Engineering, McGill University. 183 pages.

Résumé :

Le biochar est un résidu solide produit par la décomposition thermochimique de la biomasse à température modérément élevée (350 – 700 °C) sans oxygène. Ses propriétés physico-chimiques dépendent du type de biomasse et des paramètres de pyrolyse. Ainsi, l’objectif principal de ce projet de doctorat était de produire des biochars ayant des propriétés spécifiques et d’évaluer leur potentiel afin d’être utilisés comme outil de lutte contre les changements climatiques. La revue de littérature a permis de conclure qu’un biochar ayant de faibles ratios O/Corg (< 0.2) et H/Corg (< 0.7) a un potentiel de séquestration du carbone élevé. De plus, les biochars ayant une faible teneur en N, et donc un ratio C/N élevé (> 30) sont destinés à réduire les émissions de N2O du sol. Un réacteur de pyrolyse à vis développé par l’IRDA et le CRIQ a été utilisé pour produire des biochars ayant les propriétés identifiées. À partir d’une gamme de paramètres de pyrolyse (température, temps de résidence et débit d’azote) sélectionnée à l’aide de la revue de littérature et d’essais préliminaires, des tests de pyrolyse ont été réalisés avec du bois, du panic érigé (PÉ) et du lisier de porc séché (FSLP). Un design expérimental Box-Behnken basé sur la méthode de surfaces de réponses réalisé afin d’identifier les paramètres de pyrolyse optimaux a été validé. Ainsi, pour chaque biomasse, un test de pyrolyse a été réalisé avec les paramètres identifiés à l’aide des modèles statistiques pour produire un biochar ayant un ratio O/Corg et H/Corg maximum (scénario A). Un deuxième biochar ayant les propriétés opposées (ratio O/Corg et H/Corg minimum) a été produit (scénario B). Par la suite, les six biochars ont été mélangés avec un sable loameux et un loam limoneux à un taux de 2% (w/w) avec un fertilisant azoté et les mélanges ont été incubés pendant 45 jours. L’effet sur les émissions de GES du sol a dépendu du biochar et du type de sol. La minéralisation du C sous forme de CO2 a représenté seulement de 0.18 à 1.7% du C du biochar, et était particulièrement faible pour les biochars produits à haute température. Comparativement au traitement témoin sans biochar, les émissions de N2O ont été réduites seulement dans le loam limoneux avec les biochars de bois et de PÉ (C/N > 30). Une réduction statistiquement significative de 90% a été observée avec le biochar de PÉ produit à température plus faible (459 °C) et pendant un court temps de résidence (78 s). Une diminution de la concentration en NO3 - et NH4 + après la période d’incubation en raison de leur adsorption par le biochar ou de leur immobilisation, ainsi qu’une modification de la v l’abondance des microorganismes sont les mécanismes identifiés pouvant être responsables de la réduction des émissions de N2O. Une approche basée sur l’analyse du cycle de vie a permis d’étudier l’impact de la pyrolyse du PÉ sur les émissions de GES et sur la consommation énergétique, de la culture à la valorisation des coproduits. Les deux scénarios de pyrolyse ont été évalués, alors que les données recueillies précédemment dans ce projet ont été utilisées dans l’analyse. Une réduction des émissions de GES plus élevée a été obtenue pour le scénario B (-2524 kg CO2e t-1 biochar an-1) que pour le scénario A (-2105 kg CO2e t-1 biochar an-1). Cependant, la consommation d’énergie a été plus élevée dans le scénario B (-10,960 MJ t-1 biochar an-1) que dans le scénario A (-2401 MJ t-1 biochar an-1). Ces résultats démontrent que les paramètres de pyrolyse ont une grande influence sur les émissions de GES et sur la consommation énergétique de la production de biochar. Enfin, il est possible de conclure que seuls certains biochars ayant été produits avec des biomasses et des paramètres de pyrolyse spécifiques peuvent être utilisés comme outil de lutte contre les changements climatiques. Des essais supplémentaires au champ et en présence de cultures seront nécessaires afin de valider les résultats obtenus lors de l’étude en incubation.