FR3114516A1 - Biogas treatment process – associated facility - Google Patents
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- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
- F25J2230/30—Compression of the feed stream
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
- F25J2260/80—Integration in an installation using carbon dioxide, e.g. for EOR, sequestration, refrigeration etc.
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25J2270/00—Refrigeration techniques used
- F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2280/00—Control of the process or apparatus
- F25J2280/10—Control for or during start-up and cooling down of the installation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Abstract
La présente invention concerne un procédé de traitement de biogaz selon lequel on fait passer ledit biogaz à l’état gazeux à travers un premier étage membranaire comprenant au moins une première membrane séparative, la perméabilité au méthane de ladite première membrane séparative étant supérieure à sa perméabilité au dioxyde de carbone, les conditions de température et de pression dudit biogaz permettant le passage du méthane en aval de ladite membrane. De manière caractéristique, selon l’invention, on récupère le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone qui s’accumule en amont de ladite membrane, on distille ledit mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone dans des conditions de température et de pression permettant d’obtenir du dioxyde de carbone liquide et l’on récupère le dioxyde carbone liquide. La présente invention concerne une installation associée. FIG. 1The present invention relates to a method for treating biogas according to which said biogas is passed in the gaseous state through a first membrane stage comprising at least a first separating membrane, the permeability to methane of said first separating membrane being greater than its permeability carbon dioxide, the temperature and pressure conditions of said biogas allowing the passage of methane downstream of said membrane. Characteristically, according to the invention, the gaseous mixture enriched in carbon dioxide which accumulates upstream of said membrane is recovered, said gaseous mixture enriched in carbon dioxide is distilled under temperature and pressure conditions making it possible to obtaining liquid carbon dioxide and recovering the liquid carbon dioxide. The present invention relates to an associated installation. FIG. 1
Description
Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention
La présente invention concerne un procédé de traitement de biogaz provenant par exemple, d’un digesteur anaérobie et une installation permettant la mise en œuvre de ce procédé.The present invention relates to a method for treating biogas originating, for example, from an anaerobic digester and an installation allowing the implementation of this method.
Etat de la techniqueState of the art
Le document GB 2 247 518 décrit un procédé de démarrage d’une colonne de distillation par le froid d’un mélange de gaz contenant du méthane et des gaz acides dont le dioxyde de carbone.Document GB 2 247 518 describes a method for starting a cold distillation column of a mixture of gases containing methane and acid gases including carbon dioxide.
La publication intitulée « processing of carbon dixide rich gas » de A. J. Finn et al et publiée dans la revue Engineering tomorrow … today suite à la conférence du 14 septembre 2014 passe en revue les procédés de séparation des gaz naturels riches en dioxyde de carbone. Cette publication indique que le fractionnement cryogénique permet de produire du dioxyde de carbone pur sous la forme d’un liquide sous pression de manière économiquement rentable.The publication entitled “processing of carbon dixide rich gas” by A. J. Finn et al and published in the journal Engineering tomorrow … today following the conference of September 14, 2014 reviews the processes for the separation of natural gases rich in carbon dioxide. This publication indicates that cryogenic fractionation makes it possible to produce pure carbon dioxide in the form of a pressurized liquid in an economically profitable way.
Le document US 2013/0298598 A1 décrit un procédé de condensation d’un gaz riche en dioxyde de carbone à l’aide d’un second fluide pouvant être de l’ammoniaque. Selon ce procédé, le second fluide est en équilibre liquide/vapeur, on échange ensuite de la chaleur entre la phase liquide du second fluide et le gaz riche en dioxyde de carbone de manière à vaporiser le second fluide et à le mélanger avec la fraction gazeuse en dehors du séparateur de phase.Document US 2013/0298598 A1 describes a method of condensing a gas rich in carbon dioxide using a second fluid which may be ammonia. According to this method, the second fluid is in liquid/vapor equilibrium, heat is then exchanged between the liquid phase of the second fluid and the gas rich in carbon dioxide so as to vaporize the second fluid and to mix it with the gaseous fraction outside the phase separator.
Le document WO2019/238488 A1 décrit un procédé de séparation du dioxyde de carbone gazeux ou d’un mélange de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone à partir d’un mélange gazeux choisi parmi l’air et le biogaz. Ce procédé utilise un matériau adsorbant et permet de récupérer la chaleur latente du dioxyde de carbone séparé.Document WO2019/238488 A1 describes a method for separating gaseous carbon dioxide or a mixture of water vapor and carbon dioxide from a gaseous mixture chosen from air and biogas. This process uses an adsorbent material and recovers the latent heat from the separated carbon dioxide.
Le document FR 17 62860 A1 décrit un procédé de de distillation fractionnée qui permet de fournir du méthane sans risque lié à l’oxygène à une concentration en méthane supérieure à 95%, une concentration en dioxyde de carbone inférieure à 2,5% et un rendement en méthane supérieur à 85%. Ce document indique que le dioxyde de carbone est tout d’abord séparé du biogaz par passage sur une ou plusieurs membranes. Le gaz contient alors entre 0,5% mol et 1,5% mol de dioxyde de carbone. Sans surdimensionnement du compresseur qui permet de faire passer le mélange à travers la membrane, la teneur en dioxyde de carbone ne peut être réduite en deçà des valeurs indiquées. Le gaz obtenu après passage sur les membranes est ensuite refroidi de manière à solidifier le dioxyde de carbone qu’il contient. Lorsque la teneur en dioxyde de carbone est très faible, par exemple 50ppmv, le dioxyde de carbone ne se solidifie pas et reste soluble dans le méthane. On utilise alors un matériau adsorbant pour extraire le dioxyde de carbone restant. Le dioxyde de carbone est ensuite désorbé à l’aide d’un courant d’azote ou du méthane produit. Dans le cas du biogaz, ce dernier contient de l’oxygène qui n’est que partiellement séparé sur les membranes et dont la concentration augmente ou reste constante. L’oxygène a tendance à s’accumuler dans une zone de la colonne à distiller engendrant des risques d’explosion. Le document précité propose de remplacer l’étape d’adsorption du dioxyde de carbone par l’introduction du gaz obtenu après passage membranaire au niveau du plateau n-4, le plateau n étant le dernier plateau de la colonne, lorsque la concentration en oxygène du mélange est supérieur à 0,1% mol.Document FR 17 62860 A1 describes a fractional distillation process which makes it possible to supply methane without risk linked to oxygen at a methane concentration greater than 95%, a carbon dioxide concentration less than 2.5% and a methane yield greater than 85%. This document indicates that the carbon dioxide is first separated from the biogas by passage over one or more membranes. The gas then contains between 0.5% mol and 1.5% mol of carbon dioxide. Without oversizing the compressor that allows the mixture to pass through the membrane, the carbon dioxide content cannot be reduced below the values indicated. The gas obtained after passing over the membranes is then cooled so as to solidify the carbon dioxide it contains. When the carbon dioxide content is very low, for example 50ppmv, the carbon dioxide does not solidify and remains soluble in methane. An adsorbent material is then used to extract the remaining carbon dioxide. The carbon dioxide is then desorbed using a stream of nitrogen or the methane produced. In the case of biogas, the latter contains oxygen which is only partially separated on the membranes and whose concentration increases or remains constant. Oxygen tends to accumulate in an area of the distillation column creating risks of explosion. The aforementioned document proposes to replace the step of adsorption of carbon dioxide by the introduction of the gas obtained after passing through the membrane at the level of plate n-4, plate n being the last plate of the column, when the oxygen concentration of the mixture is greater than 0.1% mol.
Le document US 4 681 612 B décrit un procédé de traitement du biogaz généré par les décharges de déchets solides. Dans ce procédé, on procède à une séparation cryogénique de manière à séparer le dioxyde de carbone et les impuretés du méthane. Le méthane récupéré en tête de colonne à l’état gazeux est ensuite passé sur des membranes pour extraire le dioxyde de carbone résiduel.US 4,681,612 B describes a process for treating biogas generated by solid waste landfills. In this process, a cryogenic separation is carried out in order to separate the carbon dioxide and the impurities from the methane. The methane recovered at the top of the column in the gaseous state is then passed over membranes to extract the residual carbon dioxide.
Le document US 4 936 887 B décrit un procédé similaire au document précédent mais appliqué à du gaz naturel lequel contient du méthane, de l’éthane et d’autres hydrocarbures de plus haut poids moléculaire.Document US 4,936,887 B describes a process similar to the preceding document but applied to natural gas which contains methane, ethane and other higher molecular weight hydrocarbons.
Le document US 2010/0077796 A1 décrit un procédé hybride combinant membranes et distillation cryogénique appliqué à une mélange gazeux contenant majoritairement du méthane et de l’azote en tant qu’espèce minoritaire.Document US 2010/0077796 A1 describes a hybrid process combining membranes and cryogenic distillation applied to a gas mixture containing mainly methane and nitrogen as a minority species.
Le document WO 2008/092603 A1 décrit un procédé de traitement du biogaz dans lequel le biogaz est lavé à l’aide d’une solution contenant une amine pour éliminer le dioxyde de carbone et les composés sulfurés contenus dans le biogaz. Le mélange enrichi en méthane obtenu est ensuite liquéfié et séparé du dioxyde de carbone restant, de l’oxygène et/ou de l’azote.Document WO 2008/092603 A1 describes a process for treating biogas in which the biogas is scrubbed using a solution containing an amine to remove carbon dioxide and sulfur compounds contained in the biogas. The resulting methane-enriched mixture is then liquefied and separated from the remaining carbon dioxide, oxygen and/or nitrogen.
Le document US 4 639 257 B décrit deux procédés de récupération du dioxyde de carbone à partir soit d’un effluent riche en dioxyde de carbone, soit d’un effluent pauvre en dioxyde de carbone. Un effluent pauvre en dioxyde de carbone contient au plus la concentration en dioxyde de carbone à l’équilibre à la température de congélation de l’effluent, laquelle dépend de sa composition, notamment. Dans l’exemple illustratif de ce document, l’effluent contient 12% en mole de dioxyde de carbone. L’effluent gazeux riche en dioxyde de carbone est la fraction légère du gaz naturel ; il peut contenir au moins 40% en volume de dioxyde de carbone. L’exemple illustratif donné est un mélange gazeux contenant majoritairement du dioxyde de carbone, du méthane et de l’éthane. Selon ce procédé, on comprime le mélange gazeux à traiter et préalablement purifié de tout constituant susceptible de se solidifier au cours du procédé ; le gaz est ensuite distillé à froid de manière à recueillir le dioxyde de carbone à l’état liquide en bas de la colonne de distillation. La vapeur en tête de colonne est chauffée afin d’être comprimée et passée à travers une membrane sélective qui permet de récupérer le dioxyde de carbone contenu dans la vapeur. Ce dioxyde de carbone récupéré de la phase gaz est ensuite réinjecté dans le mélange gazeux à distiller.Document US 4,639,257 B describes two methods for recovering carbon dioxide from either an effluent rich in carbon dioxide or an effluent poor in carbon dioxide. An effluent low in carbon dioxide contains at most the concentration of carbon dioxide at equilibrium at the freezing temperature of the effluent, which depends on its composition, in particular. In the illustrative example of this document, the effluent contains 12% by mole of carbon dioxide. The carbon dioxide-rich off-gas is the light fraction of natural gas; it may contain at least 40% by volume of carbon dioxide. The illustrative example given is a gas mixture containing mainly carbon dioxide, methane and ethane. According to this process, the gaseous mixture to be treated and previously purified of any constituent likely to solidify during the process is compressed; the gas is then cold distilled so as to collect the carbon dioxide in the liquid state at the bottom of the distillation column. The vapor at the head of the column is heated in order to be compressed and passed through a selective membrane which makes it possible to recover the carbon dioxide contained in the vapor. This carbon dioxide recovered from the gas phase is then reinjected into the gas mixture to be distilled.
Problème technique à résoudreTechnical problem to solve
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de traitement du biogaz qui permet la récupération du méthane qu’il contient et permet d’éviter le rejet du dioxyde de carbone qu’il contient dans l’environnement.An object of the present invention is to provide a biogas treatment process which allows the recovery of the methane it contains and avoids the release of the carbon dioxide it contains into the environment.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de traitement du biogaz qui permet des économies d’énergies en termes de pression, température et échanges thermiques.Another object of the present invention is to provide a biogas treatment process which allows energy savings in terms of pressure, temperature and heat exchange.
Brève description de l’inventionBrief description of the invention
La présente invention concerne un procédé de traitement de biogaz selon lequel on fait passer ledit biogaz à l’état gazeux à travers un premier étage membranaire comprenant au moins une première membrane séparative, la perméabilité au méthane de ladite première membrane séparative étant supérieure à sa perméabilité au dioxyde de carbone, les conditions de température et de pression dudit biogaz permettant le passage du méthane en aval de ladite membrane. Selon l’invention, de manière caractéristique, on récupère le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone qui s’accumule en amont de ladite membrane, on distille ledit mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone dans des conditions de température et de pression permettant d’obtenir du dioxyde de carbone liquide et l’on récupère le dioxyde carbone liquide. Le dioxyde de carbone est ensuite avantageusement stocké ou l’injecté dans un réseau de gaz.The present invention relates to a process for treating biogas according to which said biogas is passed in the gaseous state through a first membrane stage comprising at least a first separating membrane, the permeability to methane of said first separating membrane being greater than its permeability carbon dioxide, the temperature and pressure conditions of said biogas allowing the passage of methane downstream of said membrane. According to the invention, typically, the gaseous mixture enriched in carbon dioxide which accumulates upstream of said membrane is recovered, said gaseous mixture enriched in carbon dioxide is distilled under temperature and pressure conditions making it possible to obtaining liquid carbon dioxide and recovering the liquid carbon dioxide. The carbon dioxide is then advantageously stored or injected into a gas network.
La distillation du mélange enrichi en dioxyde de carbone permet de liquéfier le dioxyde de carbone et d’évacuer le méthane qu’il contient sous forme de gaz. Le méthane ainsi séparé est ainsi également valorisé soit en utilisation directe, par exemple, dans une chaudière ou une turbine, soit par mélange avec le mélange gazeux enrichi en méthane qui est récupéré en aval de la membrane, soit par réinjection dans le digesteur qui produit le biogaz.The distillation of the mixture enriched in carbon dioxide makes it possible to liquefy the carbon dioxide and to evacuate the methane which it contains in the form of gas. The methane thus separated is thus also recovered either for direct use, for example, in a boiler or a turbine, or by mixing with the gaseous mixture enriched in methane which is recovered downstream of the membrane, or by reinjection into the digester which produces biogas.
La distillation est mise en œuvre dans des conditions ne générant pas la formation de dioxyde de carbone solide.The distillation is carried out under conditions which do not generate the formation of solid carbon dioxide.
La ou les membranes du premier étage membranaire et du second étage lorsqu’il y a un second étage et les batteries de membranes séparatives sont avantageusement perméables à l’oxygène. Leur perméabilité à l’oxygène est telle que le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone contient moins de 0,1% en moles d’oxygène. Le biogaz est avantageusement conditionné avant passage sur les membranes. On retire en particuliers les composés organiques volatils, le sulfure d’hydrogène et l’eau que contient le biogaz en sortie de digesteur.The membrane or membranes of the first membrane stage and of the second stage when there is a second stage and the batteries of separating membranes are advantageously permeable to oxygen. Their permeability to oxygen is such that the gas mixture enriched in carbon dioxide contains less than 0.1% by mole of oxygen. The biogas is advantageously conditioned before passing over the membranes. In particular, volatile organic compounds, hydrogen sulphide and water contained in the biogas at the digester outlet are removed.
Il est bien évident que dans le procédé de l’invention, le mélange enrichi en méthane qui est collecté en aval de la première membrane peut être valorisé par injection dans un réseau de gaz ou stockage comme dans tout procédé de traitement du biogaz connu qui a pour but de séparer le méthane des autres constituants du biogaz. Une utilisation au sein d’un réseau privatif ou en carburant est également envisageable.It is obvious that in the process of the invention, the mixture enriched in methane which is collected downstream of the first membrane can be upgraded by injection into a gas network or storage as in any known biogas treatment process which has intended to separate the methane from the other constituents of the biogas. Use within a private network or as fuel is also possible.
La distillation s’effectue sur un mélange liquide gaz contenant majoritairement du dioxyde de carbone liquide dans lequel des bulles de méthane et éventuellement de sulfure d’hydrogène sont présentes. La distillation permet la séparation du dioxyde de carbone et sa récupération sous forme de liquide.Distillation is carried out on a liquid gas mixture containing mainly liquid carbon dioxide in which bubbles of methane and possibly hydrogen sulphide are present. Distillation allows the separation of carbon dioxide and its recovery as a liquid.
Avantageusement, le mélange liquide/gaz à distiller ne contient pas de sulfure d’hydrogène.Advantageously, the liquid/gas mixture to be distilled does not contain hydrogen sulphide.
Avantageusement, le mélange liquide/gaz à distiller contient au moins 80%, en particulier au moins 85% et plus particulièrement au moins 90%en mole de dioxyde de carbone, le restant étant du méthane.Advantageously, the liquid/gas mixture to be distilled contains at least 80%, in particular at least 85% and more particularly at least 90% by mole of carbon dioxide, the remainder being methane.
Selon un mode de réalisation particulier, le mélange liquide/gaz à distiller contient au moins 97% en moles de de dioxyde de carbone et plus particulièrement au moins 99%, voire 99,5% en moles de dioxyde de carbone.According to a particular embodiment, the liquid/gas mixture to be distilled contains at least 97% in moles of carbon dioxide and more particularly at least 99%, or even 99.5% in moles of carbon dioxide.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, le mélange enrichi en dioxyde de carbone qui s’accumule en amont de ladite première membrane est gazeux et contient au moins 80%, en particulier au moins 85% et plus particulièrement au moins 90% en mole de dioxyde de carbone, en particulier au moins 92% en mole de dioxyde de carbone et plus particulièrement au moins 94% en mole de dioxyde de carbone et plus particulièrement 94,54% de dioxyde de carbone. Ce mélange contient également du méthane. Il peut comporter des traces d’eau qui seront séparées avant la distillation.According to a particular mode of implementation, the mixture enriched in carbon dioxide which accumulates upstream of said first membrane is gaseous and contains at least 80%, in particular at least 85% and more particularly at least 90% by mole of carbon dioxide, in particular at least 92% by mole of carbon dioxide and more particularly at least 94% by mole of carbon dioxide and more particularly 94.54% of carbon dioxide. This mixture also contains methane. It may contain traces of water which will be separated before distillation.
Selon un mode de mise en œuvre, combinable avec les autres modes de mise en œuvre, le mélange gazeux enrichi en méthane qui est formé par passage à travers ladite première membrane séparative contient de l’eau, et par exemple au moins 94% en mole de méthane, de l’azote, de l’oxygène (de 0 % ou 0,5% à 3% en moles, 3% inclus) et du sulfure d’hydrogène.According to one mode of implementation, which can be combined with the other modes of implementation, the gaseous mixture enriched in methane which is formed by passing through said first separating membrane contains water, and for example at least 94% by mole methane, nitrogen, oxygen (from 0% or 0.5% to 3% by moles, 3% inclusive) and hydrogen sulphide.
Selon un mode de mise en œuvre particulier combinable avec chacun des autres modes de mise en œuvre précités -en particulier ceux en référence avec la composition du mélange à distiller- durant la distillation, ledit mélange de dioxyde de carbone liquide à distiller a une température égale ou supérieure à -5°C et notamment de l’ordre de -1,01 °C.According to a particular mode of implementation that can be combined with each of the other aforementioned modes of implementation -in particular those with reference to the composition of the mixture to be distilled- during the distillation, said mixture of liquid carbon dioxide to be distilled has a temperature equal or greater than -5°C and in particular of the order of -1.01°C.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, le mélange dioxyde de carbone liquide/méthane gaz à distiller contient au moins 80%, en particulier au moins 85% et plus particulièrement au moins 90%en mole de dioxyde de carbone, le restant étant du méthane et/ou ledit mélange dioxyde de carbone liquide/méthane gaz à distiller est à une température égale ou supérieure à -5°C et notamment de l’ordre de -1,01 °C durant la distillation.According to a particular embodiment, the liquid carbon dioxide/methane gas mixture to be distilled contains at least 80%, in particular at least 85% and more particularly at least 90% by mole of carbon dioxide, the remainder being methane and/or said liquid carbon dioxide/methane gas mixture to be distilled is at a temperature equal to or greater than -5° C. and in particular of the order of -1.01° C. during the distillation.
Selon un mode de mise en œuvre particulier de la distillation, combinable avec chacun des modes de mise en œuvre du procédé selon l’invention, la distillation est mise en œuvre à une température négative mais supérieure à -5°C et notamment de l’ordre de -2°C ou -1°C ou -1,01°C ou à une température positive égale ou supérieure à 0,5°C, en particulier égale à 1°C. La pression dans la colonne est ajustée pour obtenir toujours un équilibre liquide/gaz, le liquide étant de préférence en ébullition donc sous-refroidi. Ces températures sont faciles à obtenir et ne nécessitent que peu d’énergie pour les maintenir. Le matériel utilisé n’a pas à avoir des caractéristiques mécaniques spécifiques ; il est donc standard et donc peu couteux. La pression dans la colonne peut être égale ou supérieure à 16 bars, en particulier égale ou supérieure à 20 bars, plus particulièrement égale ou supérieure à 30 bars et inférieure à 40 bars et plus particulièrement inférieure à 35 bar pour les valeurs de température précitées.According to a particular mode of implementation of the distillation, which can be combined with each of the modes of implementation of the process according to the invention, the distillation is implemented at a negative temperature but higher than -5° C. and in particular order of -2°C or -1°C or -1.01°C or at a positive temperature equal to or greater than 0.5°C, in particular equal to 1°C. The pressure in the column is adjusted to always obtain a liquid/gas balance, the liquid preferably being boiling and therefore subcooled. These temperatures are easy to obtain and require little energy to maintain them. The material used does not have to have specific mechanical characteristics; it is therefore standard and therefore inexpensive. The pressure in the column can be equal to or greater than 16 bars, in particular equal to or greater than 20 bars, more particularly equal to or greater than 30 bars and less than 40 bars and more particularly less than 35 bars for the aforementioned temperature values.
Lorsque la température dans la colonne à distiller est positive, on évite la formation de paillettes de glace provenant de la présence de quelques ppm résiduelles d’eau dans le mélange à distiller. Ces paillettes s’avèrent être très abrasives et détériorent rapidement l’installation, notamment les vannes.When the temperature in the distillation column is positive, the formation of ice flakes due to the presence of a few residual ppm of water in the mixture to be distilled is avoided. These flakes turn out to be very abrasive and quickly deteriorate the installation, especially the valves.
Avantageusement, dans la colonne à distiller le dioxyde de carbone est sous-refroidi, c’est-à-dire qu’il est à une température inférieure à la température d’équilibre vapeur/liquide à la pression régnant dans la colonne à distiller. On a ainsi un dioxyde de carbone liquide en constante ébullition. Ce sous-refroidissement est avantageusement égal ou supérieur à 5°C et égal ou inférieur à 15°C et en particulier égal à 10°C.Advantageously, in the distillation column, the carbon dioxide is subcooled, that is to say it is at a temperature below the vapor/liquid equilibrium temperature at the pressure prevailing in the distillation column. We thus have a liquid carbon dioxide in constant boiling. This sub-cooling is advantageously equal to or greater than 5°C and equal to or less than 15°C and in particular equal to 10°C.
Avantageusement, avant la distillation, on comprime le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone ; ce dernier reste gazeux ou à l’équilibre liquide/gaz.Advantageously, before the distillation, the gaseous mixture enriched in carbon dioxide is compressed; the latter remains gaseous or in liquid/gas equilibrium.
Avantageusement, avant l’étape de distillation et après l’étape de compression si celle-ci est mise en œuvre, on réalise une détente de Joule-Thomson du mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone de manière à le liquéfier. On obtient un mélange liquide/gaz, le dioxyde de carbone étant liquide et contenant des bulles de méthane. La détente de Joule-Thomson est mise en œuvre de manière à ne pas former de dioxyde de carbone solide. Avantageusement, on refroidit ledit mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone jusqu’à la température ambiante ou une température inférieure à la température ambiante avant de réaliser ladite détente de Joule-Thomson. En refroidissant le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone, on facilite sa liquéfaction lors de la détente de Joule-Thomson. La détente permet d’obtenir la liquéfaction. Il est ainsi également possible d’adapter la compression du mélange gazeux précité au plus juste en fonction du besoin en frigories de l’installation.Advantageously, before the distillation step and after the compression step if the latter is implemented, a Joule-Thomson expansion of the gaseous mixture enriched in carbon dioxide is carried out so as to liquefy it. A liquid/gas mixture is obtained, the carbon dioxide being liquid and containing bubbles of methane. Joule-Thomson expansion is implemented in such a way that no solid carbon dioxide is formed. Advantageously, said gas mixture enriched in carbon dioxide is cooled down to room temperature or a temperature below room temperature before carrying out said Joule-Thomson expansion. By cooling the gaseous mixture enriched in carbon dioxide, it facilitates its liquefaction during the Joule-Thomson expansion. Expansion leads to liquefaction. It is thus also possible to adapt the compression of the aforementioned gaseous mixture as precisely as possible according to the cooling needs of the installation.
Avantageusement, avant distillation, on comprime le mélange gazeux, puis on le refroidit à la température ambiante ou à une température inférieure à la température ambiante et ensuite on le détend dans une détente de Joule-Thomson de manière à le liquéfier. Le taux de compression du mélange gazeux est ajustable en fonction de la production de froid souhaitée.Advantageously, before distillation, the gaseous mixture is compressed, then it is cooled to room temperature or to a temperature below room temperature and then it is expanded in a Joule-Thomson expansion valve so as to liquefy it. The compression rate of the gas mixture is adjustable according to the desired cold production.
Avantageusement, on refroidit ledit mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone jusqu’à la température ambiante ou une température inférieure à la température ambiante avant de réaliser la détente de Joule-Thomson.Advantageously, said gaseous mixture enriched in carbon dioxide is cooled down to room temperature or a temperature below room temperature before carrying out the Joule-Thomson expansion.
Avantageusement, lors de la détente de Joule-Thomson, le mélange gazeux est sous-refroidi. Le sous-refroidissement peut être, par exemple, égal ou supérieur à 1°C et égal ou inférieur à 5°C et notamment égal à 3°C pour un débit de 250 Nm3/h (la température normale de pour le Nm3étant de 0°C)Advantageously, during Joule-Thomson expansion, the gaseous mixture is subcooled. The subcooling can be, for example, equal to or greater than 1°C and equal to or less than 5°C and in particular equal to 3°C for a flow rate of 250 Nm 3 /h (the normal temperature of for the Nm 3 being 0°C)
Dans tous les cas, selon le procédé de l’invention, on récupère le mélange gazeux enrichi en méthane qui se forme en aval de ladite première membrane et, en fonction de la composition dudit mélange gazeux enrichi en méthane, soit on le recycle pour le traiter à nouveau, soit on l’injecte dans un réseau de distribution ou dans un réservoir de stockage.In all cases, according to the process of the invention, the gaseous mixture enriched in methane which forms downstream of said first membrane is recovered and, depending on the composition of said gaseous mixture enriched in methane, either it is recycled for the to process again, either it is injected into a distribution network or into a storage tank.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, on fait passer le mélange gazeux enrichi en méthane obtenu en aval de ladite première membrane séparative à travers un deuxième étage membranaire qui comprend au moins une deuxième membrane séparative dont la perméabilité au méthane est supérieure à la perméabilité au dioxyde de carbone, les conditions de température et de pression dudit mélange gazeux enrichi en méthane permettant le passage du méthane en aval de ladite deuxième membrane. On obtient ainsi un méthane d’une pureté améliorée. Le dioxyde de carbone retenu en amont de la deuxième membrane est mélangé au biogaz, de préférence au biogaz purifié en sortie de l’unité de purification décrite ci-après.According to a particular mode of implementation, the gaseous mixture enriched in methane obtained is passed downstream of said first separating membrane through a second membrane stage which comprises at least one second separating membrane whose permeability to methane is greater than the permeability to carbon dioxide, the temperature and pressure conditions of said gaseous mixture enriched in methane allowing the passage of methane downstream of said second membrane. A methane of improved purity is thus obtained. The carbon dioxide retained upstream of the second membrane is mixed with the biogas, preferably with the purified biogas at the outlet of the purification unit described below.
Avantageusement, on utilise le dioxyde de carbone liquide formé lors de la distillation pour produire du froid et notamment refroidir ledit biogaz en amont dudit premier étage membranaire et/ou dudit deuxième étage membranaire lorsque le procédé comprend le passage sur un deuxième étage membranaire. C’est le mérite des inventeurs que d’avoir constaté qu’il était possible d’utiliser une partie du dioxyde de carbone liquide présent dans le bouilleur de la colonne à distiller pour refroidir le biogaz en amont de la première membrane et/ou de la deuxième membrane éventuellement, à plusieurs endroits de l’installation sans utilisation d’une production de froid spécifiquement dédiée.Advantageously, the liquid carbon dioxide formed during the distillation is used to produce cold and in particular to cool said biogas upstream of said first membrane stage and/or of said second membrane stage when the process comprises passage over a second membrane stage. It is the merit of the inventors to have found that it was possible to use part of the liquid carbon dioxide present in the boiler of the distillation column to cool the biogas upstream of the first membrane and/or the second membrane possibly, in several places of the installation without using a specifically dedicated cold production.
Chaque étage membranaire peut comporter plusieurs membranes connectées en parallèle qui permettent de diviser le flux et de traiter simultanément des flux moins importants.Each membrane stage can comprise several membranes connected in parallel which make it possible to divide the flow and to treat simultaneously less significant flows.
Avantageusement, lors de la distillation on sépare gravitairement le dioxyde de carbone liquide du méthane gazeux qu’il contient. Cette séparation est mise en œuvre en introduisant le dioxyde de carbone liquide, contenant les bulles de méthane, en tête de colonne. Le liquide s’écoule gravitairement et permet la séparation du méthane gazeux qui est récupéré en tête de colonne. Le dioxyde de carbone liquide est récupéré dans le bas de la colonne.Advantageously, during distillation, the liquid carbon dioxide is separated by gravity from the gaseous methane it contains. This separation is implemented by introducing the liquid carbon dioxide, containing the methane bubbles, at the top of the column. The liquid flows by gravity and allows the separation of the gaseous methane which is recovered at the top of the column. Liquid carbon dioxide is collected at the bottom of the column.
La présente invention concerne également une installation permettant la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Cette installation comprend une source de biogaz, cette source pouvant être un digesteur notamment anaérobie, apte à produire du biogaz, une unité de séparation du méthane connectée en sortie dudit digesteur laquelle comprend au moins une première batterie de membranes séparatives qui comprend au moins une première membrane séparative dont la perméabilité au méthane est supérieure à la perméabilité au dioxyde de carbone. De manière caractéristique, selon l’invention, elle comprend une colonne à distiller disposée de manière à permettre la distillation du mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone qui s’accumule en amont de ladite première membrane.The present invention also relates to an installation allowing the implementation of the method according to the invention. This installation comprises a source of biogas, this source possibly being a digester, in particular anaerobic, capable of producing biogas, a methane separation unit connected to the output of said digester which comprises at least a first battery of separating membranes which comprises at least a first separating membrane whose permeability to methane is greater than the permeability to carbon dioxide. Characteristically, according to the invention, it comprises a distillation column arranged so as to allow the distillation of the gaseous mixture enriched in carbon dioxide which accumulates upstream of said first membrane.
Selon un mode de réalisation particulier, elle comporte un échangeur de chaleur, avantageusement un aéroréfrigérant monté en amont du bouilleur de ladite colonne à distiller et/ou une vanne apte à réaliser une détente de Joule-Thomson, ladite vanne est montée entre ladite colonne à distiller et ledit bouilleur, en aval du bouilleur sur la conduite qui relie ledit échangeur de chaleur à ladite colonne lorsque ladite installation comprend un tel échangeur. L’aéroréfrigérant permet de refroidir facilement le fluide gazeux à température ambiante sans grande dépense énergétique. De même, la vanne qui permet la détente de Joule-Thomson ne requiert aucune consommation d’énergie.According to a particular embodiment, it comprises a heat exchanger, advantageously an air cooler mounted upstream of the boiler of said distillation column and/or a valve capable of carrying out a Joule-Thomson expansion, said valve is mounted between said distillation column distill and said boiler, downstream of the boiler on the pipe which connects said heat exchanger to said column when said installation comprises such an exchanger. The air cooler makes it easy to cool the gaseous fluid to ambient temperature without major energy expenditure. Similarly, the valve that allows the Joule-Thomson expansion does not require any energy consumption.
Avantageusement, l’installation comporte un échangeur de chaleur permettant de refroidir le biogaz en amont de ladite première batterie de membranes séparatives avec le dioxyde de carbone liquide présent dans le bas de la colonne à distiller. L’échangeur de chaleur est, par exemple, du type thermosiphon et permet de refroidir le fluide caloporteur circulant dans le système de refroidissement de l’installation. Cet échangeur de chaleur est connecté au bouilleur de la colonne à distiller.Advantageously, the installation comprises a heat exchanger making it possible to cool the biogas upstream of said first battery of separating membranes with the liquid carbon dioxide present at the bottom of the distillation column. The heat exchanger is, for example, of the thermosiphon type and cools the heat transfer fluid circulating in the installation's cooling system. This heat exchanger is connected to the boiler of the distillation column.
La colonne à distiller est de préférence une colonne à garnissage, en particulier à anneaux de type Koch. Une colonne à garnissage facilite la séparation gaz/liquide.The distillation column is preferably a packed column, in particular a Koch type ring column. A packed column facilitates gas/liquid separation.
Avantageusement, l’installation de l’invention comporte, en outre, une unité de conditionnement connectée en sortie du digesteur et en amont de ladite première batterie de membranes séparatives et qui comprend au moins une colonne apte à adsorber/absorber le sulfure d’hydrogène et les composés organiques volatils contenus dans le biogaz en sortie de digesteur (unité de purification), une unité de déshydratation et un séparateur d’huile.Advantageously, the installation of the invention further comprises a conditioning unit connected at the outlet of the digester and upstream of said first battery of separating membranes and which comprises at least one column capable of adsorbing/absorbing hydrogen sulphide and the volatile organic compounds contained in the biogas leaving the digester (purification unit), a dehydration unit and an oil separator.
Par ailleurs, l’installation de l’invention peut être facilement obtenue à partir d’une installation existante de traitement du biogaz sans grandes modifications de cette dernière. La colonne à distiller de l’installation de l’invention peut être rapidement et à peu de frais, intégrée à une installation existante de traitement du biogaz qui permet d’extraire le méthane de ce dernier.Furthermore, the installation of the invention can be easily obtained from an existing biogas treatment installation without major modifications to the latter. The distillation column of the installation of the invention can be quickly and inexpensively integrated into an existing biogas treatment installation which makes it possible to extract methane from the latter.
DéfinitionsDefinitions
Le terme « biogaz» défini, au sens de la présente invention, le mélange gazeux issu d’un digesteur dans lequel se décompose des déchets organiques en l’absence d’air (digestion anaérobie). Le biogaz brut, au sens de l’invention, contient majoritairement du méthane et du dioxyde de carbone. Il contient également de la vapeur d’eau, du sulfure d’hydrogène, de l’azote, de l’oxygène et potentiellement des polluants tels que des siloxanes, des composés organochlorés, des mercaptans, des composés azotés dont de l’ammoniac, d’autres composés organiques volatils et des métaux. La réaction de digestion étant anaérobie, le biogaz brut contient très peu d’oxygène et d’azote. Au sens de l’invention, le biogaz brut est exempt d’autres hydrocarbures que le méthane ; en particulier, il est exempt d’autres hydrocarbures légers ; plus particulièrement, il est exempt d’éthane et de propane.The term “biogas” defines, within the meaning of the present invention, the gaseous mixture resulting from a digester in which organic waste decomposes in the absence of air (anaerobic digestion). Raw biogas, within the meaning of the invention, mainly contains methane and carbon dioxide. It also contains water vapor, hydrogen sulphide, nitrogen, oxygen and potentially pollutants such as siloxanes, organochlorine compounds, mercaptans, nitrogen compounds including ammonia, other volatile organic compounds and metals. The digestion reaction being anaerobic, the raw biogas contains very little oxygen and nitrogen. Within the meaning of the invention, the raw biogas is free of hydrocarbons other than methane; in particular, it is free of other light hydrocarbons; most notably, it is free of ethane and propane.
Le biogaz au sens de l’invention contient, par exemple, au moins 50% en mole de méthane, en particulier au moins 60% en mole de méthane, au moins 30% en mole de dioxyde de carbone. L’oxygène représente, par exemple, moins de 2% en moles. L’azote peut représenter de 0 à 6% en moles au détriment du méthane. L’eau représente, par exemple, moins de 6% en moles et le sulfure d’hydrogène représente, par exemple, moins de 0,0048% en mole.The biogas within the meaning of the invention contains, for example, at least 50% by mole of methane, in particular at least 60% by mole of methane, at least 30% by mole of carbon dioxide. Oxygen represents, for example, less than 2 mol%. Nitrogen can represent from 0 to 6% in moles to the detriment of methane. Water represents, for example, less than 6% by mole and hydrogen sulphide represents, for example, less than 0.0048% by mole.
Le terme « unité » définit tout dispositif ou combinaison de dispositifs adapté pour un but donné. Ainsi une unité de purification du biogaz brut est une unité apte à obtenir à partir du biogaz brut du biogaz tel que précédemment défini.The term "unit" defines any device or combination of devices suitable for a given purpose. Thus a unit for purifying raw biogas is a unit capable of obtaining from raw biogas biogas as previously defined.
Figurestricks
La présente invention, ses caractéristiques et les différents avantages qu’elle procure apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation particulier de l’invention, présentés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs et qui fait références aux dessins annexés sur lesquels :The present invention, its characteristics and the various advantages it provides will appear better on reading the following description of two particular embodiments of the invention, presented by way of illustrative and non-limiting examples and which refers to the attached drawings on which:
EXEMPLEEXAMPLE
En référence à la Fig. 1, le mode de réalisation de l’installation de l’invention représenté comporte un digesteur 1. Le digesteur 1 est le siège d’une réaction de digestion anaérobie qui produit du biogaz. Le biogaz contient majoritairement du méthane et du dioxyde de carbone. Il contient également de la vapeur d’eau, du sulfure d’hydrogène, de l’azote, de l’oxygène et potentiellement des polluants tels que des siloxanes, des composés organochlorés, des mercaptans, des composés azotés dont de l’ammoniac, d’autres composés organiques volatils et des métaux. La réaction de digestion étant anaérobie, le biogaz contient très peu d’oxygène et d’azote.With reference to FIG. 1, the embodiment of the installation of the invention represented comprises a digester 1. The digester 1 is the seat of an anaerobic digestion reaction which produces biogas. Biogas mainly contains methane and carbon dioxide. It also contains water vapor, hydrogen sulphide, nitrogen, oxygen and potentially pollutants such as siloxanes, organochlorine compounds, mercaptans, nitrogen compounds including ammonia, other volatile organic compounds and metals. Since the digestion reaction is anaerobic, biogas contains very little oxygen and nitrogen.
Le digesteur 1 est relié à un compresseur C1 au moyen d’une conduite 11. La sortie du compresseur C1 est connectée à deux colonnes 2A et 2B, montées en série. Les colonnes 2A et 2B sont remplies d’un garnissage apte à fixer le sulfure d’hydrogène et les autres composés organiques volatils potentiellement contenus en très petite quantité dans le biogaz. La sortie des colonnes 2A et 2B est connectée à un filtre à particules 2C qui permet de retenir les particules provenant des colonne 2A et 2B. Les colonnes 2A, 2B et le filtre 2C forment l’unité de purification du biogaz. La sortie de la du filtre à particules 2C est reliée à un échangeur de chaleur EC1 qui permet de refroidir le gaz sortant du filtre 2C. La sortie de l’échangeur de chaleur EC1 est reliée à un compresseur C2. Le compresseur C2 est connecté à un échangeur de chaleur EC2 qui permet de récupérer la chaleur générée au niveau du compresseur C2. La sortie du compresseur C2 est reliée à un échangeur de chaleur EC31 apte à refroidir le flux gazeux qui le traverse en sortie du compresseur C2. La conduite 22 sortant de l’échangeur de chaleur EC31 est connectée à une boucle de déshydratation au moyen d’une vanne thermostatique V3. La vanne V3 est connectée à la boucle de déshydratation, laquelle comporte une conduite 221. La conduite 221 traverse l’échangeur EC31 de manière à réchauffer le flux gazeux en récupérant la chaleur captée lors du refroidissement du flux gazeux en sortie du compresseur C2. La sortie de l’échangeur EC31 est connectée à un échangeur EC32 qui refroidit le flux gazeux. La sortie de l’échangeur EC32 est connectée à un récupérateur de condensat 37 qui permet d’évacuer tous les liquides condensés dont l’eau. La sortie du récupérateur de condensats 37 est connectée à la vanne thermostatique V3. En aval de la dérivation vers la vanne V3, la conduite 22 débouche dans un séparateur d’huile SH qui permet d’éliminer toutes les gouttelettes d’huile provenant des compresseurs et éventuellement présentes dans le flux gazeux. La sortie du séparateur d’huile SH est connectée à deux membranes M1 montées en parallèle.The digester 1 is connected to a compressor C1 by means of a pipe 11. The output of the compressor C1 is connected to two columns 2A and 2B, connected in series. Columns 2A and 2B are filled with a packing capable of fixing hydrogen sulphide and other volatile organic compounds potentially contained in very small quantities in the biogas. The outlet of columns 2A and 2B is connected to a particle filter 2C which makes it possible to retain the particles coming from column 2A and 2B. Columns 2A, 2B and filter 2C form the biogas purification unit. The output of the particulate filter 2C is connected to a heat exchanger EC1 which cools the gas leaving the filter 2C. The output of the heat exchanger EC1 is connected to a compressor C2. Compressor C2 is connected to an EC2 heat exchanger which recovers the heat generated at compressor C2. The output of the compressor C2 is connected to a heat exchanger EC31 capable of cooling the gaseous flow which passes through it at the output of the compressor C2. Line 22 exiting heat exchanger EC31 is connected to a dehydration loop by means of a thermostatic valve V3. The valve V3 is connected to the dehydration loop, which comprises a pipe 221. The pipe 221 crosses the exchanger EC31 so as to heat the gaseous flow by recovering the heat captured during the cooling of the gaseous flow at the outlet of the compressor C2. The output of the EC31 exchanger is connected to an EC32 exchanger which cools the gas flow. The outlet of the EC32 exchanger is connected to a condensate collector 37 which allows all condensed liquids, including water, to be evacuated. The output of the condensate collector 37 is connected to the thermostatic valve V3. Downstream of the bypass to valve V3, line 22 opens into an oil separator SH which removes all oil droplets from the compressors and possibly present in the gas flow. The output of the SH oil separator is connected to two M1 membranes connected in parallel.
En référence à la Fig. 1, l’unité de conditionnement du biogaz comprend l’unité de purification formée par le compresseur C1,par les colonnes 2A, 2B et le filtre 2C et l’ensemble formé par le compresseur C2, la boucle de déshydratation et le séparateur d’huile.With reference to FIG. 1, the biogas conditioning unit comprises the purification unit formed by the compressor C1, by the columns 2A, 2B and the filter 2C and the assembly formed by the compressor C2, the dehydration loop and the separator of oil.
En référence à la Fig. 1, les membranes M1 sont aptes à séparer le méthane du dioxyde de carbone ; elles sont également perméables à l’oxygène qui les traversent en même temps que le méthane. Le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone contient donc moins de 0,1% en moles d’oxygène. On désigne par « partie en amont des membranes M1 » la partie située en amont des membranes M1 et qui donc se remplit d’un gaz appauvri en méthane mais enrichi en dioxyde de carbone puisque le dioxyde de carbone traverse moins la membrane que le méthane. La partie aval des membranes correspond à la sortie après passage à travers la ou les membrane(s). La sortie des membrane M1 est connectée à une conduite 3 équipée d’un analyseur Ana1. En cas de non-conformité, le flux contenu dans la conduite 3 peut être retournée au digesteur 1. Dans le cas contraire, la conduite 31 permet la valorisation/utilisation du méthane produit. La partie amont des membranes M1 est connectée via une seule conduite 51 à un mélangeur 53. La sortie du mélangeur 53 est connectée à un compresseur C3. Un échangeur de chaleur EC3 combiné avec le compresseur C3 permet de récupérer la chaleur produite lors de la compression du gaz. La sortie du compresseur C3 est connectée à un aéroréfrigérant 6 qui permet de refroidir jusqu’à température ambiante le gaz dans la conduite. La sortie de l’aéroréfrigérant 6 est reliée à une colonne 2D contenant des zéolithes, laquelle permet de sécher le gaz. La sortie de la colonne 2D est connectée à un échangeur de chaleur EC4 lequel est le bouilleur de la colonne de distillation 7, au moyen d’une conduite 71. La conduite 71 traverse l’échangeur de chaleur EC4 et débouche dans la colonne de distillation 7 au niveau de la zone contenant la phase vapeur. La conduite 71 est équipée d’une vanne de détente V4 qui permet de réaliser une détente de Joule-Thomson avant l’entrée dans la colonne de distillation. La pression dans la colonne de distillation est telle qu’il existe un sous refroidissement du dioxyde de carbone liquide. Le bas de la colonne de distillation 7 permet de récupérer un liquide. Il est connecté via une conduite 75 à un réservoir de liquide RL. Un analyseur Ana2 est monté sur la conduite 75 en amont du réservoir RL. Le fond de la colonne 7 est également relié à une conduite de recirculation 77 sur laquelle est monté un échangeur de chaleur EC5. La conduite de recirculation 77 débouche dans la colonne de distillation 7 après passage dans l’échangeur EC5, dans la zone occupée par la phase gaz. La zone de la colonne de distillation 7 qui contient la phase gazeuse est connectée à un réservoir de démarrage RD contenant du dioxyde de carbone. La conduite 75 est reliée en amont de l’analyseur Ana2 à une conduite de redémarrage 76 qui est reliée au mélangeur 53 et qui est équipée d’une vanne V1 en amont du mélangeur 53. Une vanne V2 est montée sur la conduite 75 en amont de la dérivation vers la conduite 76. Une vanne V5 est montée en amont du mélangeur 53 sur une conduite qui relie la conduite 75, en aval de la vanne V2 (l’aval étant dans la direction du réservoir de liquide RL) au mélangeur 53.With reference to FIG. 1, the membranes M1 are capable of separating methane from carbon dioxide; they are also permeable to oxygen which passes through them at the same time as methane. The gas mixture enriched in carbon dioxide therefore contains less than 0.1% by mole of oxygen. The term “part upstream of the M1 membranes” designates the part located upstream of the M1 membranes and which therefore fills with a gas depleted in methane but enriched in carbon dioxide since carbon dioxide passes through the membrane less than methane. The downstream part of the membranes corresponds to the outlet after passing through the membrane(s). The output of the M1 membranes is connected to a pipe 3 equipped with an Ana1 analyzer. In the event of non-compliance, the flow contained in pipe 3 can be returned to the digester 1. Otherwise, pipe 31 allows the recovery/use of the methane produced. The upstream part of the membranes M1 is connected via a single pipe 51 to a mixer 53. The outlet of the mixer 53 is connected to a compressor C3. An EC3 heat exchanger combined with the C3 compressor makes it possible to recover the heat produced during the compression of the gas. The output of the compressor C3 is connected to an air cooler 6 which allows the gas in the pipe to be cooled down to ambient temperature. The outlet of air cooler 6 is connected to a 2D column containing zeolites, which allows the gas to be dried. The outlet of the column 2D is connected to a heat exchanger EC4 which is the boiler of the distillation column 7, by means of a pipe 71. The pipe 71 passes through the heat exchanger EC4 and opens into the distillation column 7 at the zone containing the vapor phase. Line 71 is equipped with an expansion valve V4 which enables Joule-Thomson expansion before entering the distillation column. The pressure in the distillation column is such that there is subcooling of the liquid carbon dioxide. The bottom of the distillation column 7 makes it possible to recover a liquid. It is connected via a line 75 to a liquid reservoir RL. An Ana2 analyzer is mounted on line 75 upstream of the RL tank. The bottom of column 7 is also connected to a recirculation pipe 77 on which a heat exchanger EC5 is mounted. The recirculation line 77 opens into the distillation column 7 after passing through the exchanger EC5, in the zone occupied by the gas phase. The area of the distillation column 7 which contains the gas phase is connected to a starting tank RD containing carbon dioxide. Pipe 75 is connected upstream of the analyzer Ana2 to a restart pipe 76 which is connected to the mixer 53 and which is equipped with a valve V1 upstream of the mixer 53. A valve V2 is mounted on the pipe 75 upstream from the bypass to the pipe 76. A valve V5 is mounted upstream of the mixer 53 on a pipe which connects the pipe 75, downstream of the valve V2 (the downstream being in the direction of the liquid reservoir RL) to the mixer 53 .
L’échangeur de chaleur EC5 est thermiquement connecté à l’échangeur de chaleur EC1 et à l’échangeur de chaleur EC32. Le froid généré dans l’échangeur EC5 est ainsi utilisé pour refroidir le biogaz en sortie du filtre 2C et dans la boucle de déshydratation.Heat exchanger EC5 is thermally connected to heat exchanger EC1 and heat exchanger EC32. The cold generated in the EC5 exchanger is thus used to cool the biogas at the outlet of the 2C filter and in the dehydration loop.
La boucle de récupération de frigories fonctionne sur un régime -1°C (température du dioxyde de carbone dans le bouilleur de la colonne de distillation /5°C (température maximale de réfrigération du mélange gazeux en amont des membranes M1). A contre-courant, le biogaz entre dans EC1 à une pression comprise entre 50 et 300 mbar. La température en entrée de l’échangeur EC1 est comprise entre 50 et 15°C . La température du biogaz en sortie de l’échangeur EC1 est de 5°C ce qui permet la condensation de la plus grande partie de l’eau que contient le mélange gazeux. Au niveau de l’échangeur EC32, la pression du gaz est comprise entre 7 et 13 bars. Sa température est comprise entre 50°C et 20°C à l’entrée de l’échangeur EC32 et de -1°C à 5°C (bornes comprises) en sortie de l’échangeur EC32.The cold storage loop operates at -1°C (temperature of carbon dioxide in the boiler of the distillation column /5°C (maximum refrigeration temperature of the gas mixture upstream of the M1 membranes). current, the biogas enters EC1 at a pressure of between 50 and 300 mbar. The temperature at the inlet of the exchanger EC1 is between 50 and 15°C. The temperature of the biogas at the outlet of the exchanger EC1 is 5° C which allows the condensation of most of the water contained in the gaseous mixture.At the level of the exchanger EC32, the gas pressure is between 7 and 13 bars. Its temperature is between 50°C and 20°C at the inlet of the EC32 exchanger and from -1°C to 5°C (limits included) at the outlet of the EC32 exchanger.
Un excès de froid éventuellement disponible peut être valorisé ailleurs dans l’installation.Any excess cold that may be available can be used elsewhere in the installation.
Un exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention va maintenant être décrit en référence à la Fig. 1. Le biogaz sortant du digesteur 1 est légèrement comprimé par le compresseur C1 ; il est à une température de l’ordre de 35°C. Il contient, par exemple 60% de méthane, 30,8% de dioxyde de carbone. Le biogaz purifié dans les colonnes 2A, 2B et ayant traversé le filtre 2C est ensuite refroidi par l’échangeur EC1 de manière à condenser l’eau qu’il peut contenir, puis comprimé par le compresseur C2. La chaleur du compresseur C2 est récupérée dans l’échangeur EC2. Le flux de biogaz purifié et comprimé est refroidi une première fois dans l’échangeur EC31 en utilisant la chaleur du flux entrant. Il passe ensuite dans l’échangeur EC32 dans lequel il est à nouveau refroidi. Tous les condensats sont récupérés au niveau du récupérateur de condensats 37. Le gaz séché passe alors à travers la vanne trois voies V3 pour être dirigé en tout ou partie vers l’échangeur EC31. Après réunion des lignes, il entre dans le séparateur d’huile SH. L’extraction des huiles est importante afin de ne pas détériorer les membranes M1. Le flux de biogaz est ensuite séparé en deux et chaque sous flux passe à travers une membrane séparative M1. Le méthane passe à travers les membranes M1 alors que le dioxyde de carbone est retenu en amont des membranes M1. Le méthane passe donc à travers la conduite 3, est analysé par l’analyseur Ana1. Si la composition du méthane est conforme aux normes d’utilisation, il est injecté dans un réseau pour une utilisation directe. Si la composition du méthane n’est pas conforme aux normes, il est réinjecté dans le digesteur 1 par la conduite 4. Le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone qui s’accumule en amont des membranes M1 est introduit dans le mélangeur 53. Il passe ensuite dans le compresseur C3. La chaleur générée par la compression est évacuée au niveau de l’échangeur EC3. En sortie du compresseur C3, le mélange gazeux enrichi en dioxyde de carbone traverse un aéroréfrigérant 6, passe dans la colonne 2D afin d’être séché et purifié une seconde fois. Il passe ensuite dans l’échangeur de chaleur EC4 lequel est en fait le bouilleur de la colonne à distiller 7. Il est refroidi au niveau de l’échangeur de chaleur EC4 et au niveau de la vanne V4 qui réalise une détente de Joule-Thomson. Le mélange riche en dioxyde de carbone et pauvre en méthane se liquéfie au niveau de la vanne 104 (détente de Joule-Thomson). Quelques bulles de gaz restent néanmoins dans le liquide. Ce mélange est introduit dans la colonne à distiller 7 au niveau de la portion de cette colonne contenant la phase gaz (en tête de colonne). Le liquide et le gaz sont alors séparés. Le dioxyde de carbone liquide tombe au fond de la colonne tandis que le méthane gazeux s’échappe en tête de colonne et est réintroduit dans le méthaniseur 1.An example of implementation of the method of the invention will now be described with reference to FIG. 1. The biogas leaving digester 1 is slightly compressed by compressor C1; it is at a temperature of around 35°C. It contains, for example, 60% methane, 30.8% carbon dioxide. The biogas purified in columns 2A, 2B and having passed through filter 2C is then cooled by exchanger EC1 so as to condense the water it may contain, then compressed by compressor C2. The heat from compressor C2 is recovered in exchanger EC2. The purified and compressed biogas flow is first cooled in the EC31 exchanger using the heat of the incoming flow. It then passes through the EC32 exchanger where it is cooled again. All the condensates are recovered at the level of the condensate collector 37. The dried gas then passes through the three-way valve V3 to be directed in whole or in part to the exchanger EC31. After joining the lines, it enters the SH oil separator. Oil extraction is important so as not to damage the M1 membranes. The biogas stream is then split into two and each sub-stream passes through a separating membrane M1. Methane passes through the M1 membranes while carbon dioxide is retained upstream of the M1 membranes. The methane therefore passes through line 3 and is analyzed by the Ana1 analyzer. If the composition of the methane complies with the standards for use, it is injected into a network for direct use. If the composition of the methane does not comply with the standards, it is reinjected into the digester 1 through line 4. The gaseous mixture enriched in carbon dioxide which accumulates upstream of the membranes M1 is introduced into the mixer 53. It then passes through compressor C3. The heat generated by the compression is evacuated at the level of the exchanger EC3. At the outlet of compressor C3, the gaseous mixture enriched in carbon dioxide passes through an air cooler 6, passes into column 2D in order to be dried and purified a second time. It then passes through the heat exchanger EC4 which is in fact the boiler of the distillation column 7. It is cooled at the level of the heat exchanger EC4 and at the level of the valve V4 which performs a Joule-Thomson expansion . The mixture rich in carbon dioxide and poor in methane liquefies at valve 104 (Joule-Thomson expansion). However, some gas bubbles remain in the liquid. This mixture is introduced into the distillation column 7 at the portion of this column containing the gas phase (at the top of the column). The liquid and the gas are then separated. The liquid carbon dioxide falls to the bottom of the column while the gaseous methane escapes at the top of the column and is reintroduced into methanizer 1.
La colonne à distiller 7 est une colonne à garnissage de type anneaux, en particulier anneaux de Koch. La phase liquide se condense sur le garnissage et goutte dans le fond de la colonne. Dans l’exemple représenté, la température du fond de la colonne est maintenue à une valeur constante plus ou moins un degré par l’échangeur de chaleur EC4 et par un système de régulation de la température non représenté. Dans la colonne à distiller 7, le dioxyde de carbone liquide est toujours en ébullition ; il y a donc un équilibre de phase liquide/gaz qui correspond à la température d’ébullition du dioxyde de carbone à la pression régnant dans la colonne à distiller 7. Les conditions de la distillation seront plus amplement décrites en référence à la Fig. 2 et aux tableaux ci-dessous.The distillation column 7 is a packed column of the ring type, in particular Koch rings. The liquid phase condenses on the packing and drops to the bottom of the column. In the example shown, the temperature at the bottom of the column is maintained at a constant value plus or minus one degree by the heat exchanger EC4 and by a temperature regulation system, not shown. In the distillation column 7, the liquid carbon dioxide is still boiling; there is therefore a liquid/gas phase equilibrium which corresponds to the boiling point of carbon dioxide at the pressure prevailing in the distillation column 7. The distillation conditions will be more fully described with reference to FIG. 2 and the tables below.
Toujours en référence à la Fig. 1, Le dioxyde de carbone liquide est soutiré en fond de colonne à travers la conduite 75. Il peut être stocké dans le réservoir RL, être rejeté à l’atmosphère ou être utilisé dans une autre installation.Still with reference to FIG. 1, The liquid carbon dioxide is drawn off at the bottom of the column through pipe 75. It can be stored in the RL tank, be released into the atmosphere or be used in another installation.
Le démarrage de l’installation s’effectue grâce au réservoir RD qui contient du dioxyde de carbone gazeux et qui est connecté à la tête de la colonne 7. La conduite 75 qui est reliée au réservoir RL de dioxyde de carbone liquide permet de remplir le fond de la colonne et de créer avec le flux de dioxyde de carbone gazeux venant du réservoir RD l’équilibre désiré dans la colonne à distillée 7. Un réservoir d’azote gazeux peut également être connecté à la tête de la colonne à distiller 7 pour réaliser une purge. L’analyseur Ana2 permet de détecter la composition du dioxyde de carbone liquide soutiré et en fonction de sa composition de le redirigé vers l’atmosphère, le réservoir RL ou une autre installation. La vanne V5 permet d’introduire du dioxyde de carbone gazeux dans le mélangeur 53 de manière à démarrer l’installation.The start-up of the installation takes place thanks to the reservoir RD which contains gaseous carbon dioxide and which is connected to the head of the column 7. The pipe 75 which is connected to the reservoir RL of liquid carbon dioxide makes it possible to fill the bottom of the column and to create with the flow of gaseous carbon dioxide coming from the tank RD the desired balance in the distillation column 7. A gaseous nitrogen tank can also be connected to the top of the distillation column 7 to perform a purge. The Ana2 analyzer makes it possible to detect the composition of the liquid carbon dioxide drawn off and, depending on its composition, to redirect it to the atmosphere, the RL tank or another installation. The valve V5 makes it possible to introduce gaseous carbon dioxide into the mixer 53 so as to start the installation.
En référence à la Fig. 1, le froid généré dans l’échangeur EC5 est utilisé pour refroidir le biogaz à traiter dans les échangeurs EC1 et EC32.With reference to FIG. 1, the cold generated in exchanger EC5 is used to cool the biogas to be treated in exchangers EC1 and EC32.
On constate également que l’installation de l’invention produit de la chaleur au niveau des échangeurs EC2 et EC3. Cette chaleur peur être utilisée par le client pour le digesteur 1, par exemple.It is also noted that the installation of the invention produces heat at the level of the exchangers EC2 and EC3. This heat can be used by the customer for digester 1, for example.
Le second mode de réalisation est le même que le premier représenté sur la Fig. 1 à l’exception du fait qu’il comprend une seconde batterie de membranes perméables au méthane. Ces membranes sont montées en parallèle pour former un bloc de membranes. Ce deuxième bloc est monté en série à la sortie du premier étage de membranes M1. Ces deuxièmes membranes M2 permettent d’améliorer la pureté du méthane obtenu. Le gaz appauvri en méthane et enrichi en dioxyde de carbone qui est formé en amont des deuxièmes membranes M2 est réinjecté dans le compresseur C1 au niveau d’un mélangeur 12.The second embodiment is the same as the first shown in FIG. 1 except that it includes a second battery of methane-permeable membranes. These membranes are mounted in parallel to form a block of membranes. This second block is mounted in series at the outlet of the first stage of membranes M1. These second membranes M2 make it possible to improve the purity of the methane obtained. The gas depleted in methane and enriched in carbon dioxide which is formed upstream of the second membranes M2 is reinjected into the compressor C1 at the level of a mixer 12.
La Fig. 2 représente un diagramme utilisé pour la modélisation du procédé de l’invention. Ce diagramme ne représente pas l’installation réelle elle-même mais cette dernière sous la forme d’opérations unitaires modélisables. Ainsi, la colonne à distiller 7 de la Fig. 1 qui est présente dans le deuxième mode réalisation également est modélisée sous la forme d’une colonne 7 et d’un séparateur de phase liquide/gaz 109. Le bouilleur de la colonne de distillation (référencée EC4 sur la Fig. 1) correspond au bouilleur 109 et à l’échangeur de chaleur 151. Un mélangeur 12 est ajouté pour permettre le mélange du biogaz purifié venant du digesteur (non représenté sur la Fig. 2) avec le mélange enrichi en dioxyde de carbone produit en amont des membranes M2. Ce mélangeur 12 est connecté au compresseur C1. Le compresseur C1 est modélisé par les compresseurs 31 et 13 de la Fig. 2. L’échangeur EC2 correspond à l’échangeur 16 sur la Fig. 2. L’échangeur 152 combiné avec l’échangeur 9 de la Fig. 2 modélisent l’échangeur EC31. L’échangeur 16 correspond à l’échangeur EC32 de la Fig. 1. Le récupérateur de condensat 37 est modélisé par le condenseur 17. Le mélangeur 53 n’est pas indiqué sur la Fig. 1. Les membranes M1 et M2 sont regroupées en deux blocs distincts. Un analyseur 105 est monté sur la conduite en sortie du deuxième étage de membrane M2. Le compresseur C3 est modélisé par le compresseur 87. L’échangeur 98 modélise l’aéroréfrigérant 6 de la Fig. 1. La vanne V4 est modélisée par la vanne 104.Fig. 2 represents a diagram used for modeling the method of the invention. This diagram does not represent the actual installation itself but the latter in the form of modelable unit operations. Thus, the distillation column 7 of FIG. 1 which is also present in the second embodiment is modeled in the form of a column 7 and a liquid/gas phase separator 109. The boiler of the distillation column (referenced EC4 in FIG. 1) corresponds to the boiler 109 and to the heat exchanger 151. A mixer 12 is added to allow the mixing of the purified biogas coming from the digester (not represented in FIG. 2) with the mixture enriched in carbon dioxide produced upstream of the membranes M2. This mixer 12 is connected to the compressor C1. Compressor C1 is modeled by compressors 31 and 13 in FIG. 2. Exchanger EC2 corresponds to exchanger 16 in Fig. 2. Exchanger 152 combined with exchanger 9 in FIG. 2 model the EC31 exchanger. Exchanger 16 corresponds to exchanger EC32 in Fig. 1. Condensate collector 37 is modeled by condenser 17. Mixer 53 is not shown in Fig. 1. The M1 and M2 membranes are grouped into two separate blocks. An analyzer 105 is mounted on the pipe at the outlet of the second membrane stage M2. Compressor C3 is modeled by compressor 87. Exchanger 98 models air cooler 6 in FIG. 1. Valve V4 is modeled by valve 104.
Le procédé mis en œuvre dans ce second mode de réalisation est identique au premier sauf que le méthane issu des membrane M1 est purifié une seconde fois à travers les membranes M2. Le méthane sortant des membranes M2 contient donc moins de dioxyde de carbone que le méthane issu des membranes M1.The method implemented in this second embodiment is identical to the first except that the methane from the membranes M1 is purified a second time through the membranes M2. The methane leaving the M2 membranes therefore contains less carbon dioxide than the methane coming from the M1 membranes.
Sur le diagramme de la Fig. 2 les étapes sont modélisées à partir de la compression dans le compresseur C1.On the diagram of Fig. 2 stages are modeled from the compression in compressor C1.
Les tableaux suivants indiquent des valeurs de température, pression et composition à divers points de l’installation, référencés sur la Fig. 2. Ces points sont référencés par des nombres ou des termes plus explicites indiqués dans des rectangles situés sur la conduite ou indiquant le point de mesure sur la conduite au moyen d’une flèche. Le biogaz qui entre dans le mélangeur 12 de la Fig. 2 correspond au biogaz traité par les colonnes 2A, 2B et par le filtre 2C de la Fig. 1. Dans le tableau 1 ci-dessous, le terme « biogaz brut » fait référence au biogaz en sortie du digesteur 1.The following tables show temperature, pressure and composition values at various points in the installation, referenced in Fig. 2. These points are referenced by numbers or more explicit terms indicated in rectangles located on the pipe or indicating the point of measurement on the pipe by means of an arrow. The biogas which enters the mixer 12 of FIG. 2 corresponds to the biogas treated by the columns 2A, 2B and by the filter 2C of FIG. 1. In table 1 below, the term “raw biogas” refers to the biogas leaving digester 1.
Les Tableaux 3 et 4 suivants indiquent les mêmes valeurs pour d’autres points de l’installation, Ainsi, en amont du compresseur C3,Tables 3 and 4 below show the same values for other points in the installation. Thus, upstream of compressor C3,
Le tableau 5 suivant regroupe les valeurs des paramètres des conditions de la distillation du mélange gazeux dans la colonne à distiller 7,Table 5 below groups together the values of the parameters of the conditions for the distillation of the gaseous mixture in the distillation column 7,
Le terme « entrée» désigne le flux de liquide ou de vapeur arrivant dans la colonne à distiller 7 après la vanne V4 (référencée 104 sur le schéma de la Fig. 2).The term "inlet" designates the flow of liquid or vapor arriving in the distillation column 7 after the valve V4 (referenced 104 in the diagram of FIG. 2).
Au vu du tableau 5 précité, on constate que la température dans le bouilleur de la colonne à distiller est de -1,01°C pour une pression de 33,95 bars. Après la vanne V4 (détente de Joule-Thomson), la pression est de 33,83 bars pour la vapeur et 33,89 bars pour le liquide. Le mélange ne contient plus d’eau mais uniquement du dioxyde de carbone et du méthane. Dans le bouilleur, le dioxyde de carbone est liquide ; le bouilleur contient plus de 99% en mole de dioxyde de carbone. La vapeur sortant de la colonne à distiller est à -40°C pour une pression de 33,7 bars. Elle contient du méthane et éventuellement un peu de sulfure d’hydrogène.In view of the aforementioned Table 5, it can be seen that the temperature in the boiler of the distillation column is -1.01° C. for a pressure of 33.95 bars. After valve V4 (Joule-Thomson expansion), the pressure is 33.83 bars for steam and 33.89 bars for liquid. The mixture no longer contains water but only carbon dioxide and methane. In the boiler, the carbon dioxide is liquid; the boiler contains more than 99% by mole of carbon dioxide. The steam leaving the distillation column is at -40° C. for a pressure of 33.7 bars. It contains methane and possibly some hydrogen sulphide.
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