FR3109158A3 - Digesteur à deux compartiments permettant la production de biogaz enrichi en méthane et d’air enrichi en CO2 - Google Patents
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Abstract
Installation de production de biogaz comprenant un digesteur alimenté par de la biomasse, ledit digesteur comprenant : Un premier compartiment permettant la digestion anaérobie de la biomasse, Un second compartiment permettant la désorption du CO2 compris dans la biomasse, deux passages permettant de faire circuler la biomasse entre les deux compartiments, et un moyen permettant d’injecter de l’air dans le second compartiment.
Description
La présente invention est relative à une installation et un procédé pour la production de biogaz enrichi en méthane.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l’absence d’oxygène (digestion 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, et dont les conditions sont contrôlées, appelé méthaniseur ou digesteur, puis dans un post-digesteur, similaire au digesteur et permettant de pousser plus loin la réaction de méthanisation.
On appellera biomasse tout groupement de matières organiques pouvant se transformer en énergie à travers ce processus de méthanisation, par exemple les boues de station d'épuration, fumiers/lisiers, résidus agricoles, déchets alimentaires.
Le digesteur, c’est-à-dire le réacteur dédié à la méthanisation de la biomasse, est une cuve fermée, chauffée ou non (opération à une température fixée, entre la température ambiante et 55°C) et dont le contenu constitué de la biomasse est brassé, en continu ou séquentiel. Les conditions dans le digesteur sont anaérobies et le biogaz généré se retrouve dans l'espace de tête du digesteur (ciel gazeux), où il est prélevé. Les post-digesteurs sont similaires aux digesteurs.
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 et du substrat mais peut également contenir, en moindres proportions de l’eau, de l’azote, de l’hydrogène sulfuré (H2S), de l’oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l’état de traces, dont le H2S, entre 10 et 50,000 ppmv.
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 (bioGNL).
Selon la composition de la biomasse, le biogaz produit lors de la digestion contient du sulfure d’hydrogène (H2S) dans des teneurs comprises entre 10 et 50 000 ppm.
Le biométhane issu de la fermentation de biomasse dans des digesteurs a un prix élevé. Ce surcoût est du aux coûts de production et notamment aux coûts liés à l’épuration du biogas sortie du digesteur jusqu’à obtention du biométhane. Le biogaz contient un taux important de CO2 et une unité de séparation efficace est nécessaire. Les procédés de séparation couramment utilisées sont l’absorption, l’adsorption et la perméation. Pour que le biométhane devienne compétitif, une réduction des coûts d’épuration est nécessaire.
Une solution déjà proposée décrit un procédé d’enrichissement du biogaz en méthane grâce à un réacteur indépendant du digesteur et désorbant le CO2 par passage d’air gazeux au travers de la biomasse. L’air se charge alors de CO2 qui est alors séparé du méthane.
La mise en contact de l’air avec la biomasse permet la désorption du CO2. Plus la mise en contact est efficace, plus le CO2 est désorbé et donc plus le biogaz est enrichi en méthane.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une installation permettant d’améliorer la mise en contact de l’air avec la biomasse.
Une solution de la présente invention est une installation de production de biogaz comprenant un digesteur alimenté par de la biomasse, ledit digesteur comprenant :
- Un premier compartiment permettant la digestion anaérobie de la biomasse,
- Un second compartiment permettant la désorption du CO2 compris dans la biomasse
- deux passages permettant de faire circuler la biomasse entre les deux compartiments, et
- un moyen permettant d’injecter de l’air dans le second compartiment.
Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- Ladite installation comprend un agitateur permettant d’agiter la biomasse dans le premier compartiment et un moyen permettant de chauffer ladite biomasse dans le premier compartiment à une température comprise entre 30°C et 70°C.
- Ladite installation comprend des buses d’injection d’air placées en dessous du second compartiment.
- le premier compartiment est une enceinte cylindrique entourée d’une autre enceinte cylindrique constituant le second compartiment.
- Ladite installation comprend une pompe permettant de faire circuler la biomasse par les passages situés entre les deux compartiments.
- Ladite installation comprend un moyen d’extraction d’air enrichi en CO2 et un moyen d’extraction de biogaz enrichi en méthane.
La présente invention a également pour objet un procédé de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- Introduction de biomasse dans le premier compartiment du digesteur ;
- Circulation d’au moins une partie P de la biomasse du premier compartiment au second compartiment du digesteur,
- Introduction de l’air dans le second compartiment,
- Désorption du CO2 compris dans la partie P de la biomasse située dans le second compartiment,
- Récupération d’air enrichi en CO2 et de la partie P de la biomasse appauvri en CO2,
- Circulation de la partie P de la biomasse appauvri en CO2 du second compartiment au premier compartiment,
- Digestion anaérobie de la biomasse dans le premier compartiment, et
- Récupération de biogaz enrichi en méthane.
De préférence, à l’étape c) l’air introduit dans le second compartiment est de l’air enrichi en oxygène, de préférence de l’air contenant au moins 22% d’oxygène. Ceci permet de limiter le transfert d’azote de l’air vers la biomasse en limitant sa concentration dans l’air.
L’invention propose donc d’intégrer le réacteur de désorption (second compartiment) dans le digesteur et donc d’avoir un digesteur innovant. Le digesteur permet donc de produire un flux gazeux enrichi en méthane, contenant au moins 60% de méthane et un flux gazeux enrichi en CO2.
Le principal avantage de ce nouveau digesteur est de produire deux flux gazeux qui pourront facilement être purifiés. Le coût de l’unité d’épuration sera donc limité.
L’investissement est également limité, car le nombre d’équipements à acheter est inférieur. L’invention permet également de limiter l’empreinte au sol.
Le prix du biométhane est donc optimisé.
Claims (8)
- Installation de production de biogaz comprenant un digesteur alimenté par de la biomasse, ledit digesteur comprenant :
- Un premier compartiment permettant la digestion anaérobie de la biomasse,
- Un second compartiment permettant la désorption du CO2 compris dans la biomasse
- deux passages permettant de faire circuler la biomasse entre les deux compartiments, et
- un moyen permettant d’injecter de l’air dans le second compartiment.
- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend un agitateur permettant d’agiter la biomasse dans le premier compartiment et un moyen permettant de chauffer ladite biomasse dans le premier compartiment à une température comprise entre 30°C et 70°C.
- Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comprend des buses d’injection d’air placées en dessous du second compartiment.
- Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le premier compartiment est une enceinte cylindrique entourée d’une autre enceinte cylindrique constituant le second compartiment.
- Installation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend une pompe permettant de faire circuler la biomasse par les passages situés entre les deux compartiments.
- Installation selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu’elle comprend un moyen d’extraction d’air enrichi en CO2 et un moyen d’extraction de biogaz enrichi en méthane.
- Procédé de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’une des revendications 1 à 6, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- Introduction de biomasse dans le premier compartiment du digesteur ;
- Circulation d’au moins une partie P de la biomasse du premier compartiment au second compartiment du digesteur,
- Introduction de l’air dans le second compartiment,
- Désorption du CO2 compris dans la partie P de la biomasse située dans le second compartiment,
- Récupération d’air enrichi en CO2 et de la partie P de la biomasse appauvri en CO2,
- Circulation de la partie P de la biomasse appauvri en CO2 du second compartiment au premier compartiment,
- Digestion anaérobie de la biomasse dans le premier compartiment, et
- Récupération de biogaz enrichi en méthane.
- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’à l’étape c) l’air introduit dans le second compartiment est de l’air enrichi en oxygène, de préférence de l’air contenant au moins 22% d’oxygène.
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