WO2015155427A1 - Procédé de production de biométhane avec recyclage du permeat de la séparation membranaire en tant que gaz d'inertage - Google Patents

Procédé de production de biométhane avec recyclage du permeat de la séparation membranaire en tant que gaz d'inertage Download PDF

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WO2015155427A1
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permeate
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inerting
methane
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Michael GUILLIN
Benjamin FILLION
Nicolas PAGET
Guénaël PRINCE
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a process for producing biomethane from biogas produced by anaerobic digestion; the biogas is then purified, in particular it is freed from at least its harmful components H 2 S and VOC by adsorption thus producing a partially purified biogas; at the end of the purification process, the methane and the carbon dioxide are separated by membrane permeation with production of biomethane and a gaseous permeate rich in carbon dioxide.
  • the goal is to produce bio methane according to specifications for injection into a natural gas network; the carbon dioxide-rich waste gas stream contains a small but non-zero amount of methane, dependent on the efficiency of the purification.
  • Biogas is a gaseous mixture produced by anaerobic fermentation - also known as anaerobic digestion - during the degradation of organic matter in the absence of oxygen (anaerobic fermentation), also known as anaerobic digestion.
  • the biogas contains mainly methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) in varying proportions depending on the method of production but also, to a lesser extent, water, nitrogen, hydrogen sulphide, oxygen, as well as other organic compounds, among which volatile organic compounds (VOCs) may represent up to 2 g / Nm3. According to the degraded organic materials and the techniques used, the proportions of the components differ. , but on average the biogas comprises, on dry gas, 30 to 75% of methane, 15 to 60% of C0 2 , 0 to 15% of nitrogen, 0 to 5% of oxygen, VOCs and trace compounds.
  • CH 4 methane
  • CO 2 carbon dioxide
  • VOCs volatile organic compounds
  • biogas By its constituents, biogas is a powerful greenhouse gas, but is also a significant source of renewable energy in a context of scarcity of fossil fuels. Biogas is valued in different ways:
  • the biogas can be subjected to extensive purification to obtain a biogas purified to the specifications of a natural gas so that it can be substituted for it; the biogas thus purified is also known as biomethane "; the biomethane thus completes the natural gas resources with a renewable part; it can be used for exactly the same purposes as fossil natural gas: to supply a natural gas network, a vehicle filling station, it can also be liquefied to be stored in the form of liquid natural gas (LNG).
  • LNG liquid natural gas
  • the valorization of biogas as biomethane requires the effective separation of carbon dioxide. At least two main gaseous flows are typically obtained at the outlet of a biogas purification unit.
  • the purification unit is constituted such that the first gas stream obtained is a gaseous stream rich in methane whose composition is in accordance with the specifications of the natural gas to which it will be substituted, the second gaseous stream has as main constituent of the carbon.
  • the membrane permeation purification system separates a biogas previously freed of at least its impurities (mainly H 2 O, H 2 S and COV) in two distinct streams: the retentate predominantly containing methane, the permeate containing predominantly C0 2 .
  • impurities mainly H 2 O, H 2 S and COV
  • the permeate thus contains more than 90% of C0 2 and more generally between 92 and 99.5
  • the second most abundant gas in the permeate is CH 4 , its content is generally between 8 and 0.5% can also be found nitrogen (less than 1%) and / or the oxygen (less than 2%), and / or water.
  • the permeate is generally released to the atmosphere, either directly or, depending on its CH 4 content, via a biofilter, or burned in a thermal oxidation system to destroy CH 4 .
  • the CH 4 / CO 2 separation is preceded by several so-called biogas pretreatment steps, in particular steps to partially purify the biogas by ridding it of impurities, including corrosive hydrogen sulphide, water and organic compounds. volatile.
  • biogas pretreatment steps in particular steps to partially purify the biogas by ridding it of impurities, including corrosive hydrogen sulphide, water and organic compounds. volatile.
  • the technologies conventionally used to remove H 2 S and / or VOCs are adsorption on activated carbons, iron oxides or iron chelates arranged in adsorption tanks.
  • Biomethane contains - according to the specifications of the natural gas to which it must be substituted - more than 89% of CH 4 , preferably more than 95% of CH 4 , plus preferentially more than 97% of CH 4 . ; It is desired, while respecting the specifications of the natural gas, to minimize both losses of CH 4 in the waste gas and the cost of purification.
  • Limiting losses of methane is a necessity, both for the sake of upgrading methane as a product, but also to prevent it from being released into the atmosphere, so it effectively separates the carbon dioxide present.
  • This offgas resulting from the CH 4 / CO 2 membrane separation has a sufficiently low methane content to be released into the atmosphere, so it is the most commonly used solution.
  • This gaseous stream is also sometimes used to produce carbon dioxide of industrial or food grade quality from this C0 2 rich flux resulting from a membrane separation; however, the treatment required for any of these uses requires expensive equipment and significant logistics.
  • Such use of the offgas described above is therefore not appropriate, particularly in the case of modest size installations.
  • the object of the invention is therefore to find a solution for using on site or near the offgas produced by the separation.
  • membrane - so that there are no transportation costs - such use will additionally have at least some of the following advantages:
  • purification systems use selective adsorbents such as activated carbons, iron oxides or iron chelates.
  • the adsorbents are placed in tanks through which the biogas stream to be treated passes.
  • two or more tanks can be put in series, the biogas passing in a tank and then in the other, the order of passage in the tanks can be modified through a suitable valve system.
  • the adsorbents of a tank are saturated, it is necessary to replace them. This operation is performed without stopping the purification unit, isolating the tank, the purification process continuing with the unsaturated vessel (s).
  • a biogas valorization unit in biomethane has the aim of producing a gas enriched in methane to the specifications of the natural gas to which it must be substituted (> 89% of CH 4 and even> 97 % frequently).
  • bio methane has to be injected into a natural gas network, its quality is continuously measured by an analysis system that only allows the injection if the gas reaches the required quality.
  • biogas purification technologies for producing biomethane face the problem of the presence of air, mainly nitrogen contained in biogas: when the nitrogen concentration in the biogas exceeds 8% (or 10% of air ), it is impossible to obtain in fine a biomethane containing at least 89% of CH 4 ; if the concentration of nitrogen in the biogas exceeds 2% (or 3% of air), it will be impossible to meet in fine the quality of biomethane required for the injection if it must contain at least 97% of CH 4 .
  • the inerting of the tank prior to its return online should also allow to limit the nitrogen content of the biogas when it is intended to produce biomethane.
  • the plurality of parallel digesters allows continuous cumulative biogas production and intermittent loading / unloading of waste (methanogenic inputs).
  • the volume and the number of digesters are determined according to the quantity of material to be treated to ensure the continuity of the cumulated production.
  • digesters suitable for dry and batch methanation are known, among which the most common are: a) silo digesters equipped with a tarpaulin that covers them once the silo is loaded and b) garage digesters (known as "garage box”) which are most commonly in the form of a container or rigid tunnel provided with a sealed loading door that is closed at the end of loading.
  • digesters are tightly closed allowing methanation of inputs according to an anaerobic process known as such.
  • the duration of anaerobic fermentation, corresponding to the closing time of a digester is 30 to 80 days depending on the type of inputs and methanization conditions (temperature, humidity mainly).
  • the biogas recovery lines of the digesters installed in parallel can be isolated from each other by isolation valves. This makes loading and unloading incoming and outgoing materials easy by opening the digester to allow the use of tractor-type handling means.
  • the loading time of a digester can be extended over several days. Preferably, only one methanation cell (or digester) is open at a time to perform the replacement of the inputs.
  • loading / unloading on digesters containing methane these operations are preceded by an inerting step so as to evacuate the methane contained in the reactor. equipment (usually mixed with C0 2 in the form of biogas).
  • Inerting is an operation of sufficiently diluting a volume of gaseous mixture containing a fuel (here methane) with a combustion-neutral gas (for example nitrogen) until the methane is almost zero, or below the lower limit of flammability of methane in the air, if air must then be introduced later in said volume.
  • a combustion-neutral gas for example nitrogen
  • the digester is closed hermetically to allow the implementation of anaerobic biogas production reactions.
  • it is necessary to evacuate all the air contained in the newly loaded digester so as to have a biogas to a composition compatible with that produced by the other digesters in operation. This step is crucial for the safety of the installation because the presence of oxygen in the digester could produce an explosive mixture with the methane, either in the digester or further downstream into the purification unit. The inerting evacuates the air and replaces it with a neutral gas.
  • a biogas valorization unit in biomethane is used to produce a gas enriched in methane to the specifications of the natural gas to which it must be substituted.
  • biogas purification technologies for producing biomethane face the problem of the presence of air, mainly nitrogen contained in biogas: when the nitrogen concentration in the biogas exceeds 8% (or 10% of air ), it is impossible to obtain in fine a biomethane containing at least 89% of CH 4 ; if the concentration of nitrogen in the biogas exceeds 2% (or 3% of air), it will be impossible to meet in fine the quality of biomethane required for the injection if it must contain at least 97% of CH 4 .
  • the inerting of the digester prior to its return online should also allow to limit the nitrogen content of biogas when it is intended to produce biomethane.
  • a first commonly used solution is to perform when opening the door inerting or scanning the digester air - so to simply evacuate the dangerous gas for the operator.
  • point 4 above is taken into account, the problems developed in points 5 and 6 are not taken into account, there is even an increased risk of generating an explosive mixture when restarting production. because we get air - and therefore oxygen - into a space filled with biogas.
  • Another conventional inerting solution consists in carrying out an inerting / sweeping with nitrogen: in this case the points 4 and 5 are taken into account because the nitrogen makes it possible to evacuate the dangerous gases and subsequently to avoid the creating an explosive mixture.
  • point 6 is not taken into account at all, the initial quality of the biogas produced is strongly degraded by the nitrogen contained in the digester when it goes back on line. As long as the nitrogen is not removed, the quality of the biomethane can not be reached and the biomethane produced can not be injected. On the other hand, this induces an additional cost related to the nitrogen consumption that must be supplied.
  • methane a solution for recovering waste gas from the membrane-permeate separation composed of more than 90% carbon dioxide and with very low methane content available on the biomethane production facility - which is simple and whose cost would be weak.
  • the invention proposes to use the permeate the membrane exit composition to provide inerting / sweeping functions required by the process using this gas mixture rich in C0 2 , poor in C3 ⁇ 4 and containing N 2 and O 2 in small amounts.
  • the invention thus relates to a process for producing biomethane from biogas produced by anaerobic digestion comprising at least the steps of providing methanogenic inputs, biogas production by methanisation of said methanogenic inputs, partial purification of the biogas produced by adsorption removal at least the H 2 S and / or VOC species thus producing a partially purified biogas, using at least two adsorption vessels in series for each species so that the partial purification biogas is ensured including during the renewal of the adsorbents of one of the adsorption tanks, separation by membrane permeation of methane and carbon dioxide contained in the partially purified biogas with production of at least one gas retentate rich in methane ( biomethane) suitable for use as a substitute for natural gas and a gaseous permeate rich in carbon dioxide and containing less than 7% of methane, in which process during an adsorbent renewal operation of one of the adsorbent tanks, all or part of the permeate is used as inerting
  • the methanogenic inputs whose dry matter content is between 20 and 50% are made available via at least one mobile loading means
  • the production of biogas from said inputs is carried out by methanation by discontinuous dry process using several digesters operating in parallel, which are loaded / discharged discontinuously and so that the production of biogas is ensured continuously by at least part of the digesters when one or more digesters are in the loading / unloading phase, and a portion of the permeate is further used in the process as inerting / sweeping gas during input renewal operations to inert the at least one non-production digester for the renewal of its input load.
  • This permeate resulting from the membrane separation has essential advantages for its use as inerting gas in the context of the invention, in fact it remains available - even in the case of a discontinuous dry methanization during the loading and unloading a digester because the other digesters are in the production phase and continue to generate the biogas to be purified; in addition, this continuous biogas production makes it possible to maintain stable operation at the purification and elimination units of toxic pollutants (H 2 S, VOC and NH 3 ) during the pretreatment steps and to carry out a membrane separation producing a permeate with less than 2% 0 2 and less than 1% N 2 .
  • toxic pollutants H 2 S, VOC and NH 3
  • This stability of the quality of the permeate means that it can therefore be used to inert / sweep the adsorbents and digesters tanks by respecting points 1 to 6. Indeed the concentration of methane is low enough to avoid any risk of creating an explosive atmosphere when opening the digester and / or the tank and the other components of the permeate are not dangerous (points 1 and 4).
  • the tank (or the digester) contains less than 2% of 0 2, content low enough to avoid any risk of creating a explosive atmosphere (points 2 and 5), and finally the nitrogen content (less than 1% of N 2 ) is low enough not to disturb the purification or degrade the quality of the biomethane (points 3 and 6), so it will be possible once the tank (or digester) is put back online after refueling to respect the quality of gas required to inject into the natural gas network.
  • the method according to the invention may also advantageously have all or some of the characteristics below alone or in combination.
  • a duct system equipped with manual or automatic valves ensures the isolation of the non-production digester for an input renewal operation, the permeate feed of said digester, the evacuation of the permeate after inerting, as well as the collection of the biogas produced by digesters in the production phase;
  • a pipe system equipped with manual or automatic valves ensures the isolation of the tank containing the saturated adsorbents to be renewed, the permeate supply of the said isolated tank, the evacuation of the permeate after inerting, as well as the supply of biogas to partially purifying the adsorption vessel in operation and transferring the partially purified biogas produced by said vessel downstream of the purification process.
  • an installation for producing biomethane from biogas produced by anaerobic digestion comprising at least:
  • an anaerobic digestion module comprising at least one digester for the production of biogas by methanisation of said methanogenic inputs
  • an adsorption module for the partial purification of the biogas produced by elimination of at least the species, H 2 S, VOCs thus producing a partially purified biogas, provided with at least two adsorption tanks in series for each species of so that the partial purification of the biogas is ensured including during the renewal of the adsorbents of one of the adsorption tanks,
  • biomethane methane-rich gas retentate
  • the plant also comprising pipes for transferring all or part of the permeate to the adsorption module and means capable of ensuring the inerting of the tanks by the permeate during the adsorbent renewal operations.
  • the means for providing the inputs comprises at least one mobile loading means
  • the anaerobic digestion module comprises a plurality of digesters operating in parallel, which can be batch loaded / discharged and able to produce biogas continuously when one or more digesters are in the loading / unloading phase,
  • the installation furthermore comprising pipes for transferring part of the permeate to the methanisation module as well as means capable of ensuring the inerting of the digester (s) by the permeate during the loading / unloading of inputs operations .
  • the installation also comprises all or some of the features below alone or in combination:
  • a system of manual or automatic valves equipping the permeate transfer lines so as to ensure the isolation of the at least one non-production digester for an input renewal operation for the permeate feed of said digester, the evacuation of the Permeate after inerting, as well as the collection of biogas produced by the digesters in the production phase.
  • Figure 1 shows a block diagram of a biomethane production plant according to the invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating in more detail the inerting process according to the invention applied to digesters operating according to the principle of dry and batch methanation.
  • Figure 3 shows a block diagram illustrating in more detail the inerting process according to the invention applied to an H 2 S / or VOC removal step.
  • the figures are described below in detail; the elements common to different figures have the same references in each of the figures in which they appear.
  • the fermentable materials stored at 1 are loaded via a means of unloading and batch loading (mobile machine of loader type or agricultural tractor) 2 in a methanisation cell (digester) during loading of the system 3 dry methanisation and discontinuous - the elements of this system are not detailed in this figure -.
  • the system 3 produces a biogas 4 which can be overpressed (from 20 to 400 mbar) before entering the pre-purification module 6 by abatement of H 2 S and / or VOC.
  • the pre-purified biogas is then dried and freed at 7 of the ammonia it contains (the order of steps 6 and 7 can be reversed), then compressed at 8 before passing through a filter 9 to remove the residual oil particles resulting from the compression of the gas.
  • the biogas removed from its harmful impurities and compressed enters the membrane purification module 10 which separates the biogas into two distinct gas streams 11 and 12.
  • the stream 11 is the retentate rich in CH 4 and meets the standards required to be suitable. injection valorization; the permeate stream 12 containing more than 90% of CO 2 , preferably between 92 and 99% of CO 2 , between 8 and 0.5% of CH 4 , the remainder being nitrogen (less than 1%) and / or oxygen (less than 2%).
  • the permeate 12 can be released to the atmosphere directly or via a biofilter, or burned in a thermal oxidation system to destroy the CH 4 .
  • the method and the installation according to the invention differ from the method and the installation according to the prior art in that the invention uses the permeate 12 in the membrane outlet composition; the gas - rich in C0 2 and poor in CH 4 , N 2 and O 2 - remains available even during the operation of loading and unloading of an anaerobic digestion cell because the other cells are still in production and ensure the continuity of the biogas production 4.
  • This continuity of production allows a satisfactory operation of elements 6 to 10 of biogas treatment, that is to say the elimination of toxic pollutants (H 2 S, VOC, NH 3 ) in the stages pre-treatment and membrane separation producing a permeate with less than 2% 0 2 and less than 1% N 2 .
  • all or part of the permeate 12 is withdrawn via the pipe 13 to supply the inerting gas 14 to the process; a pipe 15 provided with a valve 16 allows a discharge - to the atmosphere or for destruction - of all or part of the permeate in case of non-use.
  • Part 14a of the inerting gas 14 is sent via a pipe 13a to the biogas production system 3 to ensure the inerting / scanning of the cells during the loading / unloading phases. This use is made possible by the low methane concentration of the gas 14 which eliminates the risk of creating an explosive atmosphere when opening the cell to be inerted, the other gases present in the gas 14 do not present this risk.
  • a portion 14b of the permeate available is used via the pipe 13b for inerting an adsorption tank of the abatement module 6.
  • the inerting process according to the invention applied to the dry methanisation and discontinuous cells functions in the following manner.
  • a discontinuous dry methanation system consists of n methanization cells installed in parallel.
  • the number n of cells may be higher or lower, the principle of the invention is the same regardless of the number of cells since it allows a continuous production of biogas.
  • the diagram of FIG. 2 presents 3 methanization cells referenced 22i, 22i + 1, 22i + 2; this is a minimum number of cells to ensure continuous biogas production.
  • the cells are inerted one by one. However, if the number of cells constituting the anaerobic digestion system is large, several cells may be in the recharging phase simultaneously and therefore need inerting / scanning at the same time. This is an adaptation of the operation described below to the scope of the skilled person.
  • the valve 16 installed on the permeate discharge pipe 15 makes it possible to force the flow 14 towards the pipe 13 to allow the uses for inerting / sweeping.
  • This valve can be manual or piloted.
  • the permeate fraction 14a is directed to the methanation cells 22 ;, 22; +1 , 22, +2 via lines 20, 20; + i, 20; +2 equipped with valves 21; 21; + ;, 21; +2 respectively.
  • This first valve system makes it possible to direct the inerting / sweep C0 2 flow to the cell to be inerted - here the single cell 22i.
  • Each cell is further equipped with two valves (23, 24) at the cell outlet.
  • This second system of valves makes it possible to control the evacuation or the sending to the downstream process of the gas produced in each cell.
  • the cell 22 is inerted / scanned via stream 20; rich in C0 2 ; the valve 21; is open (in white on the figure), as is the valve 24; while the valve 23; is closed (in black on the figure).
  • This inerting / sweeping operation with the sending of the gas leaving the cell to the atmosphere (or to a destruction system of the vents) is carried out during the methanogenic input replacement operation before opening the cell and continues until after closing at the end of the replacement operation
  • the cells 22; + ; and 22; +2 continue the production of biogas.
  • the valves 21; + ; and 21; +2 are closed (in black in the figure) and prohibit the entry of the permeate (20i + 1 and 20i + 2) in the cells 22; + 1 and 22; +2 , the valves 24; + i and 24; +2 are also closed while the valves 23; + i and 23; +2 are open to ensure that biogas is sent to the downstream purification to produce the bio methane and C0 2 inerting / sweeping.
  • FIG. 3 shows the diagram of a solution according to the invention allowing the adsorber charge to be changed in an adsorption tank using the permeate fraction 14b as the inerting gas during said change of charge operation;
  • the solution presented is intended for an installation having at least two adsorption tanks which can be substituted in series, it makes it possible to isolate one of them for the change of the load without stopping the installation and a return to line by alternating the position of the tanks to improve the effectiveness of the adsorbents.
  • the pre-purification system by abatement H 2 S and / or VOC shown in the figure comprises two tanks 31 and 32.
  • the tanks are connected to each other and to the rest of the installation by a system of pipes (conduits) equipped valves that cooperate to put on line or alternately isolate the tanks, also to isolate a tank without stopping the installation and without short-circuit step H2S and / or VOC reduction.
  • biogas 4 to pre-purify passes in the adsorption tank 3 through the valve 34 (in the open position) while the valve 33 (closed) prevents the passage of the biogas to the tank 31.
  • the tank 32 thus continues the reduction of the H 2 S and / or VOCs; the biogas 4, after adsorption of its pollutants in the tank 32, leaves at the bottom of the tank, passes through the valve 40 open to continue to its downstream purification.
  • the pipe 13b delivers the permeate 14b to two pipes 42 and 43 able to feed the tanks 31 and 32.
  • the adsorption vessel 31 being in a phase of change of load, the valve 44 situated on the pipe 43 connected to the vessel 31 is open to pass the flow of C0 2 14b, while the valve 41 located on the pipe 42 connected to the tank 32 is closed so as not to mix the flow 14b with the biogas leaving the tank 32.
  • the valve 45 is closed so as not to lose biogas before entering the tank 32, while the valve 46 is open to allow the evacuation of C0 2 after inerting / sweeping the tank 31.
  • the tank 31 is thus isolated from the biogas purification circuit so that the biogas can not circulate therein, the valves 33, 35, 37 and 39 being closed.
  • the valve 44 is open to allow the inerting / flushing of the tank with the C0 2 rich gas stream from the permeate from the membranes.
  • the valve 46 is open to allow the evacuation of the gas from the tank 31 after the sweep, this gas will be sent to the atmosphere or to a treatment system vents, as in the case of inerting methanization cells.
  • H 2 S can first be slaughtered in a two-tank system, and in a second stage, VOCs can be slaughtered in 2 other tanks.
  • VOCs can be slaughtered in 2 other tanks.
  • the process of Figure 3 will apply in the same way for these two series of tanks.

Abstract

L'invention concerne un procédé un procédé de production de bio méthane dans lequel le biogaz produit est débarrassé d'au moins ses composants nuisibles H2S et COV par adsorption. En fin de procédé de purification, le méthane et le dioxyde de carbone sont séparés par perméation membranaire avec production de biométhane et d'un perméat gazeux riche en dioxyde de carbone et contenant moins de 7% de méthane est utilisé comme gaz d'inertage/balayage lors des opérations d'inertage de cuves d'adsorbants; dans les procédés utilisant la méthanisation sèche discontinue, le perméat est aussi utilisé pour l'inertage des digesteurs lors des opérations de chargement/déchargement d'intrants.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION DE BIOMETHANE AVEC RECYCLAGE DU PERMEAT DE LA SEPARATION MEMBRANAIRE EN TANT QUE GAZ D'INERTAGE
La présente invention est relative à un procédé de production de biométhane à partir de biogaz produit par méthanisation ; le biogaz est ensuite purifié, en particulier il est débarrassé d'au moins ses composants nuisibles H2S et COV par adsorption produisant ainsi un biogaz partiellement purifié; en fin de procédé de purification, le méthane et le dioxyde de carbone sont séparés par perméation membranaire avec production de biométhane et d'un perméat gazeux riche en dioxyde de carbone. Le but est de produire du bio méthane conforme aux spécifications pour injection dans un réseau de gaz naturel ; le courant gazeux résiduaire riche en dioxyde de carbone contient une quantité faible, mais non nulle de méthane, dépendante de l'efficacité de l'épuration.
Le biogaz est un mélange gazeux produit par fermentation anaérobie- aussi appelée méthanisation - lors de la dégradation de matières organiques en l'absence d'oxygène, (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (C02) dans des proportions variables en fonction du mode d'obtention mais aussi, en moindres proportions de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, parmi les quels des composés organiques volatils (COV) pouvant représenter jusqu'à 2 g/Nm3.. 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 C02, de 0 à 15 % d'azote, de 0 à 5 % d'oxygène, des COV et des composés traces.
De par ses constituants, le biogaz est un puissant gaz à effet de serre, mais est aussi une source d'énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles. Le biogaz est valorisé de différentes manières :
- il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération ; la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite en conséquence l'intérêt économique de la valorisation du biogaz à cette utilisation de proximité ; - il peut être purifié pour permettre une plus large utilisation ; en particulier, le biogaz peut être soumis à une purification poussée en vue d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications d'un gaz naturel de sorte à pouvoir lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est aussi connu en tant que biométhane » ; le biométhane complète ainsi les ressources en gaz naturel avec une partie renouvelable; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d'origine fossile : 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).
La valorisation du biogaz en tant que biométhane impose de séparer efficacement le dioxyde de carbone. On obtient classiquement au moins deux flux gazeux principaux en sortie d'une unité d'épuration de biogaz. L'unité d'épuration est constituée de telle sorte que le premier flux gazeux obtenu est un flux gazeux riche en méthane dont la composition est conforme aux spécifications du gaz naturel auquel il sera substitué, le second flux gazeux a pour constituant principal du dioxyde de carbone.
Le système d'épuration par perméation membranaire sépare un biogaz préalablement débarrassé d'au moins ses impuretés (principalement H20, H2S et COV) en deux flux distincts : le rétentat contenant majoritairement le méthane, le perméat contenant majoritairement du C02. Lorsque le rendement en méthane de l'unité de perméation est optimisé, la teneur en méthane de ce second flux est faible ;
Le perméat contient ainsi plus de 90 % de C02 et plus généralement entre 92 et 99.5
% de C02, le second gaz le plus abondant dans le perméat est le CH4, sa teneur est généralement comprise entre 8 et 0.5 % on peut y trouver aussi de l'azote (moins de 1 %) et/ou de l'oxygène (moins de 2 %), et/ou de l'eau.
Le perméat est généralement rejeté à l'atmosphère, soit directement ou, selon sa teneur en CH4, via un biofiltre, ou encore brûlé dans un système d'oxydation thermique pour détruire le CH4.
La séparation CH4/C02 est précédée de plusieurs étapes dites de prétraitement du biogaz, en particulier des étapes visant à purifier partiellement le biogaz en le débarrassant d'impuretés parmi lesquelles le sulfure d'hydrogène corrosif, l'eau et les composés organiques volatils. Les technologies utilisées de façon classique pour éliminer H2S et/ou les COV sont l'adsorption sur charbons actifs, oxydes fer ou chélates de fer disposés dans des cuves d'adsorption.
Le biométhane contient - selon les spécifications du gaz naturel auquel il doit être substitué - plus de 89 % de CH4, de préférence plus de 95 % de CH4, plus préférentiellement plus de 97 % de CH4. ; On souhaite, tout en respectant les spécifications du gaz naturel, minimiser à la fois les pertes de CH4 dans le gaz résiduaire et le coût de l'épuration.
Limiter les pertes en méthane est une nécessité, à la fois par souci de valoriser le méthane en tant que produit, mais aussi pour éviter que ce dernier soit rejeté dans l'atmosphère, cela impose donc de séparer efficacement le dioxyde de carbone présent.
Des qualités et des arrangements de membranes existent, connus de l'homme du métier qui permettent de réaliser cette séparation avec l'efficacité requise. L'homme du métier sait donc récupérer en sortie d'une unité d'épuration de biogaz par séparation membranaire au moins deux flux gazeux : un premier flux gazeux, le rétentat, essentiellement composé de méthane retenu par la membrane - qui constitue le biométhane produit de l'épuration - peut être injecté dans un réseau de gaz naturel ou être utilisé comme carburant ; un second flux gazeux, le perméat est principalement composé de dioxyde de carbone qui a perméé, il forme le gaz résiduaire de la séparation (couramment identifié selon la dénomination anglaise « offgas »).
Cet offgas issu de la séparation membranaire CH4/C02 a une teneur en méthane suffisamment basse pour pouvoir être rejeté dans l'atmosphère, c'est donc la solution la plus couramment retenue.
On utilise parfois aussi ce courant gazeux pour produire, à partir de ce flux riche en C02 issu d'une séparation membranaire, du dioxyde de carbone de qualité industrielle ou alimentaire; cependant, le traitement nécessaire dans le cadre de l'une ou l'autre de ces utilisations requiert des équipements coûteux et une logistique importante. Pour obtenir du C02 à la qualité requise par l'une ou l'autre de ces utilisations, il faut effectuer une purification supplémentaire du flux de gaz riche en C02 résultant de l'épuration du biogaz en biométhane. Il faut ensuite mettre en place une logistique pour assurer l'exportation de ce C02 que ce soit sous forme liquide ou sous forme gazeuse. Une telle utilisation de l'offgas décrite ci-avant n'est donc pas appropriée, particulièrement dans le cas d'installations de taille modeste.
Il y a donc un besoin de trouver une solution permettant de valoriser ce flux gazeux riche en dioxyde de carbone et à teneur en méthane réduite (variable selon les installations, mais habituellement inférieure à 8 %), disponible sur une installation de production de biométhane, qui soit simple à mettre en œuvre et dont le coût soit faible.
Afin de résoudre le problème ci-dessus, l'objectif de l'invention est donc de trouver une solution pour utiliser sur site ou à proximité l'offgas produit par la séparation membranaire - de sorte à ne pas avoir de frais de transport - ; une telle utilisation devra en outre présenter au moins une partie des avantages ci-dessous :
- de préférence, il ne sera pas (ou peu) nécessaire de traiter l'offgas ;
- de préférence, les investissements pour implanter cette solution n'impliquent pas de frais importants, pas plus que sa mise en œuvre.
Or, ainsi que décrit précédemment, préalablement à la séparation du dioxyde de carbone il est nécessaire de débarrasser le biogaz de composants indésirables, parmi lesquels le sulfure d'hydrogène et les composés organiques volatils (COV).
Pour abattre l'H2S et/ou les COV, les systèmes d'épuration utilisent des adsorbants sélectifs tels que les charbons actifs, les oxydes de fer ou les chélates de fer. Pour chacune des espèces à éliminer, les adsorbants sont disposés dans des cuves traversées par le flux de biogaz à traiter. Pour améliorer les performances de ces adsorbants, deux cuves ou plus peuvent être mises en série, le biogaz passant dans une cuve puis dans l'autre, l'ordre de passage dans les cuves pouvant être modifié grâce à un système de vannes adapté. Lorsque les adsorbants d'une cuve sont saturés, il est nécessaire de les remplacer. Cette opération est effectuée sans arrêter l'unité d'épuration, en isolant la cuve, le procédé d'épuration se poursuivant avec la ou les cuves non saturées.
Afin de pouvoir procéder à l'opération de remplacement des charbons actifs de la cuve qui a été isolée du procédé, il faut pouvoir l'ouvrir à l'air libre, remplacer les adsorbants puis refermer la cuve et la remettre en ligne. Cette ouverture de cuve pose des problèmes tels qu'exposés aux points 1 à 3 ci-après:
1 -impact sur la sécurité et la santé des opérateurs avant l'ouverture d'une cuve pour l'opération de déchargement des charbons actifs : il faut procéder avant déchargement à l'inertage de la cuve car après avoir dépollué du biogaz pendant plusieurs jours/semaines ou mois, le mélange gazeux présent dans la cuve présente la composition du biogaz produit et contient donc des gaz explosifs (CH4 principalement), mais aussi des gaz toxiques (H2S, COV et NH3 principalement). L'inertage - opération consistant à diluer suffisamment un volume de mélange gazeux contenant un combustible (ici le méthane) avec un gaz neutre vis-à-vis de la combustion (par exemple l'azote) jusqu'à ce que la teneur en méthane soit quasiment nulle, ou en-deçà de la limite inférieure d'inflammabilité du méthane dans l'air, si de l'air doit ensuite être introduit ultérieurement dans ledit volume - doit permettre d'évacuer en toute sécurité les charbons actifs pour destruction ou retraitement.. 2- impact sur la sécurité lors de la remise en ligne de la cuve : après rechargement avec des charbons actifs neufs, la cuve est reconnectée de manière hermétique. Afin de permettre la remise en ligne et le passage du biogaz à dépolluer, il est nécessaire d'évacuer tout l'air contenu dans la cuve. Cette étape est capitale pour la sécurité de l'installation car la présence d'oxygène dans la cuve risquerait de produire avec le méthane un mélange explosif, soit dans la cuve, soit plus en aval dans l'unité d'épuration. L'inertage évacue l'air et le remplace par un gaz neutre.
3- impact sur la qualité du bio méthane produit : une unité de valorisation de biogaz en biométhane a pour finalité de produire un gaz enrichi en méthane aux spécifications du gaz naturel auquel il doit être substitué (> 89 % de CH4 et même > 97 % fréquemment). Lorsque le bio méthane doit être injecté dans un réseau de gaz naturel, sa qualité est mesurée en continu par un système d'analyse qui n'autorise l'injection que si le gaz atteint la qualité requise. Toutes les technologies de purification de biogaz pour produire du biométhane sont confrontées au problème de la présence d'air, principalement d'azote contenu dans le biogaz : lorsque la concentration d'azote dans le biogaz dépasse 8 % (ou 10 % d'air), il est impossible d'obtenir in fine un biométhane contenant au moins 89 % de CH4 ; si la concentration d'azote dans le biogaz dépasse 2 % (ou 3 % d'air), il sera impossible de respecter in fine la qualité de biométhane requise pour l'injection si celui-ci doit contenir au moins 97 % de CH4. L'inertage de la cuve préalable à sa remise en ligne devrait donc aussi permettre de limiter la teneur en azote du biogaz quand celui-ci est destiné à produire du biométhane.
Lorsque la matière à valoriser par méthanisation est un substrat solide et/ou fibreux - tel que le fumier dans le cas d'une exploitation agricole - l'utilisation de la méthanisation par voie liquide est envisageable mais engendre différentes contraintes (ajout de liquide pour diminuer le taux de matière sèche, nécessité de faire appel à des matériels d'introduction et de mélange robustes et coûteux, besoins énergétiques importants pour faire fonctionner pompes et agitateurs, production d'un digestat liquide entraînant des modifications de pratiques d'épandage...). Afin d'éviter ces problèmes, des systèmes de méthanisation par voie sèche ont été développés, en particulier avec un fonctionnement discontinu. Même si différentes techniques existent pour la méthanisation en voie sèche discontinue, le principe reste le même et ces systèmes fonctionnent de la manière suivante: plusieurs digesteurs sont installés en parallèle avec des productions décalées dans le temps de sorte à permettre une production de biogaz globale continue dans le temps. En effet, si chaque digesteur produit du biogaz indépendamment des autres, au final, la production reste relativement continue dans le temps, grâce au nombre des digesteurs installés dont le fonctionnement est décalé dans le temps. Le principe de fonctionnement pour chaque digesteur est le suivant :
i- introduction discontinue (avec des engins mobiles de type chargeuse ou tracteur agricole) de la matière à traiter dans le digesteur ;
ii- fermeture du digesteur (différentes techniques sont possibles) ;
iii- fermentation de la matière (plusieurs dizaines de jours, jusqu'à 80 jours) ;
iv- ouverture du digesteur en fin de période de fermentation avec récupération du digestat et retour à l'étape i- .
La pluralité des digesteurs installés en parallèle permet une production cumulée continue de biogaz et un chargement /déchargement des déchets (intrants méthanogènes) discontinu. Le volume et le nombre des digesteurs sont déterminés en fonction de la quantité de matière à traiter pour assurer la continuité de la production cumulée. Un tel procédé de production de biogaz est présenté dans le document WO 02/06439
Différents types de digesteurs adaptés pour la méthanisation sèche et discontinue sont connus, parmi lesquels les plus courants sont : a) les digesteurs de type silo munis d'une bâche qui vient les recouvrir une fois que le silo est chargé et b) les digesteurs garage (connus sous le nom anglais de « garage box ») qui se présentent le plus généralement sous la forme d'un conteneur ou tunnel rigide muni d'une porte de chargement étanche que l'on ferme à l'issue du chargement.
Durant la production, plusieurs digesteurs sont fermés de manière étanche permettant la méthanisation des intrants selon un procédé anaérobie connu en tant que tel. La durée de la fermentation anaérobie, correspondant à la durée de fermeture d'un digesteur est de 30 à 80 jours en fonction du type d'intrants et des conditions de méthanisation (température, humidité principalement).
Les tuyauteries de récupération de biogaz des digesteurs installés en parallèle peuvent être isolées les unes des autres par des vannes d'isolement. Cela permet d'effectuer le chargement et le déchargement des matières entrantes et sortantes facilement en ouvrant le digesteur pour permettre d'utiliser un moyen de manutention de type tracteur. Suivant la disponibilité des intrants, le temps de chargement d'un digesteur peut se prolonger sur plusieurs jours. De préférence, une seule cellule de méthanisation (ou digesteur) est ouverte à la fois pour effectuer le remplacement des intrants. De façon générale, afin de prévenir des risques d'explosion lors d'opérations de maintenance, de chargement/déchargement sur des digesteurs contenant du méthane, ces opérations sont précédées d'une étape d'inertage de sorte à évacuer le méthane contenu dans l'équipement (le plus souvent en mélange avec du C02, sous la forme de biogaz). L'inertage est une opération consistant à diluer suffisamment un volume de mélange gazeux contenant un combustible (ici le méthane) avec un gaz neutre vis-à-vis de la combustion (par exemple l'azote) jusqu'à ce que la teneur en méthane soit quasiment nulle, ou en-deçà de la limite inférieure d'inflammabilité du méthane dans l'air, si de l'air doit ensuite être introduit ultérieurement dans ledit volume. Sur le site d'exploitation, les opérations de chargement et de déchargement des matières s'effectuent à l'air libre et sans protection particulière pour les opérateurs. Il y a donc nécessité lors des interventions dans le contexte de cette production par voie sèche discontinue de prendre en compte aussi les points 4 à 6 suivants comparables à ceux que pose l'ouverture des cuves d'adsorbants tels qu'exposés aux points 1 à 3 précédemment développés:
4- impact sur la sécurité et la santé des opérateurs avant l'ouverture des digesteurs pour l'opération de déchargement : il faut procéder avant déchargement à l'inertage du digesteur car après avoir produit du biogaz pendant plusieurs semaines, le mélange gazeux présent dans le digesteur a la composition du biogaz produit et contient donc des gaz explosifs (CH4 principalement), mais aussi des gaz toxiques (H2S, COV et N¾ principalement). L'inertage doit permettre d'évacuer les gaz dangereux vers les moyens de destruction (charbons actifs, biofïltre, torchère...) ou de les rejeter à l'atmosphère selon la réglementation en vigueur.
5- impact sur la sécurité lors de la remise en ligne du digesteur : après rechargement avec les intrants méthanogènes, le digesteur est refermé de manière hermétique pour permettre la mise en place des réactions anaérobies de production de biogaz. Avant de permettre au biogaz produit par les nouveaux intrants d'entrer dans l'unité d'épuration et donc d'être mélangé avec le biogaz produit par les autres digesteurs en production, il est nécessaire d'évacuer tout l'air contenu dans le digesteur nouvellement chargé de sorte à disposer d'un biogaz à une composition compatible avec celui produit par les autres digesteurs en fonctionnement. Cette étape est capitale pour la sécurité de l'installation car la présence d'oxygène dans le digesteur risquerait de produire avec le méthane un mélange explosif, soit dans le digesteur, soit plus en aval jusque dans l'unité d'épuration. L'inertage évacue l'air et le remplace par un gaz neutre. 6 - impact sur la qualité du biométhane produit : une unité de valorisation de biogaz en biométhane a pour finalité de produire un gaz enrichi en méthane aux spécifications du gaz naturel auquel il doit être substitué. Lorsque le biométhane doit être injecté dans un réseau de gaz naturel, sa qualité est mesurée en continu par un système d'analyse qui n'autorise l'injection que si le gaz atteint la qualité requise. Toutes les technologies de purification de biogaz pour produire du biométhane sont confrontées au problème de la présence d'air, principalement d'azote contenu dans le biogaz : lorsque la concentration d'azote dans le biogaz dépasse 8 % (ou 10 % d'air), il est impossible d'obtenir in fine un biométhane contenant au moins 89 % de CH4 ; si la concentration d'azote dans le biogaz dépasse 2 % (ou 3 % d'air), il sera impossible de respecter in fine la qualité de biométhane requise pour l'injection si celui-ci doit contenir au moins 97 % de CH4. L'inertage du digesteur préalable à sa remise en ligne devrait donc aussi permettre de limiter la teneur en azote du biogaz quand celui-ci est destiné à produire du biométhane.
Les solutions d'inertage existantes ne résolvent pas de façon satisfaisante les trois aspects de ce problème.
Une première solution couramment utilisée consiste à effectuer lors de l'ouverture de la porte un inertage ou un balayage du digesteur à l'air - de sorte à évacuer simplement les gaz dangereux pour l'opérateur. Dans ce cas cependant, seul le point 4 ci-avant est pris en considération, les problèmes développés aux points 5 et 6 ne sont pas pris en compte, il y a même un risque accru de générer un mélange explosif lors du redémarrage de la production car on fait pénétrer de l'air - et donc de l'oxygène - dans un espace qui se remplit de biogaz.
Une autre solution d'inertage classique consiste à procéder à un inertage/balayage à l'azote : dans ce cas les points 4 et5 sont pris en compte car l'azote permet d'évacuer les gaz dangereux et par la suite d'éviter la création d'un mélange explosif. Cependant le point 6 n'est pas du tout pris en compte, la qualité initiale du biogaz produit est fortement dégradée par l'azote contenu dans le digesteur lors de sa remise en ligne. Tant que l'azote n'est pas évacué, la qualité du biométhane ne peut pas être atteinte et le biométhane produit ne peut pas être injecté. Cela induit d'autre part un surcoût lié à la consommation d'azote qu'il faut fournir.
Il est aussi connu de réaliser un inertage/balayage de digesteur avec un gaz de combustion lorsque la production de biogaz est brûlée, au moins partiellement. On peut ainsi utiliser des gaz de combustion d'une chaudière, d'un cogénérateur, d'une micro- turbine ou d'un système de destruction du biogaz ou des évents par oxydation thermique ainsi qu'enseigné dans les documents EP 1301583 et WO 02/06439 notamment. Le gaz d'inertage/balayage contient une proportion importante de C02 et peut être disponible sur le site de méthanisation à partir des équipements listés ci-dessus ou d'équipements comparables. Cependant, ces gaz de combustion contiennent une proportion importante d'azote - couramment 50 % ou plus - en provenance de l'air utilisé comme comburant ; avec une telle quantité d'azote, cette solution ne résout pas non plus le problème listé au point 6 ci-avant. Lorsque le digesteur nouvellement chargé sera remis en ligne, le gaz produit ne sera pas - dans un premier temps - substituable au gaz naturel.
Ainsi donc, dans un contexte de production de biométhane apte à être injecté dans un réseau de gaz naturel qui utilise la séparation membranaire pour séparer le méthane du dioxyde de carbone, il y a un intérêt à trouver, sur l'installation de production du bio méthane, une solution de valorisation du gaz résiduaire issu de la séparation membranaire - perméat composé à plus de 90 % de dioxyde de carbone et à teneur en méthane très réduite disponible sur l'installation de production de biométhane - qui soit simple et dont le coût serait faible.
Parallèlement, il existe un besoin pour une solution d'inertage de cuves contenant des quantités non nulles de produits explosifs/ toxiques préalablement à leur ouverture à l'air libre lors du remplacement de la matière usagée contenue dans lesdites cuves. La solution de ce problème d'inertage doit pouvoir assurer la fonction requise d'inertage sans nuire à la qualité du biométhane produit, problème qui n'est pas résolu par les solutions connues de l'art antérieur.
Dans ce contexte, sur une installation de production de biométhane à partir de biogaz produit sur le site par méthanisation qui utilise la séparation membranaire pour séparer le méthane et le dioxyde de carbone contenus dans le biogaz, l'invention propose d'utiliser le perméat à la composition de sortie des membranes pour assurer des fonctions d'inertage/balayage requises par le procédé en utilisant ce mélange gazeux riche en C02, pauvre en C¾ et ne contenant N2 et 02 qu'en faible quantité.
L'invention concerne ainsi un procédé de production de biométhane à partir de biogaz produit par méthanisation comprenant au moins les étapes de mise à disposition d'intrants méthanogènes, production de biogaz par méthanisation desdits intrants méthanogènes, purification partielle du biogaz produit par élimination par adsorption d'au moins les espèces H2S et/ou COV produisant ainsi un biogaz partiellement épuré, utilisant au moins deux cuves d' adsorption en série pour chaque espèce de sorte que la purification partielle du biogaz soit assurée y compris lors du renouvellement des adsorbants d'une des cuves d'adsorption, séparation par perméation membranaire du méthane et du dioxyde de carbone contenus dans le biogaz partiellement purifié avec production d'au moins un rétentat gazeux riche en méthane (biométhane) apte à être utilisé comme substitut de gaz naturel et un perméat gazeux riche en dioxyde de carbone et contenant moins de 7 % de méthane, procédé dans lequel lors d'une opération de renouvellement des adsorbants d'une des cuve d'adsorbants, tout ou partie du perméat est utilisé comme gaz d'inertage/balayage pour inerter ladite cuve lors de l'opération.
Avantageusement dans une des variantes du procédé, les intrants méthanogènes dont la teneur en matière sèche est comprise entre 20 et 50 % sont mis à disposition via au moins un moyen de chargement mobile, la production de biogaz à partir desdits intrants est réalisée par méthanisation par voie sèche discontinue utilisant plusieurs digesteurs opérant en parallèle, qui sont chargés/déchargés en discontinu et de sorte que la production de biogaz est assurée en continu par au moins une partie des digesteurs lorsqu'un ou plusieurs digesteurs sont en phase de chargement/déchargement, et une partie du perméat est en outre utilisée dans le procédé comme gaz d'inertage/balayage lors d'opérations de renouvellement d'intrants pour inerter le au moins un digesteur hors production pour le renouvellement de sa charge d'intrants.
Ce perméat issu de la séparation membranaire présente des avantages essentiels pour son utilisation comme gaz d'inertage dans le contexte de l'invention, en effet il reste disponible - même dans le cas d'une méthanisation par voie sèche discontinue pendant le chargement et déchargement d'un digesteur car les autres digesteurs sont en phase de production et continuent de générer le biogaz devant être épuré - ; de plus, cette production de biogaz continue permet de conserver un fonctionnement stable au niveau des unités d'épuration et d'élimination des polluants toxiques (H2S, COV et NH3) lors des étapes de prétraitement et d'effectuer une séparation membranaire produisant un perméat avec moins de 2 % d'02 et moins de 1 % d'N2 .
Cette stabilité de la qualité du perméat fait qu'il peut donc être utilisé pour inerter/balayer les cuves d'adsorbants et les digesteurs en respectant les points 1 à 6. En effet la concentration en méthane est suffisamment basse pour éviter tout risque de créer une atmosphère explosive lors de l'ouverture du digesteur et/ou de la cuve et les autres composants du perméat ne sont pas dangereux (points 1 et 4). Il n'y a pas de risque lors de la remise en ligne car après inertage avec le perméat (offgas), la cuve (ou le digesteur) contient moins de 2 % d'02, teneur suffisamment basse pour éviter tout risque de créer une atmosphère explosive (points 2 et 5), et enfin la teneur en azote (moins de 1 % de N2) est suffisamment basse pour ne pas perturber l'épuration ni dégrader la qualité du biométhane (points 3 et 6), ainsi, il sera possible dès la remise en ligne de la cuve (ou du digesteur) après rechargement de respecter la qualité de gaz requise pour injecter dans le réseau de gaz naturel.
Le procédé selon l'invention peut en outre présenter avantageusement tout ou partie des caractéristiques ci-dessous seules ou en combinaison.
Un système de conduites équipées de vannes manuelles ou automatiques assure l'isolation du digesteur hors production pour une opération de renouvellement des intrants, l'alimentation en perméat dudit digesteur, l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que la collecte des biogaz produits par les digesteurs en phase de production ;
Un système de conduites équipées de vannes manuelles ou automatiques assure l'isolation de la cuve contenant les adsorbants saturés à renouveler, l'alimentation en perméat de ladite cuve isolée, l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que l'alimentation en biogaz à purifier partiellement de la cuve d'adsorption en fonctionnement et le transfert du biogaz partiellement purifié produit par ladite cuve vers l'aval du procédé de purification.
Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci concerne une installation de production de biométhane à partir de biogaz produit par méthanisation comprenant au moins :
- un moyen de mise à disposition d'intrants méthanogènes,
- un module de méthanisation comprenant au moins un digesteur pour la production de biogaz par méthanisation desdits intrants méthanogènes,
- un module d'adsorption pour la purification partielle du biogaz produit par élimination d'au moins les espèces, H2S, COV produisant ainsi un biogaz partiellement épuré, muni d'au moins deux cuves d'adsorption en série pour chaque espèce de sorte que la purification partielle du biogaz soit assurée y compris lors du renouvellement des adsorbants d'une des cuves d'adsorption,
- un module de séparation par perméation membranaire du méthane et du dioxyde de carbone contenus dans le biogaz partiellement purifié avec production d'au moins un rétentat gazeux riche en méthane (biométhane) apte à être utilisé comme substitut de gaz naturel et un perméat gazeux riche en dioxyde de carbone et contenant moins de 7% de méthane, - l'installation comprenant aussi des conduites pour le transfert de tout ou partie du perméat vers le module d'adsorption ainsi que des moyens aptes à assurer l'inertage des cuves par le perméat lors des opérations de renouvellement des adsorbants.
Selon une variante préférée :
- le moyen de mise à disposition des intrants comprend au moins un moyen de chargement mobile,
- le module de méthanisation comprend une pluralité de digesteurs opérant en parallèle, pouvant être chargés/déchargés en discontinu et aptes à produire du biogaz en continu lorsqu'un ou plusieurs digesteurs sont en phase de chargement/déchargement,
- l'installation comprenant en outre des conduites pour le transfert d'une partie du perméat vers le module de méthanisation ainsi que des moyens aptes à assurer l'inertage du ou des digesteurs par le perméat lors des opérations de chargement/déchargement d'intrants.
Avantageusement, l'installation comporte en outre tout ou partie des caractéristiques ci-dessous seules ou en combinaison :
- un système de vannes manuelles ou automatiques équipant les conduites de transfert du perméat de sorte à pouvoir assurer l'isolation du au moins un digesteur hors production pour une opération de renouvellement des intrants pour l'alimentation en perméat dudit digesteur, l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que la collecte des biogaz produits par les digesteurs en phase de production.
- un système de vannes manuelles ou automatiques équipant les conduites alimentant les cuves d'adsorbants de sorte à pouvoir assurer l'isolation de la cuve contenant les adsorbants saturés à renouveler, l'alimentation en perméat de ladite cuve isolée, l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que l'alimentation en biogaz de la cuve d'adsorption en fonctionnement et le transfert du biogaz partiellement purifié produit par ladite cuve vers l'aval du procédé de purification. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante faite en référence aux figures annexées.
La figure 1 présente un schéma de principe d'une installation de production de biométhane selon l'invention.
La figure 2 présente un schéma de principe illustrant plus en détail le procédé d'inertage selon l'invention appliqué aux digesteurs fonctionnant selon le principe de la méthanisation par voie sèche et discontinue.
La figure 3 présente un schéma de principe illustrant plus en détail le procédé d'inertage selon l'invention appliqué à une étape d'élimination d'H2S /ou COV. Les figures sont décrites ci-après en détail ; les éléments communs à différentes figures portent les mêmes références sur chacune des figures où ils apparaissent.
Selon le schéma de la figure 1, les matières fermentescibles stockées en 1 sont chargées via un moyen de déchargement et chargement discontinu (engin mobile de type chargeuse ou tracteur agricole) 2 dans une cellule de méthanisation (digesteur) en cours de chargement du système 3 de méthanisation par voie sèche et discontinue - les éléments constitutifs de ce système ne sont pas détaillés sur cette figure -. Le système 3 produit un biogaz 4 qui peut être surpressé (de 20 à 400 mbarg) en 5 avant d'entrer dans le module 6 de pré-purification par abattement d'H2S et/ou COV. Le biogaz pré-purifïé est ensuite séché et débarrassé en 7 de l'ammoniac qu'il contient (l'ordre des étapes 6 et 7 pouvant être inversé), puis comprimé en 8 avant de passer dans un filtre 9 permettant d'enlever les particules d'huile résiduelles consécutives à la compression du gaz . Finalement le biogaz débarrassé de ses impuretés nuisibles et comprimé entre dans le module 10 d'épuration membranaire qui sépare le biogaz en deux flux gazeux distincts 11 et 12. Le flux 11 est le rétentat riche en CH4 et conforme aux normes requises pour être apte à la valorisation par injection ; le flux de perméat 12 contenant plus de 90% de C02, de préférence entre 92 et 99 % de C02, entre 8 et 0,5 % de CH4, le reste étant de l'azote (moins de 1 %) et/ou de l'oxygène (moins de 2 %). Suivant sa teneur en méthane, le perméat 12 peut être rejeté à l'atmosphère directement ou via un biofiltre, ou être brûlé dans un système d'oxydation thermique pour détruire le CH4.
Le procédé et l'installation selon l'invention diffèrent du procédé et de l'installation selon l'art antérieur en ce que l'invention utilise le perméat 12 à la composition de sortie des membranes ; le gaz - riche en C02 et pauvre en CH4, N2 et 02 - reste disponible même pendant l'opération de chargement et déchargement d'une cellule de méthanisation car les autres cellules sont toujours en production et assurent la continuité de la production du biogaz 4. Cette continuité de la production permet un fonctionnement satisfaisant des éléments 6 à 10 de traitement du biogaz, c'est-à-dire l'élimination des polluants toxiques (H2S, COV, NH3) dans les étapes de prétraitement et la séparation membranaire produisant un perméat avec moins de 2 % d'02 et moins de 1 % d'N2.
Selon l'invention, tout ou partie du perméat 12 est prélevée, via la canalisation 13 pour fournir le gaz d'inertage 14 au procédé ; une canalisation 15 munie d'une vanne 16 permet un rejet - à l'atmosphère ou pour destruction - de tout ou partie du perméat en cas de non utilisation. Une partie 14a du gaz d'inertage 14 est envoyée via une canalisation 13a vers le système de production de biogaz 3 pour assurer l'inertage /balayage des cellules lors des phases de chargement/déchargement. Cette utilisation est rendue possible par la faible concentration en méthane du gaz 14 qui écarte le risque de créer une atmosphère explosive lors de l'ouverture de la cellule à inerter, les autre gaz présents dans le gaz 14 ne présentent pas ce risque. Il n'y a pas non plus de risque lors de la remise en ligne de la cellule car après inertage avec le gaz 14, la teneur en 02 dans la cellule est très faible (moins de 2 %), elle est trop basse pour générer une atmosphère explosive, ou de risque de perturbation de l'épuration et de dégradation de la qualité du biométhane qui sera obtenu à partir du biogaz produit par la cellule nouvellement chargée car la teneur en azote du gaz d'inertage 14 est aussi suffisamment basse pour écarter ce risque (moins de 1 %). L'utilisation du perméat comme gaz d'inertage/balayage des cellules de production de biogaz ne perturbe donc pas la remise en ligne et respecte la qualité de gaz requise pour injecter dans le réseau de gaz naturel.
De la même manière, une partie 14b du perméat disponible est utilisée via la canalisation 13b pour l'inertage d'une cuve d'adsorption du module 6 d'abattement.
Selon le schéma de la figure 2, le procédé d'inertage selon l'invention appliqué aux cellules de méthanisation par voie sèche et discontinue fonctionne de la manière suivante.
Un système de méthanisation par voie sèche discontinue est constitué de n cellules de méthanisation installées en parallèle. Le nombre n de cellules peut être plus ou moins élevé, le principe de l'invention est le même quelque soit le nombre de cellules dès lors qu'il permet une production continue de biogaz. Le schéma de la figure 2 présente 3 cellules de méthanisation référencées 22i, 22i+l, 22i+2 ; il s'agit là d'un nombre minimal de cellules pour assurer une production continue de biogaz. Dans le cas représenté sur la figure, les cellules sont inertées une par une. Cependant, si le nombre de cellules constituant le système de méthanisation est important, plusieurs cellules pourront être en phase de rechargement simultanément et donc avoir besoin d'inertage/ balayage en même temps. Il s'agit d'une adaptation du fonctionnement décrit ci-dessous à la portée de l'homme du métier.
Ainsi que décrit sur la figure 1, la vanne 16 installée sur la canalisation 15 d'évacuation du perméat permet de forcer le flux 14 vers la canalisation 13 pour permettre les utilisations pour inertage/balayage. On pourra utiliser une simple vanne d'isolation, une vanne de laminage ou une vanne de contrôle. Cette vanne pourra être manuelle ou pilotée. La fraction 14a de perméat est dirigée vers les cellules de méthanisation 22;, 22;+1, 22 ;+2 via des canalisations 20;, 20;+i, 20;+2 équipées de vannes 21;, 21;+;, 21;+2 respectivement. Ce premier système de vannes permet de diriger le flux de C02 d'inertage/balayage vers la cellule à inerter - ici la cellule unique 22i. Chaque cellule est en outre équipée de deux vannes (23, 24) en sortie de cellule. Ce second système de vannes permet de contrôler l'évacuation ou l'envoi vers le procédé aval du gaz produit dans chaque cellule.
Ainsi, selon le schéma de la figure 2, la cellule 22; est inertée/ balayée via le flux 20; riche en C02 ; la vanne 21; est ouverte (en blanc sur la fîgure),de même que la vanne 24; alors que la vanne 23; est fermée (en noir sur la figure). Cette opération d'inertage/ balayage avec envoi du gaz sortant de la cellule vers l'atmosphère (ou vers un système de destruction des évents) est réalisée lors de l'opération de remplacement des intrants méthanogènes avant d'ouvrir la cellule et se poursuit jusqu'après sa fermeture en fin d'opération de remplacement
Durant cette opération sur la cellule 22;, les cellules 22;+; et 22;+2 poursuivent la production de biogaz. Les vannes 21;+; et 21;+2 sont fermées (en noir sur la figure) et interdisent l'entrée du perméat (20i+l et20i+2) dans les cellules 22;+ 1 et 22;+2, les vannes 24;+i et 24;+2 sont elles aussi fermées alors que les vannes 23;+i et 23;+2 sont ouvertes pour assurer l'envoi de biogaz vers la purification aval pour produire le bio méthane et le C02 d'inertage/balayage.
La figure 3 présente le schéma d'une solution selon l'invention permettant le changement de la charge d'adsorbeurs dans une cuve d'adsorption utilisant la fraction 14b de perméat comme gaz d'inertage lors de ladite opération de changement de charge ; la solution présentée s'adresse à une installation disposant d'au moins deux cuves d'adsorption substituables en série , elle permet d'isoler l'une d'elles pour le changement de la charge sans arrêt de l'installation et une remise en ligne en alternant la position des cuves pour améliorer l'efficacité des adsorbants.
Le système de pré-purification par abattement d'H2S et/ ou COV représenté sur la figure comprend deux cuves 31 et 32. Les cuves sont reliées entre elles et au reste de l'installation par un système de tuyauteries (conduites) équipées de vannes qui coopèrent pour mettre en ligne ou isoler alternativement les cuves, permettant aussi d'isoler une cuve sans arrêter l'installation et sans court-circuiter l'étape d'abattement H2S et / ou COV.
Plus précisément, lors du changement de la charge d'une cuve d'adsorbant selon l'invention, tel que représenté sur le schéma de la figure 3, le biogaz 4 à pré-purifier passe dans la cuve d'adsorption 3 au travers de la vanne 34 (en position ouverte) tandis que la vanne 33 (fermée) empêche le passage du biogaz vers la cuve 31. La cuve 32 poursuit donc l'abattement de l'H2S et/ou des COV ; le biogaz 4, après adsorption de ses polluants dans la cuve 32, sort en fond de cuve, passe par la vanne 40 ouverte pour poursuivre vers sa purification aval. La conduite 13b délivre le perméat 14b à deux canalisations 42 et 43 aptes à alimenter les cuves 31 et 32. La cuve d'adsorption 31 étant en phase de changement de charge, la vanne 44 située sur la canalisation 43 reliée à la cuve 31 est ouverte pour laisser passer le flux de C02 14b, tandis que la vanne 41 située sur la canalisation 42 reliée à la cuve 32 est fermée afin de ne pas mélanger le flux 14b avec le biogaz sortant de la cuve 32. A l'autre extrémité de la cuve 32, la vanne 45 est fermée de sorte à ne pas perdre de biogaz avant son entrée dans la cuve 32, tandis que la vanne 46 est ouverte pour permettre l'évacuation du C02 après l'inertage/ balayage de la cuve 31.
La cuve 31 est ainsi isolée du circuit de purification du biogaz de sorte que le biogaz ne puisse y circuler, les vannes 33, 35, 37 et 39 étant fermées. La vanne 44 est ouverte pour permettre l'inertage/balayage de la cuve avec le flux de gaz riche en C02 issu du perméat en provenance des membranes. La vanne 46 est ouverte pour permettre d'évacuer le gaz de la cuve 31 après le balayage, ce gaz sera envoyé à l'atmosphère ou vers un système de traitement des évents, comme dans le cas de l'inertage des cellules de méthanisation.
Plusieurs systèmes comparables peuvent être installés en série pour permettre l'utilisation d'adsorbants différents pour des traitements successifs ; par exemple, on peut abattre en premier lieu l'H2S dans un système à deux cuves, puis dans un deuxième temps abattre les COV dans 2 autres cuves. Le procédé de la figure 3 s'appliquera de la même façon pour ces deux séries de cuves.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production de biométhane à partir de biogaz produit par méthanisation comprenant au moins les étapes de :
- mise à disposition d'intrants méthanogènes,
- production de biogaz par méthanisation desdits intrants méthanogènes,
- purification partielle du biogaz produit par élimination par adsorption d'au moins les espèces H2S, COV produisant ainsi un biogaz partiellement épuré, utilisant au moins deux cuves d' adsorption en série pour chaque espèce de sorte que la purification partielle du biogaz soit assurée y compris lors du renouvellement des adsorbants d'une des cuves d' adsorption,
- séparation par perméation membranaire du méthane et du dioxyde de carbone contenus dans le biogaz partiellement purifié avec production d'au moins un rétentat gazeux riche en méthane (biométhane) apte à être utilisé comme substitut de gaz naturel et un perméat gazeux riche en dioxyde de carbone et contenant moins de 7% de méthane,
et dans lequel :
- lors d'une opération de renouvellement des adsorbants d'une des cuve d' adsorbants, tout ou partie du perméat est utilisé comme gaz d'inertage/balayage pour inerter ladite cuve lors de l'opération,
- les intrants méthanogènes dont la teneur en matière sèche est comprise entre 20 et 50% sont mis à disposition via au moins un moyen de chargement mobile,
- la production de biogaz à partir desdits intrants est réalisée par méthanisation par voie sèche discontinue utilisant plusieurs digesteurs opérant en parallèle, qui sont chargés/déchargés en discontinu et de sorte que la production de biogaz est assurée en continu par au moins une partie des digesteurs lorsqu'un ou plusieurs digesteurs sont en phase de chargement/déchargement, et
- une partie du perméat est en outre utilisée dans le procédé comme gaz d'inertage/balayage lors d'opérations de renouvellement d'intrants pour inerter le au moins un digesteur hors production pour le renouvellement de sa charge d'intrants.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel pour chaque digesteur en phase de chargement/déchargement, un système de conduites équipées de vannes manuelles ou automatiques assure : - l'isolation du au moins un digesteur hors production pour une opération de renouvellement des intrants,
- l'alimentation en perméat dudit digesteur,
- l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que
- la collecte des biogaz produits par les digesteurs en phase de production.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel pour chaque cuve d'adsorption un système de conduites équipées de vannes manuelles ou automatiques assure :
- l'isolation de la cuve contenant les adsorbants saturés à renouveler,
- l'alimentation en perméat de ladite cuve isolée,
- l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que
- l'alimentation en biogaz à purifier partiellement de la cuve d'adsorption en fonctionnement et le transfert du biogaz partiellement purifié produit par ladite cuve vers l'aval du procédé de purification.
4. Installation de production de bio méthane à partir de biogaz produit par méthanisation comprenant au moins :
- un moyen de mise à disposition d'intrants méthanogènes,
- un module de méthanisation comprenant au moins un digesteur pour la production de biogaz par méthanisation desdits intrants méthanogènes,
- un module d'adsorption pour la purification partielle du biogaz produit par élimination d'au moins les espèces, H2S, COV produisant ainsi un biogaz partiellement épuré, muni d'au moins deux cuves d'adsorption en série pour chaque espèce de sorte que la purification partielle du biogaz soit assurée y compris lors du renouvellement des adsorbants d'une des cuves d'adsorption,
- un module de séparation par perméation membranaire du méthane et du dioxyde de carbone contenus dans le biogaz partiellement purifié avec production d'au moins un rétentat gazeux riche en méthane (biométhane) apte à être utilisé comme substitut de gaz naturel et un perméat gazeux riche en dioxyde de carbone et contenant moins de 7% de méthane,
- des conduites pour le transfert de tout ou partie du perméat vers le module d'adsorption ainsi que des moyens aptes à assurer Γ inertage des cuves par le perméat lors des opérations de renouvellement des adsorbants, - le moyen de mise à disposition des intrants comprend au moins un moyen de chargement mobile,
- le module de méthanisation comprend une pluralité de digesteurs opérant en parallèle, pouvant être chargés/déchargés en discontinu et aptes à produire du biogaz en continu lorsqu'un ou plusieurs digesteurs sont en phase de chargement/déchargement, et
- des conduites pour le transfert d'une partie du perméat vers le module de méthanisation ainsi que des moyens aptes à assurer l'inertage du ou des digesteurs par le perméat lors des opérations de chargement/déchargement d'intrants.
5. Installation selon la revendication 4 dans laquelle un système de vannes manuelles ou automatiques équipe les conduites de transfert du perméat de sorte à pouvoir assurer l'isolation du au moins un digesteur hors production pour une opération de renouvellement des intrants pour l'alimentation en perméat dudit digesteur, l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que la collecte des biogaz produits par les digesteurs en phase de production.
6. Installation selon l'une des revendications 4 ou 5 dans laquelle les conduites alimentant les cuves d'adsorbants sont équipées d'un système de vannes manuelles ou automatiques de sorte à pouvoir assurer l'isolation de la cuve contenant les adsorbants saturés à renouveler, l'alimentation en perméat de ladite cuve isolée, l'évacuation du perméat après inertage, ainsi que l'alimentation en biogaz de la cuve d'adsorption en fonctionnement et le transfert du biogaz partiellement purifié produit par ladite cuve vers l'aval du procédé de purification.
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