FR3138428A1 - Procede de traitement de dechets complexes - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de traitement d’un mélange M1, ledit procédé comprenant : a) Une étape de mise sous pression du mélange M1, permettant d’obtenir un mélange M1p, b) une étape de chauffage du mélange M1p, permettant d’obtenir un mélange M2, c) une étape de séparation du mélange M2 afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique, d) une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur au moins une fraction du flux M4, afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide, e) une étape de refroidissement et de séparation du mélange M5 permettant d’obtenir d’une part un gaz M6 et d’autre part un effluent liquide M7, ledit procédé comprenant en outre au moins une étape d’injection d’au moins un oxydant dans au moins un flux choisi parmi : - au moins une fraction du flux M3, permettant d’obtenir un flux M3’, - au moins une fraction du flux M4, permettant d’obtenir un flux M4’, et - au moins une fraction de l’effluent liquide M7, permettant d’obtenir un flux M7’. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne le domaine du traitement de déchets complexes, comprenant de la matière organique et de la matière inorganique, tels que des déchets aqueux, des digestats de bioressources (biomasses) et des boues d'épuration.
Les traitements de déchets complexes imposent des températures élevées et par conséquent des coûts énergétiques élevés.
La gazéification hydrothermale est un procédé consistant typiquement à soumettre une biomasse à des températures élevées et des pressions élevées. Elle requière donc des dépenses élevées en énergie, notamment en chaleur.
Pour diminuer les dépenses énergétiques de ce procédé, des systèmes de récupération thermique de la chaleur des produits de sortie de la réaction pour préchauffer les intrants existent. Cependant, ces systèmes de récupération thermique font face à de multiples problèmes :
- Problème de cout : la surface d’acier de haute qualité nécessaire pour ces systèmes de récupération thermique entraine un coût très important.
- Problème de colmatage : les échangeurs sont soumis à des bouchages réguliers.
- Problème de non-homogénéité thermique : la mauvaise conduction thermique de la biomasse entraine des dispersions de la température au sein même du déchet.
- Problème de “pincement” : ces systèmes de récupération thermique ne peuvent pas récupérer toute la chaleur du produit de sortie car la différence de températures entre la température du produit d’entrée et la température du produit de sortie doit être suffisamment élevée pour ne pas conduire à un échangeur “infini”.
- De plus ce problème de pincement intervient aussi au niveau des températures supercritiques car pour ces températures, une faible augmentation de température conduit à une forte différence d’énergie donc les deux produits chauds et froids vont avoir tout une zone ou les deux produits seront à une température proche.
De plus, souvent pour chauffer le résiduel de température du au pincement (lorsque 2 flux ont une température trop proche, il n’y a pas un bon échange thermique), on utilise les gaz produits pour les bruler et ensuite récupérer la chaleur de combustion.
L’invention propose un procédé de traitement de déchets complexes avec une meilleure gestion des dépenses énergétiques, notamment de la chaleur tout au long du procédé, tout en maintenant un haut rendement de valorisation des déchets.
L’invention concerne un procédé de traitement d’un mélange M1 comprenant au moins de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- Une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression de 150 à 350 bars, permettant d’obtenir un mélange M1p,
- une étape de chauffage du mélange M1p à une température allant de 200°C à 500°C, permettant d’obtenir un mélange M2,
- une étape de séparation du mélange M2 afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique, afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- une étape de refroidissement et de séparation du mélange M5 permettant d’obtenir d’une part un gaz M6 et d’autre part un effluent liquide M7,
ledit procédé comprenant en outre au moins une étape d’injection d’au moins un oxydant dans au moins un flux choisi parmi :
- au moins une fraction du flux M3 enrichi en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M3, permettant d’obtenir un flux M3’,
- au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M4, permettant d’obtenir un flux M4’, et
- au moins une fraction de l’effluent liquide M7, de préférence sur la totalité de l’effluent liquide M7, permettant d’obtenir un flux M7’.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend en outre au moins une étape f) de récupération de la chaleur présente dans au moins un flux oxydé choisi parmi M3’ ou M7’.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend en outre, en amont de l’étape a) :
- une étape d’hydrolyse du mélange M1 à une température allant de 70 à 165°C et à une pression allant de 2 à 8 bars, afin d’obtenir un mélange M1h, et/ou
- une étape de broyage mécanique du mélange M1 ou M1h.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, ladite au moins une étape f) de récupération de chaleur est mise en œuvre à l’aide d’un échangeur de chaleur entre le flux oxydé M3’ ou M7’ et le mélange M1, M1h ou M1p.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend en outre au moins une autre injection d’oxydant mise en œuvre :
- Dans le mélange M1, et/ou
- Eventuellement dans le mélange M1h, et/ou
- Eventuellement dans le mélange M1 lors de l’étape d’hydrolyse, et/ou
- dans le mélange M1p en amont de l’étape b), et/ou
- dans le mélange M1p lors de l’étape b), et/ou
- dans le mélange M2 en amont de l’étape c).
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, le mélange M1 comprend de 5 à 50% en poids de matières solides, de préférence de 15 à 25% en poids de matière solides, par rapport au poids total du mélange M1.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, le mélange M1 comprenant au moins de la matière organique comprend en outre du phosphore, le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c) comprenant alors du phosphore, le phosphore étant récupéré avec un rendement d’au moins 70%.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’oxydant est choisi parmi l’oxygène liquide, le peroxyde d’hydrogène, l’air, les sels de permanganate tels que le permanganate de potassium.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’oxydant est ajouté en une proportion stoechiométrique allant de 5% à 200% par rapport à la matière organique.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend :
- un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1p, permettant d’une part de refroidir le mélange M5 lors de étape e) et d’autre part de chauffer le mélange M1p,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’,
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M7’ et le mélange M1, M1h ou M1p, permettant d’une part de refroidir le flux oxydé M7’ et d’autre part de chauffer le mélange M1, M1h ou M1p, de préférence M1p lors de l’étape b).
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention comprend en outre une étape de digestion d’au moins une fraction du flux M7 ou M7’’ obtenu par refroidissement du flux M7’, de préférence d’au moins une fraction du flux M7’’ obtenu par refroidissement du flux M7’.
De préférence, l’étape de digestion est une digestion anaérobie.
L’invention a également pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé de traitement selon l’invention, ladite installation comprenant :
- une pompe de mise sous pression 3 alimenté par le mélange M1 ou éventuellement par le mélange hydrolysé éventuellement broyé et comportant une sortie pour le mélange M1p,
- un dispositif de chauffage 4 comportant une entrée permettant d’introduire au moins une fraction du mélange M1p en aval de la pompe 3,
- un dispositif de séparation 5 alimenté par au moins une fraction du mélange chauffé issu du dispositif de chauffage 4 et comportant une sortie pour un flux M3 enrichi en matière inorganique et une sortie pour un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- un réacteur de gazéification hydrothermale 8 alimenté par au moins une fraction du flux M4 issu du dispositif de séparation 5 et comportant une sortie de mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- Un dispositif de séparation 9 en aval du réacteur de gazéification 8, alimenté par au moins une fraction du mélange M5 préalablement refroidi, et comportant au moins une sortie pour un effluent gazeux M6 et au moins une sortie pour un effluent liquide M7,
- Au moins un dispositif d’injection d’oxydant situé :
- dans la ligne de flux M3 enrichi en matière inorganique ou dans un réacteur d’oxydation alimenté par le flux M3,
- dans la ligne de flux M4, et/ou
- dans la ligne de flux M7.
Selon un mode de réalisation, l’installation de l’invention comprend en outre :
- un ou plusieurs réacteur(s) d’hydrolyse 1 comportant éventuellement un dispositif d’agitation, alimenté(s) en entrée par une ligne d’amené du mélange M1 à traiter et comportant une ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h, et
- éventuellement un dispositif de broyage mécanique alimenté par la ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h et comportant une ligne de sortie du mélange hydrolysé et broyé,
- éventuellement au moins un dispositif d’échange de chaleur 10 entre au moins un des flux M3 et/ou M7 en aval du dispositif d’injection et au moins un flux choisi parmi M1, M1h, M1p ou M2.
Selon un mode de réalisation, l’installation de l’invention comprend :
- Au moins un dispositif d’injection d’oxydant dans la ligne de flux M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’, et
- Un moyen d’échange de chaleur permettant de récupérer la chaleur du mélange M5 et de la transférer au mélange M1p, et
- Un moyen d’échange de chaleur permettant de récupérer la chaleur du flux M7’ et de la transférer au mélange M1, M1h ou M1p,
étant entendu qu’un des deux moyens d’échange de chaleur peut être confondu avec le dispositif de chauffage 4.
L’invention permet d’améliorer le traitement d’une matière organique dans une matrice complexe. L’amélioration du traitement permet une meilleure valorisation d’une part de matières inorganiques, tels que les sels, et d’autres part d’une matière organique.
Grâce au procédé selon l’invention, d’une part, une partie de la matière organique est brulée directement dans le système pour produire la température requisein situen consommant donc moins de carbone que dans un système à combustion externe pour aboutir au même résultat, d’autre part, cette combustion sera finement contrôlée pour maitriser les températures. Enfin cette combustion interne sera intégrée avec une récupération de chaleur à la fois en limitant les couts grâce à une augmentation de la viscosité et grâce au déplacement du pincement.
En outre, les conditions hydrothermales ajoutées à un oxydant permettent de produire cette réaction de combustion interne.
Enfin dans les procédés de gazéification hydrothermale une étape de séparation de la matière inorganique a lieu en profitant des conditions supercritiques qui permettent d’insolubiliser la matière inorganique et donc de la récupérer d’une manière séparée. Toutefois technologiquement il est compliqué de récupérer une matière inorganique pure. Il convient d’évacuer avec cette matière inorganique, une quantité importante d’eau qui est toujours liée à de la matière organique qui n’a pas réagi.
Grâce au procédé de l’invention, l’injection d’oxydant dans cette matière organique en plusieurs étapes du procédé permet de dégager de la chaleur et d’avoir un résidu inorganique purifié de cette matière organique et conséquemment plus valorisable.
La configuration du procédé proposé dans cette invention permet d’une manière inventive d’intégrer l’ensemble des problématiques de l’état de la technique identifiées par les inventeurs.
L’invention concerne un procédé de traitement d’un mélange M1 comprenant au moins de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- Une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression de 150 à 350 bars, de préférence entre 200 et 250 bars, permettant d’obtenir un mélange M1p,
- une étape de chauffage du mélange M1p à une température allant de 200°C à 500°C, de préférence de 250°C à 350°C, permettant d’obtenir un mélange M2,
- une étape de séparation du mélange M2 issu de l’étape b) afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique, de préférence sur la totalité du flux M4, afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- une étape de refroidissement et de séparation du mélange M5 permettant d’obtenir d’une part un gaz M6 et d’autre part un effluent liquide M7,
ledit procédé comprenant en outre au moins une étape d’injection d’au moins un oxydant dans au moins un flux choisi parmi :
- au moins une fraction du flux M3 enrichi en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M3,
- au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M4,
- au moins une fraction de l’effluent liquide M7, de préférence sur la totalité de l’effluent liquide M7.
Typiquement, l’ajout de l’oxydant dans un flux permettra d’engendrer des réactions d’oxydation exothermiques dans ledit flux, produisant ainsi un flux oxydé.
Ainsi, selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend en outre au moins une étape f) de récupération de la chaleur présente dans au moins un flux oxydé (flux obtenu après injection de l’oxydant) choisi parmi les flux M3’ ou M7’.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend au moins une étape d’injection d’un oxydant dans au moins une fraction du flux M3 enrichi en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M3, permettant d’obtenir un flux oxydé M3’. De préférence, selon ce mode de réalisation, le procédé comprend en outre au moins une étape de récupération de la chaleur émise lors de l’oxydation du flux M3 pour chauffer au moins partiellement le mélange M1 en amont de l’étape de chauffage b). Ainsi, il peut s’agir du mélange M1, M1h ou M1p.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend au moins une étape d’injection d’un oxydant dans au moins une fraction du flux M7, de préférence la totalité du flux M7, permettant d’obtenir un flux oxydé M7’. De préférence, selon ce mode de réalisation, le procédé comprend en outre au moins une étape de récupération de la chaleur émise lors de l’oxydation du flux M7’ pour chauffer au moins partiellement le mélange M1 en amont de l’étape de chauffage b). Ainsi, il peut s’agir du mélange M1, M1h ou M1p.
Au sens de la présente invention, l’expression « au moins une fraction d’un mélange ou flux » a le même sens que l’expression « tout ou partie dudit mélange ou flux ». Lorsqu’il s’agit d’une partie dudit mélange ou dudit flux, cette expression se réfère à une certaine proportion dudit mélange ou dudit flux. Par exemple, au sens de cette expression « chaque fraction du mélange » ou « chaque fraction du flux » aura la même composition.
Ainsi, au sens de la présente invention, l’expression « étape X mise en œuvre sur la totalité du flux M issu de l’étape Y » signifie que les étapes X et Y sont successives et qu’il n’y a pas d’étape intermédiaire de séparation entre les étapes X et Y, étant entendu qu’il pourrait y avoir un refroidissement/chauffage du flux M entre les étapes X et Y, notamment par échange de chaleur pouvant éventuellement impliquer un échange de flux.
Mélange M1 comprenant au moins de la matière organique
Le mélange M1 comprend au moins de la matière organique. Typiquement, le mélange M1 comprend en outre de la matière inorganique. Parmi la matière inorganique, on peut citer les sels comprenant les anions tels que les phosphates, sulfates, chlorures, carbonates et hydrocarbonates avec comme contre ions par exemple le sodium, le magnésium, le calcium l’ammonium et les métaux.
Le mélange M1 peut par exemple être choisi parmi les boues primaires, mixtes ou biologiques des stations d'épuration municipales et industrielles.
Selon un mode de réalisation, le mélange M1 comprend de 5 à 50% en poids de matières solides, de préférence de 15 à 25% en poids de matières solides, par rapport au poids total du mélange M1.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend une étape d’hydrolyse du mélange M1, mise en œuvre en amont de l’étape a) de mise sous pression.
L’étape d’hydrolyse est mise en œuvre à une température allant de 70 à 165°C et à une pression allant de 2 à 8 bars.
L’étape d’hydrolyse permet de diminuer la viscosité du mélange. Ainsi, l’éventuelle étape d’hydrolyse permet d’obtenir un mélange M1h aussi appelé hydrolysat.
L’étape d’hydrolyse permet de dégrader la matière organique, en particulier elle permet de casser les liaisons chimiques et de dépolymériser la matière organique par effet de l’eau.
Le mélange M1h aura typiquement une viscosité au moins 2 fois plus faible, de préférence au moins 4 fois plus faible, de préférence encore au moins 10 fois plus faible que la viscosité du mélange M1.
Ainsi, le ratio entre la viscosité du mélange M1 et la viscosité du mélange M1h est d’au moins 2, de préférence d’au moins 4, de préférence encore d’au moins 10.
La viscosité définie dans le cadre de la présente invention est une viscosité cinématique mesurée à la même température (20°C par exemple) en utilisant les rhéomètres adaptés à la viscosité à mesurer (cylindre – cylindre, plan-plan) et en mesurant au même cisaillement (en s-1) les deux viscosités en veillant typiquement à supprimer les problématiques de turbulence et au respect des règles rhéologiques (par exemple écartement entre cylindre en fonction de la granulométrie).
L’étape d’hydrolyse mise en œuvre sur le mélange M1 peut être mise en œuvre dans un ou plusieurs réacteurs d’hydrolyse en parallèle ou en série.
Ladite étape d’hydrolyse permet d’hydrolyser le mélange M1 grâce notamment au maintien d’un temps de séjour hydraulique moyen aux températures et aux pressions souhaitées (de préférence, des températures allant de 70 à 165°C et pressions allant de 2 à 8 bars), étant entendu que si l’étape d’hydrolyse est mise en œuvre dans plusieurs réacteurs d’hydrolyse, la température peut être identique ou différente dans les différents réacteurs, de même, la pression peut être identique ou différente dans les différents réacteurs.
Avantageusement, l’étape d’hydrolyse mettra en œuvre une étape de récupération d’énergie interne, permettant ainsi de minimiser la consommation thermique de l’hydrolyse. Par exemple, il pourrait y avoir une boucle de recirculation d’énergie de l’hydrolysat chaud vers le produit à hydrolyser froid via par exemple par production de vapeur de détente de l’hydrolysat chaud et injection dans le produit à hydrolyser froid ou échange thermique.
A la sortie de l’étape d’hydrolyse, un hydrolysat M1h est obtenu, ledit hydrolysat M1h n’est pas nécessairement aux températures et pressions souhaitées pour l’hydrolyse. En effet, avant la sortie de l’étape d’hydrolyse, l’hydrolysat pourrait éventuellement subir une étape de refroidissement et/ou de détente.
En particulier, par exemple si l’hydrolyse est mise en œuvre à une température élevée, par exemple allant de 100 à 165°C, alors il pourrait être souhaitable de refroidir l’hydrolysat par exemple jusqu’à une température inférieure à 90°C, de sorte à ce que le flux M1h ait une température plus faible pour la mise sous pression dans l’étape a) du procédé de l’invention
L’extraction de l’hydrolysat M1h peut être contrôlée par une mesure de la viscosité.
Selon un mode de réalisation, un additif est ajouté dans le mélange M1 à traiter avant l’entrée dans le dispositif d’hydrolyse.
Selon un mode de réalisation, une quantité contrôlée de vapeur peut être injectée dans le(s) réacteur(s) d’hydrolyse et diffusée à travers le mélange M1. Ce contrôle peut être effectué par une mesure de la température dans le réacteur d’hydrolyse. Ainsi, lorsque la température de consigne est atteinte, l’injection de vapeur peut être stoppée.
La vapeur peut être injectée :
- en amont de l’hydrolyse dans l’entrée avec un mélangeur type mélangeur dynamique, et/ou
- directement dans le réacteur d’hydrolyse, préférentiellement en partie basse de manière tangentielle pour éviter les bouchages de boues, et/ou
- dans une boucle de recirculation de la boue hydrolysée.
Selon un mode de réalisation, lors de l’hydrolyse, le mélange M1 est mélangé, par exemple il est agité.
Le réacteur d’hydrolyse peut être un réacteur batch éventuellement agité.
Avant la mise sous pression, le procédé de traitement peut éventuellement comprendre une étape de broyage, de préférence un broyage mécanique.
Lorsqu’elle est présente, l’étape de broyage du mélange M1 peut être mis en œuvre avant, pendant ou après l’hydrolyse. Dans ce dernier cas, le broyage est alors mis en œuvre sur le mélange M1h.
Lorsque le procédé de l’invention met en œuvre une étape d’hydrolyse combinée à une étape de broyage, alors le procédé de l’invention pourra éventuellement comprendre une étape de recirculation d’au moins une fraction de l’hydrolysat broyé à l’entrée de l’étape d’hydrolyse.
Selon un mode de réalisation, le(s) réacteur(s) d’hydrolyse comprennent une boucle de recirculation munie d’un dispositif de broyage, permettant d’introduire au moins une fraction de l’hydrolysat dans ledit dispositif de broyage et de retourner au moins une fraction, de préférence la totalité, de l’hydrolysat ainsi broyé, à l’entrée de l’étape d’hydrolyse.
Cette étape de broyage a pour objectif de diminuer la granulométrie du mélange M1, typiquement pour que la granulométrie de la fraction solide soit inférieure à 1000 µm de préférence inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 100µm.
On entend une granulométrie “inférieure à X µm” le fait que 95% des particules solides soient retenues au tamis de maille carrée de X µm et que les 5% restantes n’aient pas une taille supérieure à 3 fois X µm.
Outre la réduction de granulométrie qui permet de minimiser les bouchages aval, l'étape de broyage permet une homogénéisation du mélange M1 et une réduction de la viscosité qui permettront une bien meilleure maitrise des paramètres process du fonctionnement de la gazéification hydrothermale.
Au même titre que l’étape d’hydrolyse, le broyage et la diminution de la taille des particules contribue elle aussi à l’homogénéisation de la biomasse.
Dans les réacteurs mettant en œuvre de fortes pressions, il est difficile d’avoir une agitation mécanique, la baisse de la viscosité mise en œuvre grâce à l’étape d’hydrolyse permet en outre d’améliorer la turbulence interne et donc d’améliorer l’homogénéisation dans les réacteurs sous pression.
Le procédé selon l’invention comprend une étape de mise sous pression du mélange M1, le cas échéant du mélange M1 hydrolysé (on parlera alors du mélange M1h), à une pression allant de 150 à 350 bars, de préférence de 200 à 250 bars.
La mise sous pression est mise en œuvre en amont de l’étape de chauffage b) afin d’éviter la vaporisation du mélange.
Pour l’étape de mise sous pression, une pompe peut être prévue sur la ligne en sortie du réacteur d’hydrolyse lorsqu’il est présent.
Dans un autre mode de réalisation une pompe prévue à cet effet gave la pompe de mise en pression.
Dans le cadre de la présente invention, l’expression « le cas échéant M1h » signifie que la caractéristique s’applique uniquement si l’étape d’hydrolyse est présente puisque si elle n’est pas mise en œuvre, le flux M1h n’existe pas.
Le procédé selon l’invention comprend une étape de chauffage du mélange M1 à une température allant de 200 à 500°C, de préférence allant de 250 à 350°C.
Selon un mode de réalisation mettant en œuvre une étape d’hydrolyse, ladite étape de chauffage est de préférence mise en œuvre en aval de l’étape de mise sous pression.
Selon un mode de réalisation mettant en œuvre une étape de broyage, ladite étape de chauffage est de préférence mise en œuvre en aval de l’étape de mise sous pression.
Au moins une partie du chauffage du mélange M1 (ou M1h si hydrolyse) peut être mise en œuvre dans un échangeur de chaleur, par exemple par échange de chaleur en utilisant la chaleur récupérée lors de l’étape f) de récupération de la chaleur dans au moins un flux oxydé.
Ainsi, un échangeur de chaleur peut être présent (en aval de la pompe de mise sous pression), ledit échangeur de chaleur étant configuré pour récupérer la chaleur émise lors de l’étape d’oxydation suite à l’ajout d’au moins un oxydant et pour chauffer le mélange M1 avant l’étape de séparation c) ou le mélange M1h si une étape d’hydrolyse est présente.
Selon un mode de réalisation, un oxydant est en outre ajouté dans au moins un flux choisi parmi le mélange M1, le cas échéant M1h, le mélange M1p, le mélange M2.
Selon un mode de réalisation, l’oxydant est choisi parmi des réactifs oxydants tels que de l’oxygène liquéfié, l’eau oxygénée, l’air, les sels de permanganates tels que le permanganate de potassium.
Le procédé selon l’invention comprend une étape de séparation du mélange M2 issu de l’étape b), afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique.
Au sens de la présente invention, on entend par « flux enrichi en matière inorganique », un flux comprenant une proportion massique de matière inorganique supérieure à la proportion massique de matière inorganique dans le mélange M2.
Au sens de la présente invention, on entend par « flux appauvri en matière inorganique », un flux comprenant une proportion massique de matière inorganique inférieure à la proportion massique de matière inorganique dans le mélange M2.
Selon un mode de réalisation, le ratio entre la concentration en matières inorganiques dans le flux enrichi M3 et la concentration en matière inorganique dans le mélange M2 est d’au moins 2, de préférence d’au moins 5.
L’étape de séparation est typiquement mise en œuvre dans un dispositif de séparation comportant une ligne d’amenée du mélange M2 issu de l’étape a) et deux lignes de sortie : (i) une ligne d’extraction du flux enrichi en matière inorganique M3 et (ii) une ligne d’extraction du flux appauvri en matière inorganique M4.
Le dispositif de séparation peut être un dispositif de séparation par gravitation ou par effet hydraulique type cyclone typiquement muni en partie basse d’un système de vidange fonctionnant en continu ou par intermittence.
Selon un mode de réalisation, le mélange M1 comprend du phosphore et le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c) comprend au moins 70% en poids du poids total de phosphore présent dans le mélange M1. En d’autres termes, au moins 70% en poids du phosphore présent dans le mélange M1 est récupéré dans le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c).
Selon un mode de réalisation, le mélange M1 comprend du phosphore et le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c) comprend du phosphore, de préférence en une proportion allant de 1 à 20% en poids sec, par rapport au poids total sec du flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c).
Le procédé de traitement selon l’invention comprend au moins une étape d’injection d’au moins un oxydant.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un oxydant est choisi parmi entre autres parmi l’oxygène liquide, le peroxyde d’hydrogène, l’air, les sels de permanganate tel que le permanganate de potassium.
L’injection peut être mise en œuvre directement dans la ligne de flux ou dans un réacteur d’oxydation, de préférence, l’oxydant est injecté directement dans la ligne de flux et l’oxydation se fera de préférence directement en ligne (sans dispositif spécifique de type réacteur d’oxydation).
Lorsqu’un réacteur d’oxydation est mis en œuvre, l’oxydant peut être injecté soit dans la ligne de flux en amont du réacteur soit dans le réacteur. Selon ce mode de réalisation, le temps de séjour dans le réacteur d’oxydation peut aller de 1 à 300 secondes.
Typiquement, la quantité d’oxydant pourra être ajustée en fonction de l’objectif visé par l’oxydation. Ainsi, si l’oxydation est mise en œuvre pour le chauffage alors la quantité d’oxydant pourra être ajustée en fonction des températures souhaitées. SI l’oxydation est mise en œuvre pour détruire la matière organique et produire une matière minérale exempt de matière organique, l’oxydant sera mise en œuvre en excès, la quantité d’excès n’ayant pas besoin d’être contrôlée. Si l’oxydation est mise en œuvre pour rendre la matière organique plus facilement digérable, alors la quantité d’oxydant pourra être ajustée en fonction de la digestibilité de l’effluent, mesurée à la quantité de carbone organique totale (COT, pour Carbone Organique Total) qui pourra être mesurée en aval du procédé de digestion.
De préférence, l’oxydant est ajouté à au moins l’un des flux choisis parmi le flux M3 le flux M4, et le flux M7 en une proportion stœchiométrique allant de 5% à 200% par rapport à la matière organique.
Lorsqu’une récupération de chaleur est mise en œuvre, l’oxydation permet une meilleure gestion des ressources énergétiques.
Outre la ou les injections d’oxydant définies précédemment, le procédé selon l’invention peut également comprendre une ou plusieurs autres injections d’oxydant.
Ainsi, selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre au moins une injection d’oxydant dans au moins un flux choisi parmi :
- le flux de mélange M1, et/ou
- le mélange pendant une éventuelle étape d’hydrolyuse du mélange M1, et/ou
- le flux de mélange M1h en aval d’une éventuelle étape d’hydrolyse, et/ou
- le flux de mélange M1p en aval de la mise sous pression a) et en amont du chauffage b), et/ou
- le mélange M1p lors de l’étape de chauffage b), et/ou
- le flux de mélange M2 en aval de l’étape de chauffage b) et en amont de l’étape c),
de préférence choisi parmi :
- le flux de mélange M1, et/ou
- le flux de mélange M1h en aval d’une éventuelle étape d’hydrolyse, et/ou
- le flux de mélange M1p en aval de la mise sous pression a) et en amont du chauffage b), et/ou
- le flux de mélange M2 en aval de l’étape de chauffage b) et en amont de l’étape c).
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une injection d’oxydant mise en œuvre dans au moins une fraction du flux M3 enrichi en matière inorganique, de préférence dans la totalité du flux M3.
De préférence, l’oxydant est ajouté au flux M3 en une proportion stœchiométriques allant de 30% à 200% par rapport à la matière organique, de préférence de 100 à 200% par rapport à la matière organique.
L’ajout de l’oxydant permet d’oxyder le flux M3 afin d’obtenir un flux oxydé M3’.
Lorsqu’elle est mise en œuvre sur au moins une fraction du flux M3 pour obtenir un flux oxydé M3’, une telle oxydation permet notamment d’éliminer la matière organique résiduelle afin d’avoir un flux de matière inorganique plus facilement valorisable.
L'oxydation permet de "bruler" la matière organique présente avec la matière minérale dans le flux M3, ce qui permettra ensuite d'avoir un flux plus "minéral" et plus facilement séparable ensuite par précipitation / cristallisation par exemple.
Ainsi, selon un mode de réalisation, il sera possible de prévoir une étape d’ajout d’un additif dans le flux oxydé M3’ et une étape de récupération des sels. Par exemple, l’additif peut être un sel de magnésium et l’étape de récupération peut être une étape de précipitation de struvite. Le sel de magnésium pourra être choisi parmi MgO, Mg(OH)2, MgCl2.
Selon un mode de réalisation, ladite étape d’injection d’oxydant est mise en œuvre dans au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique.
L’ajout de l’oxydant permet d’oxyder le flux M4 afin d’obtenir un flux oxydé M4’.
Une telle injection d’oxydant permettra notamment de chauffer le flux M4 en amont de l’étape de gazéification hydrothermale d), ceci permettra d’avoir un recours minimal à des sources de chauffage externe ou à l’échange thermique, et ainsi de réduire les dimensions des échangeurs de chaleur.
La proportion d’oxydant pourra être par exemple contrôlée par la température visée après l’oxydation. Ainsi, des capteurs de température peuvent être présents en ligne en aval des points d’injection d’oxydant. Des unités de contrôle pourront ainsi ajuster la quantité d’oxydant injectée en fonction de la mesure de température en aval des points d’injection d’oxydant.
De préférence, l’oxydant est ajouté au flux M4 en une proportion stœchiométrique allant de 5% à 50% par rapport à la matière organique, de préférence de 5 à 20% par rapport à la matière organique.
Selon un mode de réalisation, ladite étape d’injection d’oxydant est mise en œuvre dans au moins une fraction de l’effluent liquide M7.
Une telle injection d’oxydant permettra notamment de détruire les composés non désirables réfractaires à la digestion et ainsi de rendre une partie des molécules non digérables, en molécules digérables. Une matière organique sera dite "réfractaire" si elle ne peut pas être détruite par les bactéries par voie biologique aérobie pendant une durée de séjour de 20 jours.
En outre, une telle injection permettra d’augmenter la température de ce flux M7 et donc un meilleur chauffage du mélange M1, M1h, M2 lors d’une éventuelle étape de récupération de chaleur.
En outre, puisque le flux M7 est plus froid que le flux M5, l’injection d’un oxydant dans le flux M7, et non dans le flux M5, permet de ne pas monter trop haut en température (et donc de réduire les contraintes des équipements) et permet de ne pas brûler le CH4 produit dans la GH.
Ainsi, l’étape gazéification hydrothermale, suivi de l’étape de refroidissement et de séparation, couplées à l’étape d’injection d’oxydant dans le flux liquide en aval (flux M7) permet une meilleure gestion, à la fois thermique et à la fois de traitement de la matière pour faciliter une éventuelle digestion ultérieure.
De préférence, l’oxydant est ajouté au flux M7 en une proportion stœchiométrique allant de 5% à 100% par rapport à la matière organique, de préférence de 20 à 90% par rapport à la matière organique.
L’ajout de l’oxydant permet d’oxyder le flux M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’.
Lorsqu’elle est mise en œuvre dans le mélange M1, M1h, M1p ou M2, l’injection d’oxydant permet de chauffer la matière en ayant un recours minimal à l’échange thermique, ainsi d’optimiser les dépenses énergétiques et le dimensionnement des échangeurs.
Selon ce mode de réalisation avec ajout(s) d’oxydant(s) dans au moins l’un des flux M1, M1h, M1p ou M2, de préférence, l’oxydant est choisi parmi entre autres parmi l’oxygène liquide, le peroxyde d’hydrogène, l’air, les sels de permanganate tels que le permanganate de potassium.
De préférence, l’oxydant est ajouté à au moins l’un des flux choisis parmi le flux M1 ou M1h, ou le flux M1p (avant, pendant ou après l’étape de chauffage b)) et le flux M2 en une proportion stœchiométrique allant de 5% à 50% par rapport à la matière organique, de préférence de 5 à 20% par rapport à la matière organique.
Selon un mode de réalisation, le temps de séjour de l’oxydant dans le flux considéré (M1, M1h, M1p, M2, M3, M4 et/ou M7) va typiquement de 1 seconde à 5 minutes.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur le flux appauvri en matière inorganique M4 afin d’obtenir un gaz et un flux comprenant de la matière inorganique et de la matière organique.
La gazéification hydrothermale (GH) est un procédé de dépolymérisation thermique utilisé pour convertir une matière organique présente en milieu humide en un mélange ne comprenant que de petites molécules sous une température et une pression élevées à modérées.
Au cours de la GH, le carbone et l'hydrogène d'un matériau organique sont convertis, thermochimiquement sous conditions quasi critiques ou supercritiques. Une partie est convertie en composés à faibles masses molaires solubles dans l’eau.
Une autre partie est convertie en produits gaz tels que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le dihydrogène (H2), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures légers tels que l’éthane (C2H6) et le propane (C3H8).
Lors du séjour dans le réacteur de gazéification hydrothermale à des températures inférieures à 400°C, la matière organique subit, entre autres réactions, une décomposition basée sur l'hydrolyse, similaire aux réactions survenant dans le processus de liquéfaction, mais beaucoup plus rapidement. En effet, une mise en œuvre dans des conditions quasi-critiques ou supercritiques permet d'utiliser les propriétés uniques de l'eau supercritique comme solvant, qui permettent des conditions de solvatation et de réactions homogènes, conduisant à des vitesses cinétiques de réaction très élevées. En conséquence, un temps de séjour beaucoup plus court et une vitesse de chauffage beaucoup plus élevée que ceux de l'hydrolyse conventionnelle sont utilisés, limitant ou même évitant les réactions secondaires de condensation et de polymérisation responsables de la formation de bio-huile et de biochar.
Lorsque la GH fonctionne à une température supérieure à 400°C, la décomposition radicalaire des polymères (impliquant en particulier des réactions de décarboxylation, de désamination par la rupture des liaisons C-N, et de clivage C-C ou C-O) est prédominante, tandis que le reformage à la vapeur endothermique est la principale voie de réaction pour convertir les petites molécules comportant 1 à 3 atomes de carbone en oxydes de carbone et en dihydrogène et l’azote en ammoniaque.
Le méthane est également produit par méthanation du CO et du CO2, à l’aide de dihydrogène.
En conséquence, la GH peut être considérée comme un processus de décomposition transformant les résidus organiques présents dans le flux M4 en une matière plus facilement biodégradable et en de l’ammoniaque dissous dans la phase liquide.
Les conditions de traitement (en particulier la température, la pression, et dans une moindre mesure le temps de séjour) du GH peuvent être ajustées pour non seulement produire une fraction gazeuse contenant du CH4, du CO, du CO2 et du H2 (gaz de synthèse), mais aussi de produire un effluent aqueux, contenant majoritairement d’un côté des composés facilement digérables, notamment des acides carboxyliques et de l’autre côté l’ammoniaque sous forme de sel d’ammonium des acides carboniques produits.
Il convient de noter que la GH est différente de la liquéfaction hydrothermale (HTL), en particulier en ce que le taux de conversion et le niveau de décomposition de la matière organique dans la HTL ne sont pas aussi élevés que dans la GH, même lorsque la GH est exploité sous des conditions de températures modérées.
En conditions HTL, l'eau contient encore des ions HO- et H3O+ qui initient l'hydrolyse de la matière organique.
L'hydrolyse n'a lieu qu'en surface des composés cellulosiques contenus dans la fraction organique qui se dissout très peu dans le milieu sous-critique donnant des conversions assez faibles en décomposition.
Les réactions de condensation (comprenant principalement la condensation d'Aldol, l'alkylation ou l'acylation de Friedel-Craft) des intermédiaires sont une voie de réaction importante, conduisant à la formation d'un biobrut qui est une huile (également appelée bio-huile) qui peut être utilisée comme carburant, c'est-à-dire le biobrut contient des molécules organiques contenant 5 atomes de carbone ou plus, généralement de 8 à 16 atomes de carbone. En revanche, le produit liquide de GH contient principalement des composés facilement biodégradables.
La GH se distingue de la pyrolyse en ce qu'elle est opérée dans un milieu contenant de l'eau, l'eau étant dans un état supercritique ou quasi-critique.
La GH se distingue de la gazéification « conventionnelle » des matières organiques en ce que la gazéification « conventionnelle » réduit le rapport massique carbone/hydrogène (C/H), ce qui conduit à des produits à pouvoir calorifique accru, dont un gaz majoritairement composé de gaz de synthèse (mélange de H2 /CO), bio-huile et/ou solide carboné (char).
La présence d’un agent oxydant introduit dans l’un des flux M1, M1h, M1p, M2, M3, M4, M7 produit des mécanismes de combustion exothermique même à partir des conditions sous-critiques accélérant ainsi les réactions de décomposition et produisant une chaleur excédentaire qui permet d’augmenter la température du milieu plus rapidement que le chauffage par échange thermique.
Dans le procédé de traitement selon l’invention, l’étape de gazéification hydrothermale est typiquement mise en œuvre dans un réacteur de gazéification hydrothermale, alimenté en entrée par le flux appauvri en matière inorganique M4 et comportant une sortie pour le mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide, l’effluent liquide comprenant alors typiquement de la matière organique et de la matière inorganique.
Selon un mode de réalisation, le réacteur de gazéification est un réacteur tubulaire.
Le réacteur de gazéification peut éventuellement comporter un catalyseur. De préférence, le réacteur de gazéification est exempt de catalyseur.
De préférence, l’étape de gazéification hydrothermale est mise en œuvre à une température inférieure à 600°C, de préférence à une température allant de 350°C à moins de 600°C, de préférence encore allant de 450 à moins de 600°C.
De préférence, l’étape de gazéification hydrothermale est mise en œuvre à une pression supérieure ou égale à 220 bars, de préférence supérieure ou égale à 250 bars.
De préférence, le temps de séjour (global) du flux appauvri en matière inorganique M4 dans l'étape e) de GH va typiquement de 1 min à 20 min, de préférence de 2 min à 10 min, plus préférentiellement de 3 à 5 min.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de refroidissement et de séparation d’au moins une fraction du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale de l’étape d) afin d’obtenir un effluent gazeux M6 et un effluent liquide M7.
L’étape de refroidissement permet de porter le mélange M5 à une température inférieure ou égale à 250°C.
Si le procédé ne met pas en œuvre d’injection d’oxydant dans le flux M7, alors selon un mode de réalisation préféré, l’étape de refroidissement permettra de porter le mélange M5 à une température inférieure ou égale à 200°C, de préférence inférieure ou égale à 120°C, de préférence encore allant de 50 à 120°C.
Si le procédé met en œuvre au moins une injection d’oxydant dans le flux M7, alors selon un mode de réalisation préféré, l’étape de refroidissement permettra de porter le mélange M5 à une température allant de 180°C à 250°C, de préférence allant de 190 à 230°C.
Le dispositif de refroidissement peut être choisi parmi un échangeur de chaleur, flash, scrubber, cycle de rankine.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’étape de refroidissement est mise en œuvre par échange de chaleur permettant ainsi de chauffer au moins partiellement le mélange M1p lors de l’étape b) de chauffage. Selon ce mode de réalisation, l’étape b) de chauffage et l’étape d) de refroidissement sont mis en œuvre dans un même échangeur de chaleur. Le mélange M5 transfère alors de la chaleur pour chauffer le mélange M1p.
Selon un mode de réalisation, le procédé ne comprend pas d’injection d’oxydant dans le flux M7 et selon ce mode de réalisation, de préférence, le procédé comprendra, outre un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1p (correspondant à une première étape de refroidissement du mélange M5), une deuxième étape de refroidissement dans un dispositif de refroidissement, de préférence un dispositif de récupération de chaleur, en aval de la première étape de refroidissement et en amont de l’étape de séparation du mélange M5 (pour obtenir le flux M6 et le flux M7).
Selon un mode de réalisation, le flux M5 (refroidi) est détendu dans un dispositif de détente jusqu’à une pression allant de 0 à 2 bar (relatif). Cette étape de détente permet de récupérer d’une part les gaz M6 et d’autre part un effluent liquide M7. Selon ce mode de réalisation, l’effluent liquide issu de la détente peut être utilisé pour alimenter un dispositif de digestion.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend éventuellement au moins une étape de récupération de la chaleur émise lors de l’oxydation d’au moins un flux oxydé choisi parmi M3’ ou M7’, pour chauffer au moins partiellement le mélange M1, le cas échéant M1h, ou M1p.
Selon un mode de réalisation, l’étape f) de récupération de chaleur est mise en œuvre à l’aide d’un échangeur de chaleur.
Selon un mode de réalisation, la récupération de chaleur de l’étape f) est mise en œuvre au moyen d’un échange de chaleur direct entre le flux oxydé et le mélange M1 ou M1h si une hydrolyse a été mise en œuvre ou avec le mélange M1p.
L’expression « échange de chaleur direct » s’oppose à l’expression « échange de chaleur indirect ». L’échange de chaleur sera dit indirect lorsqu’un fluide caloporteur est utilisé pour récupérer la chaleur d’un flux « chaud » pour la transférer dans un autre flux « froid ».
Au contraire, l’échange de chaleur sera dit direct lorsque la chaleur d’un flux « chaud » est transférée directement à un flux « froid », sans fluide caloporteur intermédiaire.
Selon un mode de réalisation, la récupération de chaleur de l’étape f) est mise en œuvre par un échange de chaleur indirect entre le flux oxydé M3’ ou M7’ et le mélange M1, le cas échéant M1h ou M1p, au moyen d’un circuit de transfert de chaleur dans lequel circule un fluide intermédiaire de transfert de chaleur, ledit fluide récupérant la chaleur du flux oxydé pour la transmettre au mélange M1, le cas échéant M1h ou M1p.
Si le procédé met en œuvre au moins une injection d’oxydant dans le flux M7, alors de préférence, le flux oxydé M7’ est ensuite refroidi, de préférence par échange de chaleur avec au moins un flux mis en œuvre dans le procédé.
Selon un mode de réalisation, avant une éventuelle digestion, la chaleur présente dans le flux M7 est récupérée, ladite chaleur récupérée permettant de préférence de chauffer au moins partiellement le mélange M1, le cas échéant M1h, M1p, M2 et/ou M4, de préférence M1, le cas échéant M1h, M1p.
De préférence, cette récupération de chaleur est mise en œuvre par échange de chaleur entre le flux M7 et le mélange M1, M1h, ou M1p. Ainsi, la chaleur présente dans le flux M7 peut être transférer à au moins l’un des flux choisis parmi M1, M1h, M1p.
Selon un mode de réalisation, un oxydant est ajouté au flux M7 avant un tel échange de chaleur. En effet, l’oxydation du flux M7 permettra de chauffer encore davantage le flux M7, nommé M7’ après oxydation, et donc d’améliorer l’échange de chaleur entre le flux M7’ et l’un des flux choisis parmi M1, M1h, M1p, M2, de préférence M1 ou M1h ou M1p.
De préférence, après refroidissement du flux M7’ par exemple grâce à un échange de chaleur tel que décrit ci-avant, le procédé comprend en outre (en aval du refroidissement de M7’) une étape de séparation du flux M7’ refroidi permettant d’obtenir d’une part du CO2 et d’autre part un flux M7’’. Cette étape de séparation permet de réduire la teneur en CO2, voire d’éliminer le CO2, présent dans le flux M7’ refroidi. Ledit flux M7’’, après ladite séparation du CO2, peut ensuite être utilisé comme intrant d’un digesteur et subir une digestion.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé de traitement selon l’invention comprend :
- un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1 ou le cas échéant M1h ou M1p, permettant d’une part de refroidir le mélange M5 (étape e)) et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’,
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M7’ et le mélange M1 ou le cas échéant M1h, M1p, permettant d’une part de refroidir le flux M7’ et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé de traitement selon l’invention comprend :
- un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1p, permettant d’une part de refroidir le mélange M5 (étape e)) à une température allant de 180 à 250°C, et d’autre part de chauffer le mélange M1p,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’ ayant une température allant de 200 à 350°C,
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M7’ et le mélange M1 ou le cas échéant M1h ou M1p, permettant d’une part de refroidir le flux oxydé M7’ à une température inférieure ou égale à 200°C, de préférence inférieure ou égale à 120°C, de préférence inférieure à égale à 60°C, et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé de traitement selon l’invention comprend :
- un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1 ou le cas échéant M1h ou M1p, permettant d’une part de refroidir le mélange M5 (étape e)) et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M3 afin d’obtenir un flux oxydé M3’,
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M3’ et le mélange M1 M1h, M1p, permettant d’une part de refroidir le flux M3’ et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p.
Selon un mode de réalisation, le procédé de traitement selon l’invention comprend :
- un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1p, permettant d’une part de refroidir le mélange M5 (étape e)) à une température allant de 180 à 250°C, et d’autre part de chauffer le mélange M1p,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’ ayant une température allant de 200 à 350°C,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M3 afin d’obtenir un flux oxydé M3’,
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M3’ et le mélange M1 M1h, M1p, permettant d’une part de refroidir le flux M3’ et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p.
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M7’ et le mélange M1 ou le cas échéant M1h ou M1p, permettant d’une part de refroidir le flux oxydé M7’ à une température inférieure ou égale à 200°C, de préférence inférieure ou égale à 120°C, de préférence inférieure à égale à 60°C, et d’autre part de chauffer le mélange M1 ou M1h ou M1p.
L’invention concerne également une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
L’installation selon l’invention comprend :
- éventuellement un ou plusieurs réacteurs d’hydrolyse 1 comportant éventuellement un dispositif d’agitation, alimenté en entrée par une ligne d’amené du mélange M1 à traiter et comportant une ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h,
- éventuellement un dispositif de broyage mécanique alimenté par la ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h et comportant une ligne de sortie du mélange hydrolysé et broyé,
- une pompe de mise sous pression 3 alimenté par le mélange M1 ou éventuellement par le mélange hydrolysé éventuellement broyé et comportant une sortie pour le mélange M1p,
- un dispositif de chauffage 4 comportant une entrée permettant d’introduire au moins une fraction du mélange M1p en aval de la pompe 3,
- un dispositif de séparation 5 alimenté par au moins une fraction du mélange chauffé issu du dispositif de chauffage 4 et comportant une sortie pour un flux M3 enrichi en matière inorganique et une sortie pour un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- un réacteur de gazéification hydrothermale 8 alimenté par au moins une fraction du flux M4 issu du dispositif de séparation 5 et comportant une sortie de mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- Un dispositif de séparation 9 en aval du réacteur de gazéification 8, alimenté par au moins une fraction du mélange M5 préalablement refroidi, et comportant au moins une sortie pour un effluent gazeux M6 et au moins une sortie pour un effluent liquide M7,
- Au moins un dispositif d’injection d’oxydant situé :
- dans la ligne de flux M3 enrichi en matière inorganique ou dans un réacteur d’oxydation alimenté par le flux M3,
- dans la ligne de flux M4, et/ou
- dans la ligne de flux M7.
- Eventuellement un dispositif d’échange de chaleur entre au moins un des flux M3’ et/ou M7’ en aval du dispositif d’injection et au moins un flux choisi parmi M1, M1h, M1p ou M2.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’installation comporte, en amont de la pompe de mise sous pression 3, au moins un réacteur d’hydrolyse 1.
En effet, l’installation selon l’invention peut comprendre un ou plusieurs réacteurs d’hydrolyse 1 en série ou en parallèle alimentés en entrée par une ligne d’amenée du mélange M1 et une ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h à une température inférieure ou égale à la température d’hydrolyse. Le(s) réacteur(s) d’hydrolyse 1 comporte(nt) avantageusement un dispositif de chauffage et de mise sous pression et comporte(nt) éventuellement un dispositif d’agitation, ainsi qu’avantageusement un dispositif de récupération thermique interne.
Le(s) réacteur(s) d’hydrolyse 1 peu(ven)t éventuellement être précédé(s) par un dispositif de broyage ou peut être muni d’une boucle de recirculation munie d’un dispositif de broyage ou peut être suivi d’un dispositif de broyage, en amont de la pompe 3.
L’installation selon l’invention peut comprendre en outre, un dispositif de refroidissement 9’ alimenté par au moins une fraction du mélange M5, en amont du dispositif de séparation 9.
Selon un mode de réalisation de l’installation, le dispositif de chauffage 4 est un échangeur de chaleur permettant de refroidir le mélange M5 en amont du dispositif de séparation 9, ou lorsqu’il est présent, en amont du dispositif de refroidissement 9’.
L’installation selon l’invention peut éventuellement comprendre un dispositif de digestion alimenté par au moins une fraction d’un flux M7’’ obtenu après refroidissement du flux M7’.
Selon un mode de réalisation, l’installation selon l’invention comprend au moins un dispositif d’injection d’oxydant dans la ligne de flux M7 et le dispositif de refroidissement 9’ et le dispositif de chauffage 4 sont un même échangeur de chaleur, de sorte que le flux M5 refroidi issu dudit l’échangeur de chaleur alimente alors le dispositif de séparation 9.
Selon un mode de réalisation, le réacteur d’hydrolyse est un échangeur de chaleur permettant de récupérer la chaleur d’au moins un des flux oxydé M3’ et/ou M7’ pour la transférer au mélange M1 lors de l’hydrolyse.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend en outre au moins un échangeur de chaleur 10 distinct du dispositif de chauffage 4, permettant de récupérer la chaleur d’au moins un des flux oxydés M3’ et/ou M7’ pour la transférer au mélange M1p.
Les à illustrent chacune un mode de réalisation du procédé et de l’installation selon l’invention, sans en limiter la portée.
En référence avec le schéma de la , le mélange M1 est mis sous pression à l’aide d’une pompe 3 avant d’être introduit dans un dispositif de chauffage 4 pour obtenir un mélange M2.
Le mélange M2 est introduit dans un dispositif de séparation 5 permettant d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique.
Le flux M4 issu du dispositif de séparation 5 est introduit dans un réacteur de gazéification hydrothermale 8 permettant d’obtenir un mélange M5.
Le mélange M5 peut ensuite être introduit dans un dispositif de refroidissement 9’ avant d’être séparé dans un dispositif de séparation 9 afin d’obtenir un flux gazeux M6 et un effluent liquide M7.
L’installation de la montre plusieurs points d’injection d’oxydant et donc plusieurs dispositifs d’injection. Il conviendra de noter que l’installation selon l’invention comprend au moins un dispositif d’injection d’oxydant dans au moins un des flux M3, M4 et /ou M7 (flèche pleine sur la ).
L’installation selon l’invention peut en outre comprendre au moins un dispositif d’injection d’oxydant dans au moins un des flux M1, M1p ou M2 (flèche en pointillé sur la ).
La illustre un mode de réalisation de l’invention où le procédé comprend une injection d’oxydant dans le flux M3 et au moins une étape de récupération de chaleur du flux oxydé M3’ grâce à un échangeur de chaleur 10 situé en aval de la pompe 3 et en amont du dispositif de chauffage 4.
Le flux oxydé M3’ pourra éventuellement alimenter un réacteur de précipitation ou cristallisation, après un éventuel ajout d’additif pour sélectivement faire précipiter un produit. Par exemple, un sel de magnésium peut être ajouté au flux M3’ pour former de la struvite dans un réacteur de précipitation.
Bien entendu, d’autres points d’injection d’oxydant peuvent être prévu dans le mode de réalisation de la , conformément aux points d’injection illustrés notamment à la .
La illustre un mode de réalisation de l’invention où le procédé comprend une injection d’oxydant dans le flux M7 et au moins une étape de récupération de la chaleur du flux oxydé M7’ dans un échangeur de chaleur 10 en aval de la pompe de mise sous pression 3 permettant ainsi de chauffer le mélange M1p en amont du dispositif de chauffage 4. Selon ce mode de réalisation, le dispositif de chauffage 4 est un échangeur de chaleur qui permet de refroidir le mélange M5 (lors de l’étape e)) et de chauffer le mélange M1p lors de l’étape b). Selon ce mode de réalisation, le mélange M5 refroidi est alors introduit dans un dispositif de séparation 9. Selon ce mode de réalisation également, le flux M7’’ refroidi en aval de l’échangeur de chaleur 10 est introduit dans un digesteur 11. Ce mode de réalisation est illustré à la .
Bien entendu, d’autres points d’injection d’oxydant peuvent être prévu dans le mode de réalisation de la , conformément aux points d’injection illustrés notamment à la .
La diffère de la en ce qu’un réacteur d’hydrolyse 1 est illustré. Ainsi, selon un mode de réalisation, l’installation comprend un réacteur d’hydrolyse 1 alimenté par le mélange M1 et comportant une sortie pour l’hydrolysat M1h. Selon ce mode de réalisation, un oxydant peut être injecté également dans le flux M1h.
La illustre un mode de réalisation de l’invention où le procédé comprend une étape préliminaire d’hydrolyse du mélange M1 dans un réacteur d’hydrolyse 1 en amont de la mise sous pression dans la pompe 3. Sur le mode de réalisation illustré sur cette , le procédé comprend au moins une injection d’oxydant dans le flux M3 pour obtenir un flux oxydé M3’ et au moins une étape de récupération de chaleur du flux oxydé M3’ pour la transférer dans le mélange M1 lors de l’étape d’hydrolyse, auquel cas le réacteur d’hydrolyse 1 peut être un échangeur de chaleur.
Bien entendu, d’autres points d’injection d’oxydant peuvent être prévu dans le mode de réalisation de la , conformément aux points d’injection illustrés notamment à la .
La diffère de la en ce que le dispositif de chauffage 4 est un échangeur de chaleur qui permet de refroidir le mélange M5 (lors de l’étape e)) et de chauffer le mélange M1p lors de l’étape b). Selon le mode de réalisation illustré à la , l’étape de refroidissement e) et l’étape de chauffage b) est mise en œuvre dans un échangeur de chaleur 4. Selon ce mode de réalisation illustré à la , l’installation comprend un dispositif de refroidissement 9’ en aval de l’échangeur de chaleur 4 pour refroidir encore davantage le mélange M5, en amont du dispositif de séparation 9. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque l’installation ne comprendra pas de dispositif d’injection d’oxydant sur le flux M7 en aval du dispositif de séparation 9.
Ainsi, selon ce mode de réalisation, le mélange M5 refroidi est alors introduit dans un dispositif de séparation 9.
La diffère de la en ce que l’oxydant est injecté dans le flux M7 et en ce que le flux oxydé M7’ permet de chauffer le mélange M1 lors de l’étape d’hydrolyse 1. Selon ce mode de réalisation également, le flux M7’’ refroidi en aval de l’échangeur de chaleur 10 est introduit dans un digesteur 11.
L’installation selon l’invention peut bien entendu comprendre une ou plusieurs des caractéristiques décrites dans le cadre du procédé selon l’invention.
Claims (15)
- Procédé de traitement d’un mélange M1 comprenant au moins de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- Une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression de 150 à 350 bars, permettant d’obtenir un mélange M1p,
- une étape de chauffage du mélange M1p à une température allant de 200°C à 500°C, permettant d’obtenir un mélange M2,
- une étape de séparation du mélange M2 afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique, afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- une étape de refroidissement et de séparation du mélange M5 permettant d’obtenir d’une part un gaz M6 et d’autre part un effluent liquide M7,
- au moins une fraction du flux M3 enrichi en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M3, permettant d’obtenir un flux M3’,
- au moins une fraction du flux M4 appauvri en matière inorganique, de préférence la totalité du flux M4, permettant d’obtenir un flux M4’, et
- au moins une fraction de l’effluent liquide M7, de préférence sur la totalité de l’effluent liquide M7, permettant d’obtenir un flux M7’.
- Procédé de traitement selon la revendication 1, comprenant en outre au moins une étape f) de récupération de la chaleur présente dans au moins un flux oxydé choisi parmi M3’ ou M7’.
- Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre, en amont de l’étape a) :
- une étape d’hydrolyse du mélange M1 à une température allant de 70 à 165°C et à une pression allant de 2 à 8 bars, afin d’obtenir un mélange M1h, et/ou
- une étape de broyage mécanique du mélange M1 ou M1h.
- Procédé de traitement selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ladite au moins une étape f) de récupération de chaleur est mise en œuvre à l’aide d’un échangeur de chaleur entre le flux oxydé M3’ ou M7’ et le mélange M1, M1h ou M1p.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre au moins une autre injection d’oxydant mise en œuvre :
- Dans le mélange M1, et/ou
- Eventuellement dans le mélange M1h, et/ou
- Eventuellement dans le mélange M1 lors de l’étape d’hydrolyse, et/ou
- dans le mélange M1p en amont de l’étape b), et/ou
- dans le mélange M1p lors de l’étape b), et/ou
- dans le mélange M2 en amont de l’étape c).
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le mélange M1 comprend de 5 à 50% en poids de matières solides, de préférence de 15 à 25% en poids de matière solides, par rapport au poids total du mélange M1.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le mélange M1 comprenant au moins de la matière organique comprend en outre du phosphore, le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c) comprenant alors du phosphore, le phosphore étant récupéré avec un rendement d’au moins 70%.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’oxydant est choisi parmi l’oxygène liquide, le peroxyde d’hydrogène, l’air, les sels de permanganate tels que le permanganate de potassium.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l’oxydant est ajouté en une proportion stoechiométrique allant de 5% à 200% par rapport à la matière organique.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant :
- un échange de chaleur entre le mélange M5 et le mélange M1p, permettant d’une part de refroidir le mélange M5 lors de étape e) et d’autre part de chauffer le mélange M1p,
- une étape d’injection d’au moins un oxydant dans l’effluent liquide M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’,
- un échange de chaleur entre le flux oxydé M7’ et le mélange M1, M1h ou M1p, permettant d’une part de refroidir le flux oxydé M7’ et d’autre part de chauffer le mélange M1, M1h ou M1p, de préférence M1p lors de l’étape b).
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant en outre une étape de digestion d’au moins une fraction du flux M7 ou M7’’ obtenu par refroidissement du flux M7’, de préférence d’au moins une fraction du flux M7’’ obtenu par refroidissement du flux M7’.
- Procédé de traitement selon la revendication 11, dans lequel l’étape de digestion est une digestion anaérobie.
- Installation pour la mise en œuvre d’un procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, ladite installation comprenant :
- une pompe de mise sous pression (3) alimenté par le mélange M1 ou éventuellement par le mélange hydrolysé éventuellement broyé et comportant une sortie pour le mélange M1p,
- un dispositif de chauffage (4) comportant une entrée permettant d’introduire au moins une fraction du mélange M1p en aval de la pompe (3),
- un dispositif de séparation (5) alimenté par au moins une fraction du mélange chauffé issu du dispositif de chauffage (4) et comportant une sortie pour un flux M3 enrichi en matière inorganique et une sortie pour un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- un réacteur de gazéification hydrothermale (8) alimenté par au moins une fraction du flux M4 issu du dispositif de séparation (5) et comportant une sortie de mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- Un dispositif de séparation (9) en aval du réacteur de gazéification (8), alimenté par au moins une fraction du mélange M5 préalablement refroidi, et comportant au moins une sortie pour un effluent gazeux M6 et au moins une sortie pour un effluent liquide M7,
- Au moins un dispositif d’injection d’oxydant situé :
- dans la ligne de flux M3 enrichi en matière inorganique ou dans un réacteur d’oxydation alimenté par le flux M3,
- dans la ligne de flux M4, et/ou
- dans la ligne de flux M7.
- Installation selon la revendication 13 comprenant en outre :
- un ou plusieurs réacteur(s) d’hydrolyse (1) comportant éventuellement un dispositif d’agitation, alimenté(s) en entrée par une ligne d’amené du mélange M1 à traiter et comportant une ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h, et
- éventuellement un dispositif de broyage mécanique alimenté par la ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h et comportant une ligne de sortie du mélange hydrolysé et broyé,
- éventuellement au moins un dispositif d’échange de chaleur (10) entre au moins un des flux M3 et/ou M7 en aval du dispositif d’injection et au moins un flux choisi parmi M1, M1h, M1p ou M2.
- Installation selon la revendication 13 ou 14 comprenant :
- Au moins un dispositif d’injection d’oxydant dans la ligne de flux M7 afin d’obtenir un flux oxydé M7’, et
- Un moyen d’échange de chaleur permettant de récupérer la chaleur du mélange M5 et de la transférer au mélange M1p, et
- Un moyen d’échange de chaleur permettant de récupérer la chaleur du flux M7’ et de la transférer au mélange M1, M1h ou M1p,
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| US20090126274A1 (en) * | 2005-10-04 | 2009-05-21 | Frederic Vogel | Process for Generating Methane and/or Methane Hydrate From Biomass |
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2022
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-
2023
- 2023-07-28 WO PCT/EP2023/071019 patent/WO2024023308A1/fr unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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