WO2019053367A1 - Procede de production de biomethane mettant en œuvre un systeme d'absorption et une pompe a chaleur - Google Patents

Procede de production de biomethane mettant en œuvre un systeme d'absorption et une pompe a chaleur Download PDF

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WO2019053367A1
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absorber
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Definitions

  • the present invention relates to a process for producing biomethane from biogas using an amine wash absorption system and a heat pump system.
  • Biogas is the gas produced during the degradation of organic matter in the absence of oxygen (anaerobic fermentation), also known as anaerobic digestion. This may be a natural degradation - this is observed in marshes or garbage dumps - but the production of biogas can also result from the methanisation of waste in a dedicated reactor, called a methanizer or digester.
  • the biogas contains mainly methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) in varying proportions depending on the method of production but also, in lesser proportions, water, nitrogen, hydrogen sulfide, oxygen, as well as other organic compounds, in trace amounts.
  • CH4 methane
  • CO2 carbon dioxide
  • the biogas comprises, on dry gas, 30 to 75% of methane, 15 to 60% of CO2, 0 to 15% of carbon dioxide. nitrogen, 0-5% oxygen and trace compounds.
  • Biogas is valued in different ways. It may, after a light treatment, be upgraded near the production site to provide heat, electricity or a mixture of both (cogeneration); the high content of carbon dioxide reduces its calorific value, increases the compression and transport costs and limits the economic interest of its valuation to this use of proximity.
  • Biomethane thus completes natural gas resources with a renewable portion produced in the heart of the territories; it is usable for exactly the same uses as natural gas of fossil origin. It can feed a natural gas network, a filling station for vehicles, it can also be liquefied to be stored in the form of liquid natural gas (LNG) ...
  • LNG liquid natural gas
  • the modes of valorization of the biomethane are determined according to the local contexts: local energy needs, possibilities of valorization as biomethane fuel, existence close to networks of distribution or transport of natural gas in particular. Creating synergies between the different actors working on a territory (farmers, industrialists, public authorities), the production of biomethane helps the territories to acquire a greater energy autonomy.
  • a first step is to compress the biogas that has been produced and transported at atmospheric pressure, this compression can be obtained - conventionally - via a lubricated screw compressor.
  • the next steps are to rid the biogas of corrosive components such as hydrogen sulphide and volatile organic compounds (VOCs), the technologies used are conventionally pressure swing adsorption (PSA) and activated carbon capture. Then comes the step of separating the carbon dioxide to finally dispose of methane at the purity required for its subsequent use.
  • VOCs volatile organic compounds
  • a solution of the present invention is a process for producing biomethane 1 from biogas 2 using an absorption system, including an absorber 3, a desorber 4, and an absorbent solution 5 and a heat pump system including a refrigerant 6 according to a thermodynamic cycle, comprising the following successive steps: a) cooling the absorbent solution 5 to a temperature below 45 ° C by contact with the refrigerant 6 at the low pressure of its thermodynamic cycle which vaporizes,
  • step d) compressing the refrigerant 6 at the high pressure of its thermodynamic cycle, e) heating the CO2-enriched absorbent solution recovered in step c) to a temperature above 50 ° C. by contact with the refrigerant 6 from step d) which condenses,
  • the process according to the invention is an absorption process (using an amine or a mixture of amines or amino polymers which may include heat-sensitive copolymers) coupled to a heat pump.
  • This makes it possible to thermally bond the desorber and the adsorber.
  • the thermodynamic cycle followed by the refrigerant makes it possible to transfer the heat of the absorber to the desorber, and thus greatly reduce the energy consumption of the process.
  • the refrigerant undergoes 4 transformations:
  • An amine solution is an alkaline solution that attracts and absorbs CO2.
  • the absorbent solution (weak base) and the CO 2 (weak acid). This chemical reaction must be done at low temperature. For this reason the absorbent solution is cooled by the refrigerant. When it comes into contact with the refrigerant, the refrigerant captures the calories of the absorbent solution; the absorbent solution is thus cooled. This reaction takes place in the absorber.
  • the gas leaving the column head contains less than 0.5% CO2. But these concentrations depend mainly on the type of absorbent solution used.
  • the absorbent that exits at the bottom of the column has absorbed CO2.
  • the C02 enriched absorbent must be regenerated in order to be used again.
  • Regeneration consists of desorbing the adsorbed CO 2. The operation is done in a column called "desorber". Desorption requires heat input. This heat input is provided by the transition from the gaseous state to the liquid state of the refrigerant. During the desorption phase, part of the water of the absorbent aqueous solution can evaporate into the CO 2 stream. A make-up of water is necessary to compensate for this loss.
  • the heat supply can be done either upstream of the desorber (diagram 1) or in the tank 11 of the desorber (reboiler, diagram 2).
  • the method according to the invention may have one or more of the following characteristics:
  • step g) at the top of the desorber, a stream of CO 2 8 is recovered;
  • step c) at the bottom of the adsorber, an absorbent solution enriched in CO 2 and H 2 S 12 is recovered;
  • step e) during the heating of the absorbent solution, part of the water contained in the absorbent solution evaporates and this loss of water is compensated by a makeup of water;
  • step e) of heating the absorbent solution is carried out upstream of the desorber or in the desorber 11;
  • the biogas comprises hydrogen sulphide and said process comprises, before step a), a step of removing the hydrogen sulphide included in the biogas.
  • the refrigerant is isobutane
  • step h) the expansion of the refrigerant is carried out by means of a valve 9;
  • the amine solution is chosen from ethanolamine (MEA), N-methyl diethanolamine (MDEA), activated methyl diethanolamine (aMDEA), diethanolamine (DEA), piperazine

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Abstract

Procédé de production de biométhane (1) à partir de biogaz (2) mettant en œuvre un système d'absorption, et un système de pompe à chaleur comprenant les étapes successives suivantes : a) refroidissement de la solution absorbante (5) à une température inférieure à 45°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique qui se vaporise, b) introduction dans l'absorbeur (3) du biogaz à une température comprise entre 0°C et 50°C et une pression comprise entre 0 et 15 bar abs et de la solution absorbante (5) refroidie à l'étape a), c) récupération en tête de l'absorbeur de biométhane (1) et au fond de l'absorbeur (3) d'une solution absorbante (5) enrichie au moins en CO2 d) compression du fluide frigorigène (6) à la pression haute de son cycle thermodynamique, e) réchauffement de la solution absorbante (5) enrichie en CO2 récupérée à l'étape c) à une température supérieure à 50°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) issu de l'étape d) qui se condense, f) désorption de la solution absorbante (5) enrichie en CO2 dans le désorbeur (4), g) récupération au fond du désorbeur (4) de la solution absorbante régénérée (7) de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a), h) détente du fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a).

Description

PROCEDE DE PRODUCTION DE BIOMETHANE METTANT EN ŒUVRE UN SYSTEME
D'ABSORPTION ET UNE POMPE A CHALEUR
La présente invention est relative à un procédé de production de biométhane à partir de biogaz mettant en œuvre un système d'absorption de lavages aux aminés et un système de pompe à chaleur.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l'absence d'oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s'agir d'une dégradation naturelle - on l'observe ainsi dans les marais ou les décharges d'ordures ménagères - mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, appelé méthaniseur ou digesteur.
De par ses constituants principaux - méthane et dioxyde de carbone - le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d'énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (C02) dans des proportions variables en fonction du mode d'obtention mais également, en moindres proportions de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces.
Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de C02, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces.
Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l'intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité.
Une purification plus poussée du biogaz permet sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est le « biométhane ». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au cœur des territoires; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d'origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (GNL)...
Les modes de valorisation du biométhane sont déterminés en fonction des contextes locaux : besoins énergétiques locaux, possibilités de valorisation en tant que biométhane carburant, existence à proximité de réseaux de distribution ou de transport de gaz naturel notamment. Créant des synergies entre les différents acteurs œuvrant sur un territoire (agriculteurs, industriels, pouvoirs publics), la production de biométhane aide les territoires à acquérir une plus grande autonomie énergétique.
Plusieurs étapes doivent être franchies entre la collecte du biogaz et l'obtention du biométhane, produit final apte à être comprimé ou liquéfié.
En particulier, plusieurs étapes sont nécessaires avant le traitement qui vise à séparer le dioxyde de carbone pour produire un courant de méthane purifié. Une première étape consiste à comprimer le biogaz qui a été produit et acheminé à pression atmosphérique, cette compression peut être obtenue - de façon classique - via un compresseur à vis lubrifiée. Les étapes suivantes visent à débarrasser le biogaz des composants corrosifs que sont le sulfure d'hydrogène et les composés organiques volatils (COV), les technologies utilisées sont de façon classique l'adsorption à pression modulée (PSA) et le piégeage sur charbon actif. Vient ensuite l'étape qui consiste à séparer le dioxyde de carbone pour disposer in fine de méthane à la pureté requise pour son usage ultérieur.
Cependant, jusqu'à présent il n'existe pas de procédé permettant de produire du biométhane avec un haut rendement (>99.5%), une haute pureté (C02 < 0.5%) et une consommation d'énergie réduite.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un procédé amélioré de production de biométhane.
Une solution de la présente invention est un procédé de production de biométhane 1 à partir de biogaz 2 mettant en œuvre un système d'absorption, disposant notamment d'un absorbeur 3, d'un désorbeur 4, et d'une solution absorbante 5 et un système de pompe à chaleur disposant notamment d'un fluide frigorigène 6 suivant un cycle thermodynamique, comprenant les étapes successives suivantes : a) refroidissement de la solution absorbante 5 à une température inférieure à 45°C par mise en contact avec le fluide frigorigène 6 à la pression basse de son cycle thermodynamique qui se vaporise,
b) introduction dans l'absorbeur 3 du biogaz à une température comprise entre 0°C et 50°C et une pression comprise entre 0 et 15 bar abs et de la solution absorbante 5 refroidie à l'étape a),
c) récupération en tête de l'absorbeur de biométhane 1 et au fond de l'absorbeur 3 d'une solution absorbante 5 enrichie au moins en C02
d) compression du fluide frigorigène 6 à la pression haute de son cycle thermodynamique, e) réchauffement de la solution absorbante 5 enrichie en C02 récupérée à l'étape c) à une température supérieure à 50°C par mise en contact avec le fluide frigorigène 6 issu de l'étape d) qui se condense,
f) désorption de la solution absorbante 5 enrichie en C02 dans le désorbeur 4,
g) récupération au fond du désorbeur 4 de la solution absorbante régénérée 7 de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a),
h) détente du fluide frigorigène 6 à la pression basse de son cycle thermodynamique de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a).
Le procédé selon l'invention est un procédé d'absorption (utilisant une aminé ou un mélange d'amines ou polymères aminés pouvant inclure de copolymères thermosensibles) couplé à une pompe à chaleur. Cela permet de lier thermiquement le désorbeur et l'adsorbeur. En effet, le cycle thermodynamique suivi par le fluide frigorigène permet de transférer la chaleur de l'absorbeur vers le désorbeur, et ainsi de diminuer fortement la consommation énergétique du procédé. Pendant le cycle thermodynamique le fluide frigorigène subit 4 transformations :
- évaporation ,
- compression,
- condensation,
- détente .
Pour enlever le C02 du biogaz, celui-ci doit être au contact avec une solution absorbante de type aminé. Une solution d'amine est une solution alcaline qui attire et absorbe le C02. Il y a une réaction chimique entre la solution absorbante (base faible) et le C02 (acide faible). Cette réaction chimique doit se faire à basse température. Pour cette raison la solution absorbante est refroidie par le fluide frigorigène. Lors de sa mise en contact avec le fluide frigorigène, le fluide frigorigène capte les calories de la solution absorbante ; la solution absorbante est ainsi refroidie. Cette réaction prend place dans l'absorbeur. Le gaz sortant en tête de colonne contient moins de 0.5% de C02. Mais ces concentrations dépendent surtout du type de solution absorbante utilisée. L'absorbant qui sort en fond de colonne a absorbé du C02. L'absorbant enrichie en C02 doit être régénérée pour pouvoir de nouveau être utilisée. La régénération consiste à désorber le C02 adsorbé. L'opération se fait dans une colonne appelée « désorbeur ». La désorption nécessite un apport de chaleur. Cet apport de chaleur est apporté par le passage de l'état gazeux à l'état liquide du fluide frigorigène. Pendant la phase désorption, une partie de l'eau de la solution aqueuse absorbante peut s'évaporer dans le flux de C02. Un appoint d'eau est donc nécessaire pour compenser cette perte.
En fonction de la solution absorbante utilisée, l'apport de chaleur peut se faire soit en amont 10 du désorbeur (schéma 1) ou dans la cuve 11 du desorbeur (rebouilleur, schéma 2).
Selon le cas le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- à l'étape g) en tête du désorbeur on récupère un flux de C02 8;
- à l'étape c) au fond de l'adsorbeur on récupère une solution absorbante enrichie en C02 et H2S 12;
- à l'étape e) lors du réchauffement de la solution absorbante une partie de l'eau contenue dans la solution absorbante s'évapore et on compense cette perte en eau par un appoint d'eau ;
- l'étape e) de réchauffement de la solution absorbante est réalisée en amont 10 du désorbeur ou dans le désorbeur 11 ;
- le biogaz comprend de l'hydrogène sulfuré et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape d'élimination de l'hydrogène sulfuré compris dans le biogaz.
- le fluide frigorigène est de l'isobutane
- à l'étape h) la détente du fluide frigorigène est réalisée au moyen d'une vanne 9 ;
- la solution absorbante est à base d'amine, d'un mélange d'amines, de polymères aminés
- la solution d'amines est choisie parmi l'éthanolamine (MEA), le N-méthyl-diethanolamine, (MDEA), le méthyl-diethanolamine activé (aMDEA), la diethanolamine (DEA), la piperazine
(Pz).

Claims

Revendications
1. Procédé de production de biométhane (1) à partir de biogaz (2) mettant en œuvre un système d'absorption, disposant notamment d'un absorbeur (3), d'un désorbeur (4), et d'une solution absorbante (5) et un système de pompe à chaleur disposant notamment d'un fluide frigorigène (6) suivant un cycle thermodynamique, comprenant les étapes successives suivantes :
a) refroidissement de la solution absorbante (5) à une température inférieure à 45°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique qui se vaporise,
b) introduction dans l'absorbeur (3) du biogaz à une température comprise entre 0°C et 50°C et une pression comprise entre 0 et 15 bar abs et de la solution absorbante (5) refroidie à l'étape a),
c) récupération en tête de l'absorbeur de biométhane (1) et au fond de l'absorbeur (3) d'une solution absorbante (5) enrichie au moins en C02
d) compression du fluide frigorigène (6) à la pression haute de son cycle thermodynamique, e) réchauffement de la solution absorbante (5) enrichie en C02 récupérée à l'étape c) à une température supérieure à 50°C par mise en contact avec le fluide frigorigène (6) issu de l'étape d) qui se condense,
f) désorption de la solution absorbante (5) enrichie en C02 dans le désorbeur(4),
g) récupération au fond du désorbeur (4) de la solution absorbante régénérée (7) de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a),
h) détente du fluide frigorigène (6) à la pression basse de son cycle thermodynamique de manière à pouvoir être utilisée à nouveau dans l'étape a).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape g) en tête du désorbeur on récupère un flux de C02 (8).
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape c) au fond de l'adsorbeur on récupère une solution absorbante enrichie en C02 et H2S (12).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape e) lors du réchauffement de la solution absorbante une partie de l'eau contenue dans la solution absorbante s'évapore et on compense cette perte en eau par un appoint d'eau.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape e) de réchauffement de la solution absorbante est réalisée en amont (10) du désorbeur ou dans le désorbeur (11).
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le biogaz comprend de l'hydrogène sulfuré et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape d'élimination de l'hydrogène sulfuré compris dans le biogaz.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est de l'isobutane.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'à l'étape h) la détente du fluide frigorigène est réalisée au moyen d'une vanne (9).
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la solution d'amines est choisie parmi l'éthanolamine (MEA), le N-méthyl-diethanolamine, (MDEA), le méthyl- diethanolamine activé (aMDEA), la diethanolamine (DEA), la piperazine (Pz).
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