FR3016535A1 - Procede integre thermiquement d'elimination du dioxyde de carbone dans du biogaz - Google Patents

Procede integre thermiquement d'elimination du dioxyde de carbone dans du biogaz Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de traitement d'un biogaz contenant du dioxyde de carbone produit par un digesteur, dans lequel le dioxyde de carbone est éliminé du biogaz par lavage avec une solution de lavage aux amines, la solution de lavage est régénérée par désorption du dioxyde de carbone, puis la solution de lavage régénérée est réutilisée pour le lavage du biogaz. Dans ce procédé, au moins l'un des flux choisi parmi la solution de lavage régénérée et le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage est refroidi par échange d'énergie thermique avec un second flux, ledit second flux étant choisi de telle manière que la chaleur récupérée soit utilisée dans un autre dispositif. Il peut s'agir en particulier d'un flux du circuit de chauffage du digesteur produisant le biogaz. L'invention a également pour objet un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus.

Description

PROCEDE INTEGRE THERMIQUEMENT D'ELIMINATION DU DIOXYDE DE CARBONE DANS DU BIOGAZ DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se situe dans le contexte de la purification de biogaz, c'est-à-dire l'amélioration de la qualité du biogaz par extraction des composants non valorisables de celui-ci, comme notamment le dioxyde de carbone. Plus spécifiquement, cette invention concerne un procédé d'élimination du dioxyde de carbone dans du biogaz disposant d'un rendement énergétique élevé grâce à la récupération d'une partie de la chaleur utilisée pour régénérer le solvant, ainsi qu'un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Le biogaz est un gaz combustible obtenu par fermentation, aussi appelée méthanisation, de déchets organiques d'origine animale ou végétale en absence d'oxygène. Il est principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone (CO2). On y trouve aussi classiquement un peu d'azote, très peu d'oxygène, de la vapeur d'eau, du sulfure d'hydrogène (H2S) et de nombreuses autres substances en très faible quantité, notamment des composés organiques volatils (COV), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), des composés halogénés, des métaux lourds et des siloxanes. La nature et la concentration de ces substances varient notamment en fonction du procédé de méthanisation et de la source de matière méthanisée. Pour obtenir du méthane pur, il est nécessaire d'éliminer du biogaz le dioxyde de carbone qui est présent en grande quantité. Différentes méthodes sont connues et exploitées actuellement. On peut citer parmi celles-ci l'utilisation de membranes de filtration, le PSA (pour « Pressure Swing Adsorption »), le lavage à l'eau sous pression et le lavage aux amines. Dans les procédés de lavage aux amines, on utilise une liqueur généralement aqueuse contenant des composés amines capables d'absorber préférentiellement le dioxyde de carbone. La liqueur qui absorbe le CO2 est aussi appelée solution d'amines ou solution de lavage aux amines dans ce document. On introduit en bas d'une tour de lavage le gaz à traiter et en haut une solution de lavage aux amines qui lave le gaz en descendant dans la tour. Le gaz purifié quitte la tour de lavage par le haut tandis que la solution utilisée, qui a absorbé le CO2, quitte la tour de lavage par le bas. Ensuite, la solution de lavage est régénérée par désorption du CO2 et recyclée en entrée de la tour de lavage. La désorption du CO2 est obtenue classiquement en chauffant le solvant et en générant un flux de vapeur d'eau venant apporter l'énergie nécessaire pour casser les liaisons chimiques entre le CO2 et l'amine. Un inconvénient majeur de cette technique réside dans le fait que la régénération de la solution de lavage est très consommatrice en énergie. Des solutions pour améliorer le rendement énergétique de ce procédé ont déjà été proposées dans l'art antérieur. Dans le document de brevet WO 2011/136733, on propose de réduire le coût énergétique du lavage aux amines en imposant des pressions d'absorption et de désorption particulières. Dans le document de brevet WO 2008/034473, on suggère de procéder au lavage en présence d'un lit de garnissage particulier. Dans les documents DE 10 2009 056 661 et EP 2 163 296, on suggère d'utiliser un fluide spécifique de lavage aux amines. Enfin, dans les documents de brevet US 2010/0282074, WO 2008/092604 et DE 10 2009 056 660, il a été proposé, pour améliorer le bilan énergétique du procédé, de réaliser le lavage ou la régénération en plusieurs étapes, en respectant des conditions de pression et/ou de températures particulières. Toutes ces solutions techniques permettent d'améliorer le bilan énergétique de l'étape de lavage et de régénération de la solution aux amines, mais elles modifient en contrepartie d'autres performances de ces procédés : l'efficacité de l'absorption du dioxyde de carbone, la pureté de la solution régénérée, le coût de la solution de lavage, le prix et l'encombrement des installations... Il a été proposé par le passé, par exemple dans les documents de brevet US 2013/0074695 et WO 2007/012143, d'intégrer thermiquement un dispositif de lavage aux amines avec un procédé industriel, tel que des unités de production de ciment. De tels procédés produisent des gaz d'échappement chauds qui peuvent apporter au moins une partie de l'énergie nécessaire à la régénération de la solution de lavage. Cependant, de telles solutions techniques ne présentent d'intérêt que lorsque le dispositif de lavage aux amines est utilisé en combinaison avec un procédé produisant des gaz très chauds, ce qui n'est pas le cas du procédé de production de biogaz par méthanisation. Ainsi, il existe toujours le besoin de disposer d'un procédé de purification de biogaz mettant en oeuvre une étape de lavage et de régénération de la solution aux amines moins consommatrice d'énergie mais qui permet un lavage et une régénération efficace, sans surcoût au niveau de la solution de lavage ou au niveau des installations. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION La Demanderesse a découvert que ce besoin pouvait être satisfait par la mise en oeuvre d'un procédé d'élimination du dioxyde de carbone contenu dans du biogaz qui fournit de l'énergie thermique à un procédé nécessitant un apport de chaleur, en particulier le procédé de production du biogaz lui-même. La présente invention a ainsi pour objet un procédé de traitement d'un biogaz contenant du dioxyde de carbone, comprenant les étapes consistant à séparer le dioxyde de carbone du biogaz par lavage avec une solution de lavage aux amines, à régénérer ladite solution de lavage par désorption du dioxyde de carbone, puis à réutiliser la solution de lavage régénérée pour le lavage du biogaz, caractérisé en ce qu'au moins l'un des flux choisi parmi : - la solution de lavage régénérée - le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage saturé en eau est refroidi par échange thermique avec un second flux ; ledit second flux étant choisi de telle manière que la chaleur récupérée soit utilisée dans un autre dispositif. De façon préférée, le biogaz est produit par un digesteur et au moins l'un des flux choisi parmi : la solution de lavage régénérée le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage saturé en eau est refroidi par échange thermique avec un flux du circuit de chauffage du digesteur produisant le biogaz. Le circuit de chauffage est un système autonome et habituellement indépendant du système de purification du biogaz.
L'invention a également pour objet un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Ce dispositif de production et de traitement de biogaz comprend : - au moins un digesteur produisant du biogaz, ledit digesteur étant muni d'un circuit de chauffage ; - une tour de lavage du biogaz par une solution de lavage aux amines ; - une colonne de régénération de la solution de lavage aux amines, la colonne de régénération étant sur un circuit qui inclut la tour de lavage de façon à ce que la solution de lavage utilisée dans la tour soit régénérée dans la colonne de régénération, et que la solution de lavage régénérée soit retournée à la tour de lavage dans ce même circuit, le dioxyde de carbone évacué de la solution de lavage étant disponible en tête de colonne de régénération à haute température et saturé en eau ; - au moins un échangeur de chaleur charge/effluent pour récupérer la chaleur de la solution de lavage régénérée qui sort de la tour de régénération au profit d'une préchauffe de la solution de lavage utilisée qui va vers la tour de régénération ; - au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir la solution de lavage régénérée entre sa sortie de la colonne de régénération et son entrée dans la tour de lavage ; et - au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage à sa sortie en tête de la colonne de régénération et à condenser la vapeur d'eau que ce flux contient ; caractérisé en ce qu'au moins l'un de ces deux derniers échangeurs de chaleur est refroidi par le flux circulant dans le circuit de chauffage du digesteur.
BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de traitement selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il est entendu que, dans le contexte de cette description, le terme « compris entre » doit être interprété comme incluant les bornes indiquées.
L'expression « saturé en eau » désigne pour un gaz le fait que celui-ci contient une fraction de vapeur d'eau correspondant au point de rosée de l'eau aux conditions opératoires de pression et de température. En outre, sauf indication contraire, les pourcentages exprimés dans la présente description sont des pourcentages volumiques. L'invention a pour objet un procédé de traitement d'un biogaz. Dans la présente invention, on appelle « biogaz » un gaz combustible issu de la fermentation de déchets organiques d'origine animale ou végétale en absence d'oxygène, qui est principalement constitué de méthane et de dioxyde de carbone. Il peut s'agir d'un biogaz obtenu à partir de décharges, de stations d'épuration ou de sources agricoles. Le biogaz peut être produit par un digesteur dans lequel se déroule le processus de fermentation, également appelé méthaniseur. On peut distinguer classiquement deux types de digesteurs : les digesteurs mésophiles et les digesteurs thermophiles. Les digesteurs mésophiles fonctionnent classiquement à une température comprise entre 20°C et 45°C, de préférence entre 30°C et 40°C. Les digesteurs thermophiles fonctionnent classiquement à une température comprise entre 40°C et 80°C, de préférence entre 50°C et 60°C. De préférence, le biogaz de la présente invention est produit par un digesteur mésophile ou thermophile, de façon plus préférée mésophile. Les digesteurs peuvent être maintenus à la température adéquate grâce à un circuit de chauffage. Typiquement, le circuit de chauffage peut consister en un réseau de tuyaux placés à l'intérieur des murs du digesteur et/ou sur la paroi intérieure et/ou dans le sol. Il peut en outre comprendre un échangeur de chaleur permettant le chauffage du substrat avant l'entrée dans le digesteur et/ou au niveau du circuit de recirculation des boues si un tel dispositif est présent. Cette voie est surtout intéressante pour les effluents liquides. Le fluide caloporteur circulant dans le circuit de chauffage est généralement de l'eau ou de l'eau avec de l'antigel de la famille des glycols. Dans le cas où la quantité de chaleur récupérée n'est pas suffisante pour maintenir la température requise, une chaudière alimentée par le biogaz, le gaz naturel ou un mélange des deux peut également être utilisée comme source d'énergie thermique afin d'apporter l'appoint d'énergie nécessaire. Typiquement, le biogaz comprend de 40% à 70% de méthane et de 60% à 30% de dioxyde de carbone (CO2). En outre, le biogaz peut typiquement contenir de l'azote, de l'oxygène, de la vapeur d'eau, du sulfure d'hydrogène (H2S), des composés organiques volatils (COV), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), des composés halogénés, des métaux lourds et des siloxanes. Le biogaz traité dans l'invention contient du dioxyde de carbone que l'on souhaite éliminer. Par « élimination du dioxyde de carbone », on entend dans la présente description un traitement permettant de retirer au moins en partie, de façon préférée au moins 90%, de façon plus préférée au moins 95%, de façon encore plus préférée au moins 98%, et de préférence totalement, le dioxyde de carbone présent dans le biogaz à traiter. Le procédé de la présente invention peut avantageusement être un procédé d'élimination du dioxyde de carbone. Avant de mettre en oeuvre le procédé de traitement selon l'invention, le biogaz peut avoir subi un traitement préalable, en particulier un traitement permettant l'élimination de composés considérés comme gênants pour le présent procédé de traitement. Le biogaz peut notamment avoir subi un traitement préalable d'élimination d'H2S, de l'ammoniaque, des composés organiques volatiles (COV), des composés siloxanes et des métaux lourds comme le mercure. Néanmoins, il est possible que le biogaz mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention contienne de l'H2S, généralement dans une concentration comprise entre 100 ppm et 5000 ppm. Dans ce cas, le lavage avec une solution de lavage aux amines selon le procédé peut également permettre d'éliminer au moins en partie l'H2S présent dans le biogaz. Ce mode de réalisation peut être avantageux dans la mesure où il peut permettre de réduire la complexité et le coût du prétraitement. Toutefois, il peut être nécessaire d'appliquer un traitement supplémentaire au flux extrait chargé de CO2 et d'H2S car la présence d'H2S peut ne pas être compatible avec un rejet direct dans l'atmosphère. Ce mode de réalisation est notamment envisagé dans le cadre d'une station d'épuration avec une désodorisation présente sur site. Cette désodorisation traitera le flux du CO2 chargé en H2S venant de la colonne de régénération pour éviter le rejet d'H2S dans l'atmosphère. Le procédé de traitement du biogaz selon l'invention comprend une étape consistant à séparer le dioxyde de carbone du biogaz par lavage avec une solution de lavage aux amines. De préférence, la solution de lavage aux amines utilisée dans la présente invention est une solution aqueuse contenant au moins un composé de la famille des amines, de préférence de la famille des alcanolamines. Le composé de la famille des amines peut être choisi, de préférence, dans le groupe consistant en la monoéthanolamine (MEA), le 2-aminoéthoxyéthanol également connu sous le nom de diglycolamine (DGA), la diisopropanolamine (DIPA), la diéthanolamine (DEA) et la méthyldiéthanolamine (MDEA). La concentration en composé(s) de la famille des amines dans la solution de lavage peut être comprise entre 25 et 50% en poids. En outre, la solution de lavage peut contenir, mais ce n'est pas systématique, des composés activant la solution d'amine, par exemple des amines secondaires de la famille des pipérazines, hydroxyéthyl pipérazine et des amines cycliques à des concentrations comprises généralement entre 5% et 15% en poids.
L'étape de lavage du biogaz avec la solution de lavage aux amines peut être réalisée selon toutes les méthodes classiques, connues de l'homme du métier. Une méthode peut consister à introduire le biogaz à traiter par le bas d'une tour de lavage, et à introduire la solution de lavage aux amines par le haut sous forme liquide. La circulation à contre-courant du gaz et du solvant liquide, de préférence au travers d'un lit de garnissage ou d'un ensemble de plateaux de contact, permet d'assurer une grande surface de contact. Lors de cette mise en contact, le dioxyde de carbone contenu dans le biogaz à traiter pénètre dans la solution de lavage aux amines où il réagit chimiquement avec les amines du solvant. La capacité d'absorption du dioxyde de carbone par la solution de lavage aux amines dépend de la température et de la pression du biogaz à traiter. Le lavage peut être effectué à une pression absolue allant de 1 bar à 10 bars, et de façon plus préférée à une pression légèrement supérieure ou égale à la pression atmosphérique. De plus, le lavage peut être effectué à une température allant de 20°C à 60°C. La température de lavage est fixée par l'homme du métier de façon appropriée en fonction notamment de la température d'alimentation du biogaz et en respect des conditions environnementales qui s'imposent au procédé. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le procédé ne comprend qu'une seule étape de lavage du biogaz. A l'issue de cette étape de lavage, on peut récupérer d'une part un biogaz purifié et d'autre part la solution de lavage aux amines chargée, contenant le CO2.
Le biogaz purifié présente avantageusement une concentration en dioxyde de carbone inférieure à 2,5% volumiques, de préférence entre 0% et 1,5% volumiques. Constitué à plus de 96,5% de méthane, il est souvent dénommé « biométhane ». Le biogaz purifié ainsi obtenu peut être conduit dans un dispositif aval de stockage, ou dans un autre dispositif de traitement, ou peut être préparé pour être injecté dans un réseau de gaz naturel existant ou pour être utilisé comme biocarburant pour des véhicules ou d'autres appareils en tant que combustible.
Le procédé selon l'invention comprend en outre une étape dans laquelle la solution de lavage chargée est régénérée par désorption du dioxyde de carbone. Cette étape de régénération de la solution de lavage peut être réalisée selon toutes les méthodes classiques, connues de l'homme du métier. Une méthode peut consister à introduire la solution de lavage chargée en tête d'une colonne de régénération équipée de garnissage ou de plateaux et connectée à un rebouilleur. Le dioxyde de carbone désorbé est évacué en tête de colonne tandis que la solution de lavage régénérée est recueillie en fond de colonne. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le procédé ne comprend qu'une seule étape de régénération du solvant. La régénération peut être effectuée à une pression absolue allant de 1,0 bar à 2,5 bar. La température de régénération, qui dépend de la pression opératoire, peut être comprise entre 100°C et 135°C. Le choix d'une pression opératoire plus élevée amènera à une température de régénération plus élevée qui aura pour conséquence une dégradation thermique de la solution de lavage et une consommation plus importante de solvant. Le procédé selon l'invention permet avantageusement de régénérer le solvant sans le dégrader.
La solution de lavage chargée, récupérée en fonds de colonne de lavage, est de préférence préchauffée par la solution de lavage aux amines régénérée venant du régénérateur grâce à un échangeur économiseur charge/effluent. A l'issue de l'étape de régénération, on peut récupérer d'une part le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage et d'autre part la solution de lavage régénérée, appauvrie en dioxyde de carbone. Cette solution régénérée est réutilisée comme solution de lavage aux amines dans le procédé selon l'invention. Avant d'être renvoyée en tête de la tour d'absorption, toute ou partie de la solution de lavage régénérée peut de préférence être filtrée afin d'éliminer des particules solides ou produits dissous qui pourraient générer sur le long terme des problèmes opératoires du procédés selon l'invention. En respect de l'art antérieur, le procédé selon l'invention peut notamment comprendre une étape de filtration par un filtre à particule et/ou par un filtre à charbon actif La solution de lavage régénérée quitte généralement la colonne de régénération à une température supérieure à 100°C. Avant d'être introduite dans la tour d'absorption, la solution de lavage régénérée peut être refroidie à une température optimale pour l'étape d'absorption, soit de préférence comprise entre 30°C et 50°C. Selon un mode de réalisation préféré, avant d'être réutilisée pour le lavage du biogaz, la solution de lavage régénérée est refroidie par échange de chaleur avec la solution de lavage chargée avant sa régénération, dans un échangeur charge/effluent. Toutefois, ce refroidissement n'est généralement pas suffisant pour atteindre la température désirée. Il peut donc être nécessaire de procéder à un refroidissement complémentaire, par exemple par échange de chaleur avec une source plus froide ou avec l'environnement. Par ailleurs, le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage récupéré en tête de la colonne de régénération a une température optimale pour l'étape de régénération, soit de préférence entre 90°C et 120°C. Le flux récupéré contient de préférence majoritairement du dioxyde de carbone et ce flux est saturé en eau. Il peut également contenir d'autres composés, notamment du méthane et de l'H2S si le biogaz à traiter en contient. En fonction de sa composition et de son débit, ce flux peut être libéré dans l'atmosphère ou incinéré ou traité. Cependant, avant cela, ce flux chaud doit généralement être refroidi dans un échangeur alimenté par une source froide afin de limiter les pertes en eau et de réduire avantageusement la consommation d'eau du procédé.
Dans le procédé de la présente invention, au moins l'un des flux choisi parmi : - la solution de lavage régénérée - le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage saturé en eau est refroidi par échange thermique avec un second flux ; ledit second flux étant choisi de telle manière que la chaleur récupérée soit utilisée dans un autre dispositif Selon un mode de réalisation préféré, la solution de lavage régénérée et le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage sont tous les deux refroidis par échange thermique avec un second flux, de préférence un flux du circuit de chauffage du digesteur produisant le biogaz, qui peut en outre récupérer une partie de la chaleur dégagée lors de l'absorption du CO2 par le solvant de lavage amine, ceci dans le cas de digesteurs mésophiles. Les deux échanges thermiques sont de préférence réalisés en parallèle. Les inventeurs ont constaté que les calories contenues dans la solution de lavage régénérée et/ou dans le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage, qui ont pour origine la chaleur fournie au système pour régénérer la solution de lavage, pouvaient avantageusement être employées comme source d'énergie pour un ou plusieurs autres dispositifs. De préférence, ce ou ces autres dispositifs sont classiquement présents dans l'environnement d'un dispositif de méthanisation. Ce dispositif peut notamment être choisi parmi : - un digesteur produisant du biogaz ; - un dispositif qui assure l'évapo-concentration des lexiviats dans un centre d'enfouissement ; - un dispositif qui assure le chauffage des bâtiments sur un site de production de biogaz ou ses alentours ; - un dispositif de séchage des digestats ; - un dispositif de séchage de produits agricoles et forestiers tels que le fourrage et le bois. L'intégration des transferts d'énergie thermique du procédé de lavage et régénération avec un autre procédé nécessitant par ailleurs un apport de chaleur permet de diminuer globalement le besoin énergétique de l'ensemble. Selon un mode de réalisation, la chaleur récupérée sur le procédé de lavage et de régénération de la solution aux amines peut servir comme source de chaleur à un dispositif de traitement des lexiviats dans un centre d'enfouissement. Ce traitement peut notamment être effectué par évapo-concentration. Les centres d'enfouissement des déchets peuvent être équipés d'un système de récupération du biogaz issu de la méthanisation des déchets organiques. Les dispositifs de purification du biogaz produit et les dispositifs de traitement des lexiviats peuvent donc être voisins. Selon un autre mode de réalisation, la chaleur récupérée peut servir comme source d'énergie pour un système de chauffage qui chauffe des bâtiments d'un site de production de biogaz ou des bâtiments dans ses alentours. Mais le mode de réalisation préféré consiste à utiliser la chaleur récupérée sur le procédé de lavage et de régénération de la solution aux amines pour chauffer le digesteur produisant le biogaz. En effet, les inventeurs ont constaté que le flux du circuit de chauffage du digesteur pouvait être une source thermique appropriée pour le refroidissement du procédé de captage aux amines. Lorsque le digesteur est un digesteur mésophile, le flux du circuit de chauffage provenant du digesteur (flux refroidi) est à une température comprise entre 40°C et 60°C, de préférence entre 40°C et 50°C. Lorsque le digesteur est un digesteur thermophile, le flux du circuit de chauffage provenant du digesteur (flux refroidi) est à une température comprise entre 45°C et 70°C, de préférence entre 45°C et 55°C. Ces températures sont compatibles avec l'emploi du flux du circuit de chauffage du digesteur pour l'échange thermique avec la solution de lavage régénérée ou le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage, ou les deux. Les niveaux de récupération énergétique obtenus grâce au procédé selon l'invention peuvent être compris entre 70% et plus de 95% en fonction de la température de retour du circuit de réchauffage des digesteurs dans le cas de digesteur mésophile, et entre 50% et plus de 60% dans le cas de digesteur thermophile. Dans le cas de digesteurs mésophiles, il est important de souligner qu'une partie importante de la chaleur dégagée lors de l'absorption du CO2 par le solvant de lavage aux amines au niveau de la tour de lavage peut être récupérée et transférée au circuit de réchauffage des digesteurs. Cette récupération supplémentaire explique que l'on atteigne des niveaux de récupération élevés, compris entre 70% et plus de 95% dans le cas de digesteurs mésophiles. En outre, cette utilisation du flux du circuit de chauffage du digesteur dans le procédé de lavage et de régénération de la solution aux amines est particulièrement avantageuse car elle permet de diminuer globalement le besoin en énergie de chauffage du procédé. En effet, lors de l'échange thermique entre la solution de lavage régénérée et/ou le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage et le flux du circuit de chauffage du digesteur, la chaleur perdue par la solution de lavage régénérée et/ou le dioxyde de carbone est récupérée par le flux du circuit de chauffage du digesteur. Ceci diminue d'autant plus l'énergie de chauffage nécessaire au maintien de la température des digesteurs.
Ce procédé permet avantageusement de traiter un biogaz brut dont le débit est compris entre 200 Nm3/h et 10000 Nm3/h ou plus et de façon préférée entre 250 Nm3/h et 2500 Nm3/h. Le procédé de production et de traitement de biogaz est aussi un objet de l'invention. Ce procédé comprend la production de biogaz par un digesteur, ledit digesteur étant maintenu à une température adéquate pour la production de biogaz par un circuit de chauffage, puis le traitement du biogaz produit, comprenant les étapes consistant à séparer le dioxyde de carbone du biogaz par lavage avec une solution de lavage aux amines, à régénérer ladite solution de lavage par désorption du dioxyde de carbone, puis à réutiliser la solution de lavage régénérée pour le lavage du biogaz, caractérisé en ce qu'au moins l'un des flux choisi parmi : - la solution de lavage régénérée - le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage saturé en eau est refroidi par échange d'énergie thermique avec un flux du circuit de chauffage du digesteur produisant le biogaz. L'invention a également pour objet un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Ce dispositif de production et de traitement de biogaz comprend : - au moins un digesteur produisant du biogaz, ledit digesteur étant muni d'un circuit de chauffage ; - une tour de lavage du biogaz par une solution de lavage aux amines ; - une colonne de régénération de la solution de lavage aux amines, la colonne de régénération étant sur un circuit qui inclut la tour de lavage de façon à ce que la solution de lavage utilisée dans la tour soit régénérée dans la colonne de régénération, et que la solution de lavage régénérée soit retournée à la tour de lavage dans ce même circuit, le dioxyde de carbone évacué de la solution de lavage étant disponible en tête de colonne de régénération à haute température et saturé en eau ; - au moins un échangeur de chaleur charge/effluent pour récupérer la chaleur de la solution de lavage régénérée qui sort de la tour de régénération au profit d'une préchauffe de la solution de lavage utilisée qui va vers la tour de régénération ; - au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir la solution de lavage régénérée entre sa sortie de la colonne de régénération et son entrée dans la tour de lavage ; et - au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage à sa sortie en tête de la colonne de régénération et à condenser la vapeur d'eau que ce flux contient ; caractérisé en ce qu'au moins l'un de ces deux derniers échangeurs de chaleur est refroidi par le flux circulant dans le circuit de chauffage du digesteur. Ce dispositif présente l'avantage par rapport à certains dispositifs décrits dans l'art antérieur de ne pas être plus volumineux ou plus coûteux que des dispositifs classiques, tout en permettant de réaliser des économies sur les dépenses énergétiques globales. De préférence, ce dispositif ne comprend qu'une seule tour de lavage et qu'une seule colonne de régénération. Les pressions de fonctionnement du procédé selon l'invention appliquées dans ce dispositif étant avantageusement proches de la pression atmosphérique, les pompes et les compresseurs nécessaires à son fonctionnement peuvent requérir des puissances réduites de fonctionnement par rapport à l'art antérieur. Les modes de réalisation préférés décrits ci-dessus pour le procédé s'appliquent au dispositif selon l'invention. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'échangeur de chaleur destiné à refroidir le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage à sa sortie de la colonne de régénération est un condenseur situé en tête de la colonne, verticalement ou non. Cette disposition permet d'optimiser la collecte de chaleur par le flux circulant dans le circuit de chauffage du digesteur. Selon un premier mode de réalisation le condenseur est installé directement et verticalement en tête de colonne et associée mécaniquement à celle-ci, qui en fait un équipement unique et permet de minimiser le nombre total d'équipements. Selon un second mode de réalisation, le condenseur est un échangeur de chaleur distinct de la colonne. Les inventeurs remarquent que ce dispositif propre au procédé selon l'invention permet de limiter le nombre d'équipements à mettre en oeuvre dans la section de reflux. En outre, le dispositif peut comprendre une récupération de l'eau de condensation issue du condenseur dans le procédé de lavage, cette eau de condensation ou reflux pouvant être renvoyée soit en tête de colonne de régénération, soit au milieu de cette colonne, soit directement dans le rebouilleur. L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative par référence à un mode de réalisation particulier représenté sur la figure 1.
La figure 1 représente une partie d'un dispositif de production et de traitement de biogaz selon l'invention. Sur cette figure, le digesteur produisant le biogaz n'est pas représenté. Le biogaz produit, éventuellement préalablement traité pour éliminer des composés indésirables tels que l'H2S, l'ammoniaque, les composés organiques volatiles (COV), les composés siloxanes et les métaux lourds comme le mercure, arrive dans le dispositif par le conduit 1 et est introduit dans la tour de lavage 2 par le bas. Le biogaz est lavé à l'aide d'une solution de lavage aux amines introduite en tête de la tour par le conduit 3. Le lavage peut être effectué à une température comprise entre 20°C et 60°C et à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Le biométhane dont la concentration en dioxyde de carbone a été réduite considérablement, est récupéré en tête de colonne par le conduit 4, tandis que la solution de lavage aux amines qui a absorbé le dioxyde de carbone sort de la tour de lavage par le conduit 5. La solution de lavage consommée dans la tour est amenée dans la colonne de régénération 6 équipée d'un rebouilleur 7 pour être régénérée. La régénération peut être effectuée à une température comprise entre 100°C et 135°C, et à une pression comprise entre 1,0 bar et 2,5 bars. Avant d'être introduit dans la colonne de régénération 6, le solvant de lavage chargé en dioxyde de carbone est chauffé dans l'échangeur de chaleur 8 par le solvant régénéré et chaud sortant de la colonne de régénération par le conduit 9. Ce solvant régénéré et chaud est refroidi dans les échangeurs de chaleur 8 et 10, puis il est purifié dans l'unité de filtration 11, avant d'être réintroduit dans la tour de lavage 2 par le conduit 3. Bien que cela ne soit pas représenté, un appoint en amines peut être apporté au niveau du conduit 3 pour compenser les pertes éventuelles et pour maintenir la concentration de la solution. En tête de la colonne de régénération 6, le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage est refroidi dans le condenseur 12. Sa température en sortie dans le conduit 13 peut être comprise entre 40°C et 65°C. Ce flux de dioxyde de carbone peut être libéré dans l'atmosphère ou incinéré. Apres le condenseur 12, l'eau de condensation obtenue par le refroidissement des gaz issus de la colonne de régénération est récupérée par le conduit 20, et est recyclée soit dans la colonne de régénération 6, soit par mélange avec la solution de lavage dans le conduit 3 ou dans le conduit 9. Dans ce dispositif, la solution de lavage régénérée et le dioxyde de carbone extrait de la solution de lavage à haute température contenant une fraction d'eau vapeur non négligeable (saturé en eau) sont tous les deux refroidis respectivement dans l'échangeur de chaleur 10 et dans le condenseur 12 par le flux circulant dans le circuit de chauffage du digesteur. Le flux circulant dans le circuit de chauffage du digesteur arrive dans ce dispositif par le conduit 14 et en ressort par le conduit 19. Entre cette entrée et cette sortie, il est divisé en deux flux 15 et 16 qui alimentent respectivement l'échangeur de chaleur 10 et le condenseur 12. Ces deux flux sont chauffés par échanges thermiques avec la solution de lavage régénérée et le dioxyde de carbone désorbé. Ils ressortent chauffés par les conduits 17 et 18 et apportent au moins une partie de l'énergie thermique nécessaire pour maintenir le digesteur produisant le biogaz à sa température optimale. EXEMPLE L'exemple ci-après traite du cas de fermenteurs mettant en oeuvre des bactéries mésophiles fonctionnant à 37°C et produisant un débit de biogaz de 500 Nm3/h. Le procédé de lavage aux amines mis en oeuvre pour traiter le biogaz et absorber le CO2 pour atteindre une récupération de plus de 98% du CO2 présent utilise une solution de lavage aux amines composée à 45,5% poids d'un mélange de MDEA et d'hydroxyéthyl 10 pipérazine. Ce solvant refroidi à 45°C, grâce au fluide caloporteur circulant dans l'enveloppe du digesteur, est alimenté en tête d'une colonne de lavage ou colonne d'absorption dans laquelle il est mis en contact à contre-courant avec le biogaz produit circulant du bas vers le haut. 15 La solution de lavage chargée, récupérée en fond de colonne d'absorption, est préchauffée dans un échangeur charge/effluent par la solution régénérée et chaude provenant du rebouilleur. La solution chargée et chaude est injectée en tête d'une colonne de régénération fonctionnant à 2,05 bars en tête et à 2,2 bars en fonds. La température de régénération 20 correspondante est de 125°C. La puissance de rebouillage à apporter pour éliminer le CO2 contenue dans la solution de lavage aux amines chargée est de 382 kW au minimum. Le CO2 désorbé et chaud disponible en tête de colonne de régénération est refroidi à 50°C dans un condenseur alimenté là encore par le fluide caloporteur circulant dans l'enveloppe du digesteur. 25 La solution de lavage aux amines régénérée provenant du rebouilleur est refroidie une première fois dans l'échangeur charge/effluent au contact du solvant riche et est refroidie une seconde fois dans un échangeur à plaques pour atteindre la température requise de 45°C.
Le fluide caloporteur alimentant à la fois l'échangeur de refroidissement de la solution d'amine et le condenseur de tête du régénérateur est disponible à 40°C (retour des digesteurs). Cette température permet de récupérer une grande partie de l'énergie dépensée par le rebouilleur ainsi qu'une grande partie de la chaleur dégagée lors de l'absorption du CO2 par la solution de lavage aux amines au niveau de l'absorbeur, la réaction d'absorption étant exothermique. Les puissances thermiques récupérées sont les suivantes : - Puissance thermique récupérée par le condenseur : 187 kW, - Puissance thermique récupérée par le refroidisseur d'amine : 185 kW, ce qui correspond à un taux de récupération de plus de 97% de l'énergie dépensée pour régénérer la solution de lavage aux amines. D'autre part, la puissance thermique nécessaire pour rebouillir la solution de lavage aux amines peut représenter de 50% à 100% de la puissance thermique nécessaire pour maintenir le digesteur à une température de 37°C. Lorsqu'on récupère 97% de la chaleur de rebouillage grâce à une intégration thermique appropriée entre les circuits thermiques du fermenteur et ceux de l'unité de traitement aux amines, la dépense énergétique propre à l'unité de purification du biogaz par lavage aux amines devient donc quasiment nulle. Glossaire - CH4 Méthane - CO2 Dioxyde de carbone - COV Composés organiques volatiles - DEA diéthanolamine - DGA diglycolamine, 2-aminoéthoxyéthanol - DIPA diisopropanolamine - S _2 H _ Sulfure d'hydrogène - HAP Hydrocarbures aromatiques polycycliques - kW kilowatt - MDEA Méthyldiéthanolamine - MEA Monoéthanolamine - ppm partie par million

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un biogaz contenant du dioxyde de carbone, comprenant les étapes consistant à séparer le dioxyde de carbone du biogaz par lavage avec une solution de lavage aux amines, à régénérer ladite solution de lavage par désorption du dioxyde de carbone, puis à réutiliser la solution de lavage régénérée pour le lavage du biogaz, caractérisé en ce qu'au moins l'un des flux choisi parmi : la solution de lavage régénérée - le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage saturé en eau est refroidi par échange thermique avec un second flux ; ledit second flux étant choisi de telle manière que la chaleur récupérée soit utilisée dans un autre dispositif.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaleur récupérée est utilisée dans un dispositif choisi parmi : un digesteur produisant du biogaz ; - un dispositif qui assure l'évapo-concentration des lexiviats dans un centre d'enfouissement ; - un dispositif qui assure le chauffage des bâtiments sur un site de production de biogaz ou ses alentours ; - un dispositif de séchage des digestats ; - un dispositif de séchage de produits agricoles et forestiers tels que le fourrage et le bois.
  3. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le biogaz est produit par un digesteur et qu'au moins l'un des flux choisi parmi : - la solution de lavage régénérée - le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage saturé en eau est refroidi par échange thermique avec un flux du circuit de chauffage du digesteur produisant le biogaz.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le biogaz traité est produit par un digesteur mésophile ou thermophile, de préférence mésophile.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le biogaz traité contient de l'H2S.35
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lavage est effectué à une pression absolue allant de 1 bar à 10 bar, de façon plus préférée à une pression légèrement supérieure ou égale à la pression atmosphérique, et à une température allant de 20°C à 60°C.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la régénération est effectuée à une pression absolue allant de 1,0 bar à 2,5 bar, et à une température allant de 100°C à 135°C.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, avant d'être réutilisée pour le lavage du biogaz, la solution de lavage régénérée est refroidie par échange de chaleur avec la solution de lavage chargée avant sa régénération.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la solution de lavage régénérée et le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage sont tous les deux refroidis par échange thermique avec un second flux, de préférence un flux du circuit de chauffage du digesteur produisant le biogaz, qui peut en outre récupérer une partie de la chaleur dégagée lors de l'absorption du CO2 par le solvant de lavage amine, ceci dans le cas de digesteurs mésophiles.
  10. 10. Dispositif de production et de traitement de biogaz, comprenant : - au moins un digesteur produisant du biogaz, ledit digesteur étant muni d'un circuit de chauffage ; - une tour de lavage du biogaz par une solution de lavage aux amines ; - une colonne de régénération de la solution de lavage aux amines, la colonne de régénération étant sur un circuit qui inclut la tour de lavage de façon à ce que la solution de lavage utilisée dans la tour soit régénérée dans la colonne de régénération, et que la solution de lavage régénérée soit retournée à la tour de lavage dans ce même circuit, le dioxyde de carbone évacué de la solution de lavage étant disponible en tête de colonne de régénération à haute température et saturé en eau ; - au moins un échangeur de chaleur charge/effluent pour récupérer la chaleur de la solution de lavage régénérée qui sort de la tour de régénération au profit d'une préchauffe de la solution de lavage utilisée qui va vers la tour de régénération- au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir la solution de lavage régénérée entre sa sortie de la colonne de régénération et son entrée dans la tour de lavage ; et - au moins un échangeur de chaleur destiné à refroidir le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage à sa sortie en tête de la colonne de régénération et à condenser la vapeur d'eau que ce flux contient ; caractérisé en ce qu'au moins l'un de ces deux derniers échangeurs de chaleur est refroidi par le flux circulant dans le circuit de chauffage du digesteur. 10
  11. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur destiné à refroidir le dioxyde de carbone désorbé de la solution de lavage à sa sortie de la colonne de régénération est un condenseur situé en tête de la colonne.
  12. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le condenseur est installé 15 directement et verticalement en tête de colonne et associée mécaniquement à celle-ci.
  13. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le condenseur est un échangeur de chaleur distinct de la colonne. 20
  14. 14. Dispositif selon les revendications 10 et 13, caractérisé par une récupération de l'eau de condensation issue du condenseur dans le procédé de lavage, cette eau de condensation ou reflux pouvant être renvoyée soit en tête de colonne de régénération, soit au milieu de cette colonne, soit directement dans le rebouilleur.
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