FR3070166A1

FR3070166A1 - Reacteur de methanation biologique

Info

Publication number: FR3070166A1
Application number: FR1757705A
Authority: FR
Inventors: Stephane Fortin; Yilmaz Kara; Sandra Capela; Marion Maheut
Original assignee: Engie SA
Current assignee: Engie SA
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2037-08-16
Also published as: BR112020003154A2; WO2019034819A1; EP3668964A1; FR3070166B1

Abstract

Le réacteur (100) de méthanation biologique de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone à lit fluidisé, comporte : - une enceinte (105) présentant une extrémité (107) longitudinale dite « basse » et une extrémité (106) longitudinale opposée dite « haute », ladite enceinte comportant, à proximité de l'extrémité basse : - une entrée (110) primaire d'eau, - une entrée (110) de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et - une entrée (110) de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone et à proximité de l'extrémité haute : - une sortie (115) pour méthane de synthèse ou pour un gaz riche en méthane de synthèse et - une sortie (120) au moins pour eau et - un matériau (125) support pour former un lit de flore méthanogène, présentant une densité supérieure à la densité de l'eau, configuré pour recevoir une flore méthanogène.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention vise un réacteur de méthanation biologique à lit fluidisé. Elle s’applique, notamment, au domaine de la méthanation industrielle pour produire un gaz riche en méthane de synthèse par conversion de dioxyde de carbone et de dihydrogène.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Les technologies de méthanation biologique sont parfois utilisées pour augmenter la teneur en méthane des biogaz issus de méthanisation biologique. La méthanisation biologique produit un biogaz riche en méthane et en dioxyde de carbone et contenant un certain nombre de composés minoritaires issus de la fermentation tels que l’ammoniac, l’hydrogène sulfuré, les siloxanes et autres. Les proportions entre méthane et dioxyde de carbone varient d’une méthanisation à une autre, mais le ratio 50/50 donne un ordre de grandeur des quantités relatives de ces deux constituants majoritaires. La production de dioxyde de carbone lors de la méthanisation est inévitable, mais elle représente une partie significative du carbone introduit initialement dans le méthaniseur non valorisé en méthane et c’est de plus un composé qu’il faut éliminer si l’on souhaite injecter le méthane dans le réseau de gaz naturel.

Pour éviter ce double inconvénient, il est possible de méthaner le dioxyde de carbone du biogaz par le biais de deux techniques :

- la méthanation thermochimique et

- la méthanation biologique.

Dans les deux cas, pour réaliser la méthanation on mélange du dioxyde de carbone et du dihydrogène dans un réacteur.

Dans la méthanation thermochimique, la réaction s’effectue en phase gazeuse à haute température (à une température d’environ 300 à 400°C) sous pression plus ou moins importante et en présence d’un catalyseur.

Dans la méthanation biologique, la réaction s’effectue en phase liquide grâce à des microorganismes méthanogènes du domaine Archaea par exemple.

Dans les deux cas, la réaction globale de méthanation s’écrit :

CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O + Chaleur

Comme de nombreux processus biologiques plusieurs conditions doivent être réunies pour que la réaction se déroule correctement, parmi celles-ci on peut noter :

- un milieu anaérobique humide,

- une température adéquate,

- la présence de nutriments et

- l’accès aux réactifs des microorganismes.

Si la culture en milieu anaérobique humide dans un domaine de température satisfaisant et la présence des nutriments peuvent facilement être gérées, l’accès aux réactifs que sont le dihydrogène et le dioxyde de carbone peut poser des problèmes car le dihydrogène est peu soluble dans l’eau et nettement moins soluble que le dioxyde de carbone. Or la réaction de méthanation nécessite un ratio H2/CO2 théorique de 4 /1, le non-respect de cette stœchiométrie, ou la difficulté d’accès aux réactifs induisent des pertes d’efficacité, l’excès de réactifs dans le gaz produit et par conséquent le risque que celui-ci ne soit pas conforme aux spécifications d’injection sur un réseau de gaz naturel et qu’un traitement coûteux doit être mis en œuvre pour éliminer ces excès. Par ailleurs, les excès de réactif, notamment du H2, entraîne une baisse drastique de l’efficacité énergétique globale de la production de méthane de synthèse.

Plusieurs travaux ont été réalisés pour tester la possibilité de réaliser la méthanation biologique en laboratoire et au stade industriel. Parmi ceux-ci, on peut citer :

- le lit bactérien à percolation et

- le réacteur agité.

Le lit bactérien est un réacteur qui utilise un matériau support pour le développement des microorganismes et ce matériau est aspergé d’eau pour maintenir le milieu humide et pour permettre le transfert des réactifs gazeux dans l’eau afin que les microorganismes y accèdent. Le gaz réactif est introduit par la base du réacteur.

Le lit bactérien (tel que décrit dans le document DE 10 2011 051 836) se caractérise par une circulation à contre-courant des flux liquide et gazeux. Le gaz tend à circuler selon un modèle dit piston ce qui favorise le rendement de la réaction. Cependant la circulation peut être entravée par la croissance bactérienne sur les supports et induire des passages préférentiels. Pour limiter ce type de problème le débit de gaz est relativement faible pour laisser un temps de contact suffisant entre les réactifs et les microorganismes immobilisées sur le support. Le lit bactérien se caractérise par des taux de production relativement faible (1.17 Nm³ CH4/m³/jour) et donc une emprise au sol et un encombrement volumique important. Cet encombrement est lié au fait qu’il est nécessaire de maintenir un volume vide important pour laisser des passages libres au gaz et au liquide et de ne pas engorger le matériau support.

Le réacteur agité est un réacteur équipé d’un agitateur tournant à grande vitesse pour disperser dans le milieu les gaz et notamment l’hydrogène en fines bulles ainsi que les microorganismes afin d’augmenter l’accès des microorganismes aux réactifs.

Le réacteur agité a de bons taux de production : des valeurs de 100 à 200 Nm³ CH4/m³/jour par exemple. Mais il nécessite une traversée de paroi (pour l’agitateur), ce qui pose des problèmes relatifs à l’étanchéité du système, et donc à la sécurité, de plus l’agitateur induit une consommation d’énergie. De par sa conception, ce type de réacteur est dit de type parfaitement agité, donc la distribution des temps de séjour y est très étalée : du très court au très long, aussi une fuite de réactif gazeux plus ou moins importante a toujours lieu. Enfin dans ce type de réacteur les microorganismes sont en cultures dite libre et par conséquent elles sont très diluées dans le milieu, ce qui ne favorise pas le contact entre les microorganismes et les réactifs. Ce problème est exacerbé par le fait que la méthanation biologique produit de l’eau qui vient diluer le milieu et qu’il faut évacuer car le réacteur reste une enceinte à volume fini.

Aucun de ces enseignements ne permet d’optimiser l’accès des microorganismes aux réactifs pour respecter au mieux la stœchiométrie préférentielle de la réaction de méthanation tout en ayant un réacteur compact.

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 réacteur de méthanation biologique de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone à lit fluidisé, qui comporte :

- une enceinte présentant une extrémité longitudinale dite « basse » et une extrémité longitudinale opposée dite « haute », ladite enceinte comportant, à proximité de l’extrémité basse :

- une entrée primaire d’eau,

- une entrée de dihydrogène ou du gaz riche en dihydrogène et

- une entrée de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone et à proximité de l’extrémité haute :

- une sortie pour méthane de synthèse ou pour un gaz riche en méthane de synthèse et

- une sortie au moins pour eau et

- un matériau support pour former un lit de flore méthanogène, présentant une densité supérieure à la densité de l’eau, configuré pour recevoir une flore méthanogène.

Grâce à ces dispositions, l’accès des réactifs à la flore méthanogène est amélioré car cette flore est concentrée sur le matériau support. Le support mobile sert de site de colonisation aux microorganismes et de par son ratio surface/volume il permet de créer une grande surface de contact entre les microorganismes et le milieu. De plus, en immobilisant les microorganismes sur un support, on obtient un effet de concentration de la biomasse plus important que dans le cas des cultures libres. Ces deux effets concourent à augmenter la capacité réactionnelle par unité de volume et donc à réduire l’empreinte au sol du réacteur. Ils permettent aussi d’obtenir des résiduels très faibles en réactifs dans le gaz produit.

Dans des modes de réalisation, l’aire de la section transversale d’un volume intérieur de l’enceinte est une fonction croissante le long de l’axe longitudinal de l’enceinte allant de l’extrémité basse à l’extrémité haute.

Ces modes de réalisation permettent de limiter la vitesse verticale de l’eau, ce qui empêche à l’eau de transporter le matériau support au-delà d’une hauteur déterminée qui dépend de la fonction croissante de la section transversale mise en œuvre, des propriétés (masse volumique, granulométrie, sphéricité, ...) du matériau support, des débits gazeux et liquide ainsi que des propriétés des fluides en présence (masse volumique, viscosité,

Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte au moins une surverse de collecte d’eau positionnée en amont de la sortie pour méthane ou gaz riche en méthane et de la sortie pour eau, orientée vers l’extrémité haute de l’enceinte, formant collecteur pour l’eau franchissant la surverse, la sortie pour eau étant positionnée dans ce collecteur.

Ces modes de récupération permettent la récupération d’eau dépourvue au maximum de méthane de synthèse.

Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte :

- au moins une pompe de recirculation de l’eau traversant la sortie pour eau de l’enceinte et

- au moins un échangeur thermique configuré pour chauffer ou refroidir l’eau sortie de l’enceinte, l’eau recirculée, en sortie de l’échangeur thermique, étant au moins partiellement réinjectée dans l’enceinte à travers une conduite d’injection.

Ces modes de réalisation permettent de refroidir ou de réchauffer le milieu à l’intérieur de l’enceinte. À l’état initial du réacteur, un échauffement de ce milieu peut être favorable pour favoriser le développement de la flore méthanogène tandis qu’en opération, étant donné le caractère exothermique de la réaction de méthanation, il peut être favorable de réduire la température à l’intérieur de l’enceinte.

Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte un moyen de mesure du niveau d’eau dans l’enceinte et une évacuation d’eau du réacteur, l’ouverture de l’évacuation étant commandée en fonction du niveau d’eau mesuré.

Préférentiellement, ce même moyen de mesure du niveau dans l’enceinte commande l’ouverture d’une entrée d’eau lorsque le niveau est trop bas.

Ces modes de réalisation permettent d’évacuer le surplus d’eau du réacteur ou l’ajout d’eau si nécessaire.

Dans des modes de réalisation, l’eau recirculée est injectée dans un flux comportant au moins du dihydrogène et/ou du dioxyde de carbone, en amont de l’entrée pour dihydrogène et/ou de l’entrée pour dioxyde de carbone dans l’enceinte.

Ces modes de réalisation permettent de favoriser la miscibilité des réactifs dans l’eau, en particulier lorsque la température de l’eau a été abaissée car la miscibilité des gaz dans l’eau est améliorée à basse température.

Dans des modes de réalisation, l’enceinte comporte une entrée pour nutriments et/ou réactifs additionnels et/ou eau.

Dans des modes de réalisation, l’enceinte comporte une sortie d’eau en partie basse de l’enceinte.

Ces modes de réalisation permettent d’apporter au milieu à l’intérieur de l’enceinte de quoi favoriser le développement de la flore méthanogène ou de quoi éviter des effets auxiliaires de la réaction susceptibles de perturber le procédé, tel la formation de mousse par exemple.

Dans des modes de réalisation, les nutriments et/ou réactifs additionnels sont injectés dans la conduite d’injection en eau recirculée.

Ces modes de réalisation permettent de limiter le nombre d’ouvertures dans l’enceinte de manière à en favoriser l’étanchéité.

Dans des modes de réalisation, l’entrée pour dihydrogène ou pour gaz riche en dihydrogène, l’entrée pour dioxyde de carbone ou pour gaz riche en dioxyde de carbone et l’entrée primaire d’eau sont confondues.

Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte, en amont de l’entrée confondue d’eau, de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone, un moyen de dissolution du dioxyde de carbone et du dihydrogène dans l’eau.

Ces modes de réalisation permettent d’optimiser la dissolution du dioxyde de carbone et du dihydrogène dans l’eau en amont de l’enceinte.

Dans des modes de réalisation, l’eau recirculée est injectée au moins en partie dans le moyen de dissolution.

Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte un moyen de dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau d’une part et un moyen de dissolution du dihydrogène dans l’eau d’autre part, chaque moyen de dissolution étant alimenté en eau par de l’eau recirculée, le débit de recirculation d’eau vers chaque moyen de dissolution étant commandé indépendamment.

Ces modes de réalisation permettent de faire varier la stœchiométrie de réactifs de méthanation à l’intérieur de l’enceinte grâce à la recirculation d’eau.

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 réacteur objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,

- la figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,

- la figure 3 représente, schématiquement, une variante du premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et

- la figure 4 représente, schématiquement, une variante du deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.

DESCRIPTION D’EXEMPLES DE RÉALISATION DE L’INVENTION

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.

On note dès à présent que la figure n’est pas à l’échelle.

On observe, sur la figure 1, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du réacteur 100 objet de la présente invention. Ce réacteur 100 de méthanation biologique de dihydrogène ou gaz riche en hydrogène et de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone à lit fluidisé, comporte :

- une enceinte 105 présentant une extrémité 107 longitudinale dite « basse >> et une extrémité 106 longitudinale opposée dite «haute», ladite enceinte comportant, à proximité de l’extrémité basse :

- une entrée 110 primaire d’eau,

- une entrée 110 de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et

- une entrée 110 de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde carbone et à proximité de l’extrémité haute :

- une sortie 115 pour méthane de synthèse ou pour un gaz riche en méthane de synthèse et

- une sortie 120 au moins pour eau et

- un matériau 125 support pour former un lit de flore méthanogène, présentant une densité supérieure à la densité de l’eau, configuré pour recevoir une flore méthanogène.

L’enceinte 105 est, par exemple, formée d’un volume fermé et étanche comportant des ouvertures pour positionner des entrées ou sorties de réactifs, de réactifs auxiliaires, de nutriments, d’eau ou de gaz dans le volume fermé. Ce volume fermé permet la constitution d’un milieu méthanogène pour que la réaction de méthanation s’y produise.

La forme, interne et/ou externe, de l’enceinte 105 est sans importance pour la présente invention tant que l’enceinte est rendue étanche aux fuites. Préférentiellement, l’enceinte 105 présente une forme tubulaire, c’est-à-dire une forme cylindrique, pouvant être oblongue comme représenté en figure 1.

Dans des modes de réalisation, l’aire de la section transversale d’un volume 130 intérieur de l’enceinte est une fonction croissante le long de l’axe longitudinal de l’enceinte 105 allant de l’extrémité 107 basse à l’extrémité 106 haute. Ceci permet au volume 130 intérieur de présenter un évasement limitant la capacité du gaz et de l’eau injectés dans l’enceinte 105 à déplacer le matériau 125 support au-delà d’une hauteur 101.

Cette enceinte 105 présente une extrémité 107 longitudinale basse destinée à être positionnée à proximité du sol du lieu de positionnement du réacteur 100.

Cette enceinte 105 présente une extrémité 106 longitudinale haute destinée à être positionnée de manière distale du sol du lieu de positionnement du réacteur 100.

L’enceinte 105 comporte, à proximité de l’extrémité basse :

- une entrée 110 primaire d’eau,

- une entrée 110 de dihydrogène ou de gaz riche en hydrogène et

- une entrée 110 de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone.

Chaque entrée 110 est, par exemple, une buse d’injection. Toutefois, tout organe d’injection de fluide habituellement utilisé dans un réacteur de méthanation biologique ou dans un réacteur à lit fluidisé peut être utilisé pour réaliser chaque entrée 110.

Chaque entrée 110 dans l’enceinte 105 peut être distincte. Chaque entrée, 110 est, par exemple, une buse d’injection, une tuyère, un tube perforé, un réseau de tuyauterie équipé de crépines. Toutefois, tout organe d’injection de fluide habituellement utilisé dans un réacteur de méthanation biologique peut être utilisé pour réaliser chaque entrée 110.

Dans des variantes, au moins deux entrées 110 sont confondues. Lorsqu’au moins l’entrée 110 primaire pour eau et au moins une entrée parmi l’entrée 110 de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et l’entrée 110 de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone sont confondues, un moyen, 165 et/ou 170, de dissolution de chaque gaz dont l’entrée 110 est confondu à l’entrée 110 primaire pour eau est positionné en amont de ladite entrée confondue.

L’enceinte 105 comporte, à proximité de l’extrémité haute :

- une sortie 115 pour méthane de synthèse ou gaz riche en méthane de synthèse et

- au moins une sortie 120 pour eau.

Chaque sortie, 115 et 120, est, par exemple, une ouverture formée dans l’enceinte 105 reliée à une canalisation de transport.

Préférentiellement, la sortie 120 pour eau est située plus à proximité de l’extrémité 107 basse de l’enceinte 105 que la sortie 115 pour méthane de synthèse.

Dans des variantes la sortie 120 est équipée d’un dispositif de séparation pour éliminer les débris provenant du développement de microorganismes (cyclone, filtre par exemple). Ce dispositif peut être soit en amont de la sortie donc dans le réacteur, soit en aval de la sortie donc en dehors du réacteur.

Dans des variantes, le réacteur 100 comporte des tubes d’échange de chaleur immergés dans l’enceinte 105 et traversés par un fluide présentant une température compatible avec la température de fonctionnement nominale à l’intérieur de l’enceinte 105 lors du fonctionnement du réacteur 100. Le fluide peut être à une température plus élevée que l’intérieur de l’enceinte pour permettre le réchauffage ou le maintien en température du réacteur, ou bien il peut être plus froid que l’intérieur de l’enceinte pour permettre le maintien en température du réacteur en évacuant un excès de chaleur.

Du fait de l’étanchéité de l’enceinte 105 et du positionnement des entrées et des sorties respectives, le dihydrogène ou le gaz riche en dihydrogène et le dioxyde de carbone ou le gaz riche en dioxyde de carbone se déplacent verticalement dans l’enceinte 105, de l’extrémité 107 basse vers l’extrémité 106 haute, et traversent ainsi le matériau 125 support au cours de ce déplacement. Au cours de cette traversée, la flore méthanogène transforme ces réactifs en méthane, et le méthane, gazeux, se déplace également vers l’extrémité 106 haute de l’enceinte 105, formant un ciel gazeux dans la partie supérieure de l’enceinte 105. Ce ciel gazeux est évacué par la sortie 115 pour méthane de synthèse ou gaz riche en méthane de synthèse.

Le matériau 125 support est, par exemple, composé de billes formée en un matériau plus dense que l’eau. Ces billes permettent l’accumulation de la flore méthanogène, cette flore étant formée par la famille de micro-organismes Archaea par exemple.

Les billes sont réalisées, par exemple, en argile expansée, sable, alumine, polymères réticulés tel que les copolymères de divinylbenzène et de styrène ou divinylbenzène et d’acide acrylique ou de méthacrylate ou encore des polymères lestés.

Ce matériau support 125 permet le développement d’une flore méthanogène concentrée au niveau du matériau support 125, ce matériau support 125 se déplaçant dans l’enceinte 105 par la fluidisation induite par le débit de gaz et d’eau. La fluidisation est principalement induite par la formation des bulles de gaz et par leur coalescence lors de leur ascension dans la couche méthanogène.

Ainsi, comme on le comprend, le réacteur à lit fluidisé comme divulgué cidessus permet de créer une très grande surface de contact et une agitation intense entre les micro-organismes et les gaz réactifs sans nécessiter d’agitateur mécanique. Par ailleurs, cette invention permet également de s’affranchir de tout risque de colmatage du lit par le développement bactérien du fait du mouvement permanent du matériau 125 support par le phénomène de fluidisation pouvant être assimiler à un milieu réactionnel parfaitement mélangé. Ainsi il est possible de travailler à des pressions importantes sans risque de fuite de gaz et sans risque de panne d’un élément mécanique sensible que constitue un agitateur. Par ailleurs, l’utilisation d’un agitateur, pour assurer un bon contact entre les micro-organismes et les réactifs, nécessite de parfaitement maîtriser l’aéraulique du système. La présente invention permet de simplifier la conception du réacteur de méthanation biologique.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le réacteur 100 comporte au moins une surverse 135 de collecte d’eau positionnée en amont de la sortie 115 pour méthane et de la sortie 120 pour eau, orientée vers l’extrémité haute 106 de l’enceinte 105, formant collecteur pour l’eau franchissant la surverse, la sortie 120 pour eau étant positionnée dans ce collecteur.

La surverse 135 peut être une goulotte ou une rigole ou tout autre système de collecte d’eau gravitaire.

La surverse 135 est préférentiellement positionnée sur le pourtour intérieur de l’enceinte 105 de manière à longer au moins en partie l’intérieur du périmètre de la section transversale de l’enceinte 105. Cette surverse 135 permet de collecter l’excès d’eau dans l’enceinte 105.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le réacteur 100 comporte :

- au moins une pompe 140 de recirculation de l’eau traversant la sortie 120 pour eau de l’enceinte 105 et

- au moins un échangeur 145 thermique configuré pour chauffer ou refroidir l’eau sortie de l’enceinte, l’eau recirculée, en sortie de l’échangeur thermique, étant au moins partiellement réinjectée dans l’enceinte à travers une conduite 150 d’injection.

Chaque pompe est, par exemple, une pompe centrifuge, piston, à membrane, à vis, à engrenage ou péristaltique.

Chaque échangeur thermique est, par exemple, de type à faisceau tubulaire ou à plaque.

L’échangeur 145 thermique est contrôlé, par exemple, en fonction d’une valeur de température captée à l’intérieur de l’enceinte 105, au niveau du matériau 125 support par exemple ou de sa température de sortie. Dans des variantes, le réacteur 100 comporte un capteur de température (non représenté) positionné à l’intérieur de l’enceinte ou dans une conduite reliant l’échangeur 145 thermique et la sortie 120 primaire pour eau.

Lorsqu’une pluralité d’échangeurs thermiques est mise en œuvre, les échangeurs peuvent être positionnés en parallèle ou en série selon les conditions d’opération souhaitée par l’installateur du réacteur.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui illustré en figure 1, le réacteur 100 comporte une sortie 175 pour eau positionnée en amont de l’entrée 110 pour eau pour évacuer de l’eau recirculée de manière à réguler le niveau d’eau dans l’enceinte et/ou le débit d’eau entrant dans l’enceinte.

Dans des variantes l’eau injectée dans le réacteur 100 est préchauffée ou prérefroidie à une température déterminée, cette température pouvant dépendre d’une température captée par le capteur de température du réacteur 100 décrit ci-dessus.

L’eau injectée présente une température adaptée au maintien d’une température, dans l’enceinte, permettant le développement de la flore. Cette température est, par exemple, comprise entre 30 et 70°C et de préférence entre 60 à 65°C. L’eau est injectée, préférentiellement, à la température la plus basse possible, au-dessus de 0°C permettant le maintien de la température de développement de la flore compte tenu des conditions opératoires du réacteur.

L’eau ainsi recirculée est fournie à l’entrée 120 primaire pour eau à travers la conduite 150 d’injection.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le réacteur 100 comporte un moyen 155 de mesure du niveau d’eau dans l’enceinte et au moins une évacuation 160 d’eau du réacteur, l’ouverture de l’évacuation étant commandée en fonction du niveau d’eau mesuré et d’une valeur consigne.

Lorsque le niveau d’eau capté dans l’enceinte 105 est supérieur à une valeur limite déterminée de consigne, l’évacuation 160 est ouverte, ce qui permet une sortie définitive d’eau en évitant toute recirculation liée à la pompe 140.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, l’eau recirculée est injectée dans un flux comportant au moins du dihydrogène et/ou du dioxyde de carbone, en amont de l’entrée 110 pour dihydrogène et/ou de l’entrée 110 pour dioxyde de carbone dans l’enceinte.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, l’enceinte 105 comporte au moins une entrée 110 pour nutriments et/ou réactifs additionnels et/ou d’eau.

Dans une variante du premier mode de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le réacteur 300 comporte un capteur 305 de niveau d’eau dans l’enceinte 105. Le dépassement d’un niveau d’eau prédéterminé consigne provoque l’émission d’une commande d’ouverture d’une vanne 310 d’évacuation d’eau du réacteur 300.

Cette vanne 310 est reliée, par exemple, à une sortie 315 d’eau dédiée de l’enceinte 105.

Alternativement, lorsque le niveau d’eau est inférieur au niveau d’eau prédéterminé consigne, une commande est émise pour que de l’eau soit injectée dans l’enceinte 105.

L’émission de ces commandes peut être réalisé par le capteur 305, par un détecteur électronique de niveau (non représenté) associé ou par un circuit électronique de commande (non représenté) du réacteur 300 par exemple.

Les nutriments favorisent le développement de la flore méthanogène tandis que les réactifs additionnels visent à limiter certains désagréments dans le milieu réactionnel à l’intérieur de l’enceinte 105. Ces réactifs additionnels comportent, par exemple, des régulateurs de pH ou des anti-mousses.

Dans des variantes, l’entrée 165 est confondue avec au moins l’une des entrées pour eau 110, pour dihydrogène et/ou pour dioxyde de carbone.

L’injection de nutriments dans l’enceinte réactionnelle peut être réalisée à des durées prédéterminées après l’activation du réacteur 100, par exemple.

L’injection de réactifs additionnels peut être réalisée en fonction de la capture de valeurs de grandeurs physiques à l’intérieur de l’enceinte 105. Par exemple, l’injection d’un réactif régulateur de pH peut être commandée en fonction d’une valeur de pH mesuré à l’intérieur de l’enceinte 105 ou de l’eau franchissant la sortie 120 primaire pour eau.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, les nutriments et/ou réactifs additionnels sont injectés dans la conduite 150 d’injection en eau recirculée.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, l’entrée 110 pour dihydrogène, l’entrée pour dioxyde de carbone et l’entrée primaire d’eau sont confondues.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le réacteur 100 comporte, en amont de l’entrée 110 confondue d’eau, de dihydrogène et de dioxyde de carbone, un moyen, 165 ou 170, de dissolution du dioxyde de carbone et du dihydrogène dans l’eau. Les nutriments et/ou les réactifs et/ou l’eau d’appoint peuvent être injectés dans ce moyen de dissolution, 165 et/ou 170.

Chaque moyen, 165 et 170, de dissolution est, par exemple, une colonne à garnissage, à pulvérisation, à bulle ou tout autre dispositif de dissolution afin de dissoudre un gaz dans un liquide.

Chaque moyen, 165 et 170, de dissolution peut être commun à la fois à une arrivée de dioxyde de carbone et à une arrivée de dihydrogène, ces arrivées étant éventuellement confondues.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le réacteur 100 comporte un moyen, 165 et 170, de dissolution distinct pour le dioxyde de carbone d’une part et pour le dihydrogène d’autre part.

L’eau recirculée est injectée au moins en partie dans le moyen, 165 et 170, de dissolution si le réacteur 100 comporte un seul tel moyen, 165 ou 170, de dissolution. La fourniture d’eau recirculée au moyen, 165 ou 170, de dissolution dépend par exemple d’un niveau d’eau capté dans le moyen, 165 ou 170, de dissolution ou d’un débit de gaz entrant dans ledit moyen, 165 ou 170, de dissolution.

Si le réacteur 100 comporte un moyen, 165 et 170, de dissolution distinct pour chaque gaz, chaque moyen, 165 et 170, de dissolution peut être alimenté en eau recirculée issue d’une même sortie 120 primaire pour eau ou de sorties distinctes, l’eau recirculée étant distribuée entre les moyens, 165 et 170, de dissolution et éventuellement une conduite d’injection directe dans l’enceinte bipassant chaque moyen de dissolution.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, le réacteur 100 comporte au moins deux sorties 120 primaires pour eau et, pour chaque sortie 120, au moins une pompe 140 et au moins un échangeur thermique 145. L’eau recirculée par une première pompe 140 est injectée soit dans un premier moyen 165 de dissolution de dioxyde de carbone dans l’eau, soit directement dans l’enceinte 105. L’eau recirculée par une deuxième pompe 140 est injectée soit dans un deuxième moyen 170 de dissolution de dihydrogène dans l’eau, soit directement dans l’enceinte 105.

Dans ces modes de réalisation, le débit de recirculation d’eau vers chaque moyen de dissolution est commandé indépendamment. Chaque débit est commandé, par exemple, en fonction du débit de gaz entrant dans le moyen, 165 et 170, de dissolution et par une valeur de consigne de débit total pour avoir une fluidisation correcte du lit support.

On observe, sur la figure 2, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du réacteur 200 objet de la présente invention. Ce réacteur 200 de méthanation biologique de dihydrogène et de dioxyde de carbone à lit fluidisé, comporte :

- une entrée 110 primaire d’eau,

- une entrée 110 de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et

- une entrée 110 de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone et à proximité de l’extrémité haute :

- une sortie 120 pour eau et

On observe sur la figure 2, en particulier, un réacteur 200 identique au réacteur 100 tel que décrit en regard de la figure 1 qui comporte, de plus, au moins un bipasse d’au moins un élément parmi : un échangeur thermique 145 et/ou un moyen, 165 ou 170, de dissolution.

Dans une variante du deuxième mode de réalisation, tel que celui représenté en figure 4, le réacteur 400 comporte un capteur 405 de niveau d’eau dans l’enceinte

105. Le dépassement d’un niveau d’eau prédéterminé consigne provoque l’émission d’une commande d’ouverture d’une vanne 410 d’évacuation d’eau du réacteur 400.

Cette vanne 410 est reliée, par exemple, à une sortie 415 d’eau dédiée de l’enceinte 105.

L’émission de ces commandes peut être réalisé par le capteur 405, par un détecteur électronique de niveau (non représenté) associé ou par un circuit 10 électronique de commande (non représenté) du réacteur 400 par exemple.

Claims

REVENDICATIONS

1. Réacteur (100, 200, 300, 400) de méthanation biologique de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone à lit fluidisé, caractérisé en ce qu’il comporte :

- une enceinte (105) présentant une extrémité (107) longitudinale dite « basse >> et une extrémité (106) longitudinale opposée dite « haute >>, ladite enceinte comportant, à proximité de l’extrémité basse :

- une entrée (110) primaire d’eau,

- une entrée (110) de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et

- une entrée (110) de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone et à proximité de l’extrémité haute :

- une sortie (115) pour méthane de synthèse ou pour un gaz riche en méthane de synthèse et

- une sortie (120) au moins pour eau et

- un matériau (125) support pour former un lit de flore méthanogène, présentant une densité supérieure à la densité de l’eau, configuré pour recevoir une flore méthanogène.
2. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 1, dans lequel l’aire de la section transversale d’un volume (130) intérieur de l’enceinte est une fonction croissante le long de l’axe longitudinal de l’enceinte (105) allant de l’extrémité (107) basse à l’extrémité (106) haute.
3. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte au moins une surverse (135) de collecte d’eau positionnée en amont de la sortie (115) pour méthane ou gaz riche en méthane et de la sortie (120) pour eau, orientée vers l’extrémité haute (106) de l’enceinte (105), formant collecteur pour l’eau franchissant la surverse, la sortie (120) pour eau étant positionnée dans ce collecteur.
4. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte :

- au moins une pompe (140) de recirculation de l’eau traversant la sortie (120) pour eau de l’enceinte (105) et

- au moins un échangeur (145) thermique configuré pour chauffer ou refroidir l’eau sortie de l’enceinte, l’eau recirculée, en sortie de l’échangeur thermique, étant au moins partiellement réinjectée dans l’enceinte à travers une conduite (150) d’injection.
5. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 4, qui comporte un moyen (155) de mesure du niveau d’eau dans l’enceinte et une évacuation (160) d’eau du réacteur, l’ouverture de l’évacuation étant commandée en fonction du niveau d’eau mesuré.
6. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 5, dans lequel l’eau recirculée est injectée dans un flux comportant au moins du dihydrogène et/ou du dioxyde de carbone, en amont de l’entrée (110) pour dihydrogène et/ou de l’entrée (110) pour dioxyde de carbone dans l’enceinte.
7. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’enceinte (105) comporte une entrée (110) pour nutriments et/ou réactifs additionnels et/ou eau.
8. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 7 et l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel les nutriments et/ou réactifs additionnels sont injectés dans la conduite (150) d’injection en eau recirculée.
9. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’entrée (110) pour dihydrogène ou pour gaz riche en dihydrogène, l’entrée pour dioxyde de carbone ou pour gaz riche en dioxyde de carbone et l’entrée primaire d’eau sont confondues.
10. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 9, qui comporte, en amont de l’entrée (110) confondue d’eau, de dihydrogène ou de gaz riche en dihydrogène et de dioxyde de carbone ou de gaz riche en dioxyde de carbone, un moyen (165) de dissolution du dioxyde de carbone et du dihydrogène dans l’eau.
11. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 10 et la revendication 4, 5 dans lequel l’eau recirculée est injectée au moins en partie dans le moyen (165) de dissolution.
12. Réacteur (100, 200, 300, 400) selon la revendication 11, qui comporte un moyen (165) de dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau d’une part et un moyen (170) îo de dissolution du dihydrogène dans l’eau d’autre part, chaque moyen de dissolution étant alimenté en eau par de l’eau recirculée, le débit de recirculation d’eau vers chaque moyen de dissolution étant commandé indépendamment.