FR3120317A1 - Installation de production de biométhane et de gaz de synthèse à partir d’un flux de biogaz avec un moyen d’ajustement de la qualité du biogaz - Google Patents

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Abstract

Installation de production de biométhane et de gaz de synthèse à partir d’un flux de biogaz, ladite installation comprenant : Une unité de purification (3) du flux de biogaz (1) permettant de produire un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B,Une unité de vaporeformage (6) du flux A permettant de produire du gaz de synthèse (9), etUne unité de séparation membranaire (5) permettant de produire un flux de biométhane (8) à partir du flux B. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Installation de production de biométhane et de gaz de synthèse à partir d’un flux de biogaz avec un moyen d’ajustement de la qualité du biogaz
La présente invention est relative à une installation de production de biométhane et de gaz de synthèse, à partir d’un flux de biogaz et à un procédé mettant en œuvre une telle installation.
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. On notera en particulier la production à partir de biogaz de gaz de synthèse (mélange de H2 et CO) qui un gaz combustible permettant notamment de produire de la chaleur et de l’électricité.
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 coeur 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)...
Le rendement du biogaz et sa composition dépendent d'un certain nombre de facteurs, notamment le type de substrat, les paramètres de fonctionnement tels que la température, le pH, le rapport carbone / azote et le taux de charge organique ainsi que les paramètres de conception tels que le matériau de construction, le type de digesteur et le mécanisme d'alimentation. Le CO2 est l'une des principaux composants dont la concentration varie beaucoup, ce qui conduit à une forte fluctuation de la qualité du biogaz.
La qualité instable du biogaz brut pourrait entraîner des risques et des fluctuations de fonctionnement de l'unité en aval.
Partant de là un problème qui se pose est de fournir une installation présentant un moyen d’ajuster la qualité du biogaz.
Une solution de la présente invention est une installation de production de biométhane et de gaz de synthèse à partir d’un flux de biogaz, ladite installation comprenant :
  1. Une unité de purification 3 du flux de biogaz 1 permettant de produire un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B,
  2. Une unité de vaporeformage 6 du flux A permettant de produire du gaz de synthèse 9 et
  3. Une unité de séparation membranaire 5 permettant de produire un flux de biométhane 8 à partir du flux B.
Ainsi le rapport CO2/CH4 pourra être ajusté en fonction des besoins de la composition du gaz de synthèse.
La représente un exemple de l’installation selon l’invention.
De préférence, le flux B présentera le même rapport CO2/CH4 que le flux A. En effet, dans ce cas l’unité de purification du flux de biogaz produira un flux, présentant un rapport CO2/CH4 choisi, qui sera divisé en un flux A et un flux B.
Notons que le flux de biogaz sera produit par fermentation anaérobie au sein d’un digesteur 10.
Le flux A contient principalement du CO2 et du CH4, qui sont mélangés à de la vapeur dans l’unité de vaporeformage et les réactions suivantes se produisent :
(1) CH4 + H2O = CO + 3H2
(2) CH4 + CO2 = 2CO + 2H2.
Ces réactions sont endothermiques et nécessitent un apport de chaleur généralement apporté par combustion.
La chaleur résiduelle de ces réactions de réformage pourra par exemple être utilisée pour maintenir le digesteur 10 à une température comprise entre 35°c et 55°C.
Selon le cas l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
  • l’unité de purification 3 du flux de biogaz 1 correspond au premier étage de séparation par membrane de l’unité de séparation membranaire 5.
  • l’unité de purification 3 du flux de biogaz 1 est une unité PSA.
  • L’installation comprend en amont de l’unité de purification 3 du flux de biogaz 1 une unité de compression du flux de biogaz.
  • L’installation comprend en amont de l’unité de purification 3 une unité de désulfuration 2.
  • L’installation comprend un moyen d’élaboration 4 d’un signal de commande en fonction du rapport CO2/CH4 choisi.
  • L’installation comprend un moyen de transmission 7 du signal de commande à l’unité de purification du flux de biogaz.
La présente invention a également pour objet un procédé de production de biométhane et de gaz de synthèse, à partir d’un flux de biogaz, mettant en œuvre une installation selon l’invention, et comprenant :
  1. Une étape de purification du flux de biogaz de manière à produire un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B ;
  2. Une étape de vaporeformage du flux A de manière à produire du gaz de synthèse, et
  3. Une étape de séparation membranaire de manière à produire un flux de biométhane à partir du flux B.
Selon le cas, le procédé de production peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
  • à l’étape i) le flux de biogaz est introduit dans un premier étage de séparation membranaire de l’unité de séparation membranaire mise en œuvre à l’étape iii) et on récupère en sortie du premier étage un premier rétentat qui est divisé en un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B.
  • à l’étape i) on récupère en sortie du premier étage un premier perméat et à l’étape ii) on met en œuvre un réformeur et on utilise le premier perméat comme combustible dans les brûleurs du réformeur.
  • à l’étape ii) le flux B est introduit dans un deuxième étage de séparation membranaire et on récupère en sortie du biométhane. On récupère également un second perméat qui pourra être utilisé comme combustible dans les brûleurs de l’unité de vaporéformage.
  • à l’étape i) le flux de biogaz est purifié par adsorption de manière à fournir un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B.
  • en amont de l’étape i) le flux de biogaz est comprimé et désulfuré. Notons que les composés organiques volatils et les siloxanes pourront être éliminés en même temps que le sulfure d’hydrogène.
  • Le procédé comprend une étape de détermination du rapport CO2/CH4 choisi dans le flux A en fonction des quantités souhaitées d’hydrogène et de monoxyde de carbone dans le gaz de synthèse et/ou de la quantité souhaitée de biométhane.
  • Le procédé comprend une étape d’élaboration d’un signal de commande en fonction du rapport CO2/CH4 choisi.
  • Le procédé comprend une étape de transmission du signal de commande à l’unité de purification du flux de biogaz.
Notons que l’étape de réformage pourra être suivie d’une réaction de gaz à l’eau (water-gas shift reaction en langue anglaise) et d’une purification par adsorption de manière à produire un flux d’hydrogène.
Si le consommateur souhaite un gaz de synthèse comprenant plus d’hydrogène, la concentration en CH4 dans le flux A est ajustée à un niveau supérieur.
Si le consommateur souhaite un gaz de synthèse comprenant plus de CO, la concentration en CO2 dans le flux A est ajustée à un niveau supérieur.
Si le consommateur souhaite principalement du biométhane, le débit de flux A sera réduit et le débit de flux B augmenté.

Claims (16)

  1. Installation de production de biométhane et de gaz de synthèse à partir d’un flux de biogaz, ladite installation comprenant :
    1. Une unité de purification (3) du flux de biogaz (1) permettant de produire un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B,
    2. Une unité de vaporeformage (6) du flux A permettant de produire du gaz de synthèse (9), et
    3. Une unité de séparation membranaire (5) permettant de produire un flux de biométhane (8) à partir du flux B.
  2. Installation de production de biométhane selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’unité de purification (3) du flux de biogaz correspond au premier étage de séparation par membrane de l’unité de séparation membranaire (5).
  3. Installation de production de biométhane selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l’unité de purification (3) du flux de biogaz est une unité PSA.
  4. Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’elle comprend en amont de l’unité de purification du flux de biogaz une unité de compression du flux de biogaz.
  5. Installation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend en amont de l’unité de purification (3) une unité de désulfuration (2).
  6. Installation selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu’elle comprend un moyen d’élaboration (4) d’un signal de commande en fonction du rapport CO2/CH4 choisi.
  7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’elle comprend un moyen de transmission (7) du signal de commande à l’unité de purification (3) du flux de biogaz.
  8. Procédé de production de biométhane et de gaz de synthèse, à partir d’un flux de biogaz, mettant en œuvre une installation telle que définie à l’une des revendications 1 à 7, et comprenant :
    1. Une étape de purification du flux de biogaz de manière à produire un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B ;
    2. Une étape de vaporeformage du flux A de manière à produire du gaz de synthèse, et
    3. Une étape de séparation membranaire de manière à produire un flux de biométhane à partir du flux B.
  9. Procédé de production selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’à l’étape i) le flux de biogaz est introduit dans un premier étage de séparation membranaire de l’unité de séparation membranaire mise en œuvre à l’étape iii) et on récupère en sortie du premier étage un premier rétentat qui est divisé en un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B.
  10. Procédé de production selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’à l’étape i) on récupère en sortie du premier étage un premier perméat et à l’étape ii) on met en œuvre un réformeur et on utilise le premier perméat comme combustible dans les brûleurs du réformeur.
  11. Procédé de production selon l’une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu’à l’étape ii) le flux B est introduit dans un deuxième étage de séparation membranaire et on récupère en sortie du biométhane.
  12. Procédé de production selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’à l’étape i) le flux de biogaz est purifié par adsorption de manière à fournir un flux A présentant un rapport CO2/CH4 choisi et un flux B.
  13. Procédé de production selon l’une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu’en amont de l’étape i) le flux de biogaz est comprimé et désulfuré.
  14. Procédé de production selon l’une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de détermination du rapport CO2/CH4 choisi dans le flux A en fonction des quantités souhaitées d’hydrogène et de monoxyde de carbone dans le gaz de synthèse et/ou de la quantité souhaitée de biométhane.
  15. Procédé de production selon l’une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’élaboration d’un signal de commande en fonction du rapport CO2/CH4 choisi.
  16. Procédé de production selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de transmission du signal de commande à l’unité de purification du flux de biogaz.
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