Comportamiento del biocarbón de Cupressus lusitanica (Mill) producido a diferentes temperaturas de pirólisis, Cartago, Costa Rica

Proyecto de Graduación (Licenciatura en Ingeniería Forestal) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ingeniería Forestal, 2023

La elaboración de carbón a partir de residuos orgánicos ha tomado mayor relevancia en los recientes años debido a la necesidad de buscar fuentes alternativas de energía como respuesta a la crisis mundial. Uno de los principales métodos para la producción de biocarbón es el proceso de pirólisis, el cual consiste en llevar el material vegetal a temperaturas superiores los 250 °C en un ambiente sin oxígeno durante un tiempo conocido. El presente estudió evaluó el comportamiento del carbón producido a cinco temperaturas de pirólisis (300 °C, 350 °C, 400 °C, 450 °C, 500 °C). Se evaluó la densidad del material carbonizado, el contenido de humedad, el porcentaje de cenizas y de material volátil, así como el análisis de las propiedades fisicoquímicas del biocarbón mediante ensayos termogravimétricos (TGA) y de espectrofotometría infrarroja (FT-IR). Se utilizó madera de ciprés (Cupressus lusitanica) como materia prima para la elaboración del carbón, el proceso se llevó a cabo en un reactor con capacidad de 3 litros para generar la atmósfera sin oxígeno y permitir la pirólisis. Los resultados mostraron una variación en cuanto a los rendimientos de los productos y las propiedades del carbón y la producción de gases no condensables al aumentar la temperatura. En el caso del bioaceite se observó un aumento directo del rendimiento con la temperatura hasta los 450 °C, sin embargo, para la temperatura de 500 °C el rendimiento disminuyó. Se observó además una tendencia de incremento del poder calórico con la temperatura de pirólisis, el material carbonizado a 450 °C presentó el valor más alto de poder calórico (34 006 kJ/kg), mientras que el carbón a 500 °C presentó un poder calórico menor, mostrando que el rendimiento del carbón se reduce con un incremento de la temperatura en este rango debido a la pérdida sustancial de material volátil o a la descomposición secundaria del biocarbón. Por otro lado, se tiene que los tratamientos de mayor temperatura, 450 °C y 500 °C presentaron los contenidos más altos de carbono, con un 80,67% y un 85,08% respectivamente, lo que indica un aumento del carbono directo con la temperatura. Se considera la temperatura de pirólisis a 450 °C como la más recomendable para la especie de C. lusitanica, ya que presentó resultados mayormente ideales en las variables evaluadas, alto poder calórico, bajo contenido de cenizas y volátiles, además de hidrofobicidad óptima para aplicación en suelos.

The production of charcoal from organic wastes has become more relevant in recent years due to the need to develop alternative sources of energy in response to the global crisis. One of the main methods to produce biochar is pyrolysis, which consists of heating the organic material to temperatures above 250 °C in an oxygen-free environment for a known period. The aim of the study was to evaluate the behavior of Cupressus lusitanica (cypress) biochar at five pyrolysis temperatures (300 °C, 350 °C, 400 °C, 450 °C, 500 °C), by measuring parameters such as the density of the carbonized material, moisture content, percentage of ash and volatile material, and by analyzing the physicochemical properties of the biochar using thermogravimetric (TGA) and infrared spectrophotometric (FT-IR) tests. Cypress wood (Cupressus lusitanica) was used as raw material for charcoal production, the process was conducted in an industrial reactor with nitrogen to generate the oxygen free atmosphere and to enable pyrolysis. The results showed a variation in terms of product yields and coal properties with increasing temperature, the production of non-condensable gases, for example, are encouraged due to secondary reactions. The bio-oil showed a direct increase in yield with temperature up to 450 °C, however, at 500 °C the yield decreased. It was also observed a tendency of increasing calorific value at higher pyrolysis temperature, the biochar at 450 °C temperature presented the highest value of caloric power being this equal to 34 005.94 kJ/kg, however, the biochar at 500 °C presented a lower calorific value, showing that the biochar yield decreases with an increase in temperature due to substantial loss of volatile matter or secondary decomposition of the biochar at a temperature higher than 450 °C. On the other hand, it is known that the highest temperature treatments, 450 ªC and 500 °C, showed with the highest carbon contents with 80.67 % and 85.08 % respectively, which indicates an increase in direct carbon with the temperature. The pyrolysis temperature of 450 °C is considered the most recommendable for the C. lusitanica, since it showed mostly ideal results in the variables evaluated, high caloric power, low ash content and low volatile content, in addition to optimal hydrophobicity for soil application.