FR3070873A1 - Procede de production de biomethane mettant en œuvre un systeme d'absorption et une pompe a chaleur - Google Patents

Procede de production de biomethane mettant en œuvre un systeme d'absorption et une pompe a chaleur Download PDF

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Abstract

Procédé de production de biométhane (1) à partir de biogaz (2) mettant en œuvre un système d'absorption, et un système de pompe à chaleur comprenant les étapes successives suivantes : a) refroidissement de la solution absorbante (5) à une température inférieure à 45°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique qui se vaporise, b) introduction dans l'absorbeur (3) du biogaz à une température comprise entre 0°C et 50°C et une pression comprise entre 0 et 15 bar abs et de la solution absorbante (5) refroidie à l'étape a), c) récupération en tête de l'absorbeur de biométhane (1) et au fond de l'absorbeur (3) d'une solution absorbante (5) enrichie au moins en CO2 d) compression du fluide frigorigène (6) à la pression haute de son cycle thermodynamique, e) réchauffement de la solution absorbante (5) enrichie en CO2 récupérée à l'étape c) à une température supérieure à 50°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) issu de l'étape d) qui se condense, f) désorption de la solution absorbante (5) enrichie en CO2 dans le désorbeur(4), g) récupération au fond du désorbeur (4) de la solution absorbante régénérée (7) de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a), h) détente du fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a).

Description

La présente invention est relative à un procédé de production de biométhane à partir de biogaz mettant en œuvre un système d'absorption de lavages aux amines et un système de pompe à chaleur.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l'absence d'oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s'agir d'une dégradation naturelle - on l'observe ainsi dans les marais ou les décharges d'ordures ménagères - mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, appelé méthaniseur ou digesteur.
De par ses constituants principaux - méthane et dioxyde de carbone - le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d'énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables en fonction du mode d'obtention mais également, en moindres proportions 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 CO2, 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.
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.
Plusieurs étapes doivent être franchies entre la collecte du biogaz et l'obtention du biométhane, produit final apte à être comprimé ou liquéfié.
En particulier, plusieurs étapes sont nécessaires avant le traitement qui vise à séparer le dioxyde de carbone pour produire un courant de méthane purifié. Une première étape consiste à comprimer le biogaz qui a été produit et acheminé à pression atmosphérique, cette compression peut être obtenue - de façon classique - via un compresseur à vis lubrifiée. Les étapes suivantes visent à débarrasser le biogaz des composants corrosifs que sont le sulfure d'hydrogène et les composés organiques volatils (COV), les technologies utilisées sont de façon classique l'adsorption à pression modulée (PSA) et le piégeage sur charbon actif. Vient ensuite l'étape qui consiste à séparer le dioxyde de carbone pour disposer in fine de méthane à la pureté requise pour son usage ultérieur.
Cependant, jusqu'à présent il n'existe pas de procédé permettant de produire du biométhane avec un haut rendement (>99.5%), une haute pureté (CO2 < 0.5%) et une consommation d'énergie réduite.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un procédé amélioré de production de biométhane.
Une solution de la présente invention est un procédé de production de biométhane 1 à partir de biogaz 2 mettant en œuvre un système d'absorption, disposant notamment d'un absorbeur 3, d'un désorbeur 4, et d'une solution absorbante 5 et un système de pompe à chaleur disposant notamment d'un fluide frigorigène 6 suivant un cycle thermodynamique, comprenant les étapes successives suivantes :
a) refroidissement de la solution absorbante 5 à une température inférieure à 45°C par mise en contact avec le fluide frigorigène 6 à la pression basse de son cycle thermodynamique qui se vaporise,
b) introduction dans l'absorbeur 3 du biogaz à une température comprise entre 0°C et 50°C et une pression comprise entre 0 et 15 bar abs et de la solution absorbante 5 refroidie à l'étape a),
c) récupération en tête de l'absorbeur de biométhane 1 et au fond de l'absorbeur 3 d'une solution absorbante 5 enrichie au moins en CO2
d) compression du fluide frigorigène 6 à la pression haute de son cycle thermodynamique,
e) réchauffement de la solution absorbante 5 enrichie en CO2 récupérée à l'étape c) à une température supérieure à 50°C par mise en contact avec le fluide frigorigène 6 issu de l'étape
d) qui se condense,
f) désorption de la solution absorbante 5 enrichie en CO2 dans le désorbeur 4,
g) récupération au fond du désorbeur 4 de la solution absorbante régénérée 7 de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a),
h) détente du fluide frigorigène 6 à la pression basse de son cycle thermodynamique de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a).
Le procédé selon l'invention est un procédé d'absorption (utilisant une amine ou un mélange d'amines ou polymères aminés pouvant inclure de copolymères thermosensibles) couplé à une pompe à chaleur. Cela permet de lier thermiquement le désorbeur et l'adsorbeur. En effet, le cycle thermodynamique suivi par le fluide frigorigène permet de transférer la chaleur de l'absorbeur vers le désorbeur, et ainsi de diminuer fortement la consommation énergétique du procédé. Pendant le cycle thermodynamique le fluide frigorigène subit 4 transformations :
- évaporation,
- compression,
- condensation,
- détente .
Pour enlever le CO2 du biogaz, celui-ci doit être au contact avec une solution absorbante de type amine. Une solution d'amine est une solution alcaline qui attire et absorbe le CO2. Il y a une réaction chimique entre la solution absorbante (base faible) et le CO2 (acide faible). Cette réaction chimique doit se faire à basse température. Pour cette raison la solution absorbante est refroidie par le fluide frigorigène. Lors de sa mise en contact avec le fluide frigorigène, le fluide frigorigène capte les calories de la solution absorbante ; la solution absorbante est ainsi refroidie. Cette réaction prend place dans l'absorbeur. Le gaz sortant en tête de colonne contient moins de 0.5% de CO2. Mais ces concentrations dépendent surtout du type de solution absorbante utilisée. L'absorbant qui sort en fond de colonne a absorbé du CO2. L'absorbant enrichie en CO2 doit être régénérée pour pouvoir de nouveau être utilisée.
La régénération consiste à désorber le CO2 adsorbé. L'opération se fait dans une colonne appelée « désorbeur ». La désorption nécessite un apport de chaleur. Cet apport de chaleur est apporté par le passage de l'état gazeux à l'état liquide du fluide frigorigène. Pendant la phase désorption, une partie de l'eau de la solution aqueuse absorbante peut s'évaporer dans le flux de CO2. Un appoint d'eau est donc nécessaire pour compenser cette perte.
En fonction de la solution absorbante utilisée, l'apport de chaleur peut se faire soit en amont 10 du désorbeur (schéma 1) ou dans la cuve 11 du desorbeur (rebouilleur, schéma 2).
Selon le cas le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- à l'étape g) en tête du désorbeur on récupère un flux de CO2 8;
- à l'étape c) au fond de l'adsorbeur on récupère une solution absorbante enrichie en CO2 et H2S 12;
- à l'étape e) lors du réchauffement de la solution absorbante une partie de l'eau contenue dans la solution absorbante s'évapore et on compense cette perte en eau par un appoint d'eau ;
- l'étape e) de réchauffement de la solution absorbante est réalisée en amont 10 du désorbeur ou dans le désorbeur 11 ;
- le biogaz comprend de l'hydrogène sulfuré et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape d'élimination de l'hydrogène sulfuré compris dans le biogaz.
- le fluide frigorigène est de l'isobutane
- à l'étape h) la détente du fluide frigorigène est réalisée au moyen d'une vanne 9 ;
- la solution absorbante est à base d'amine, d'un mélange d'amines, de polymères aminés
- la solution d'amines est choisie parmi l'éthanolamine (MEA), le N-méthyl-diethanolamine, (MDEA), le méthyl-diethanolamine activé (aMDEA), la diethanolamine (DEA), la piperazine (Pz).

Claims (9)

  1. Revendications
    1. Procédé de production de biométhane (1) à partir de biogaz (2) mettant en œuvre un système d'absorption, disposant notamment d'un absorbeur (3), d'un désorbeur (4), et d'une solution absorbante (5) et un système de pompe à chaleur disposant notamment d'un fluide frigorigène (6) suivant un cycle thermodynamique, comprenant les étapes successives suivantes :
    a) refroidissement de la solution absorbante (5) à une température inférieure à 45°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique qui se vaporise,
    b) introduction dans l'absorbeur (3) du biogaz à une température comprise entre 0°C et 50°C et une pression comprise entre 0 et 15 bar abs et de la solution absorbante (5) refroidie à l'étape a),
    c) récupération en tête de l'absorbeur de biométhane (1) et au fond de l'absorbeur (3) d'une solution absorbante (5) enrichie au moins en CO2
    d) compression du fluide frigorigène (6) à la pression haute de son cycle thermodynamique,
    e) réchauffement de la solution absorbante (5) enrichie en CO2 récupérée à l'étape c) à une température supérieure à 50°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) issu de l'étape
    d) qui se condense,
    f) désorption de la solution absorbante (5) enrichie en CO2 dans le désorbeur(4),
    g) récupération au fond du désorbeur (4) de la solution absorbante régénérée (7) de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a),
    h) détente du fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape g) en tête du désorbeur on récupère un flux de CO2 (8).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape c) au fond de l'adsorbeur on récupère une solution absorbante enrichie en CO2 et H2S (12).
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape e) lors du réchauffement de la solution absorbante une partie de l'eau contenue dans la solution absorbante s'évapore et on compense cette perte en eau par un appoint d'eau.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape e) de réchauffement de la solution absorbante est réalisée en amont (10) du désorbeur ou dans le désorbeur (11).
  6. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le biogaz comprend de l'hydrogène sulfuré et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape d'élimination de l'hydrogène sulfuré compris dans le biogaz.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est de l'isobutane.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'à l'étape h) la détente du fluide frigorigène est réalisée au moyen d'une vanne (9).
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la solution d'amines est choisie parmi l'éthanolamine (MEA), le N-méthyl-diethanolamine, (MDEA), le méthyldiethanolamine activé (aMDEA), la diethanolamine (DEA), la piperazine (Pz).
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