EP4500100A1 - Procédé et dispositif de conditionnement de biogaz sous forme compacte - Google Patents

Procédé et dispositif de conditionnement de biogaz sous forme compacte

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EP4500100A1
EP4500100A1 EP23713378.0A EP23713378A EP4500100A1 EP 4500100 A1 EP4500100 A1 EP 4500100A1 EP 23713378 A EP23713378 A EP 23713378A EP 4500100 A1 EP4500100 A1 EP 4500100A1
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EP
European Patent Office
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mixture
biogas
carbon dioxide
flow
cooling
Prior art date
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Pending
Application number
EP23713378.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Benoit
Gaspard BOUTEAU
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Engie SA
Original Assignee
Engie SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F25J2290/62—Details of storing a fluid in a tank

Definitions

  • the present invention relates to a process for conditioning biogas in compact form and a device for conditioning biogas in compact form. It applies, in particular, to the field of treatment and conditioning of biogas with a view to the valorization of said biogas.
  • a difficulty In the field of biogas (or biomethane), a difficulty consists of collecting biogas produced on a small scale and in places far from the gas transport network.
  • the problem is that due to the high carbon dioxide content of the biogas (typically greater than 35% of the molar mass), the carbon dioxide can condense during compression and therefore this requires a specific expensive compressor capable of evacuating the carbon dioxide which condenses during treatment,
  • the problem is that - taking into account once again the high carbon dioxide content of the biogas - the risk is that part of the carbon dioxide crystallizes well before the mixture enriched with methane is liquid and therefore this blocks the process by progressive blocking of the exchangers,
  • - modify the composition of the biogas by adding a third component making it possible to block the crystallization of carbon dioxide and therefore condense the biogas in liquid form - the third component, typically a C3 to C7 type hydrocarbon, always requires liquefaction at temperatures low (at least -50°C and more often below -80°C) if we want to limit the quantity of third component so as not to burden the logistics chain too much, in addition to difficulties linked to the regeneration of this third component which often requires specific separation with a distillation column.
  • a third component typically a C3 to C7 type hydrocarbon
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention aims at a process for packaging biogas in compact form, which comprises:
  • the cooling step comprises a heat exchange step with at least partially liquid carbon dioxide, the carbon dioxide leaving the heat exchange step being used during the injection step.
  • the liquid carbon dioxide used during the heat exchange step has a pressure greater than or equal to 6 bara.
  • the cold of the vaporized liquid carbon dioxide makes it possible to complete the condensation of the mixture of biogas and carbon dioxide, making it possible to implement only one cooling cycle down to 0°C.
  • the process which is the subject of the present invention comprises a step of separating water contained in the biogas flow resulting from the input step and/or in the mixture resulting from the injection step.
  • the process which is the subject of the present invention comprises a step of drying the biogas upstream of a step of the process using a temperature below 0°C.
  • the process which is the subject of the present invention comprises an additional step of purifying the biogas with water upstream of a step of the process using a temperature below 0°C.
  • the process which is the subject of the present invention comprises a step of separating hydrogen sulphide contained in the biogas stream resulting from the input step and/or in the mixture resulting from the step of injection.
  • the process which is the subject of the present invention comprises a step of separating volatile organic compounds contained in the flow resulting from the input step and/or in the mixture resulting from the injection step.
  • the process which is the subject of the present invention comprises, downstream of the compression step, a step of pre-cooling the mixture to a temperature less than or equal to 2°C.
  • the mixture compression step is configured to compress the mixture to a pressure between 80 bara and 120 bara.
  • the present invention aims at a biogas conditioning device in compact form, which comprises:
  • Figure 1 represents, schematically and in the form of a flowchart, a first particular succession of steps of the process which is the subject of the present invention
  • Figure 2 represents, schematically, a first particular embodiment of the device which is the subject of the present invention
  • Figure 3 represents, schematically and in the form of a flowchart, a second particular succession of steps of the process which is the subject of the present invention
  • Figure 4 represents, schematically, a second particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • Figure 5 represents, schematically, a third particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • Figure 6 represents, schematically and in the form of a flowchart, a second particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • Figure 7 represents, schematically and in the form of a flowchart, a third particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • Figure 8 represents, schematically, a fourth particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • a reference to "A and/or B", when used in conjunction with open language such as “comprising” may refer, in one embodiment, to A only ( possibly including elements other than B); in another embodiment, to B only (possibly including elements other than A); in yet another embodiment, to A and B (possibly including other elements); etc.
  • the expression "at least one”, with reference to a list of one or more elements, must be understood as meaning at least one element chosen from one or more multiple items in the item list, but not necessarily including at least one of each item specifically listed in the item list and not excluding any combination of items in the item list.
  • This definition also allows the optional presence of elements other than the elements specifically identified in the list of elements to which the expression “at least one” refers, whether or not they relate to these specifically identified elements.
  • At least one of A and B may refer, in one embodiment, to at least one, optionally including more than one, A, without B present (and optionally including elements other than B); in another embodiment, at least one, optionally comprising more than one, B, without A present (and optionally comprising elements other than A); in yet another embodiment, at least one, optionally comprising more than one, A, and at least one, optionally comprising more than one, B (and optionally comprising other elements); etc.
  • biogas flow comprising at least methane means a flow which may comprise in addition to methane at least one of the following elements:
  • This process 100 for packaging biogas in compact form includes:
  • the entry step 105 is carried out, for example, by an entry means 205 as shown in Figure 2.
  • an entry means 205 is, for example, a pipe configured to transport a flow of biogas comprising at less methane.
  • This line can be connected to a tank (not shown) or directly or indirectly connected to a port compatible with the line.
  • a port is, for example, configured to be connected to a mobile tank, of the tank truck type for example.
  • the exact nature of the input means 205 depends on the case of use of the process method 100 which is the subject of the present invention and its exact implementation is of no importance provided that the biogas comprising at least methane can be conveyed to an injection means 215 of carbon dioxide.
  • the measurement step 110 is carried out, for example, by the implementation of a means 210 for measuring the flow rate of the biogas flow as shown in Figure 2.
  • a measurement means 210 is, for example, a flow meter or any other sensor suitable for measuring fluid flow in a pipe.
  • the measurement step 110 is not present in the method 100, the device 200 carrying out the method 100 being adapted for a nominal and stable flow rate of biogas flow, the injection of gaseous carbon dioxide being adapted at this predetermined nominal flow rate to reach a determined proportion in the mixture resulting from the injection.
  • the injection step 115 is carried out, for example, by an injection means 215 as shown in Figure 2.
  • an injection means 215 is, for example, a pipe for injecting carbon dioxide into the biogas flow.
  • the injection means 215 is a mixer with two inlets, one for the biogas flow and the other for the carbon dioxide, and with an outlet for the mixture thus formed.
  • the mixing flow has the following characteristics:
  • the carbon dioxide injected into the biogas stream is injected in liquid form.
  • the carbon dioxide injected into the biogas stream has a temperature lower than the temperature of the biogas.
  • the device 200 carrying out the method 100 which is the subject of the present invention comprises a biogas temperature sensor (not shown), the flow rate of carbon dioxide injected into the biogas being controlled by the measured temperature.
  • the carbon dioxide used during the injection step 115 is initially stored in a tank (not shown), in liquid and/or gaseous form.
  • the process 100 which is the subject of the present invention comprises a step (not shown) of expanding the carbon dioxide upstream of the injection step 215.
  • This expansion step is carried out, for example, by an expansion means 214 as shown in Figure 2.
  • This expansion means 214 is, for example, an expansion valve.
  • the carbon dioxide flow has the following characteristics:
  • the carbon dioxide flow has the following characteristics:
  • the compression step 120 is carried out, for example, by a compression means 220 as shown in Figure 2.
  • a compression means 220 is, for example, example, a turbine compressor or any other type of compressor adapted to the particular operating conditions of the mixture of biogas and carbon dioxide.
  • the compression step 120 is carried out at a value between 80 bara and 120 bara.
  • the cooling step 125 is carried out, for example, by a cooling means 225 as shown in Figure 2.
  • a cooling means 225 is, for example, a heat exchanger of any type adapted to the particular operating conditions of the mixture of biogas and carbon dioxide.
  • the heat exchanger is a tubular or finned heat exchanger.
  • the cooling step 125 comprises a heat exchange step 305 with at least partially liquid carbon dioxide, the carbon dioxide leaving the step 305 heat exchange being implemented during the injection step 115.
  • This heat exchange step 305 is carried out, for example, by the heat exchange means 225 implemented during the heat exchange step 125, in which the carbon dioxide acts as a cold fluid.
  • the process 300 which is the subject of the present invention comprises a step (not shown) of expanding the carbon dioxide upstream of the heat exchange step 305.
  • This expansion step is carried out, for example, by an expansion means 224 as shown in Figure 2.
  • This expansion means 224 is, for example, an expansion valve.
  • the carbon dioxide flow has the following characteristics:
  • the carbon dioxide flow has the following characteristics:
  • the carbon dioxide used during heat exchange step 305 has a pressure greater than or equal to 6 bara.
  • the output step 130 is carried out, for example, by an output means 230 as shown in Figure 2.
  • Such an output means 230 is, for example, a pipe allowing the transfer of the cooled mixture during the step 225 cooling.
  • the mixing flow has the following characteristics:
  • the gas mixture cooled during the cooling step 225 is stored in a tank (not shown), in liquid and/or gaseous form.
  • the process 300 comprises a step 315 of separating water contained in the biogas flow resulting from the input step 105 and /or in the mixture resulting from injection step 115.
  • the separation step 315 can be carried out, for example, by a separation means 207, as shown in Figure 2.
  • a separation means 207 is, for example, a water separator by condensation.
  • the separation step 315 can also be carried out, for example, by a separation means 209, as shown in Figure 2.
  • a separation means 209 is, for example, a water separator by condensation.
  • This separation means 209 is also called “drying and polishing means” of the mixture.
  • this drying and polishing means is configured to lower the dew point to 2°C / 88 bara.
  • the process 300 comprises a step 320 of separating hydrogen sulphide contained in the biogas flow resulting from step 105 of input and/or in the mixture resulting from the injection step 115.
  • the step 320 of separating the hydrogen sulfide can be carried out, for example, by a separation means 208, as shown in Figure 2.
  • a separation means 208 separation is, for example, an activated carbon filter positioned downstream of the mixer 215.
  • the step 320 of separating the hydrogen sulfide can be carried out, for example, by a separation means 208, as shown in Figure 4.
  • a separation means 208 is, for example, an activated carbon filter positioned in upstream of the mixer 215.
  • the process 300 comprises a step 320 of separating volatile organic compounds contained in the flow coming from the input step 105 and/or or in the mixture resulting from the injection step 115.
  • This separation step 320 of separation of volatile organic compounds can be carried out jointly with the step 320 of separation of hydrogen sulfide.
  • the hydrogen sulfide purification step 320 is carried out, for example, by a separation means 209, as shown in Figure 2.
  • a separation means 209 is, for example, an activated carbon filter.
  • the process 600 comprises a step of drying 605 of the biogas upstream of a step of the process implementing a temperature below 0° vs.
  • This step implementing a temperature below 0°C corresponds, for example, to a heat exchange step 305 or to a pre-cooling step 330 according to the implementation specifications of the process which is the subject of the present invention.
  • the drying step 605 is carried out, for example, by a drying means 405, as shown in Figure 4.
  • a drying means 405 is, for example, a heat exchanger combined with a phase separator container.
  • the process 600 comprises an additional water purification step 610 of the biogas upstream of a step of the process implementing a temperature below 0°C.
  • This additional purification can for example be carried out using an adsorption system to lower the dew point temperature of the biogas to a value below -50°C.
  • the additional water purification step 610 is carried out, for example, by a water purification means 410, as shown in Figure 4.
  • a water purification means 410 is, for example, molecular sieves.
  • the process 700 comprises a step 705 of desaturation of the biogas resulting from the input step 105.
  • the desaturation step 705 is carried out, for example, by a desaturation means 505, as shown in Figure 5.
  • a desaturation means 505 is, for example, a heat exchanger combined with a phase separator container.
  • the process 700 comprises a step 710 of purifying the biogas from the biogas with hydrogen sulphide and/or volatile organic compounds.
  • step 705 of desaturation is a step 710 of purifying the biogas from the biogas with hydrogen sulphide and/or volatile organic compounds.
  • the step 710 of purifying the biogas is carried out, for example, by a means 510 of purifying the biogas, as shown in Figure 5.
  • a means 510 of purifying the biogas is, for example, a carbon filter assets.
  • the biogas flow has the following characteristics:
  • the process 300 which is the subject of the present invention comprises a step 330 of pre-cooling the mixture to a temperature less than or equal to 2°C.
  • This pre-cooling step 330 is carried out, for example, by a pre-cooling means 222, as shown in Figure 2.
  • a pre-cooling means 222 is, for example, a heat exchanger.
  • the pre-cooling step 330 is carried out in two pre-cooling sub-steps.
  • Such a variant is shown in Figure 2 and comprises an initial pre-cooling means 221 followed by a pre-cooling means 222.
  • the mixture flow has the following characteristics:
  • the mixture flow has the following characteristics:
  • This process 300 for packaging biogas in compact form comprises, in addition to the steps described with reference to Figure 1, at least one of the steps mentioned below.
  • FIG 2 schematically, an embodiment of the device 200 which is the subject of the present invention.
  • This device 200 for packaging biogas in compact form includes:
  • FIG 8 schematically, a particular embodiment of the device 800 for conditioning biogas in compact form, which comprises:
  • This particular embodiment of the device 800 notably implements, in addition:
  • cooling cycle 810 at a temperature between -50°C and 5°C, configured to act as a cold fluid in the cooling means 225.
  • the cooling of the mixture and the supply of carbon dioxide are separate.
  • the method and the device which are the subject of the present invention allow the condensation of biogas, that is to say on the one hand with a final mixing density greater than 380 kg/m 3 and a specific density of methane (most valuable compound) in the mixture greater than 90 kg/m 3 , at temperatures greater than or equal to -50°C (therefore a level which is not cryogenic) and even preferably greater than or equal to -20°C and at pressures less than or equal to 120 bara and preferably less than or equal to 100 bara.

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Abstract

Le procédé (100) de conditionnement de biogaz sous forme compacte, comporte : - une étape (105) d'entrée d'un flux de biogaz comportant au moins du méthane, - une étape (110) de mesure d'un débit de flux de biogaz en entrée, - une étape (115) d'injection d'un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane, - une étape (120) de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara, - une étape (125) de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et - une étape (130) de sortie du mélange.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE CONDITIONNEMENT DE BIOGAZ SOUS FORME
COMPACTE
Domaine technique de l’invention
La présente invention vise un procédé de conditionnement de biogaz sous forme compacte et un dispositif de conditionnement de biogaz sous forme compacte. Elle s’applique, notamment, au domaine du traitement et du conditionnement du biogaz en vue de la valorisation dudit biogaz.
État de la technique
Dans le domaine du biogaz (ou biométhane), une difficulté consiste en la collecte du biogaz produit à petite échelle et dans des lieux éloignés du réseau de transport de gaz.
En effet, pour être en mesure de collecter ce biogaz, les coûts logistiques et de traitement local doivent être minimisés. Ces coûts sont induits par les méthodes de collecte et de traitement actuelles.
Pour résoudre ce problème technique, quatre types de stratégies sont actuellement mis en œuvre :
- compresser le biogaz pour le transporter à haute pression (typiquement selon une pression supérieure à 200 bara) - le problème est que du fait de la forte teneur en dioxyde de carbone du biogaz (typiquement supérieure à 35% de la masse molaire), le dioxyde de carbone peut se condenser en cours de la compression et donc cela requiert un compresseur spécifique coûteux capable d’évacuer le dioxyde de carbone qui se condense en cours de traitement,
- refroidir et liquéfier le biogaz pour le condenser : là le problème est que compte- tenu encore une fois de la forte teneur dioxyde de carbone du biogaz - le risque est qu’une partie du dioxyde de carbone cristallise bien avant que le mélange enrichi en méthane soit liquide et donc que cela bloque le procédé par bouchage progressif des échangeurs,
- épurer au moins partiellement le biogaz en dioxyde de carbone puis le condenser : c’est la technique du BioGNC (GNC étant l’acronyme de « Gaz Naturel Comprimé ») ou BioGNL (GNL étant l’acronyme de « Gaz Naturel Liquéfié ») - les procédés sont coûteux et donc difficilement rentables à des faibles productions de biogaz auxquelles correspondent typiquement les fermes agricoles (inférieur à 150 Nm3/h de biogaz) et
- modifier la composition du biogaz en ajoutant un troisième composant permettant de bloquer la cristallisation du dioxyde de carbone et donc condenser le biogaz sous forme de liquide - le troisième composant, typiquement un hydrocarbure de type C3 à C7, nécessite toujours une liquéfaction à des températures basses (au moins -50°C et plus souvent en dessous de -80°C) si on veut limiter la quantité de troisième composant pour ne pas trop alourdir la chaine logistique, en plus de difficultés liées à la régénération de ce troisième composant qui requiert souvent une séparation spécifique avec une colonne à distiller.
Ainsi, les méthodes actuelles présentent des risques techniques pour les compresseurs, liés aux risques de condensation du dioxyde de carbone, des risques de bouchage des échangeurs thermiques ou des coûts tels qu’ils ne permettent pas d’être mis en place pour des sources de biogaz à petite échelle.
Il n’existe donc pas aujourd’hui de solution permettant le conditionnement du biogaz permettant l’exploitation à petite échelle du biogaz produit.
Objet de l’invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un procédé de conditionnement de biogaz sous forme compacte, qui comporte :
- une étape d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- une étape de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- une étape d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- une étape de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara,
- une étape de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et - une étape de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement.
Grâce à ces dispositions :
- la condensation du dioxyde de carbone en cours de compression est évitée,
- la cristallisation du dioxyde de carbone est aussi évitée,
- la pression mise en œuvre permet de limiter le coût et l’énergie dépensée pour mettre en place le dispositif réalisant la méthode objet de l’invention,
- la mise en œuvre d’une température basse mais supérieure à -50°C permet de réduire les coûts de refroidissement et de mettre en œuvre des équipements non cryogéniques,
- l’injection de dioxyde de carbone dans le flux permet une condensation à des températures relativement chaudes et permet une régénération simplifiée car mutualisée avec une phase d’épuration finale du biogaz.
Dans des modes de réalisation, l’étape de refroidissement comporte une étape d’échange thermique avec du dioxyde de carbone au moins partiellement liquide, le dioxyde de carbone en sortie de l’étape d’échange thermique étant mis en œuvre au cours de l’étape d’injection.
Dans des modes de réalisation, le dioxyde de carbone liquide mis en œuvre au cours de l’étape d’échange thermique présente une pression supérieure ou égale à 6 bara.
Grâce à ces dispositions, le froid du dioxyde de carbone liquide vaporisé permet de terminer la condensation du mélange de biogaz et de dioxyde de carbone, permettant de ne mettre en œuvre qu’un cycle de refroidissement jusqu’à 0°C.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une étape de séparation d’eau contenue dans le flux de biogaz issu de l’étape d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection.
Ces modes de réalisation limitent les risques d’endommagement des équipements.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une étape de séchage du biogaz en amont d’une étape du procédé mettant en œuvre une température inférieure à 0°C.
Ces modes de réalisation limitent les risques d’endommagement des équipements. Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une étape supplémentaire d’épuration en eau du biogaz en amont d’une étape du procédé mettant en œuvre une température inférieure à 0°C.
Ces modes de réalisation limitent les risques d’endommagement des équipements.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une étape de séparation de sulfure d’hydrogène contenu dans le flux de biogaz issu de l’étape d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection.
Ces modes de réalisation limitent les risques d’endommagement des équipements.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une étape de séparation de composés organiques volatiles contenus dans le flux issu de l’étape d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection.
Ces modes de réalisation limitent les risques d’endommagement des équipements.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte, en aval de l’étape de compression, une étape de pré-refroidissement du mélange à une température inférieure ou égale à 2°C.
Dans des modes de réalisation, l’étape de compression du mélange est configurée pour comprimer le mélange à une pression comprise entre 80 bara et 120 bara.
Ces modes de réalisation permettent, notamment, la formation d’un biogaz en forme compact à des conditions opératoires optimales.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un dispositif de conditionnement de biogaz sous forme compacte, qui comporte :
- un moyen d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- un moyen de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- un moyen d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- un moyen de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara, - un moyen de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et
- un moyen de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement.
Les avantages du dispositif objet de la présente invention sont similaires aux avantages du procédé objet de la présente invention.
Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du procédé et du dispositif objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une première succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention,
La figure 2 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
La figure 3 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une deuxième succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention,
La figure 4 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
La figure 5 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
La figure 6 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
La figure 7 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et
La figure 8 représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.
Description des modes de réalisation
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. Comme on le comprend à la lecture de la présente description, divers concepts inventifs peuvent être mis en œuvre par une ou plusieurs méthodes ou dispositifs décrits ci-après, dont plusieurs exemples sont ici fournis. Les actions ou étapes réalisées dans le cadre de la réalisation du procédé ou du dispositif peuvent être ordonnées de toute manière appropriée. En conséquence, il est possible de construire des modes de réalisation dans lesquels les actions ou étapes sont exécutées dans un ordre différent de celui illustré, ce qui peut inclure l'exécution de certains actes simultanément, même s'ils sont présentés comme des actes séquentiels dans les modes de réalisation illustrés.
L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Tel qu'utilisé ici dans la description et dans les revendications, "ou" doit être compris de manière inclusive.
Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Dans les revendications, ainsi que dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement.
Dans la présente description, on appelle « flux de biogaz comportant au moins du méthane » un flux qui peut comporter en plus du méthane au moins l’un des éléments suivants :
- de l’eau,
- du sulfure d’hydrogène
- des composés organiques volatiles et/ou
- du dioxyde de carbone.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
On observe, sur la figure 1 , une succession d’étapes particulière du procédé 100 objet de la présente invention. Ce procédé 100 de conditionnement de biogaz sous forme compacte, comporte :
- une étape 105 d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- une étape 110 de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- une étape 115 d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- une étape 120 de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara,
- une étape 125 de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et
- une étape 130 de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement.
L’étape 105 d’entrée est réalisée, par exemple, par un moyen 205 d’entrée tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 205 d’entrée est, par exemple, une conduite configurée pour transporter un flux de biogaz comportant au moins du méthane. Cette conduite peut être connectée à un réservoir (non représenté) ou directement ou indirectement connectée à un port compatible avec la conduite. Un tel port est, par exemple, configuré pour être connecté à un réservoir mobile, de type camion-citerne par exemple.
La nature exacte du moyen 205 d’entrée dépend du cas d’utilisation du procédé méthode 100 objet de la présente invention et son implémentation exacte est sans importance pourvu que le biogaz comportant au moins du méthane puisse être acheminé vers un moyen 215 d’injection de dioxyde de carbone.
L’étape 110 de mesure est réalisée, par exemple, par la mise en œuvre d’un moyen 210 de mesure de débit du flux de biogaz tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 210 de mesure est, par exemple, un débitmètre ou tout autre capteur adapté à la mesure d’un débit de fluide dans une conduite.
Dans des variantes, l’étape 110 de mesure n’est pas présente dans la méthode 100, le dispositif 200 réalisant la méthode 100 étant adapté pour un débit nominal et stable de flux de biogaz, l’injection de dioxyde de carbone gazeux étant adaptée à ce débit nominal prédéterminé pour atteindre une proportion déterminée dans le mélange résultant de l’injection.
L’étape 115 d’injection est réalisée, par exemple, par un moyen 215 d’injection tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 215 d’injection est, par exemple, une conduite d’injection du dioxyde de carbone dans le flux de biogaz. Dans des variantes, le moyen 215 d’injection est un mélangeur à deux entrées, l’une pour le flux de biogaz et l’autre pour le dioxyde de carbone, et à une sortie pour le mélange ainsi formé. Par exemple, en aval de cette étape d’injection, le flux de mélange présente les caractéristiques suivantes :
- un débit volumique proche de 108 Nm3/h,
- un débit massique proche de 153 kg/h, formé pour 119 kg/h de dioxyde de carbone et pour 34 kg/h de méthane,
- une pression proche de 1 ,05 bara,
- une température proche de 30°C et
- un rapport molaire proche de 44% de méthane et de 56% de dioxyde de carbone.
Dans des variantes, le dioxyde de carbone injecté dans le flux de biogaz est injecté sous forme liquide. Dans des variantes, le dioxyde de carbone injecté dans le flux de biogaz présente une température inférieure à la température du biogaz. Dans des variantes, le dispositif 200 réalisant la méthode 100 objet de la présente invention comporte un capteur (non représenté) de température du biogaz, le débit de dioxyde de carbone injecté dans le biogaz étant asservi à la température mesurée.
Dans des variantes, le dioxyde de carbone mis en œuvre au cours de l’étape 115 d’injection est initialement stocké dans un réservoir (non représenté), sous forme liquide et/ou gazeuse.
Dans des variantes, le procédé 100 objet de la présente invention comporte une étape (non représentée) de détente du dioxyde de carbone en amont de l’étape 215 d’injection. Cette étape de détente est réalisée, par exemple, par un moyen 214 de détente tel que représenté en figure 2. Ce moyen 214 de détente est, par exemple, une vanne de détente.
Par exemple, en amont de cette étape de détente, le flux de dioxyde de carbone présente les caractéristiques suivantes :
- une pression proche de 6 bara et
- une température proche de 0°C.
Par exemple, en sortie de cette étape de détente, le flux de dioxyde de carbone présente les caractéristiques suivantes :
- une pression proche de 1 ,05 bara et
- une température proche de -7,2°C.
L’étape 120 de compression est réalisée, par exemple, par un moyen 220 de compression tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 220 de compression est, par exemple, un compresseur à turbine ou tout autre type de compresseur adapté aux conditions opératoires particulières du mélange de biogaz et de dioxyde de carbone.
Dans des modes de réalisation, l’étape 120 de compression est réalisée selon une valeur comprise entre 80 bara et 120 bara.
L’étape 125 de refroidissement est réalisée, par exemple, par un moyen 225 de refroidissement tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 225 de refroidissement est, par exemple, un échangeur thermique de n’importe quel type adapté aux conditions opératoires particulières du mélange de biogaz et de dioxyde de carbone. Par exemple, l’échangeur thermique est un échangeur thermique tubulaire ou à ailettes.
Dans des modes de réalisation particuliers, tel que celui représenté en figure 3, l’étape 125 de refroidissement comporte une étape 305 d’échange thermique avec du dioxyde de carbone au moins partiellement liquide, le dioxyde de carbone en sortie de l’étape 305 d’échange thermique étant mis en œuvre au cours de l’étape 115 d’injection.
Cette étape 305 d’échange thermique est réalisée, par exemple, par le moyen 225 d’échange thermique mis en œuvre au cours de l’étape 125 d’échange thermique, dans lequel le dioxyde de carbone agit en tant que fluide froid.
Dans des variantes, le procédé 300 objet de la présente invention comporte une étape (non représentée) de détente du dioxyde de carbone en amont de l’étape 305 d’échange thermique. Cette étape de détente est réalisée, par exemple, par un moyen 224 de détente tel que représenté en figure 2. Ce moyen 224 de détente est, par exemple, une vanne de détente.
Par exemple, en amont de cette étape de détente, le flux de dioxyde de carbone présente les caractéristiques suivantes :
- un débit massique proche de 80 kg/h,
- une pression proche de 19,5 bara et
- une température proche de -20°C
Par exemple, en sortie de cette étape de détente, le flux de dioxyde de carbone présente les caractéristiques suivantes :
- une pression proche de 6 bara,
- une température proche de -52,5°C et
- une fraction de vapeur proche de 0, 19. Dans des variantes, le dioxyde de carbone mis en œuvre au cours de l’étape 305 d’échange thermique présente une pression supérieure ou égale à 6 bara.
L’étape 130 de sortie est réalisée, par exemple, par un moyen 230 de sortie tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 230 de sortie est, par exemple, une conduite permettant le transfert du mélange refroidi au cours de l’étape 225 de refroidissement.
Par exemple, en sortie de cette étape de sortie, le flux de mélange présente les caractéristiques suivantes :
- une pression proche de 88 bara,
- une température proche de -17°C et
- une fraction de vapeur proche de 0.
Dans des variantes, le mélange gazeux refroidi au cours de l’étape 225 de refroidissement est stocké dans un réservoir (non représenté), sous forme liquide et/ou gazeuse.
Dans des modes de réalisations du procédé 300 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte une étape 315 de séparation d’eau contenue dans le flux de biogaz issu de l’étape d’entrée 105 et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection 115.
L’étape 315 de séparation peut être réalisée, par exemple, par un moyen 207 de séparation, tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 207 de séparation est, par exemple, un séparateur d’eau par condensation.
L’étape 315 de séparation peut également être réalisée, par exemple, par un moyen 209 de séparation, tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 209 de séparation est, par exemple, un séparateur d’eau par condensation. Ce moyen 209 de séparation est également appelé « moyen de séchage et de polissage » du mélange.
Par exemple, ce moyen de séchage et de polissage est configuré pour abaisser le point de rosée à 2°C / 88 bara.
Dans des modes de réalisations du procédé 300 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte une étape 320 de séparation de sulfure d’hydrogène contenu dans le flux de biogaz issu de l’étape 105 d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection 115.
L’étape 320 de séparation du sulfure d’hydrogène peut être réalisée, par exemple, par un moyen 208 de séparation, tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 208 de séparation est, par exemple, un filtre à charbons actifs positionné en aval du mélangeur 215.
L’étape 320 de séparation du sulfure d’hydrogène peut être réalisée, par exemple, par un moyen 208 de séparation, tel que représenté en figure 4. Un tel moyen 208 de séparation est, par exemple, un filtre à charbons actifs positionné en amont du mélangeur 215.
Dans des modes de réalisations du procédé 300 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte une étape 320 de séparation de composés organiques volatiles contenus dans le flux issu de l’étape 105 d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection 115. Cette étape 320 de séparation de séparation de composés organiques volatiles peut être réalisée conjointement à l’étape 320 de séparation du sulfure d’hydrogène.
L’étape 320 d’épuration de sulfure d’hydrogène est réalisée, par exemple, par un moyen 209 de séparation, tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 209 de séparation est, par exemple, un filtre à charbons actifs.
Dans des modes de réalisations du procédé 600 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 6, le procédé 600 comporte une étape de séchage 605 du biogaz en amont d’une étape du procédé mettant en œuvre une température inférieure à 0°C. Cette étape mettant en œuvre une température inférieure à 0°C correspond, par exemple, à une étape 305 d’échange thermique ou à une étape de pré-refroidissement 330 selon les spécifications d’implémentation du procédé objet de la présente invention.
L’étape 605 de séchage est réalisée, par exemple, par un moyen 405 de séchage, tel que représenté en figure 4. Un tel moyen 405 de séchage est, par exemple, un échangeur thermique combiné à un récipient séparateur de phase.
Dans des modes de réalisations du procédé 600 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 6, le procédé 600 comporte une étape d’épuration d’eau 610 supplémentaire du biogaz en amont d’une étape du procédé mettant en œuvre une température inférieure à 0°C. Cette épuration supplémentaire peut être par exemple réalisée à l’aide d’un système à adsorption pour abaisser la température de rosée du biogaz à une valeur inférieure à -50°C. L’étape 610 supplémentaire d’épuration d’eau est réalisée, par exemple, par un moyen 410 d’épuration d’eau, tel que représenté en figure 4. Un tel moyen 410 d’épuration d’eau est, par exemple, des tamis moléculaires.
Dans des modes de réalisations du procédé 700 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 7, le procédé 700 comporte une étape 705 de désaturation du biogaz issu de l’étape 105 d’entrée.
L’étape 705 de désaturation est réalisée, par exemple, par un moyen 505 de désaturation, tel que représenté en figure 5. Un tel moyen 505 de désaturation est, par exemple, un échangeur thermique combiné à un récipient séparateur de phase.
Dans des modes de réalisations du procédé 700 objet de la présente invention, tel que celui représenté en figure 7, le procédé 700 comporte une étape 710 d’épuration en sulfure d’hydrogène et/ou de composés organiques volatiles du biogaz issu de l’étape 705 de désaturation.
L’étape 710 d’épuration du biogaz est réalisée, par exemple, par un moyen 510 d’épuration du biogaz, tel que représenté en figure 5. Un tel moyen 510 d’épuration du biogaz est, par exemple, un filtre à charbons actifs.
Par exemple, en sortie de l’étape 710 d’épuration, le flux de biogaz présente les caractéristiques suivantes :
- un débit volumique proche de 80 Nm3/h,
- un débit massique proche de 97 kg/h, formé pour 63 kg/h de dioxyde de carbone et pour 34 kg/h de méthane,
- une pression proche de 1 ,05 bara,
- une température proche de 30°C et
- un rapport molaire proche de 60% de méthane et de 40% de dioxyde de carbone.
Dans des modes de réalisation particuliers, le procédé 300 objet de la présente invention comporte une étape 330 de pré-refroidissement du mélange à une température inférieure ou égale à 2°C.
Cette étape 330 de pré-refroidissement est réalisée, par exemple, par un moyen 222 de pré-refroidissement, tel que représenté en figure 2. Un tel moyen 222 de prérefroidissement est, par exemple, un échangeur thermique.
Dans des variantes, l’étape 330 de pré-refroidissement est réalisée en deux sous-étapes de pré-refroidissement. Une telle variante est représentée en figure 2 et comprend un moyen 221 de pré-refroidissement initial suivi d’un moyen 222 de prérefroidissement.
Par exemple, en sortie de cette étape de pré-refroidissement initial, le flux de mélange présente les caractéristiques suivantes :
- une pression supérieure à 80 bara et
- une température proche de 30°C.
Par exemple, en sortie de cette étape de pré-refroidissement, le flux de mélange présente les caractéristiques suivantes :
- une pression supérieure à 80bara,
- une température proche de 2°C et
- une fraction de vapeur proche de 1 .
On observe, sur la figure 3, une succession d’étapes particulière du procédé 300 objet de la présente invention. Ce procédé 300 de conditionnement de biogaz sous forme compacte, comporte, en plus des étapes décrites en regard de la figure 1 , au moins l’une des étapes mentionnées ci-après.
Comme on le comprend à la lecture de la présente description, on observe, en figure 2, schématiquement, un mode de réalisation du dispositif 200 objet de la présente invention. Ce dispositif 200 de conditionnement de biogaz sous forme compacte, comporte :
- un moyen 205 d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- un moyen 210 de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- un moyen 215 d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- un moyen 220 de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara,
- un moyen 225 de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et
- un moyen 230 de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement. Des exemples d’implémentation des moyens caractéristiques des dispositifs, 200 et 400, objets de la présente invention sont décrits en regard des figures 1 et 3 correspondants aux procédés objets de la présente invention.
On observe, en figure 8, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif 800 de conditionnement de biogaz sous forme compacte, qui comporte :
- un moyen 205 d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- un moyen 210 de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- un moyen 215 d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- un moyen 220 de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara,
- un moyen 225 de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et
- un moyen 230 de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement.
Ce mode de réalisation particulier du dispositif 800 met notamment en œuvre, de plus :
- un moyen 805 d’entrée de dioxyde de carbone, liquide ou gazeux, configuré pour interagir avec le moyen 215 d’injection en vue de former le mélange à refroidir et
- un cycle 810 de refroidissement selon une température comprise entre -50°C et 5°C, configuré pour agir en tant que fluide froid dans le moyen 225 de refroidissement.
Dans ces modes de réalisation, le refroidissement du mélange et l’approvisionnement en dioxyde de carbone sont distincts.
Comme on le comprend, le procédé et le dispositif objets de la présente invention permettent la condensation du biogaz, c’est-à-dire d’une part avec une densité de mélange finale supérieure 380 kg/m3 et une densité spécifique de méthane (composé le plus valorisable) dans le mélange supérieure à 90 kg/m3, à des températures supérieures ou égales à -50°C (donc un niveau qui n’est pas cryogénique) et même préférentiellement supérieur ou égal à -20°C et à des pressions inférieures ou égales à 120 bara et préférentiellement inférieures ou égale à 100 bara.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (100, 300, 600, 700) de conditionnement de biogaz sous forme compacte, caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape (105) d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- une étape (110) de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- une étape (115) d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- une étape (120) de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara,
- une étape (125) de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et
- une étape (130) de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement.
2. Procédé (300, 600, 700) selon la revendication 1 , dans lequel l’étape (125) de refroidissement comporte une étape (305) d’échange thermique avec du dioxyde de carbone au moins partiellement liquide, le dioxyde de carbone en sortie de l’étape d’échange thermique étant mis en œuvre au cours de l’étape (115) d’injection.
3. Procédé (300, 600, 700) selon la revendication 2, dans lequel le dioxyde de carbone liquide mis en œuvre au cours de l’étape (305) d’échange thermique présente une pression supérieure ou égale à 6 bara.
4. Procédé (300, 600, 700) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte une étape (315) de séparation d’eau contenue dans le flux de biogaz issu de l’étape d’entrée (105) et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection (115).
5. Procédé (600) selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte une étape de séchage (605) du biogaz en amont d’une étape du procédé mettant en œuvre une température inférieure à 0°C.
6. Procédé (600) selon la revendication 5, qui comporte une étape supplémentaire d’épuration en eau (610) du biogaz en amont d’une étape du procédé mettant en œuvre une température inférieure à 0°C.
7. Procédé (300, 600, 700) selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte une étape (320) de séparation de sulfure d’hydrogène contenu dans le flux de biogaz issu de l’étape (105) d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection (115).
8. Procédé (300, 600, 700) selon l’une des revendications 1 à 7, qui comporte une étape (325) de séparation de composés organiques volatiles contenus dans le flux issu de l’étape (105) d’entrée et/ou dans le mélange issu de l’étape d’injection (115).
9. Procédé (300, 600, 700) selon l’une des revendications 1 à 8, qui comporte, en aval de l’étape (120) de compression, une étape (330) de pré-refroidissement du mélange à une température inférieure ou égale à 2°C.
10. Procédé (100, 300, 600, 700) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’étape (120) de compression du mélange est configurée pour comprimer le mélange à une pression comprise entre 80 bara et 120 bara.
11. Dispositif (200, 400, 500, 800) de conditionnement de biogaz sous forme compacte, caractérisé en ce qu’il comporte :
- un moyen (205) d’entrée d’un flux de biogaz comportant au moins du méthane,
- un moyen (210) de mesure d’un débit de flux de biogaz en entrée,
- un moyen (215) d’injection d’un flux de dioxyde de carbone dans le flux de biogaz en fonction du débit mesuré, configurée pour que la fraction de dioxyde de carbone représente entre 40% et 56% de la masse molaire du mélange comportant au moins le dioxyde de carbone et le méthane,
- un moyen (220) de compression du mélange à une pression supérieure ou égale à 80 bara, - un moyen (225) de refroidissement du mélange comprimé à une température comprise entre -50°C et 5°C pour porter le mélange à un état liquide ou supercritique et
- un moyen (230) de sortie du mélange issu de l’étape de refroidissement.
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