FR3050656A1 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LIQUID BIOMETHANE BY CRYOGENIC SEPARATION - Google Patents

PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LIQUID BIOMETHANE BY CRYOGENIC SEPARATION Download PDF

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Abstract

Procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique à partir d'un flux de biogaz (1) comprenant du méthane et du dioxyde de carbone comprenant : - une première étape de production de biométhane (4) par séparation cryogénique du flux de biogaz (1) dans un régénérateur cryogénique (3), - une deuxième étape de liquéfaction du biométhane (4) dans un échangeur, avec la première et la deuxième étape mettant en œuvre un circuit unique d'azote.Process for the production of liquid biomethane by cryogenic separation from a biogas stream (1) comprising methane and carbon dioxide, comprising: - a first stage of production of biomethane (4) by cryogenic separation of the biogas stream (1) ) in a cryogenic regenerator (3), - a second biomethane liquefaction step (4) in an exchanger, with the first and the second stage using a single nitrogen circuit.

Description

La présente invention est relative à un procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique.The present invention relates to a process for producing liquid biomethane by cryogenic separation.

Dans le cadre de sa valorisation, le biométhane - en tant que substitut renouvelable au gaz naturel ayant les mêmes caractéristiques que celui-ci - peut être injecté dans un réseau de distribution ou de transport de gaz naturel qui permet de relier producteurs de gaz et consommateurs.As part of its valuation, biomethane - as a renewable substitute for natural gas with the same characteristics as this one - can be injected into a natural gas distribution or transmission network that connects gas producers and consumers. .

Le biométhane est obtenu à partir de biogaz.Biomethane is obtained from biogas.

Le biogaz est un gaz produit par la fermentation naturelle ou artificielle de matières organiques végétales ou animales (la méthanisation). Il contient majoritairement du méthane (CH4) du dioxyde de carbone (C02), mais également - en moindre proportion - de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces. Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de C02, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces. Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l'intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité.Biogas is a gas produced by the natural or artificial fermentation of vegetable or animal organic matter (methanisation). It contains mainly methane (CH4) carbon dioxide (CO2), but also - to a lesser extent - water, nitrogen, hydrogen sulphide, oxygen, and other organic compounds , in the form of traces. Depending on the organic matter degraded and the techniques used, the proportions of the components differ, but on average the biogas comprises, on dry gas, 30 to 75% of methane, 15 to 60% of CO2, 0 to 15% of carbon dioxide. nitrogen, 0-5% oxygen and trace compounds. Biogas is valued in different ways. It may, after a light treatment, be upgraded near the production site to provide heat, electricity or a mixture of both (cogeneration); the high content of carbon dioxide reduces its calorific value, increases the compression and transport costs and limits the economic interest of its valuation to this use of proximity.

Une purification plus poussée du biogaz permet sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué; le biogaz ainsi purifié est le «biométhane». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au cœur des territoires ; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d'origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (GNL)... Les modes de valorisation du biométhane sont déterminés en fonction des contextes locaux : besoins énergétiques locaux, possibilités de valorisation en tant que biométhane carburant. existence à proximité de réseaux de distribution ou de transport de gaz naturel notamment. Créant des synergies entre les différents acteurs œuvrant sur un territoire (agriculteurs, industriels, pouvoirs publics), la production de biométhane aide les territoires à acquérir une plus grande autonomie énergétique.Further purification of the biogas allows its wider use, in particular, a thorough purification of the biogas makes it possible to obtain a biogas purified to the specifications of the natural gas and which can be substituted for it; the biogas thus purified is "biomethane". Biomethane thus completes the natural gas resources with a renewable part produced in the heart of the territories; it is usable for exactly the same uses as natural gas of fossil origin. It can feed a natural gas network, a filling station for vehicles, it can also be liquefied to be stored in the form of liquid natural gas (LNG) ... The modes of valorization of the biomethane are determined according to the local contexts: local energy needs, possibilities of valorization as biomethane fuel. existence close to natural gas distribution or transmission networks, in particular. Creating synergies between the different actors working on a territory (farmers, industrialists, public authorities), the production of biomethane helps the territories to acquire a greater energy autonomy.

La présente invention se propose de fournir un procédé simplifié de production de biométhane. Une solution de la présente invention est un procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique à partir d'un flux de biogaz 1 comprenant du méthane et du dioxyde de carbone comprenant : - une première étape de production de biométhane 4 par séparation cryogénique du flux de biogaz 1 dans un régénérateur cryogénique 3, - une deuxième étape de liquéfaction du biométhane 4 dans un échangeur, avec la première et la deuxième étape mettant en œuvre un circuit unique d'azote.The present invention proposes to provide a simplified process for the production of biomethane. A solution of the present invention is a process for producing liquid biomethane by cryogenic separation from a biogas stream 1 comprising methane and carbon dioxide, comprising: a first step of producing biomethane 4 by cryogenic separation of the stream of biogas 1 in a cryogenic regenerator 3, - a second step of liquefying the biomethane 4 in an exchanger, with the first and the second step implementing a single nitrogen circuit.

Par « circuit unique d'azote » on entend un procédé dans lequel l'azote utilisé dans la première étape provient exclusivement de l'azote vaporisé dans la deuxième étape.By "single nitrogen circuit" is meant a process in which the nitrogen used in the first stage comes exclusively from the vaporized nitrogen in the second stage.

Par « régénérateur cryogénique » on entend un échangeur de type régénérateur opérant à température cryogénique.By "cryogenic regenerator" is meant a regenerator type exchanger operating at cryogenic temperature.

Selon le cas le procédé selon l'invention présente une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - la première étape de production de biométhane comprend les étapes successives suivantes: i) introduction du biogaz 1 à une pression comprise entre 3 et 15 bar dans un régénérateur cryogénique, ii) refroidissement du biogaz 1 au contact de la matrice contenue dans le régénérateur cryogénique et préalablement refroidie par le flux d'azote 2 jusqu'à solidification du dioxyde de carbone, (la matrice a été préalablement refroidie de façon à présenter un profil de température allant de la température ambiante à l'extrémité ou est injecté le biogaz jusqu'à une température inférieure à -90°C à l'extrémité où sort le biogaz) et iii) récupération d'un flux de biométhane gazeux 4, et la deuxième étape de liquéfaction du biométhane comprend les étapes successives suivantes : iv) introduction du flux de biométhane gazeux 4 récupéré à l'étape iii) et du flux d'azote liquide (7)dans un échangeur 6, v) liquéfaction du flux de biométhane gazeux 4 dans l'échangeur 6 par échange thermique avec l'azote liquide 7, et vi) récupération d'un flux de biométhane liquide 8. - le circuit d'azote liquide comprend un passage en série du flux d'azote liquide dans l'échangeur 6 puis dans le régénérateur cryogénique 3. - la température de l'azote liquide 7 à l'étape iv) est comprise entre -196°C et -190°C et la température de l'azote 2 à l'étape i) est comprise entre -196°C et -120°C. - le régénérateur cryogénique comprend une première et une deuxième bouteille 3a et 3b, ledit procédé comprend une troisième étape de régénération, et la première bouteille 3a subit la première étape de production tandis que la deuxième bouteille 3b subit la troisième étape de régénération avant d'être inversées. - la troisième étape de régénération comprend un balayage de la deuxième bouteille 3b par un flux d'azote 2 issu de l'échangeur à une pression comprise entre 1 bar et 3 bar jusqu'à sublimation du C02 solidifié. - l'échangeur 6 fonctionne en continu. - le biométhane liquide 8 est envoyé dans un stockage.Depending on the case, the process according to the invention has one or more of the following characteristics: the first biomethane production stage comprises the following successive stages: i) introduction of the biogas 1 at a pressure of between 3 and 15 bar in a cryogenic regenerator, ii) cooling of the biogas 1 in contact with the matrix contained in the cryogenic regenerator and previously cooled by the flow of nitrogen 2 until solidification of the carbon dioxide, (the matrix has been previously cooled so as to present a temperature profile ranging from room temperature to the end where the biogas is injected to a temperature below -90 ° C at the end where the biogas comes out) and iii) recovery of a gaseous biomethane stream 4, and the second biomethane liquefaction step comprises the following successive steps: iv) introduction of the gaseous biomethane stream 4 recovered in step i ii) and the flow of liquid nitrogen (7) in an exchanger 6, v) liquefaction of the gaseous biomethane stream 4 in the exchanger 6 by heat exchange with the liquid nitrogen 7, and vi) recovery of a flow of liquid biomethane 8. - the liquid nitrogen circuit comprises a series passage of the flow of liquid nitrogen in the exchanger 6 and then in the cryogenic regenerator 3. - the temperature of the liquid nitrogen 7 in step iv) is between -196 ° C and -190 ° C and the temperature of nitrogen 2 in step i) is between -196 ° C and -120 ° C. the cryogenic regenerator comprises a first and a second bottle 3a and 3b, said method comprises a third regeneration step, and the first bottle 3a undergoes the first production step while the second bottle 3b undergoes the third regeneration step before to be reversed. - The third regeneration step comprises a sweep of the second bottle 3b by a nitrogen stream 2 from the exchanger at a pressure between 1 bar and 3 bar until sublimation of the solidified CO 2. exchanger 6 operates continuously. the liquid biomethane 8 is sent to a storage.

La présente invention va à présent être décrite plus en détail à l'aide de la figure 1. L'installation représentée figure 1 comprend un régénérateur cryogénique 3 avec deux bouteilles, une première bouteille 3a et une deuxième bouteille 3b. La deuxième bouteille 3b subit la troisième étape de régénération. Autrement dit, la deuxième bouteille 3b est balayée par le flux d'azote 2 et la pression basse du flux d'azote comprise entre 1 et 3 bars permet la sublimation et l'évacuation du dioxyde de carbone solidifié et piégé dans la matrice. Ce balayage d'azote permet également de refroidir la matrice comprise dans la deuxième bouteille 3b et d'obtenir un profil de température compris entre la température ambiante et une température inférieure à -90°C. Après ce refroidissement de la matrice comprise dans la deuxième bouteille, la première bouteille et la deuxième bouteille sont inversées; autrement dit la deuxième bouteille 3b devient la première bouteille 3a et va subir l'étape de production de biométhane et la première bouteille 3a devient la deuxième bouteille 3b et va subir à son tour l'étape de régénération. Cette inversion est rendue possible par un jeu de vannes. Le biogaz à une pression comprise entre 3 et 15 bars est introduit dans la première bouteille 3a et se refroidi à une température inférieure à -90°C au contact de la matrice refroidie lors de l'étape de régénération. Ce refroidissement entraine la solidification du dioxyde de carbone qui reste alors piégé dans la matrice. On récupère en sortie de la première bouteille du biométhane gazeux 4 qui est ensuite liquéfié dans un échangeur 6 par échange thermique avec un flux d'azote liquide 7. Notons que le flux d'azote liquide correspond au flux amont du flux d'azote utilisé à l'étape de régénération. Un flux de biométhane liquide est récupéré en sortie de l'échangeur.The present invention will now be described in more detail with the aid of FIG. 1. The installation represented in FIG. 1 comprises a cryogenic regenerator 3 with two bottles, a first bottle 3a and a second bottle 3b. The second bottle 3b undergoes the third regeneration step. In other words, the second bottle 3b is swept by the flow of nitrogen 2 and the low pressure of the nitrogen stream of between 1 and 3 bar allows the sublimation and evacuation of carbon dioxide solidified and trapped in the matrix. This nitrogen sweep also makes it possible to cool the matrix comprised in the second bottle 3b and to obtain a temperature profile comprised between ambient temperature and a temperature below -90 ° C. After this cooling of the matrix included in the second bottle, the first bottle and the second bottle are inverted; that is, the second bottle 3b becomes the first bottle 3a and will undergo the biomethane production step and the first bottle 3a becomes the second bottle 3b and will in turn undergo the regeneration step. This inversion is made possible by a set of valves. The biogas at a pressure of between 3 and 15 bar is introduced into the first bottle 3a and is cooled to a temperature below -90 ° C. in contact with the cooled matrix during the regeneration step. This cooling leads to the solidification of the carbon dioxide which then remains trapped in the matrix. The output of the first bottle of biomethane gas 4 is recovered, which is then liquefied in a heat exchanger 6 by heat exchange with a stream of liquid nitrogen 7. Note that the flow of liquid nitrogen corresponds to the upstream flow of the nitrogen flow used. in the regeneration step. A stream of liquid biomethane is recovered at the outlet of the exchanger.

Notons que l'azote liquide 7 peut provenir d'un réservoir de stockage d'azote. Il faut 3 kg d'azote pour liquéfier 1 kg de biométhane.Note that the liquid nitrogen 7 can come from a nitrogen storage tank. It takes 3 kg of nitrogen to liquefy 1 kg of biomethane.

Claims (8)

Revendicationsclaims 1. Procédé de production de biométhane liquide par séparation cryogénique à partir d'un flux de biogaz (1) comprenant du méthane et du dioxyde de carbone comprenant : - une première étape de production de biométhane (4) par séparation cryogénique du flux de biogaz (1) dans un régénérateur cryogénique (3), - une deuxième étape de liquéfaction du biométhane (4) dans un échangeur, avec la première et la deuxième étape mettant en oeuvre un circuit unique d'azote.A process for producing liquid biomethane by cryogenic separation from a biogas stream (1) comprising methane and carbon dioxide, comprising: a first step of producing biomethane (4) by cryogenic separation of the biogas stream (1) in a cryogenic regenerator (3), - a second biomethane liquefaction step (4) in an exchanger, with the first and the second step using a single nitrogen circuit. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la première étape de production de biométhane comprend les étapes successives suivantes: i) introduction du biogaz (1) à une pression comprise entre 3 et 15 bar dans un régénérateur cryogénique (3), ii) refroidissement du biogaz (1) au contact de la matrice contenue dans le régénérateur cryogénique et préalablement refroidie par le flux d'azote (2) jusqu'à solidification du dioxyde de carbone, et iii) récupération d'un flux de biométhane gazeux (4), et - la deuxième étape de liquéfaction du biométhane comprend les étapes successives suivantes : iv) introduction du flux de biométhane gazeux (4) récupéré à l'étape iii) et du flux d'azote liquide (7) dans un échangeur (6), v) liquéfaction du flux de biométhane gazeux (4) dans l'échangeur (6) par échange thermique avec l'azote liquide (7), et vi) récupération d'un flux de biométhane liquide (8).2. Method according to claim 1, characterized in that: the first step of producing biomethane comprises the following successive steps: i) introduction of the biogas (1) at a pressure of between 3 and 15 bar in a cryogenic regenerator (3) ii) cooling of the biogas (1) in contact with the matrix contained in the cryogenic regenerator and previously cooled by the flow of nitrogen (2) until solidification of the carbon dioxide, and iii) recovery of a flow of carbon dioxide; gaseous biomethane (4), and the second step of biomethane liquefaction comprises the following successive steps: iv) introduction of the flow of gaseous biomethane (4) recovered in step iii) and flow of liquid nitrogen (7) in an exchanger (6), v) liquefying the gaseous biomethane stream (4) in the exchanger (6) by heat exchange with the liquid nitrogen (7), and vi) recovering a flow of liquid biomethane (8) . 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d'azote liquide comprend un passage en série du flux d'azote liquide dans réchangeur(6) puis dans le régénérateur cryogénique (3).3. Method according to claim 2, characterized in that the liquid nitrogen circuit comprises a series passage of the liquid nitrogen stream in the exchanger (6) and then in the cryogenic regenerator (3). 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la température de l'azote liquide (7) à l'étape iv) est comprise entre -196°C et -190°C et la température de l'azote (2) à l'étape i) est comprise entre -196°C et -120°C.4. Method according to one of claims 2 or 3, characterized in that the temperature of the liquid nitrogen (7) in step iv) is between -196 ° C and -190 ° C and the temperature of the nitrogen (2) in step i) is between -196 ° C and -120 ° C. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que : - le régénérateur cryogénique (3) comprend une première et une deuxième bouteille (3a) et (3b), - ledit procédé comprend une troisième étape de régénération, et - la première bouteille (3a) subit la première étape de production tandis que la deuxième bouteille (3b) subit la troisième étape de régénération avant d'être inversées.5. Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that: - the cryogenic regenerator (3) comprises a first and a second bottle (3a) and (3b), - said method comprises a third regeneration step, and - the first bottle (3a) undergoes the first production step while the second bottle (3b) undergoes the third regeneration step before being inverted. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la troisième étape de régénération comprend un balayage de la deuxième bouteille par un flux d'azote (2) issu de l'échangeur (6) à une pression comprise entre 1 bar et 3 bar jusqu'à sublimation du C02 solidifié.6. Method according to claim 5, characterized in that the third regeneration step comprises a sweep of the second bottle by a stream of nitrogen (2) from the exchanger (6) at a pressure between 1 bar and 3 bar until sublimation of the solidified CO 2. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'échangeur (6) fonctionne en continu.7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the exchanger (6) operates continuously. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le biométhane liquide (8) est envoyé dans un stockage.8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the liquid biomethane (8) is sent into a storage.
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