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Description jointe à une demande de
BREVET BELGE déposée par : L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE
ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE ayant pour objet : Procédé et installation de production, de biogaz Qualification proposée : BREVET D'INVENTION Priorité d'une demande de brevet déposée en France le 7 octobre 1982 sous le nO 82. 16805 Inventeurs : Michel BELIEN
Pierre BRONDEAU
Paul GASTINNE
Philippe ROUET
Philippe GIRARDON
Jean AMEN
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"PROCEDE ET INSTALLATION DE PRODUCTION DE BIOGAZ"
La présente invention a pour objet un procédé et une installation de production de biogaz, c'est-à-dire une installation de fermentation méthanique d'effluents organiques, fonctionnant de façon économique pour la production de gaz.
Actuellement, notamment dans l'agriculture, divers procédés ont été préconisés pour la production de gaz par fermentation méthanique continue des lisiers, effluents d'industries agro-alimentaires ou autres.
Pour cela, on emploie soit des techniques de fermentation anaérobie en cellules libres ne permettant pas de dépasser une productivité de 0,8 à 1,2 volume de biogaz par volume de réacteur et par jour, et dans ce cas la charge volumique n'excède pas 5kg. de DCO
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3 par m3, et la teneur en méthane du biogaz se situe entre 55 et 70 soit des techniques plus performantes notamment celles faisant usage de supports pour immobiliser les cellules, mais elles n'ont guère dépassé le stade du laboratoire, des problèmes de colmatage étant intervenus lors du passage au stade industriel.
Il existe encore d'autres techniques employant la digestion par contact ou la digestion par flux ascendant en lit de boues.
Malheureusement les performances d'un grand nombre d'installations de fermentation méthanique sont limitées à cause de la proportion importante de matières difficilement fermentescibles (cellulose, hémi-cellulose) qui se trouve dans le substrat à méthanier. Le"ballast"inutile occupe un volume mort dans le réacteur et nuit à sa productivité. Du plus, la composition du substrat à traiter est rarement prise en compte et est susceptible de varier dans le temps avant digestion.
En outre, la plupart des installations ne font pas appel à un procédé de rétention des micro-organismes responsables de la réaction à l'intérieur de l'appareil. Une augmentation du nombre de ces micro-organismes présents dans le substrat, à l'intérieur du digesteur, permettrait d'accroître la cinétique de la réaction.
La présente invention a pour objet un procédé de production de biogaz qui permet d'éliminer les inconvénients précités ainsi qu'une installation de production de biogaz de grandes performances. tout en
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ayant une simplification de conduite et une amélioration du bilan énergétique.
Le procédé de production de biogaz à partir d'effluents organiques, conforme à l'invention, se caractérise en ce que l'on faitsubir à l'effluent un processus de vieillissement d'une durée d'une demi-journée à quatre jours à une température de 10 C à 20 C, on le soumet à une séparation liquide-solide, on le réchauffe éventuellement, puis on le dirige à la base d'un digesteur à l'intérieur duquel il est recyclé plusieurs fois sur un garnissage intérieur faisant office de filtre anaérobie, afin d'assurer une répartition uniforme de l'activité biologique, et, d'une part on soutire l'effluent pour utilisation par épandage, d'autre part on recueille le biogaz produit au sommet du digesteur pour utilisation ou stockage.
De façon plus précise, l'effluent est stocké dans la fosse de collecte à une température de préférence supérieure à 16 C et subit un prétraitement consistant en un processus de vieillissement, afin de solubiliser au mieux la matière organique et de briser microbiologiquement une partie des longues chaînes carbonées (cellulose, hémi-cellulose). L'ensemencement naturel induit une acidogénèse. Les temps de rétention dans la fosse se situent entre 12 heures et quatre jours suivant la nature du substrat traité, par exemple : - 12 à 24 heures pour les effluents des industries agro-alimentaires ; - 2 jours au minimum pour du lisier de bovins et des fientes de volailles ; - 3 jours au minimum pour les lisiers de porcs à faible teneur en cellulose.
Il faut noter que, pour certains effluents, une dilution est nécessaire avant la phase de vieillissement.
Après vieillissement et afin d'obtenir un effluent homogène, les matières insolubles et non fermentescibles sont éliminées par séparation liquide-solide. La granulométrie doit être de préférence inférieure à 100 microns. On peut utiliser par exemple un tamis vibrant dont le système d'évacuation des particules solides évite le colmatage et permet le traitement des liquides à forte charge organique. Les
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mailles des grilles du tamis doivent se situer entre 200 et 800 microns suivant l'effluent traite et les débits de tamisage varient de 3 à 15 m3/h.
Après un réchauffage éventuel du substrat à une température de 35 C à 45 C, ce dernier est alors dirigé vers un digesteur ; il traverse tout d'abord un premier échangeur à contre-courant dont le fluide chaud (effluent sortant du digesteur) est à 35 C environ, et ensuite un second échangeur à contre-courant où le fluide chaud (eau) est à 50 C environ, lesdits échangeurs étant dimensionnés pour éviter tout colmatage par le liquide chargé, tout en gardant un coefficient d'échange acceptable. La vitesse du liquide chargé dans les échangeurs doit être supérieur à 0,32 m/s, soit un débit supérieur à 1,25 m3/h pour un diamètre intérieur du tube central de 37,2 mm et un diamètre intérieur de l'enveloppe de 60 mm.
Compte tenu du procédé selon l'invention qui implique des temps de rétention hydraulique très courts dans le digesteur, l'alimentation en substrat est faite par une pompe volumétrique et répartie de façon homogène sur la journée. La quantité d'effluent à traiter déterminera le débit d'alimentation et la fréquence de fonctionnement de la pompe qui sera commandée au moyen d'une horloge, et en tout état de cause le débit devra toujours être supérieur à 1,25 m3/h.
Après son passage dans les deux échangeurs précités, le substrat est introduit dans le digesteur par le bas.
L'installation de production de biogaz, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'elle comporte une fosse de stockage pour vieillissement de l'effluent, des moyens de séparation liquide-solide, un digesteur, des moyens de recyclage de l'effluent, des moyens d'évacuation de l'effluent fermenté, des moyens pour recueillir le biogaz, des moyens d'épuration et de stockage dudit biogaz et deux échangeurs à contre-courant entourant le digesteur.
Selon une caractéristique de l'invention, le premier échangeur est chauffé par l'effluent sortant du digesteur et le deuxième échangeur par de l'eau chaude.
Selon l'invention, le digesteur est constitué par une cuve
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verticale comportant à sa base une grille au-dessus de laquelle est disposé un garnissage constitué d'anneaux en matière plastique de 30 à 100 mm de diamètre. De préférence, le garnissage est un garnissage à lit fixe.
Selon une autre caractéristique de l'invention,'les moyens de recyclage de l'effluent sont, soit des moyens de recyclage par flux ascendant, soit des moyens de recyclage par flux descendant. Le recyclage de l'effluent peut être séquentiel ou continu.
Ainsi, selon l'invention, on accroît la cinétique de production de biométhane par fixation sur supports des micro-organismes responsables de la réaction et on répartit uniformément cette activité biologique sur le garnissage interne du digesteur faisant office de filtre anaérobie. Ce garnissage permet d'atteindre des taux de charge de 12 à 23 kg DCO/m3/jour, représentant un temps de séjour de 0,4 à 4,5 jours suivant la concentration de la matière organique. Le substrat, après introduction dans le digesteur, est recyclé afin de répartir l'activité biologique sur tout le garnissage en évitant tout phénomène de décantation. De préférence, le débit de recyclage doit être par heure de 20 à 35 % du volume utile du réacteur.
Selon le procédé de l'invention, aucune croûte ne se forme en surface, la séparation liquide-solide ayant supprimé toutes les particules susceptibles de flotter dans le substrat.
Le substrat est soutiré du digesteur par trop-plein, afin d'équilibrer le liquide sortant avec le débit du liquide entrant et il est stocké dans une fosse pour être utilisé comme engrais par épandage.
Le biogaz produit est disponible sous une pression de 500 à 5000 Pa dans le digesteur. Il peut être utilisé immédiatement ou après épuration.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'une installation de production de biogaz selon l'invention ; - la figure 2 est une vue du digesteur de l'installation représentée à la figure 1.
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En se reportant à la figure 1, on voit que l'effluent brut arrive en 1 et est stocké par exemple dans une fosse de collecte 2, de préférence à une température supérieure à 16 C. L'effluent reste dans cette fosse 2 d'une demi-journée à quatre jours pour y subir un processus de vieillissement suivant sa nature et se solubilise partiellement. L'effluent est alors repris par une pompe 3 et dirigé vers un tamis d'épuration 4 dont les mailles se situent entre 200 et 800 microns, afin d'éliminer les particules de grosse taille souvent non fermentescibles avec des temps de séjour réduits. Le refus de tamis est séparé de l'effluent et stocké en 5 pour utilisation éventuelle.
L'effluent tamisé est stocké dans une fosse 6, afin d'éviter les ruptures de charges.
Cet effluent est repris par une pompe (à membrane) 7 pour être dirigé vers un digesteur 8 (ou fermenteur) (fig. 2). Il traverse au préalable un premier échangeur à contre-courant 9 où il récupère partiellement la chaleur du lisier sortant ; il traverse ensuite un second échangeur (10) où il est porté à une température entre 35 C et 43 C. Le fluide chaud du premier échangeur 9 est constitué par le liquide sortant du digesteur 8 après fermentation. Le second échangeur 10 est alimenté par de l'eau à 50 C au maximum. L'effluent réchauffé est alors introduit dans le digesteur 8 à sa base en 11, à proximité du circuit de recirculation 12.
Le digesteur 8 est constitué par une cuve verticale, cylindrique comportant à sa base une grille 13 au-dessus de laquelle est disposé un garnissage 14 constitué d'anneaux en matière plastique de 30 mm à 100 mm de diamètre. Au sommet de la cuve est disposée une cheminée de mise à l'atmosphère 15. La cuve est entourée par les échangeurs 9 et 10. Le circuit de recirculation 12 est constitué par une canalisation 16, prenant, au moyen d'une pompe 17, l'effluent sous la grille 13 pour le déverser à la partie supérieure du digesteur 8 en 18 sur tout le garnissage 14, évitant ainsi le phénomène de décantation. Le débit de recyclage doit être par heure voisin de 10 à 35 % du volume utile de la cuve. Ce débit doit aboutir au ciel gazeux, afin de diminuer le volume des mousses qui pourraient apparaître au cours du régime transitoire.
L'effluent traverse le garnissage 14 et
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fermente avec un temps de séjour compris entre 0, 4 et 4, 5 jours.
A ce stade, il est soutire par trop-plein au moyen d'une canalisation recourbée 19 disposée au sommet du digesteur 8 et traverse le premier échangeur à contre-courant 9 pour réchauffer l'effluent arrivant au digesteur, comme décrit plus haut. L'effluent est ensuite dirigé vers une fosse 20 (ou une cuve de stockage) où il pourra être repris soit directement, soit après un traitement éventuel d'épuration.
Le gaz produit dans le digesteur 8 est disponible à une pression comprise entre 500 et 5000 Pa. Ce gaz est prélevé au sommet de la cuve au moyen d'une canalisation 21 (figure 2) comportant un dispositif séparateur 22 pour l'évacuation des mousses ou autres, et est dirigé vers un épurateur 23 de type connu, le cas échéant, comprimé en 24 puis transféré vers un épurateur secondaire 25 et de là vers une capacité de stockage 26. Ce gaz peut être utilisé d'eau chaude, pour la production d'électricité au moyen de groupes électrogènes ou pour le chauffage de bâtiments d'élevage ou d'habitation.
Il faut noter également que l'on a prévu autour du digesteur 8 un réchauffeur 29 qui, le cas échéant, par temps froid, permet d'élever la température de l'effluent à l'intérieur de la cuve. Ce réchauffeur 29 est alimenté par eau chaude, par une canalisation 30.
Par ailleurs, l'ensemble du digesteur 8, les deux échangeurs à contre-courant 9-10 et le réchauffeur 29 sont noyés dans un calorifugeage afin de maintenir une température constante et stable.
Bien entendu, divers dispositifs peuvent compléter l'installation décrite ci-dessus. Par exemple, des sondes de température peuvent être disposées sur les échangeurs pour assurer une température constante ou s'assurer de la température de l'effluent dans le digesteur, les pompes peuvent être couplées avec des horloges et l'ensemble commandé. de manière telle que ces divers paramètres commandent le débit de l'effluent ou la production optimum du gaz, sans pour cela sortir du cadre de l'invention.