WO2024018162A1 - Methane pyrolysis method with recirculation of the solid carbon produced - Google Patents

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WO2024018162A1
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solid carbon
methane
pyrolysis
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PCT/FR2023/051136
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Mathieu Haddad
Manuel HERNANDEZ-SHEK
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Suez International
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    • C12M47/18Gas cleaning, e.g. scrubbers; Separation of different gases

Definitions

  • the invention relates to a process for recovering solid carbon produced during the pyrolysis of methane from gas, in particular biogas, produced in a wastewater treatment chain.
  • the process includes a methane pyrolysis step to produce dihydrogen and solid carbon recirculated in the process.
  • wastewater treatment is a three-step process: a primary treatment step reducing the content of solids and/or organic matter likely to flocculate in the wastewater to be treated, a secondary treatment step making it possible to reduce the carbon and/or nitrogen and/or phosphorus content and a tertiary treatment step to further clean the water when discharged into a sensitive ecosystem or for reuse.
  • the primary and secondary treatment stages produce sludge which is treated by anaerobic digestion to produce biogas, an energetic gas composed mainly of methane and carbon dioxide.
  • methane-containing gases can be pyrolyzed to produce dihydrogen, such as natural gas or syngas.
  • a first object of the invention relates to a process for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane, comprising:
  • step (b) a step of eliminating pollutants from the gas of step (a) producing treated gas, during which the gas is brought into contact with an adsorbent media capable of adsorbing at least part of the pollutants contained in gas;
  • step (c) a step of pyrolysis of the treated gas of step (b) producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon, during which at least part of the methane contained in the treated gas is converted into dihydrogen and solid carbon;
  • step (d) a step of separating the effluent from step (c) during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen;
  • step (e) an optional step of shaping at least part of the solid carbon separated in step (d).
  • step (d) At least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is used as adsorbent media in step (b).
  • upgraded solid carbon can contain particles with a magnetic iron core when produced by catalytic pyrolysis. So, unlike the use of a conventional adsorbent media such as activated carbon, the solid carbon used as an adsorbent media can be recovered more easily using a magnetic field when it is in an aqueous medium.
  • the use of solid carbon as an adsorbent media therefore makes it possible to avoid the use of a filter at the outlet of step (b) of eliminating pollutants from the gas to recover the adsorbent media used.
  • step (d) of separating the solid carbon from the gaseous effluent can be chosen from a step (dl) of cyclonic separation, a step (d2) of separation by filtration or the succession of steps (dl ) and (d2).
  • the gas supplied in step (a) can be chosen from biogas, synthesis gas and natural gas, alone or as a mixture.
  • the gas is biogas.
  • the process can comprise, between step (b) of elimination and step (c) of pyrolysis, a step (f) of separating the methane contained in the treated gas, during which the Methane present in the treated gas is separated from the rest of the gas before being sent to step (c).
  • step (f) of separating the methane contained in the treated gas during which the Methane present in the treated gas is separated from the rest of the gas before being sent to step (c). This allows a gas with a higher methane content to be sent to step (c).
  • the process can comprise, between step (b) of elimination and step (c) of pyrolysis, a step (f) of separation of methane and carbon dioxide. carbon dioxide contained in the treated gas, during which the carbon dioxide present in the treated gas is separated and removed.
  • step (f) aims to obtain, as an input to step (c) of pyrolysis, a flow containing the vast majority of methane.
  • the flow rate can be reduced since a greater quantity of methane enters step (c) and the outgoing stream containing the dihydrogen will have greater purity since it will only contain the methane not converted during step ( vs).
  • the process can comprise, upstream of the supply step, a step (g) of gas production by anaerobic digestion of a sludge resulting from a wastewater treatment process.
  • the gas obtained is then biogas.
  • the sludge entering the anaerobic digestion step (g) is a sludge that may come from a primary treatment or secondary treatment step of a wastewater treatment process.
  • Step (g) produces biogas which can thus be treated during steps (a), (b), (c), and optionally (f).
  • step (g) can be carried out in the presence of a biomass support and at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped using step (e), can then be used as a biomass support.
  • the sludge is broken down by the biomass present.
  • the solid carbon used during this step will allow the biomass to form and develop around the solid carbon particles, the biomass can thus be maintained within the digester.
  • the method may comprise a step of eliminating contaminants from treated water coming from a wastewater treatment process, during which the content of micropollutants in the treated water is reduced by in contact with at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally formatted in step (e).
  • This treatment process is intended to clean water of municipal or industrial origin so that it can be discharged into a sensitive ecosystem or to be reused.
  • the contaminant removal stage most often occurs after two treatment stages called primary and secondary stages as described previously.
  • the contaminant removal stage is generally a tertiary treatment stage designed to further clean the water. This step may involve the removal of micropollutants by adsorption by an adsorbent media.
  • the adsorbent media chosen is then solid carbon produced by pyrolysis, which is economical and eliminates transport costs if the solid carbon is produced close to the water treatment system.
  • the water treatment process can optionally be the one providing the sludge to produce gas.
  • the process can comprise a step of treating the odors of a gaseous effluent during which the gaseous effluent is brought into contact with an adsorbent media. At least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is then used as adsorbent media during this odor treatment step.
  • the odor treatment step can be used to, for example, treat the odors of an effluent leaving the water or sludge treatment process steps.
  • the use of solid carbon during this process makes it possible to adsorb odors economically as mentioned and explained previously.
  • Another object of the invention relates to an installation for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane for the implementation of the process according to the invention, comprising:
  • pyrolysis unit (C) of the treated gas capable of implementing step (c) producing an effluent containing a gas phase enriched in di-hydrogen and solid carbon, said pyrolysis unit (C) is connected to the disposal unit (B);
  • the separation unit (D) of the solid carbon from the gaseous effluent can be chosen from a cyclonic separation unit (Dl), a filtration separation unit (D2) or the succession of units (Dl ) and (D2).
  • the supply pipe (A) can be connected to a gas source chosen from biogas, synthesis gas and natural gas, alone or in a mixture.
  • This gas source can be a gas production unit or a storage capacity for this gas.
  • the installation may in particular comprise a separation unit (E) capable of separating the methane present in the gas to be treated or treated, this separation unit being connected to the elimination unit (B) to receive it. the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a separated gas having a higher methane content.
  • a separation unit (E) capable of separating the methane present in the gas to be treated or treated, this separation unit being connected to the elimination unit (B) to receive it. the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a separated gas having a higher methane content.
  • the installation may in particular comprise a separation unit (E) capable of separating and removing the carbon dioxide present in the treated gas, this separation unit being connected to the elimination unit (B) to receive the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a treated gas from which the carbon dioxide has been separated and removed.
  • a separation unit (E) capable of separating and removing the carbon dioxide present in the treated gas, this separation unit being connected to the elimination unit (B) to receive the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a treated gas from which the carbon dioxide has been separated and removed.
  • the installation may also include at least one of the following units:
  • the installation can advantageously comprise at least one circuit comprising at least one solid carbon storage device, such as a tank or the like, and at least one transport device, such as a train, truck or other, for the transport of solid carbon leaving the separation unit, or leaving the optional shaping unit, towards the at least one storage device, and the transport of the carbon solid from the at least one storage device to the pollutant elimination unit (B), and optionally to at least one unit chosen from the unit (G) for gas production by anaerobic digestion, the unit d elimination (H) of contaminants from treated water and the unit (I) for treating odors from a gaseous effluent.
  • at least one circuit comprising at least one solid carbon storage device, such as a tank or the like, and at least one transport device, such as a train, truck or other, for the transport of solid carbon leaving the separation unit, or leaving the optional shaping unit, towards the at least one storage device, and the transport of the carbon solid from the at least one storage device to the pollutant elimination unit (B), and optionally to at
  • Figure 1 is a schematic representation of the solid carbon production and recovery installation according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of the production and recovery installation according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of the production and recovery installation according to another embodiment of the invention.
  • the process according to the invention is a process for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane.
  • the method comprises a step (a) of supplying gas containing carbon dioxide, methane and pollutants, a step (b) of removing pollutants from the gas of step (a) producing treated gas , a step (c) of pyrolysis of the treated gas from step (b) producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon, a step (d) of separating the effluent from step (c) during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen.
  • the process can also include an optional step (e) of shaping at least part of the solid carbon separated in step (d).
  • step (d) At least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is used as adsorbent media during step (b).
  • Supply step (a) is a gas supply step which is a gaseous effluent containing methane and pollutants, and optionally carbon dioxide.
  • the gas can contain up to 90% by volume of methane, preferably from 45 to 90%, from 45% to 80% or from 55 to 70% by volume of methane, which can be revalorized in particular to produce energy or dihydrogen by pyrolysis.
  • the gas supplied can come from different sources such as methanization or the fermentation of organic waste such as sludge, the gasification of carbonaceous material or be natural gas.
  • Pollutants may include one or more of the following compounds:
  • H2S hydrogen sulphide
  • SOx sulfur oxides
  • VOC volatile organic compounds
  • HCl hydrochloric acid
  • HF hydrofluoric acid
  • the gas when the gas is biogas from methanization or fermentation, it may contain methane, carbon dioxide and pollutants. It can in particular contain approximately 45 to 80% by volume, in particular 55 to 70% by volume, of methane. Pollutants may include sulfur compounds, including hydrogen sulfide (H2S), volatile organic compounds, ammonia, siloxanes. Hydrocarbons and nitrogen gas may also be present.
  • syngas coming from the gasification of carbonaceous material, typically biomass
  • methane, carbon dioxide and pollutants generally typically includes methane, carbon monoxide (CO), hydrogen, carbon dioxide and dinitrogen.
  • Syngas can notably contain up to 5% by volume of methane. It can also contain 5 to 15% by volume of carbon dioxide, 10 to 25% by volume of hydrogen, 30 to 50% by volume of dinitrogen, 15 to 30% by volume of carbon monoxide.
  • Pollutants may include sulfur compounds (H2S, COS, CS2), ammonia, halogenated compounds or halogens (HCl, Cl,...), metals (sodium, potassium,...), tar .
  • the gas when the gas is natural gas it may contain methane and pollutants, and optionally carbon dioxide. Syngas can notably contain up to 90% by volume of methane. It may also contain other hydrocarbons containing 2 to 5 carbon atoms. Pollutants may include sulfur compounds, including H2S.
  • step (a) The gas supplied in step (a) is then treated in a pollutant removal step then producing treated gas.
  • step (b) the gas is brought into contact with an adsorbent media capable of adsorbing at least part of the pollutants contained in the gas.
  • pollutants include sulfur compounds, and in particular hydrogen sulfide and/or sulfur oxides, volatile organic compounds, halogenated compounds, and in particular hydrochloric acid (HCl) and hydrofluoric acid (HF), and siloxanes, alone or in mixture.
  • the pollutants present in the gas are then eliminated, at least in part, by adsorption using filters filled with an adsorbent media. Removal is typically carried out in a fixed bed reactor filled with an adsorbent media. The gas to be treated is then injected through the bottom of the reactor and it will pass through the reactor while being in contact with the adsorbent media. Then the treated gas will exit through the top of the reactor. When the adsorbent media is no longer effective and has lost its adsorbent power, then the filter is changed.
  • the invention is not limited to a single fixed bed reactor with a filter but in alternative embodiments, several fixed bed reactors can be had in parallel and/or in series.
  • This step can also be implemented in a reactor containing a liquid phase containing the adsorbent media in which the gas to be purified is bubbled, or in a fluidized bed reactor or even in a washing tower.
  • the adsorbent media used during this step is solid carbon produced during the pyrolysis step (c) or during the optional shaping step (f).
  • the carbon is then recovered from this step (c) or (f) and it is injected as a gas filtering medium into the fixed bed reactors or other usable reactors or enclosures.
  • the recovered solid carbon is generally stored before use since the use of the filter media is generally not continuous.
  • solid carbon is stored in a dry place, away from water, to prevent it from losing its adsorbent power by adsorbing the humidity present.
  • step (b) The gas treated in step (b) is then pyrolyzed in a pyrolysis step (c), thus producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon.
  • the gas phase produced may also include CO2 and/or CO2 pyrolysis products.
  • stage (c) of pyrolysis at least part of the methane contained in the treated gas is converted into dihydrogen and solid carbon.
  • Methane pyrolysis is an endothermic reaction that results in the production of hydrogen and solid carbon according to the following chemical equation: CH4 -> 2H2+Csoiide. Methane pyrolysis is carried out at a temperature between between 750 and 2100 °C and at a pressure between 1 and 8 bars. The residence time is typically of the order of a second, for example from 1 to 4 seconds.
  • the pyrolysis process may be a plasma or thermal pyrolysis process, for example carried out at a temperature of 1100 to 2000°C, or be a catalytic pyrolysis process, for example carried out at a temperature of approximately 900 °C and a pressure of approximately 8 bars.
  • the catalysts used in the catalytic pyrolysis process are generally iron oxide granules (Fe2O3/Fe3O4) or molten metal catalysts with Nickel (Ni) and Bismuth (Bi) as presented in the following publication: Catalytic Hydrogen Production from Methane: A Review on Recent Progress and Prospect, Chen et al, Catalysts 2020, 10, 858.
  • the pyrolysis step can for example be implemented in a reactor adapted to the pyrolysis of a gas.
  • a reactor adapted to the pyrolysis of a gas.
  • a plasma reactor or a catalytic reactor such as a fluidized bed reactor, adapted to the treatment of a gas.
  • the solid carbon produced during the pyrolysis of methane can present different structures, physicochemical properties and purity depending on the catalyst used and the pyrolysis operating conditions.
  • solid carbon can be in the form of carbon black or “Carbon black” which comes from thermal pyrolysis carried out between 1100 and 2000 °C or even in the form of graphite when the process is carried out for example at a temperature of 900 °C, a pressure of 8 bars and with iron oxide granules (Fe2O3/Fe3O4).
  • Graphite then forms around the catalyst, making it magnetic.
  • the solid carbon produced and valorized during stage (c) of pyrolysis can advantageously come from a clean process: the methanization of organic waste or the gasification of biomass, it therefore does not come from a polluting process resulting from processing of fossil products.
  • step (c) The effluent produced during step (c) is then sent to a separation step (d) during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen.
  • the separation step (d) is chosen from a cyclonic separation step (dl), a filtration separation step (d2) or the succession of steps (dl) and (d2).
  • Step (dl) is a cyclonic separation step. This step uses at least one separation cyclone to separate the solid carbon from the produced dihydrogen.
  • the separation cyclone used is a device for separating a gas from the fine solid particles mixed with it. It imposes a rapid rotation on the gas which throws the particles to the sides of the cyclone by centrifugal force. These then fall into a bin thanks to the force of friction. The clean gas, freed from part of its particle charge, escapes through the outlet tube. It then forms a second vortex in the center of the first, in the opposite direction. This process cannot be applied to very fine particles because their mass is too low but is suitable for separating most solid carbon particles produced by pyrolysis.
  • Cyclones are devices with essentially cylindrical-conical bodies in which the gyratory movement is obtained by causing the fluid to enter tangentially to the circumference, in the vicinity of the wall. Under the effect of centrifugal force, the solid particles caught in the vortex move towards the wall, lose their speed there through friction and fall into the lower part of the conical-shaped device, before exiting through the top of the cone. . The fluid follows the wall until near the top, and once free of particles, rises to the upper part to exit through an axial opening. Thus, for the separation to be effective, the time taken by a particle to reach the wall must be less than the average residence time of an element of fluid in the cyclone.
  • Step (d2) is a filtration separation step during which the solid carbon particles are separated from the gaseous effluent by filtration.
  • gaseous effluent filtration There are two principles of gaseous effluent filtration which are cake filtration and depth filtration.
  • Cake filtration corresponds to surface filtration which implies that particles are retained mainly on the surface of a filter media forming a layer of solid particles which increases the efficiency or fineness of the particles retained.
  • the gas stream containing the particles passes through a porous media which retains the particles, but allows the gas to pass.
  • a cake of solid particles builds up on the porous media.
  • This cake has a complex pore structure determined by the nature of the solid carbon particles. This structure removes additional particles by simple sieving mechanism.
  • This type of filtration refers to the group of dust collectors using fabric, ceramic or metal filter media.
  • Depth filtration refers to a thicker or multi-layered filter media, forming a tortuous path to retain solid particles.
  • This type of media ideally retains coarser dust on the surface and increasingly finer dust as the gas penetrates deeper into the media.
  • the solid gas feed stream passes through a porous medium which retains solid particles, but allows gas to pass through. As the flow continues, dust particles accumulate in the filter media which gradually blocks it. When a loss of pressure determined on the filter media is reached, the filter media is usually replaced.
  • the solid carbon captured by the filters can be recovered in the usual way, for example by vibration and/or circulation of a reverse flow of inert gas, for example dinitrogen.
  • step (d2) of separation by filtration is generally placed after step (dl) of cyclonic separation to be able to recover the particles which have not been separated by the cyclone and in particular the particles having a small diameter.
  • the solid carbon has been recovered during this step, at least part of this solid carbon can either be stored in a closed enclosure before use in the process according to the invention, preferably, the solid carbon is kept in a dry place protected from water, where the solid carbon can be recovered directly in another unit.
  • the solid carbon produced during pyrolysis and thus separated can advantageously be used directly as an adsorbent media and/or biomass support, without the need to be shaped, and without the need for heat treatment. . This further reduces the costs associated with its use.
  • shaping can be carried out, without however requiring heat treatment.
  • At least part of the solid carbon recovered during separation step (d) can optionally be shaped during step (f).
  • the solid carbon shaping step is typically a granulation step also called pelletization.
  • This step consists of assembling or agglomeration of fine solid particles in order to form larger elements such as spheres, briquettes or even cylindrical pellets.
  • the solid carbon is put in the form of cylindrical pellets.
  • the first method is wet granulation.
  • a liquid binder most generally water but also molasses or chemical agents such as lignosulfonate, and thanks to mechanical action a suitable device such as a pelletizing plate, a granulator mixer, etc.
  • a suitable device such as a pelletizing plate, a granulator mixer, etc.
  • the second method is dry granulation: the granules are obtained by compression, their cohesion thus being ensured by the combined effect of the reduction in the spacing of the particles and the increase in their surface area. contact. This granulation is carried out with or without the addition of binder.
  • the methods of implementation are through briquetting presses for iron ores, for example, or even granulating presses with extrusion dies for fuel production, for example.
  • step (e) of shaping the solid carbon is carried out by a granulating press, that is to say by dry granulation.
  • step (e) Once shaped during optional step (e), either the solid carbon is used directly or it is stored. Since the pelletization process is generally a batch process, the solid carbon leaving step (d) is typically stored before being shaped.
  • the optional shaping can be adapted to the application of carbon black.
  • particles of 2 to 8 mm can advantageously be used. in diameter, optionally impregnated with a basic solution containing for example NaOH or an acid, for example HCl or H2SO4 in order to improve the adsorption of pollutants such as H2S or NH3, but preferably without impregnation of a chemical compound.
  • a basic solution containing for example NaOH or an acid for example HCl or H2SO4 in order to improve the adsorption of pollutants such as H2S or NH3, but preferably without impregnation of a chemical compound.
  • step (b) of eliminating pollutants and step (c) of pyrolysis the process of production and valorization of solid carbon can also include a step (f) of separation of methane, and optionally of carbon dioxide, contained in the treated gas.
  • This step thus makes it possible to concentrate the gas into methane and purify it in order to obtain a gas flow with a higher methane content before sending it to step (c).
  • This step can be chosen from several gas separation processes, for example the pressure inversion adsorption process or the membrane separation process and/or from other separation and/or purification processes.
  • this step can make it possible to separate and remove carbon dioxide and/or other contaminants present in the gas.
  • Pressure swing adsorption also called “Pressure Swing Adsorption”
  • Pressure Swing Adsorption is a process for separating gas mixtures during which the adsorption of a gas by a solid or a liquid alternately takes place. a given pressure, then its desorption at a lower pressure. It consists of removing a gas from a gas mixture, using its chemical affinity and its particular characteristics with respect to a solid material, an adsorbent exposed to a rigorously controlled pressure oscillation.
  • Membrane separation consists of separating several compounds from a gas by sending a gaseous effluent through a module comprising a membrane. Depending on the difference in permeability of the membrane with respect to the compounds in the gaseous effluent, certain compounds will pass through the membrane more quickly while others will pass through it slowly. Thus, in the case of the invention, on one side or the other of the module, there will be different concentrations of methane, an effluent will be enriched in methane and will be used during step (c) of pyrolysis of the methane while the other effluent will be depleted in methane.
  • the solid carbon production and valorization process may include an optional step (g) of gas production by anaerobic digestion.
  • This unit may be a unit present on the same site as the process according to the invention.
  • the optional step (g) is located upstream of the gas supply step (a) and it produces the gas used during step (a) and in the remainder of the process according to the invention.
  • Anaerobic digestion or methanization corresponds to a cascade of biochemical reactions allowing methanogenic microorganisms to convert organic matter such as sludge present in a digester into gas corresponding mainly to a mixture of carbon dioxide and methane.
  • the remaining materials are called digestate.
  • the conditions for implementing this step (c), in particular the temperature, pH and residence time, can advantageously be chosen in order to maximize gas production.
  • the sludge used in the digester is typically sludge coming from a primary treatment and/or secondary treatment stage of a wastewater treatment process.
  • the primary treatment stage generally makes it possible to reduce the solids and/or organic matter content of the wastewater to be treated. This is typically a settling stage, possibly assisted by a prior addition of coagulant and flocculant, during which the wastewater is placed in a holding tank or a settling basin.
  • the secondary treatment step for its part, makes it possible to reduce the carbon and/or nitrogen and/or phosphorus content of the effluent having a reduced solids content leaving the first treatment step.
  • a biomass support is generally used to allow biomass to form and grow around the particles of the support, the biomass can thus be maintained within the digester.
  • the biomass support corresponds to at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e).
  • step (g) can be a continuous or discontinuous step. Preferably, it is a continuous step in which the solid carbon leaving step (d) is directly introduced into the digester progressively. as the solid carbon used leaves it.
  • the solid carbon produced preferably when containing a magnetized iron core, can be used for the removal of contaminants such as micropollutants in water.
  • the process may include an optional step of eliminating contaminants from treated water coming from a wastewater treatment process, during which the content of micropollutants in the treated water is reduced.
  • This step is designed to further clean water when it is released into a sensitive ecosystem or to reuse it.
  • the optional contaminant removal step typically involves placing the water in a decanter containing a bed of adsorbent media.
  • the adsorbent media is the solid carbon separated during step (d), optionally shaped during step (e).
  • the water will pass through the bed of adsorbent media in which the adsorption of contaminants such as micropollutants or even organic matter takes place.
  • This step is a discontinuous step from the point of view of the adsorbent media because it must be saturated before replacing it. So, before use, solid carbon is generally stored in a dry place.
  • solid carbon can be recovered using a magnetic field.
  • a magnetic field cyclone For example, using a magnetic field cyclone.
  • the solid carbon produced recovered during separation step (d) or optionally during shaping step (e) can also be used for odor treatment.
  • the method can comprise a step of treating the odors of a gaseous effluent during which the gaseous effluent is brought into contact with an adsorbent media.
  • the adsorbent media being the solid carbon recovered or optionally shaped.
  • the odorous compounds to be treated are often sulfur compounds such as hydrogen sulfide but also nitrogen compounds such as ammonia or even acidic compounds. Legislation thus orders the emission of these odorous compounds to be limited so as not to disturb or annoy homes located around the installation.
  • This step is typically a treatment of odors by adsorption on an adsorbent media on which the odorous compounds are trapped by adsorption. This process is recommended for installations with low flow rates and low polluting loads.
  • the adsorbent media used is typically placed in filter cartridges through which the gas to be treated circulates. This process is a batch process, thus, the solid carbon produced is generally stored upstream in a dry location.
  • the solid lines correspond to a continuous line in which the flow circulates continuously in the pipe
  • the dotted lines mean that the flow circulates discontinuously in a circuit which may include a step of storing solid carbon in a storage device (tank or other) and a device for transporting solid carbon (train, truck, or other) to and from the storage device, not shown in the figures.
  • the storage step is carried out in a storage unit comprising at least one enclosure allowing the solid carbon to be kept in a dry place.
  • the installation 100 for producing and recovering solid carbon from the pyrolysis of methane comprises a gas supply pipe A, a pollutant elimination unit B capable of implementing step (b), a pyrolysis unit C capable of implementing step (c) and a separation unit D adapted to implement step (d) of the process.
  • the gas pollutant elimination unit B comprises, for example, at least one fixed bed reactor capable of receiving an adsorbent media or any other suitable reactor. In an alternative embodiment, several fixed bed reactors in parallel and/or series can be installed.
  • the elimination unit B is fluidly connected to the gas supply pipe A and it includes a pipe 1 for evacuating the treated gas.
  • the pyrolysis unit C of the treated gas comprises at least one reactor capable of carrying out pyrolysis. In an alternative embodiment, several reactors in parallel and/or in series can be installed.
  • the pyrolysis unit C is fluidly connected to the elimination unit B via the evacuation pipe 1 and it comprises a pipe 2 for evacuating an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon.
  • the separation unit D of the effluent leaving unit C can be a cyclonic separation unit (Dl), a filtration separation unit (D2) or the succession of units (Dl) and (D2 ).
  • the cyclonic separation unit (Dl) comprises one or more cyclones in parallel and/or in series.
  • the filtration separation unit (D2) comprises one or more filters in parallel and/or in series.
  • the separation unit D is fluidly connected to the pyrolysis unit C via the evacuation line 2 and includes a circuit 3 for evacuating the solid carbon and a line 4 for evacuating the gas phase enriched with dihydrogen.
  • FIG. 2 presents an embodiment of the installation, including in particular as an option, a separation unit F for implementing a separation between the elimination unit B and the pyrolysis unit C , and, optionally, a shaping unit E for implementing step (e) of shaping downstream of the separation unit D.
  • the installation 200 thus comprises a pipe (A) supply of gas, a pollutant elimination unit B capable of implementing step (b), a pyrolysis unit C capable of implementing step (c) and a separation unit D adapted to implement implement step (d) of the process.
  • Installation 200 further includes:
  • the separation unit E capable of separating the methane present in the treated gas, and optionally of removing the carbon dioxide, and
  • the separation unit F of the gas leaving unit B makes it possible to purify the gas in order to concentrate it into methane. In one embodiment, this unit F makes it possible to separate the carbon dioxide present from methane to obtain treated gas enriched in methane.
  • the separation unit F is fluidly connected to the elimination unit B via the evacuation pipe 1 and comprises a pipe 19 for evacuating a gaseous effluent depleted in methane, for example enriched in carbon dioxide or in another component of the gas, and a pipe 6 for evacuating the treated gas enriched in methane, and depleted in carbon dioxide or in another component of the gas.
  • the solid carbon shaping unit E leaving the separation unit D is a unit operating discontinuously, that is to say that the solid carbon does not enter continuously at a flow rate fixed in the unit (same for the output of this unit).
  • the shaping unit E is connected to the separation unit D by an evacuation circuit 3 and includes a circuit 8 for evacuating the shaped solid carbon.
  • circuit 8 means that at least part of the solid carbon shaped in unit E, all of it in the example shown, is sent to the elimination unit B to be used as an adsorbent media.
  • Figure 3 shows another embodiment of the installation.
  • the installation 300 shown firstly comprises a unit G for producing gas by anaerobic digestion of a sludge.
  • the gas production unit G is connected to a pipe 9 for supplying a sludge from a water treatment installation 400 and the unit G is connected to the supply pipe A to send the gas there. product.
  • the unit G is also supplied with at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D), optionally from the shaping unit (E), via a circuit 10.
  • the gas production unit G also includes a pipe 11 for evacuating sludge and solid carbon used.
  • Gas supply line A is connected to unit B for eliminating gas pollutants.
  • Elimination unit B includes a pipe 1 for evacuating the treated gas.
  • Unit E also includes a pipe 19 for evacuating a gaseous effluent depleted in methane, and enriched in carbon dioxide or other gas component, and a pipe 6 for evacuating the treated gas enriched in methane and depleted in carbon dioxide or other gas component.
  • the pyrolysis unit C for its part, is connected to the optional unit E by the evacuation pipe 6.
  • the unit C also includes an evacuation pipe 2 of an effluent containing a gas phase enriched with dihydrogen and solid carbon. Line 2 connects unit C to separation unit D.
  • the separation unit D includes a circuit 3 for evacuating solid carbon and a pipe 4 for evacuating the gas phase enriched with dihydrogen.
  • unit D includes a circuit 5-1 and 5-2 for recovering solid carbon.
  • Circuit 5-1 supplies circuit 10 for supplying unit G with solid carbon and a circuit 12 for supplying unit B with solid carbon as adsorbent media.
  • Circuit 5-2 for its part, supplies solid carbon to a circuit 13 for supplying an elimination unit H of contaminants from treated water and a circuit 14 for supplying a treatment unit I for odors of a gaseous effluent.
  • the contaminant elimination unit H receives treated water coming from a wastewater treatment installation 400.
  • Unit H thus comprises a pipe 15 for supplying treated water and a pipe 16 for evacuating water depleted in contaminants.
  • the treatment unit I whose adsorbent media is the solid carbon produced, comprises a pipe 17 for supplying a gaseous effluent comprising odorous compounds and a pipe 18 for evacuating a gaseous effluent depleted in compounds odorous.
  • Unit E in combination or not with the first variant, at least part of the solid carbon leaving the unit D is shaped in the unit E, connected to the separation unit D by a circuit 3 of evacuation.
  • Unit E also includes an 8-1 and 8-2 solid carbon recovery circuit.
  • Circuit 8-1 supplies circuit 10 for supplying unit G with solid carbon and circuit 12 for supplying unit B with solid carbon as adsorbent media.
  • Circuit 8-2 for its part, supplies circuit 13 for supplying an elimination unit H of contaminants from treated water and circuit 14 for supplying a treatment unit I for odors from a gaseous effluent.
  • the installation includes the solid carbon shaping unit E as well as its recovery circuit 8-1 and 8-2.
  • each of the circuits 3, 5, 5-1, 5-2, 8-1, 8-2, 10, 12, 13, 14 can comprise at least one storage device (tank or other) and at least one device for transporting solid carbon (train, truck, or other) to and from the storage device.

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Abstract

Method for producing and recycling the solid carbon obtained from the pyrolysis of methane, comprising: (a) a step of supplying gas containing methane and pollutants; (b) a step of removing the pollutants from the gas from step (a) producing treated gas, in the course of which the gas is brought into contact with an adsorbent medium; (c) a step of pyrolyzing the treated gas from step (b) producing an effluent containing a dihydrogen-enriched gas phase and solid carbon; (d) a step of separating the effluent from step (c) in the course of which the solid carbon is separated from the dihydrogen-enriched gas phase; the method is characterized in that at least one portion of the solid carbon separated in step (d) is used as adsorbent medium in step (b).

Description

Procédé de pyrolyse du méthane avec une recirculation du carbone solide produit Methane pyrolysis process with recirculation of the solid carbon produced
[1] Domaine de l’invention [1] Field of the invention
[2] L’invention se rapporte à un procédé de valorisation du carbone solide produit lors de la pyrolyse de méthane issu de gaz, notamment de biogaz, produit dans une chaîne de traitement des eaux usées. Le procédé comprend une étape de pyrolyse du méthane pour produire du dihydrogène et du carbone solide recirculé dans le procédé. [2] The invention relates to a process for recovering solid carbon produced during the pyrolysis of methane from gas, in particular biogas, produced in a wastewater treatment chain. The process includes a methane pyrolysis step to produce dihydrogen and solid carbon recirculated in the process.
[3] Etat de la technique [3] State of the art
[4] En général, le traitement des eaux usées est un procédé en trois étapes : une étape de traitement primaire réduisant la teneur des eaux usées à traiter en solides et/ou en matières organiques susceptibles de floculer, une étape de traitement secondaire permettant de réduire la teneur en carbone et/ou en azote et/ou en phosphore et une étape de traitement tertiaire pour nettoyer davantage l'eau lorsqu'elle est déversée dans un écosystème sensible ou pour la réutiliser. [4] In general, wastewater treatment is a three-step process: a primary treatment step reducing the content of solids and/or organic matter likely to flocculate in the wastewater to be treated, a secondary treatment step making it possible to reduce the carbon and/or nitrogen and/or phosphorus content and a tertiary treatment step to further clean the water when discharged into a sensitive ecosystem or for reuse.
[5] Les étapes de traitement primaire et secondaire produisent des boues qui sont traitées par digestion anaérobie pour produire du biogaz, gaz énergétique composé essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone. [5] The primary and secondary treatment stages produce sludge which is treated by anaerobic digestion to produce biogas, an energetic gas composed mainly of methane and carbon dioxide.
[6] Le méthane ainsi produit peut alors être pyrolysé pour la production de dihydrogène et de carbone solide. [6] The methane thus produced can then be pyrolyzed to produce dihydrogen and solid carbon.
[7] Dans le contexte énergétique et climatique actuel, cette réaction est de plus en plus intéressante, car elle permet d’une part la production de dihydrogène décarboné destiné à être utilisé comme vecteur d’énergie dans des nombreuses applications (i.e. métallurgie, production d’ammoniac, transport...) et d’autre part la production de carbone solide utilisable dans de nombreuses applications (les pneus, les semelles de chaussures, le caoutchouc. ..) tout en présentant un avantage économique. [7] In the current energy and climate context, this reaction is increasingly interesting, because it allows on the one hand the production of carbon-free dihydrogen intended to be used as an energy vector in numerous applications (i.e. metallurgy, production ammonia, transport, etc.) and on the other hand the production of solid carbon that can be used in numerous applications (tires, shoe soles, rubber, etc.) while presenting an economic advantage.
[8] Cependant, à l’échelle industrielle, le carbone solide est produit en de trop grandes quantités par rapport à la demande actuelle du marché, il faut donc étudier d’autres voies de valorisation du carbone solide. [8] However, on an industrial scale, solid carbon is produced in too large quantities compared to current market demand, it is therefore necessary to study other ways of valorizing solid carbon.
[9] D’autres gaz contenant du méthane peuvent être pyro lysés pour produire du dihydrogène, tels que le gaz naturel ou les gaz de synthèse. [9] Other methane-containing gases can be pyrolyzed to produce dihydrogen, such as natural gas or syngas.
[10] De plus, la pyrolyse du gaz issu du traitement de méthanisation, ou de tout autre gaz contenant du méthane, nécessite l’élimination des polluants comme l’hydrogène sulfuré, les composés organiques volatiles et les siloxanes, ou encore les oxydes de soufre et les composés oxygénés selon l’origine du gaz envoyé en pyrolyse. Actuellement, l’élimination de ces polluants est réalisée par oxydation dans des filtres biologiques, par adsorption couplée à une oxydation chimique, par absorption en présence d’un milieu basique ou par l’utilisation de filtres contenant du charbon actif ou de l’oxyde de fer. Malgré la performance de ces produits, ces matériaux sont coûteux et leur utilisation augmente le coût de l’installation. [11] L’invention vise à surmonter au moins en partie les inconvénients précités. [10] In addition, the pyrolysis of gas resulting from methanization treatment, or any other gas containing methane, requires the elimination of pollutants such as hydrogen sulphide, volatile organic compounds and siloxanes, or even carbon dioxide oxides. sulfur and oxygenated compounds depending on the origin of the gas sent to pyrolysis. Currently, the elimination of these pollutants is carried out by oxidation in biological filters, by adsorption coupled with chemical oxidation, by absorption in the presence of a basic medium or by the use of filters containing activated carbon or oxide of iron. Despite the performance of these products, these materials are expensive and their use increases the cost of installation. [11] The invention aims to overcome at least partly the aforementioned drawbacks.
[12] Résumé de l’invention [12] Summary of the invention
[13] Un premier objet de l’invention concerne un procédé de production et valorisation du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane, comprenant : [13] A first object of the invention relates to a process for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane, comprising:
(a) une étape de fourniture de gaz contenant du méthane et des polluants, optionnellement du dioxyde de carbone ; (a) a step of supplying gas containing methane and pollutants, optionally carbon dioxide;
(b) une étape d’élimination des polluants du gaz de l’étape (a) produisant du gaz traité, au cours de laquelle le gaz est mis en contact avec un média ad- sorbant apte à adsorber au moins une partie des polluants contenus dans le gaz ; (b) a step of eliminating pollutants from the gas of step (a) producing treated gas, during which the gas is brought into contact with an adsorbent media capable of adsorbing at least part of the pollutants contained in gas;
(c) une étape de pyrolyse du gaz traité de l’étape (b) produisant un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydrogène et du carbone solide, au cours de laquelle au moins une partie du méthane contenu dans le gaz traité est converti en dihydrogène et en carbone solide ; (c) a step of pyrolysis of the treated gas of step (b) producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon, during which at least part of the methane contained in the treated gas is converted into dihydrogen and solid carbon;
(d) une étape de séparation de l’effluent de l’étape (c) au cours de laquelle on sépare le carbone solide de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène ; (d) a step of separating the effluent from step (c) during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen;
(e) une étape optionnelle de mise en forme d’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d). (e) an optional step of shaping at least part of the solid carbon separated in step (d).
Selon l’invention, au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), est utilisé comme média adsorbant à l’étape (b). According to the invention, at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is used as adsorbent media in step (b).
[14] Cet enchaînement d’étapes, permet de produire du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane et de le valoriser sur site. L’utilisation du carbone solide comme média adsorbant permet de s’affranchir de l’utilisation d’adsorbants tels que des structures métallo-organiques aussi appelées MOF (« metal-organic frameworks ») ou des zéolithes qui sont plus coûteux. De plus, le carbone solide est produit en grande quantité sur place ce qui permet de s’affranchir des coûts de transport et du recyclage du média adsorbant. Son utilisation permet également de réduire la quantité d’adsorbant nécessaire pour l’élimination des polluants. [14] This sequence of steps makes it possible to produce solid carbon from the pyrolysis of methane and to recover it on site. The use of solid carbon as an adsorbent media makes it possible to avoid the use of adsorbents such as metal-organic structures also called MOFs (“metal-organic frameworks”) or zeolites which are more expensive. In addition, solid carbon is produced in large quantities on site, which eliminates transport costs and recycling of the adsorbent media. Its use also makes it possible to reduce the quantity of adsorbent necessary for the elimination of pollutants.
[15] Par ailleurs, le carbone solide valorisé peut contenir des particules avec un cœur magnétique en fer lorsqu’il est produit par pyrolyse catalytique. Alors, contrairement à l’utilisation d’un média adsorbant classique tel que du charbon actif, le carbone solide utilisé comme média adsorbant peut-être récupéré plus facilement en utilisant un champ magnétique lorsqu’il est en milieu aqueux. L’utilisation du carbone solide comme média adsorbant permet donc de s’affranchir de l’utilisation d’un filtre en sortie de l’étape (b) d’élimination des polluants du gaz pour récupérer le média adsorbant utilisé. [15] Furthermore, upgraded solid carbon can contain particles with a magnetic iron core when produced by catalytic pyrolysis. So, unlike the use of a conventional adsorbent media such as activated carbon, the solid carbon used as an adsorbent media can be recovered more easily using a magnetic field when it is in an aqueous medium. The use of solid carbon as an adsorbent media therefore makes it possible to avoid the use of a filter at the outlet of step (b) of eliminating pollutants from the gas to recover the adsorbent media used.
[16] Le procédé selon l’invention permet ainsi de produire du dihydrogène et du carbone solide, et d’utiliser ce dernier pour purifier le gaz utilisé pour la production de dihydrogène et du carbone solide, de sorte que les coûts globaux du procédé peuvent être réduits et le carbone solide produit valorisé. [17] Avantageusement, l’étape (d) de séparation du carbone solide de l’effluent gazeux peut être choisie parmi une étape (dl) de séparation cyclonique, une étape (d2) de séparation par filtration ou la succession des étapes (dl) et (d2). [16] The process according to the invention thus makes it possible to produce dihydrogen and solid carbon, and to use the latter to purify the gas used for the production of dihydrogen and solid carbon, so that the overall costs of the process can be reduced and the solid carbon produced recovered. [17] Advantageously, step (d) of separating the solid carbon from the gaseous effluent can be chosen from a step (dl) of cyclonic separation, a step (d2) of separation by filtration or the succession of steps (dl ) and (d2).
[18] Avantageusement, le gaz fourni à l’étape (a) peut être choisi parmi du biogaz, du gaz de synthèse et du gaz naturel, seuls ou en mélange. Dans un mode de réalisation préféré, le gaz est du biogaz. [18] Advantageously, the gas supplied in step (a) can be chosen from biogas, synthesis gas and natural gas, alone or as a mixture. In a preferred embodiment, the gas is biogas.
[19] Avantageusement, le procédé peut comprendre, entre l’étape (b) d’élimination et l’étape (c) de pyrolyse, une étape (f) de séparation du méthane contenu dans le gaz traité, au cours de laquelle le méthane présent dans le gaz traité est séparé du reste du gaz avant d’être envoyé à l’étape (c). Ceci permet d’envoyer à l’étape (c) un gaz présentant une teneur plus élevée en méthane. [19] Advantageously, the process can comprise, between step (b) of elimination and step (c) of pyrolysis, a step (f) of separating the methane contained in the treated gas, during which the Methane present in the treated gas is separated from the rest of the gas before being sent to step (c). This allows a gas with a higher methane content to be sent to step (c).
[20] Avantageusement, lorsque le gaz comprend du dioxyde de carbone, le procédé peut comprendre, entre l’étape (b) d’élimination et l’étape (c) de pyrolyse, une étape (f) de séparation du méthane et du dioxyde de carbone contenus dans le gaz traité, au cours de laquelle le dioxyde de carbone présent dans le gaz traité est séparé et enlevé. [20] Advantageously, when the gas comprises carbon dioxide, the process can comprise, between step (b) of elimination and step (c) of pyrolysis, a step (f) of separation of methane and carbon dioxide. carbon dioxide contained in the treated gas, during which the carbon dioxide present in the treated gas is separated and removed.
[21] Cette étape optionnelle (f) a pour but d’obtenir en entrée de l’étape (c) de pyrolyse, un flux contenant en grande majorité du méthane. Ainsi le débit peut être réduit puisqu’une plus grande quantité de méthane entre dans l’étape (c) et le flux sortant contenant le dihydrogène présentera une plus grande pureté puisqu’il ne contiendra que le méthane non converti lors de l’étape (c). [21] This optional step (f) aims to obtain, as an input to step (c) of pyrolysis, a flow containing the vast majority of methane. Thus the flow rate can be reduced since a greater quantity of methane enters step (c) and the outgoing stream containing the dihydrogen will have greater purity since it will only contain the methane not converted during step ( vs).
[22] Avantageusement, le procédé peut comprendre, en amont de l’étape de fourniture, une étape (g) de production de gaz par digestion anaérobie d’une boue issue d’un procédé de traitement des eaux usées. Le gaz obtenu est alors du biogaz. [22] Advantageously, the process can comprise, upstream of the supply step, a step (g) of gas production by anaerobic digestion of a sludge resulting from a wastewater treatment process. The gas obtained is then biogas.
[23] La boue entrante dans l’étape (g) de digestion anaérobique est une boue pouvant provenir d’une étape de traitement primaire ou de traitement secondaire d’un procédé de traitement des eaux usées. [23] The sludge entering the anaerobic digestion step (g) is a sludge that may come from a primary treatment or secondary treatment step of a wastewater treatment process.
[24] L’étape (g) produit du biogaz qui pourra ainsi être traité lors des étapes (a), (b), (c), et optionnellement (f). [24] Step (g) produces biogas which can thus be treated during steps (a), (b), (c), and optionally (f).
[25] Dans un mode de réalisation, l’étape (g) peut être réalisée en présence d’un support de biomasse et au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), peut alors être utilisé comme support de biomasse. [25] In one embodiment, step (g) can be carried out in the presence of a biomass support and at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped using step (e), can then be used as a biomass support.
[26] Dans un digesteur, la boue est décomposée par la biomasse présente. Le carbone solide utilisé lors de cette étape, permettra à la biomasse de se former et de se développer autour des particules de carbone solide, la biomasse peut être ainsi maintenue au sein du digesteur. [26] In a digester, the sludge is broken down by the biomass present. The solid carbon used during this step will allow the biomass to form and develop around the solid carbon particles, the biomass can thus be maintained within the digester.
[27] Avantageusement, le procédé peut comprendre une étape d’élimination de contaminants d’une eau traitée provenant d’un procédé de traitement des eaux usées, au cours de laquelle la teneur en micropolluants de l’eau traitée est réduite par sa mise en contact avec au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e). [27] Advantageously, the method may comprise a step of eliminating contaminants from treated water coming from a wastewater treatment process, during which the content of micropollutants in the treated water is reduced by in contact with at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally formatted in step (e).
[28] Ce procédé de traitement a pour vocation de nettoyer une eau d’origine municipale ou industrielle pour qu’elle puisse être déversée dans un écosystème sensible ou pour être réutilisée. [28] This treatment process is intended to clean water of municipal or industrial origin so that it can be discharged into a sensitive ecosystem or to be reused.
[29] L’étape d’élimination de contaminants survient le plus souvent après deux étapes de traitement appelées étapes primaire et secondaire comme décrit précédemment.[29] The contaminant removal stage most often occurs after two treatment stages called primary and secondary stages as described previously.
L’étape d’élimination de contaminants est généralement une étape de traitement tertiaire conçue pour nettoyer davantage l'eau. Cette étape peut impliquer l'élimination des micropolluants par adsorption par un média adsorbant. Le média adsorbant choisi est alors le carbone solide produit par pyrolyse, économique et qui permet de s’affranchir des coûts de transports si le carbone solide est produit à proximité de la filière de traitement d’eau. The contaminant removal stage is generally a tertiary treatment stage designed to further clean the water. This step may involve the removal of micropollutants by adsorption by an adsorbent media. The adsorbent media chosen is then solid carbon produced by pyrolysis, which is economical and eliminates transport costs if the solid carbon is produced close to the water treatment system.
[30] Le procédé de traitement de l’eau peut optionnellement être celui fournissant la boue pour produire du gaz. [30] The water treatment process can optionally be the one providing the sludge to produce gas.
[31] Avantageusement, le procédé peut comprendre une étape de traitement des odeurs d’un effluent gazeux au cours de laquelle l’effluent gazeux est mis en contact avec un média adsorbant. Au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), est alors utilisé comme média adsorbant lors de cette étape de traitement des odeurs. [31] Advantageously, the process can comprise a step of treating the odors of a gaseous effluent during which the gaseous effluent is brought into contact with an adsorbent media. At least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is then used as adsorbent media during this odor treatment step.
[32] L’étape de traitement des odeurs peut être utilisée pour, par exemple, traiter les odeurs d’un effluent sortant des étapes du procédé de traitement de l’eau ou de la boue. L’utilisation du carbone solide lors de ce procédé permet d’adsorber les odeurs de manière économique comme évoqué et expliqué précédemment. [32] The odor treatment step can be used to, for example, treat the odors of an effluent leaving the water or sludge treatment process steps. The use of solid carbon during this process makes it possible to adsorb odors economically as mentioned and explained previously.
[33] Un autre objet de l’invention concerne une installation de production et de valorisation du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, comprenant : [33] Another object of the invention relates to an installation for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane for the implementation of the process according to the invention, comprising:
- une conduite (A) de fourniture de gaz contenant du méthane et des polluants, et optionnellement du dioxyde de carbone ; une unité d’élimination (B) des polluants du gaz apte à mettre en œuvre l’étape (b) produisant du gaz traité, comprenant un média adsorbant apte à adsorber des polluants, ladite unité d’élimination (B) est raccordée à la conduite (A) de fourniture ; - a pipe (A) for supplying gas containing methane and pollutants, and optionally carbon dioxide; a gas pollutant elimination unit (B) capable of implementing step (b) producing treated gas, comprising an adsorbent media capable of adsorbing pollutants, said elimination unit (B) is connected to the conduct (A) of supply;
- une unité de pyrolyse (C) du gaz traité apte à mettre en œuvre l’étape (c) produisant un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en di- hydrogène et du carbone solide, ladite unité de pyrolyse (C) est raccordée à l’unité d’élimination (B) ; - a pyrolysis unit (C) of the treated gas capable of implementing step (c) producing an effluent containing a gas phase enriched in di-hydrogen and solid carbon, said pyrolysis unit (C) is connected to the disposal unit (B);
- une unité de séparation (D) du carbone solide de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène de l’effluent produit par l’unité de pyrolyse, ladite unité de séparation (D) étant raccordée à l’unité de pyrolyse (C) ; une unité optionnelle (E) de mise en forme de carbone solide alimentée en au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D) ; et au moins une partie du carbone solide sortant de l’unité de séparation (D), op- tionnellement sortant de l’unité de mise en forme (E), est utilisée comme média ad- sorbant dans l’unité d’élimination des polluants. - a separation unit (D) of solid carbon from the gas phase enriched in dihydrogen of the effluent produced by the pyrolysis unit, said separation unit (D) being connected to the pyrolysis unit (C); an optional unit (E) for shaping solid carbon supplied with at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D); and at least part of the solid carbon leaving the separation unit (D), optionally leaving the shaping unit (E), is used as adsorbent media in the elimination unit. pollutants.
[34] Avantageusement, l’unité de séparation (D) du carbone solide de l’effluent gazeux peut être choisie parmi une unité de séparation cyclonique (Dl), une unité de séparation par filtration (D2) ou la succession des unités (Dl) et (D2). [34] Advantageously, the separation unit (D) of the solid carbon from the gaseous effluent can be chosen from a cyclonic separation unit (Dl), a filtration separation unit (D2) or the succession of units (Dl ) and (D2).
[35] La conduite (A) de fourniture peut être reliée à une source de gaz choisie parmi du biogaz, du gaz de synthèse et du gaz naturel, seuls ou en mélange. Cette source de gaz peut être une unité de production du gaz ou une capacité de stockage de ce gaz. [35] The supply pipe (A) can be connected to a gas source chosen from biogas, synthesis gas and natural gas, alone or in a mixture. This gas source can be a gas production unit or a storage capacity for this gas.
[36] L’installation peut notamment comprendre, une unité de séparation (E) apte à séparer le méthane présent dans le gaz à traiter ou traité, cette unité de séparation étant raccordée à l’unité (B) d’élimination pour en recevoir le gaz traité et à l’unité de pyrolyse (C) pour lui fournir un gaz séparé présentant une teneur plus élevée en méthane. [36] The installation may in particular comprise a separation unit (E) capable of separating the methane present in the gas to be treated or treated, this separation unit being connected to the elimination unit (B) to receive it. the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a separated gas having a higher methane content.
[37] Lorsque le gaz contient du dioxyde de carbone, l’installation peut notamment comprendre, une unité de séparation (E) apte à séparer et enlever le dioxyde de carbone présent dans le gaz traité, cette unité de séparation étant raccordée à l’unité (B) d’élimination pour en recevoir le gaz traité et à l’unité de pyrolyse (C) pour lui fournir un gaz traité dont le dioxyde de carbone a été séparé et enlevé. [37] When the gas contains carbon dioxide, the installation may in particular comprise a separation unit (E) capable of separating and removing the carbon dioxide present in the treated gas, this separation unit being connected to the elimination unit (B) to receive the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a treated gas from which the carbon dioxide has been separated and removed.
[38] L’installation peut également comprendre au moins une des unités suivantes : [38] The installation may also include at least one of the following units:
- une unité (G) de production de gaz par digestion anaérobie d’une boue issue d’une installation de traitement de l’eau raccordée d’une part à la conduite (A) de fourniture pour y envoyer le gaz produit et d’autre part alimentée en au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D), option- nellement de l’unité de mise en forme (E) ; une unité d’élimination (H) de contaminants d’une eau traitée provenant d’une installation de traitement des eaux usées, ladite unité d’élimination étant apte à réduire la teneur en micropolluants de l’eau traitée et étant raccordée à l’unité de séparation (D), optionnellement à l’unité de mise en forme (E), pour recevoir au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D), optionnellement de l’unité de mise en forme (E) ; une unité (I) de traitement des odeurs d’un effluent gazeux comprenant un média adsorbant, au moins une partie du carbone solide sortant de l’unité de séparation (D), optionnellement sortant de l’unité de mise en forme (E), étant utilisée comme média adsorbant dans l’unité de traitement des odeurs. - a unit (G) for producing gas by anaerobic digestion of a sludge from a water treatment installation connected on the one hand to the supply pipe (A) to send the gas produced there and on the other hand supplied with at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D), optionally from the shaping unit (E); a unit for eliminating (H) contaminants from treated water coming from a wastewater treatment installation, said elimination unit being capable of reducing the content of micropollutants in the treated water and being connected to the separation unit (D), optionally to the shaping unit (E), to receive at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D), optionally from the shaping unit ( E) ; a unit (I) for treating odors from a gaseous effluent comprising an adsorbent media, at least part of the solid carbon leaving the separation unit (D), optionally leaving the shaping unit (E) , being used as an adsorbent media in the odor treatment unit.
[39] L’installation peut avantageusement comprendre au moins un circuit comprenant au moins un dispositif de stockage de carbone solide, tel qu’une cuve ou similaire, et au moins un dispositif de transport, tel qu’un train, camion ou autre, pour le transport du carbone solide sortant de l’unité de séparation, ou sortant de l’unité optionnelle de mise en forme, vers l’au moins un dispositif de stockage, et le transport du carbone solide depuis l’au moins un dispositif de stockage vers l’unité d’élimination (B) des polluants, et optionnellement vers au moins une unité choisie parmi l’unité (G) de production de gaz par digestion anaérobie, l’unité d’élimination (H) de contaminants d’une eau traitée et l’ unité (I) de traitement des odeurs d’un effluent gazeux. [39] The installation can advantageously comprise at least one circuit comprising at least one solid carbon storage device, such as a tank or the like, and at least one transport device, such as a train, truck or other, for the transport of solid carbon leaving the separation unit, or leaving the optional shaping unit, towards the at least one storage device, and the transport of the carbon solid from the at least one storage device to the pollutant elimination unit (B), and optionally to at least one unit chosen from the unit (G) for gas production by anaerobic digestion, the unit d elimination (H) of contaminants from treated water and the unit (I) for treating odors from a gaseous effluent.
[40] Description des figures [40] Description of figures
[41] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [41] Other particularities and advantages of the invention will emerge on reading the description given below of several particular embodiments of the invention, given for information only but not limitation, with reference to the appended drawings in which :
[42] La figure 1 est une représentation schématique de l’installation de production et de valorisation du carbone solide selon un mode de réalisation l’invention. [42] Figure 1 is a schematic representation of the solid carbon production and recovery installation according to one embodiment of the invention.
[43] La figure 2 est une représentation schématique de l’installation de production et de valorisation selon un autre mode de réalisation l’invention. [43] Figure 2 is a schematic representation of the production and recovery installation according to another embodiment of the invention.
[44] La figure 3 est une représentation schématique de l’installation de production et de valorisation selon un autre mode de réalisation l’invention. [44] Figure 3 is a schematic representation of the production and recovery installation according to another embodiment of the invention.
[45] Description détaillée de l’invention [45] Detailed description of the invention
[46] Procédé [46] Process
[47] Le procédé selon l’invention est un procédé de production et valorisation du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane. [47] The process according to the invention is a process for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane.
[48] Le procédé comprend une étape (a) de fourniture de gaz contenant du dioxyde de carbone, du méthane et des polluants, une étape (b) d’élimination des polluants du gaz de l’étape (a) produisant du gaz traité, une étape (c) de pyrolyse du gaz traité de l’étape (b) produisant un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydro- gène et du carbone solide, une étape (d) de séparation de l’effluent de l’étape (c) au cours de laquelle on sépare le carbone solide de la phase gazeuse enrichie en dihy- drogène. [48] The method comprises a step (a) of supplying gas containing carbon dioxide, methane and pollutants, a step (b) of removing pollutants from the gas of step (a) producing treated gas , a step (c) of pyrolysis of the treated gas from step (b) producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon, a step (d) of separating the effluent from step (c) during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen.
[49] Le procédé peut également comprendre une étape optionnelle (e) de mise en forme d’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d). [49] The process can also include an optional step (e) of shaping at least part of the solid carbon separated in step (d).
[50] Dans ce procédé, au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), est utilisé comme média adsorbant lors de l’étape (b). [50] In this process, at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is used as adsorbent media during step (b).
[51] Les configurations des différentes étapes du procédé présenté ci-après sont combinables suivant l’objectif de traitement décidé. [51] The configurations of the different stages of the process presented below can be combined depending on the treatment objective decided.
[52] Etape (a) de fourniture de gaz [52] Step (a) of gas supply
[53] L’étape (a) de fourniture est une étape de fourniture de gaz qui est un effluent gazeux contenant du méthane et des polluants, et optionnellement du dioxyde de carbone. [53] Supply step (a) is a gas supply step which is a gaseous effluent containing methane and pollutants, and optionally carbon dioxide.
[54] Selon son origine, le gaz peut contenir jusqu’à 90% en volume de méthane, de préférence de 45 à 90%, de 45% à 80% ou de 55 à 70 % en volume de méthane, pouvant être revalorisé notamment pour produire de l’énergie ou du dihydrogène par pyrolyse. [55] Le gaz fourni peut provenir de différentes sources tel que la méthanisation ou encore la fermentation de déchets organiques tel que des boues, la gazéification de matière carbonée ou être du gaz naturel. [54] Depending on its origin, the gas can contain up to 90% by volume of methane, preferably from 45 to 90%, from 45% to 80% or from 55 to 70% by volume of methane, which can be revalorized in particular to produce energy or dihydrogen by pyrolysis. [55] The gas supplied can come from different sources such as methanization or the fermentation of organic waste such as sludge, the gasification of carbonaceous material or be natural gas.
[56] Les polluants peuvent comprendre un ou plusieurs des composés suivants : [56] Pollutants may include one or more of the following compounds:
- des composés soufrés : comme le sulfure d’hydrogène (H2S) et les oxydes de soufre, (SOx), ou d’autres composés soufrés, - sulfur compounds: such as hydrogen sulphide (H2S) and sulfur oxides (SOx), or other sulfur compounds,
- des composés organiques volatiles (COV), - volatile organic compounds (VOC),
- des goudrons, - tars,
- des composés halogénés, comme l’acide chlorhydrique (HCl) et l’acide fluorhy- drique (HF), etc, - halogenated compounds, such as hydrochloric acid (HCl) and hydrofluoric acid (HF), etc.,
- des siloxanes. - siloxanes.
[57] Lorsque le gaz est du biogaz provenant de la méthanisation ou de la fermentation, il peut contenir du méthane, du dioxyde de carbone et des polluants. Il peut notamment contenir environ 45 à 80% en volume, notamment de 55 à 70 % en volume, de méthane. Les polluants peuvent comprendre des composés soufrés, notamment l’hydrogène sulfuré (H2S), des composés organiques volatiles, de l’ammoniac, des siloxanes. Des hydrocarbures et de l’azote gazeux peuvent également être présents. [57] When the gas is biogas from methanization or fermentation, it may contain methane, carbon dioxide and pollutants. It can in particular contain approximately 45 to 80% by volume, in particular 55 to 70% by volume, of methane. Pollutants may include sulfur compounds, including hydrogen sulfide (H2S), volatile organic compounds, ammonia, siloxanes. Hydrocarbons and nitrogen gas may also be present.
[58] Lorsque le gaz est du gaz de synthèse, aussi appelé syngas, provenant de la gazéification de matière carbonée, typiquement de la biomasse, il peut contenir du méthane, du dioxyde de carbone et des polluants. Il comprend généralement typiquement du méthane, du monoxyde de carbone (CO), du dihydrogène, du dioxyde de carbone et du diazote. Le syngas peut notamment contenir jusqu’à 5% en volume de méthane. Il peut également contenir de 5 à 15% en volume de dioxyde de carbone, de 10 à 25% en volume de dihydrogène, de 30 à 50% en volume de diazote, de 15 à 30% en volume de monoxyde de carbone. Les polluants peuvent comprendre des composés soufrés (H2S, COS, CS2), de l’ammoniac, des composés halogénés ou des halogènes (HCl, Cl,. ..), des métaux (sodium, potassium,. ..), du goudron. [58] When the gas is synthesis gas, also called syngas, coming from the gasification of carbonaceous material, typically biomass, it may contain methane, carbon dioxide and pollutants. It generally typically includes methane, carbon monoxide (CO), hydrogen, carbon dioxide and dinitrogen. Syngas can notably contain up to 5% by volume of methane. It can also contain 5 to 15% by volume of carbon dioxide, 10 to 25% by volume of hydrogen, 30 to 50% by volume of dinitrogen, 15 to 30% by volume of carbon monoxide. Pollutants may include sulfur compounds (H2S, COS, CS2), ammonia, halogenated compounds or halogens (HCl, Cl,...), metals (sodium, potassium,...), tar .
[59] Lorsque le gaz est du gaz naturel il peut contenir du méthane et des polluants, et op- tionnellement du dioxyde de carbone. Le syngas peut notamment contenir jusqu’à 90% en volume de méthane. Il peut aussi contenir d’autres hydrocarbures contenant de 2 à 5 atomes de carbone. Les polluants peuvent comprendre des composés soufrés, notamment du H2S. [59] When the gas is natural gas it may contain methane and pollutants, and optionally carbon dioxide. Syngas can notably contain up to 90% by volume of methane. It may also contain other hydrocarbons containing 2 to 5 carbon atoms. Pollutants may include sulfur compounds, including H2S.
[60] Etape (b) d’élimination des polluants du gaz [60] Step (b) of removing pollutants from the gas
[61] Le gaz fourni lors de l’étape (a) est ensuite traité dans une étape d’élimination des polluants produisant alors du gaz traité. Au cours de l’étape (b), le gaz est mis en contact avec un média adsorbant apte à adsorber au moins une partie des polluants contenus dans le gaz. Ces polluants incluent les composés soufrés, et notamment l’hydrogène sulfuré et/ou les oxydes de soufre, les composés organiques volatiles, les composés halogénés, et notamment l’acide chlorhydrique (HCl) et l’acide fluor- hydrique (HF), et les siloxanes, seuls ou en mélange. [62] En général, I’utilisation du biogaz issu des traitements de méthanisation demande l’élimination des polluants comme l’hydrogène sulfuré (H2S) pouvant avoir des concentrations entre 50 et 8000 ppmv, les composés organiques volatiles (COV) pouvant avoir des concentrations entre 50 et 250 ppmv, et les siloxanes qui peuvent avoir des concentrations entre 1 et 10 mg Si m-3. Dans le cas spécifique des procédés thermiques de valorisation du biogaz, ces polluants corrosifs peuvent endommager les installations de cogénération, et dans le cas spécifique de la pyrolyse catalytique, ils jouent un rôle parasite et peuvent inhiber l’action du catalyseur. Les autres polluants susmentionnés présents dans le biogaz, le syngas ou le gaz naturel peuvent également s’avérer problématiques pour la mise en œuvre de la pyrolyse. [61] The gas supplied in step (a) is then treated in a pollutant removal step then producing treated gas. During step (b), the gas is brought into contact with an adsorbent media capable of adsorbing at least part of the pollutants contained in the gas. These pollutants include sulfur compounds, and in particular hydrogen sulfide and/or sulfur oxides, volatile organic compounds, halogenated compounds, and in particular hydrochloric acid (HCl) and hydrofluoric acid (HF), and siloxanes, alone or in mixture. [62] In general, the use of biogas from methanization treatments requires the elimination of pollutants such as hydrogen sulfide (H2S) which can have concentrations between 50 and 8000 ppm v , volatile organic compounds (VOCs) which can have concentrations between 50 and 250 ppm v , and siloxanes which can have concentrations between 1 and 10 mg Si m -3 . In the specific case of thermal biogas valorization processes, these corrosive pollutants can damage cogeneration installations, and in the specific case of catalytic pyrolysis, they play a parasitic role and can inhibit the action of the catalyst. The other aforementioned pollutants present in biogas, syngas or natural gas can also prove problematic for the implementation of pyrolysis.
[63] Les polluants présents dans le gaz sont alors éliminés, au moins en partie, par adsorption à l’aide de filtres remplis d’un média adsorbant. L’élimination est typiquement réalisée dans un réacteur à lit fixe rempli d’un média adsorbant. Le gaz à traiter est alors injecté par le bas du réacteur et il va traverser le réacteur en étant en contact avec le média adsorbant. Puis le gaz traité sortira par le haut du réacteur. Lorsque le média adsorbant n’est plus efficace et qu’il a perdu son pouvoir adsorbant alors le filtre est changé. [63] The pollutants present in the gas are then eliminated, at least in part, by adsorption using filters filled with an adsorbent media. Removal is typically carried out in a fixed bed reactor filled with an adsorbent media. The gas to be treated is then injected through the bottom of the reactor and it will pass through the reactor while being in contact with the adsorbent media. Then the treated gas will exit through the top of the reactor. When the adsorbent media is no longer effective and has lost its adsorbent power, then the filter is changed.
[64] L’invention ne se limite pas à un unique réacteur à lit fixe avec un filtre mais dans des modes de réalisation alternatifs, on peut avoir plusieurs réacteurs à lit fixe en parallèle et/ou en série. [64] The invention is not limited to a single fixed bed reactor with a filter but in alternative embodiments, several fixed bed reactors can be had in parallel and/or in series.
[65] Cette étape peut également être mise en œuvre dans un réacteur contenant une phase liquide contenant le média adsorbant dans laquelle on fait barboter le gaz à purifier, ou dans un réacteur à lit fluidisé ou encore dans une tour de lavage. [65] This step can also be implemented in a reactor containing a liquid phase containing the adsorbent media in which the gas to be purified is bubbled, or in a fluidized bed reactor or even in a washing tower.
[66] Le média adsorbant utilisé lors de cette étape est du carbone solide produit lors de l’étape (c) de pyrolyse ou lors de l’étape optionnelle (f) de mise en forme. Le carbone est alors récupéré de cette étape (c) ou (f) et il est injecté comme moyen filtrant du gaz dans les réacteurs à lit fixe ou autres réacteurs ou enceintes utilisables. Le carbone solide récupéré est généralement stocké avant son utilisation puisque l’utilisation du média filtrant n’est généralement pas continue. De préférence, le carbone solide est conservé dans un endroit sec, à l’abri de l’eau, pour éviter qu’il ne perde de son pouvoir adsorbant en adsorbant l’humidité présente. [66] The adsorbent media used during this step is solid carbon produced during the pyrolysis step (c) or during the optional shaping step (f). The carbon is then recovered from this step (c) or (f) and it is injected as a gas filtering medium into the fixed bed reactors or other usable reactors or enclosures. The recovered solid carbon is generally stored before use since the use of the filter media is generally not continuous. Preferably, solid carbon is stored in a dry place, away from water, to prevent it from losing its adsorbent power by adsorbing the humidity present.
[67] Etape (c) de pyrolyse du gaz traité [67] Step (c) of pyrolysis of the treated gas
[68] Le gaz traité lors de l’étape (b) est ensuite pyrolysé dans une étape (c) de pyrolyse produisant ainsi un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydrogène et du carbone solide. Selon la composition du gaz, et notamment sa teneur en CO2, la phase gazeuse produite peut également comprendre du CO2 et/ou des produits de la pyrolyse du CO2. Au cours de l’étape (c) de pyrolyse, au moins une partie du méthane contenu dans le gaz traité est converti en dihydrogène et en carbone solide. [68] The gas treated in step (b) is then pyrolyzed in a pyrolysis step (c), thus producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon. Depending on the composition of the gas, and in particular its CO2 content, the gas phase produced may also include CO2 and/or CO2 pyrolysis products. During stage (c) of pyrolysis, at least part of the methane contained in the treated gas is converted into dihydrogen and solid carbon.
[69] La pyrolyse du méthane est une réaction endothermique qui résulte dans la production d’hydrogène et du carbone solide selon l’équation chimique suivante : CH4 -> 2H2+Csoiide. La pyrolyse du méthane est réalisée à une température comprise entre 750 et 2100 °C et à une pression comprise entre 1 et 8 bars. Le temps de séjour est typiquement de l’ordre de la seconde, par exemple de 1 à 4 secondes. [69] Methane pyrolysis is an endothermic reaction that results in the production of hydrogen and solid carbon according to the following chemical equation: CH4 -> 2H2+Csoiide. Methane pyrolysis is carried out at a temperature between between 750 and 2100 °C and at a pressure between 1 and 8 bars. The residence time is typically of the order of a second, for example from 1 to 4 seconds.
[70] Le procédé de pyrolyse peut être un procédé de pyrolyse plasma ou thermique, par exemple réalisé à une température de 1100 à 2000°C, ou être un procédé de pyrolyse catalytique, par exemple mis en œuvre à une température d’environ 900°C et une pression d’environ 8 bars. Les catalyseurs utilisés dans le procédé de pyrolyse catalytique sont généralement des granules d’oxyde de fer (Fe2O3/Fe3O4) ou encore des catalyseurs à métal fondu avec du Nickel (Ni) et du Bismuth (Bi) comme présenté dans la publication suivante : Catalytic Hydrogen Production from Methane: A Review on Recent Progress and Prospect, Chen et al, Catalysts 2020, 10, 858. [70] The pyrolysis process may be a plasma or thermal pyrolysis process, for example carried out at a temperature of 1100 to 2000°C, or be a catalytic pyrolysis process, for example carried out at a temperature of approximately 900 °C and a pressure of approximately 8 bars. The catalysts used in the catalytic pyrolysis process are generally iron oxide granules (Fe2O3/Fe3O4) or molten metal catalysts with Nickel (Ni) and Bismuth (Bi) as presented in the following publication: Catalytic Hydrogen Production from Methane: A Review on Recent Progress and Prospect, Chen et al, Catalysts 2020, 10, 858.
[71] L’étape de pyrolyse peut par exemple être mise en œuvre dans un réacteur adapté à la pyrolyse d’un gaz. On pourra utiliser un réacteur plasma ou un réacteur catalytique tel qu’un réacteur à lit fluidisé, adapté au traitement d’un gaz. [71] The pyrolysis step can for example be implemented in a reactor adapted to the pyrolysis of a gas. We can use a plasma reactor or a catalytic reactor such as a fluidized bed reactor, adapted to the treatment of a gas.
[72] Le carbone solide produit lors de la pyrolyse du méthane peut présenter différentes structures, propriétés physico-chimiques et pureté selon le catalyseur utilisé et les conditions d’opérations de la pyrolyse. [72] The solid carbon produced during the pyrolysis of methane can present different structures, physicochemical properties and purity depending on the catalyst used and the pyrolysis operating conditions.
[73] Parmi les formes les plus courantes, le carbone solide peut être sous forme de noir de carbone ou « Carbon black » qui est issu d’une pyrolyse thermique réalisée entre 1100 et 2000 °C ou encore sous forme de graphite lorsque le procédé est réalisé par exemple à une température de 900 °C, une pression de 8 bars et avec des granules d’oxydes de fer (Fe2O3/Fe3O4). Le graphite se forme alors autour du catalyseur ce qui le rend magnétique. Ces deux formes sont partiellement actives et sont donc potentiellement utilisables dans le traitement de l’eau et de l’air comme moyen d’ad- sorption des polluants. Bien qu’il soit moins efficace que certains adsorbants tels que les zéolithes, le carbone solide formé est produit en grande quantité par la réaction de pyrolyse et peut être utilisé pour changer plus fréquemment le filtre à moindre coût. Son utilisation réduit ainsi les coûts par rapport aux coûts d’achat et de déplacement d’un adsorbant plus efficace. De plus, le carbone solide produit et valorisé lors de l’étape (c) de pyrolyse peut avantageusement provenir d’un procédé propre : la méthanisation de déchets organiques ou la gazéification de biomasse, il ne provient donc pas d’un procédé polluant issu du traitement de produits fossiles. [73] Among the most common forms, solid carbon can be in the form of carbon black or “Carbon black” which comes from thermal pyrolysis carried out between 1100 and 2000 °C or even in the form of graphite when the process is carried out for example at a temperature of 900 °C, a pressure of 8 bars and with iron oxide granules (Fe2O3/Fe3O4). Graphite then forms around the catalyst, making it magnetic. These two forms are partially active and are therefore potentially usable in the treatment of water and air as a means of adsorption of pollutants. Although less effective than some adsorbents such as zeolites, the solid carbon formed is produced in large quantities by the pyrolysis reaction and can be used to change the filter more frequently at lower cost. Its use therefore reduces costs compared to the costs of purchasing and moving a more efficient adsorbent. In addition, the solid carbon produced and valorized during stage (c) of pyrolysis can advantageously come from a clean process: the methanization of organic waste or the gasification of biomass, it therefore does not come from a polluting process resulting from processing of fossil products.
[74] Etape (d) de séparation de l’effluent issu de l’étape (c) [74] Step (d) of separation of the effluent from step (c)
[75] L’effluent produit lors de l’étape (c) est ensuite envoyé dans une étape (d) de séparation au cours de laquelle on sépare le carbone solide de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène. [75] The effluent produced during step (c) is then sent to a separation step (d) during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen.
[76] L’étape (d) de séparation est choisie parmi une étape (dl) de séparation cyclonique, une étape (d2) de séparation par filtration ou la succession des étapes (dl) et (d2). [76] The separation step (d) is chosen from a cyclonic separation step (dl), a filtration separation step (d2) or the succession of steps (dl) and (d2).
[77] L’étape (dl) est une étape de séparation cyclonique. Cette étape utilise au moins un cyclone de séparation pour séparer le carbone solide du dihydrogène produit. [77] Step (dl) is a cyclonic separation step. This step uses at least one separation cyclone to separate the solid carbon from the produced dihydrogen.
[78] Le cyclone de séparation utilisé est un dispositif permettant de séparer un gaz des fines particules solides qui y sont mélangées. Il impose au gaz une rotation rapide qui projette les particules sur les côtés du cyclone par force centrifuge. Ces dernières tombent ensuite dans un bac grâce à la force de frottement. Le gaz propre, libéré d'une partie de sa charge de particules, s'échappe par le tube de sortie. Il forme alors un second vortex au centre du premier, de sens contraire. Ce procédé ne peut pas s’appliquer aux très fines particules car leur masse est trop faible mais convient pour séparer la plupart des particules de carbone solide produites par la pyrolyse. [78] The separation cyclone used is a device for separating a gas from the fine solid particles mixed with it. It imposes a rapid rotation on the gas which throws the particles to the sides of the cyclone by centrifugal force. These then fall into a bin thanks to the force of friction. The clean gas, freed from part of its particle charge, escapes through the outlet tube. It then forms a second vortex in the center of the first, in the opposite direction. This process cannot be applied to very fine particles because their mass is too low but is suitable for separating most solid carbon particles produced by pyrolysis.
[79] Les cyclones sont des appareils de corps essentiellement cylindro-conique dans lesquels le mouvement giratoire est obtenu en faisant entrer le fluide tangentiellement à la circonférence, au voisinage de la paroi. Sous l’effet de la force centrifuge, les particules solides prises dans le tourbillon se déplacent vers la paroi, y perdent leur vitesse par frottement et tombent dans la partie inférieure de l’appareil de forme conique, avant de sortir par le sommet du cône. Le fluide suit la paroi jusqu’au voisinage du sommet, et une fois débarrassé des particules, remonte à la partie supérieure pour sortir par une ouverture axiale. Ainsi, pour que la séparation soit effective, il faut donc que le temps mis par une particule pour atteindre la paroi soit inférieur au temps de séjour moyen d’un élément de fluide dans le cyclone. [79] Cyclones are devices with essentially cylindrical-conical bodies in which the gyratory movement is obtained by causing the fluid to enter tangentially to the circumference, in the vicinity of the wall. Under the effect of centrifugal force, the solid particles caught in the vortex move towards the wall, lose their speed there through friction and fall into the lower part of the conical-shaped device, before exiting through the top of the cone. . The fluid follows the wall until near the top, and once free of particles, rises to the upper part to exit through an axial opening. Thus, for the separation to be effective, the time taken by a particle to reach the wall must be less than the average residence time of an element of fluid in the cyclone.
[80] L’étape (d2) est une étape de séparation par filtration au cours de laquelle les particules de carbone solide sont séparées de l’effluent gazeux par filtration. Il existe deux principes de filtration d’effluent gazeux qui sont la filtration par gâteau et la filtration en profondeur. [80] Step (d2) is a filtration separation step during which the solid carbon particles are separated from the gaseous effluent by filtration. There are two principles of gaseous effluent filtration which are cake filtration and depth filtration.
[81] La filtration par gâteau correspond à une filtration de surface qui implique que les particules sont retenues principalement à la surface d’un média filtrant formant une couche de particules solides qui augmente l'efficacité ou la finesse des particules retenues. Le flux de gaz contenant les particules passe à travers un média poreux qui retient les particules, mais laisse passer le gaz. Au fur et à mesure que la filtration se poursuit, un gâteau (de particules solides) s'accumule sur les médias poreux. Ce gâteau a une structure de pore complexe déterminée par la nature des particules de carbone solide. Cette structure élimine les particules supplémentaires par simple mécanisme de tamisage. Lorsqu'une épaisseur déterminée de gâteau est atteinte, généralement surveillée par la perte de pression autour du média filtrant, le gâteau est retiré avant qu’un autre cycle de filtration ne commence. Ce type de filtration fait référence au groupe des dépoussiéreurs utilisant un média filtrant en tissu, en céramique ou en métal. [81] Cake filtration corresponds to surface filtration which implies that particles are retained mainly on the surface of a filter media forming a layer of solid particles which increases the efficiency or fineness of the particles retained. The gas stream containing the particles passes through a porous media which retains the particles, but allows the gas to pass. As filtration continues, a cake (of solid particles) builds up on the porous media. This cake has a complex pore structure determined by the nature of the solid carbon particles. This structure removes additional particles by simple sieving mechanism. When a specified cake thickness is reached, usually monitored by the loss of pressure around the filter media, the cake is removed before another filtration cycle begins. This type of filtration refers to the group of dust collectors using fabric, ceramic or metal filter media.
[82] La filtration en profondeur, quant à elle, se réfère à un média filtrant plus épais ou à plusieurs couches, formant un chemin tortueux permettant de retenir les particules solides. Ce type de média retient idéalement une poussière plus grossière en surface et une poussière de plus en plus fine à mesure que le gaz pénètre profondément dans le média. Le flux d’alimentation en gaz solide passe à travers un milieu poreux qui retient les particules solides, mais laisse passer le gaz. Au fur et à mesure que l’avancement du flux se poursuit, des particules de poussière s'accumulent dans les milieux filtrants ce qui le bloque progressivement. Lorsqu'une perte de pression déterminée sur le support filtrant est atteinte, le média filtrant est habituellement remplacé. [82] Depth filtration, on the other hand, refers to a thicker or multi-layered filter media, forming a tortuous path to retain solid particles. This type of media ideally retains coarser dust on the surface and increasingly finer dust as the gas penetrates deeper into the media. The solid gas feed stream passes through a porous medium which retains solid particles, but allows gas to pass through. As the flow continues, dust particles accumulate in the filter media which gradually blocks it. When a loss of pressure determined on the filter media is reached, the filter media is usually replaced.
[83] A la fin de la filtration, le carbone solide capturé par les filtres peut être récupéré de manière usuelle, par exemple par vibration et/ou circulation d’un flux inverse de gaz inerte, par exemple du diazote. [83] At the end of filtration, the solid carbon captured by the filters can be recovered in the usual way, for example by vibration and/or circulation of a reverse flow of inert gas, for example dinitrogen.
[84] La succession des étapes (dl) et (d2) permet d’obtenir un dihydrogène présentant une plus grande pureté et également de récupérer un maximum de carbone solide formé. Ainsi, l’étape (d2) de séparation par filtration est généralement placée après l’étape (dl) de séparation cyclonique pour pouvoir récupérer les particules qui n’ont pas été séparées par le cyclone et notamment les particules présentant un faible diamètre. [84] The succession of steps (dl) and (d2) makes it possible to obtain a dihydrogen having greater purity and also to recover a maximum of solid carbon formed. Thus, step (d2) of separation by filtration is generally placed after step (dl) of cyclonic separation to be able to recover the particles which have not been separated by the cyclone and in particular the particles having a small diameter.
[85] Une fois le carbone solide récupéré lors de cette étape, au moins une partie de ce carbone solide peut soit être stocké dans une enceinte fermée avant utilisation dans le procédé selon l’invention, de préférence, le carbone solide est conservé dans un endroit sec à l’abri de l’eau, ou le carbone solide peut être valorisé directement dans une autre unité. [85] Once the solid carbon has been recovered during this step, at least part of this solid carbon can either be stored in a closed enclosure before use in the process according to the invention, preferably, the solid carbon is kept in a dry place protected from water, where the solid carbon can be recovered directly in another unit.
[86] Le carbone solide produit lors de la pyrolyse et ainsi séparé peut avantageusement être utilisé directement en tant que media adsorbant et/ou support de biomasse, sans avoir besoin d’être mis en forme, et sans avoir besoin d’un traitement thermique. Ceci permet de réduire davantage les coûts liés à son utilisation. [86] The solid carbon produced during pyrolysis and thus separated can advantageously be used directly as an adsorbent media and/or biomass support, without the need to be shaped, and without the need for heat treatment. . This further reduces the costs associated with its use.
[87] Dans certains modes de réalisation, une mise en forme peut être réalisée, sans toutefois nécessiter de traitement thermique. [87] In certain embodiments, shaping can be carried out, without however requiring heat treatment.
[88] Etape optionnelle (e) de mise en forme du carbone solide [88] Optional step (e) of shaping the solid carbon
[89] Au moins une partie du carbone solide récupéré lors de l’étape (d) de séparation peut optionnellement être mise en forme lors de l’étape (f). [89] At least part of the solid carbon recovered during separation step (d) can optionally be shaped during step (f).
[90] L’étape de mise en forme du carbone solide est typiquement une étape de granulation aussi appelée de pelletisation. [90] The solid carbon shaping step is typically a granulation step also called pelletization.
[91] Cette étape, en opposition à la technologie de broyage, consiste à assembler ou agglomérer de fines particules solides afin de former des éléments de plus grandes dimensions tels que des sphères, des briquettes ou encore des pellets cylindriques. De préférence, le carbone solide est mis sous forme de pellets cylindriques. [91] This step, as opposed to grinding technology, consists of assembling or agglomeration of fine solid particles in order to form larger elements such as spheres, briquettes or even cylindrical pellets. Preferably, the solid carbon is put in the form of cylindrical pellets.
[92] Il existe deux méthodes principales de granulation. La première méthode est la granulation en milieu humide. Lors de cette méthode, la cohésion des particules est obtenue grâce à l’ajout d’un liant liquide, le plus généralement de l’eau mais également de la mélasse ou des agents chimiques tel que du lignosulfonate, et grâce à l’action mécanique d’un dispositif adapté tel qu’une assiette de pelletisation, un mélangeur granulateur, etc... Pour cette méthode, aucune compression n’est réalisée pour assurer la tenue des granulés. [92] There are two main methods of granulation. The first method is wet granulation. During this method, the cohesion of the particles is obtained thanks to the addition of a liquid binder, most generally water but also molasses or chemical agents such as lignosulfonate, and thanks to mechanical action a suitable device such as a pelletizing plate, a granulator mixer, etc. For this method, no compression is carried out to ensure the granules hold together.
[93] La deuxième méthode est la granulation par voie sèche : les granulés sont obtenus par compression, leur cohésion étant ainsi assurée par l’effet conjugué de la diminution de l’écartement des particules et de l’augmentation de leur surface de contact. Cette granulation s’effectue avec ou sans ajout de liant. Les modes de mise en œuvre se font au travers de presses à briqueter pour les minerais de fer, par exemple, ou encore de presses granulatrices à filières d’extrusion pour les fabrications de combustible, par exemple. [93] The second method is dry granulation: the granules are obtained by compression, their cohesion thus being ensured by the combined effect of the reduction in the spacing of the particles and the increase in their surface area. contact. This granulation is carried out with or without the addition of binder. The methods of implementation are through briquetting presses for iron ores, for example, or even granulating presses with extrusion dies for fuel production, for example.
[94] Les principaux avantages de la granulation sont une densification de la matière, qui permet une réduction des coûts de stockage ou de transport, d’assurer une manutention plus aisée de la matière, ou encore d’améliorer sa coulabilité. [94] The main advantages of granulation are densification of the material, which allows a reduction in storage or transport costs, ensures easier handling of the material, or even improves its flowability.
[95] De préférence, l’étape (e) de mise en forme du carbone solide est réalisée par une presse granulatrice, c’est-à-dire par une granulation par voie sèche. [95] Preferably, step (e) of shaping the solid carbon is carried out by a granulating press, that is to say by dry granulation.
[96] Une fois mis en forme lors de l’étape optionnelle (e), soit le carbone solide est utilisé directement, soit il est stocké. Le procédé de pelletisation étant généralement un procédé discontinu, le carbone solide sortant de l’étape (d) est typiquement stocké avant sa mise en forme. [96] Once shaped during optional step (e), either the solid carbon is used directly or it is stored. Since the pelletization process is generally a batch process, the solid carbon leaving step (d) is typically stored before being shaped.
[97] La mise en forme, optionnelle, pourra être adaptée à l’application du noir de carbone. [97] The optional shaping can be adapted to the application of carbon black.
[98] A titre d’exemple, en utilisation comme média adsorbant d’un gaz, avant l’entrée dans le réacteur de pyrolyse ou lors du traitement des odeurs d’un effluent gazeux, on pourra avantageusement utiliser des particules de 2 à 8mm de diamètre, option- nellement imprégnées d’une solution basique contenant par exemple du NaOH ou d’un acide, par exemple HCl ou H2SO4 afin d’améliorer 1’ adsorption de polluants comme H2S ou NH3, mais de préférence sans imprégnation d’un composé chimique. [98] For example, when used as a gas adsorbent media, before entering the pyrolysis reactor or during the treatment of odors from a gaseous effluent, particles of 2 to 8 mm can advantageously be used. in diameter, optionally impregnated with a basic solution containing for example NaOH or an acid, for example HCl or H2SO4 in order to improve the adsorption of pollutants such as H2S or NH3, but preferably without impregnation of a chemical compound.
[99] A titre d’exemple, en utilisation pour le traitement de liquides, par exemple comme adsorbant pour éliminer des micropolluants d’une eau à traiter ou comme support de biomasse d’un digesteur, on pourra soit utiliser des particules de 0,5 à 2 mm de diamètre dans des filtres à lit fixe, soit utiliser des particules inférieures à 100 micromètres pour des systèmes à lit fluidisé ou à barbotage. [99] For example, in use for the treatment of liquids, for example as an adsorbent to eliminate micropollutants from water to be treated or as a biomass support for a digester, we can either use particles of 0, 5 to 2 mm in diameter in fixed bed filters, or use particles less than 100 micrometers for fluidized bed or bubbled systems.
[ 100] Etape optionnelle (f) de séparation du méthane, et optionnellement du dioxyde de carbone, contenus dans le gaz traité [100] Optional step (f) of separation of methane, and optionally carbon dioxide, contained in the treated gas
[101] Entre l’étape (b) d’élimination des polluants et l’étape (c) de pyrolyse, le procédé de production et valorisation du carbone solide peut également comprendre une étape (f) de séparation du méthane, et optionnellement du dioxyde de carbone, contenus dans le gaz traité. [101] Between step (b) of eliminating pollutants and step (c) of pyrolysis, the process of production and valorization of solid carbon can also include a step (f) of separation of methane, and optionally of carbon dioxide, contained in the treated gas.
[102] Cette étape permet ainsi de concentrer le gaz en méthane et de le purifier afin d’obtenir un flux de gaz présentant une teneur plus élevée en méthane avant de l’envoyer à l’étape (c). [102] This step thus makes it possible to concentrate the gas into methane and purify it in order to obtain a gas flow with a higher methane content before sending it to step (c).
[103] Cette étape peut être choisie parmi plusieurs procédés de séparation de gaz, par exemple le procédé d’ adsorption par inversion de pression ou encore le procédé de séparation membranaire et/ou parmi d’autres procédés de séparation et/ou purification. Avantageusement, cette étape peut permettre de séparer et enlever le dioxyde de carbone et/ou d’autres contaminants présents dans le gaz. [104] L’ adsorption par inversion de pression, également appelée en anglais « Pressure Swing Adsorption », est un procédé de séparation de mélanges de gaz au cours duquel ont lieu alternativement l’adsorption d’un gaz par un solide ou un liquide à une pression donnée, puis sa désorption à une pression plus faible. Il consiste à retirer un gaz d'un mélange gazeux, en utilisant son affinité chimique et ses caractéristiques particulières vis-à-vis d’un matériau solide, fadsorbant exposé à une oscillation de pression rigoureusement contrôlée. Une adsorption sélective se produit grâce à des capacités d’équilibre différentes (adsorbant d’équilibre) ou par des différences dans les taux d'absorption (adsorbant cinétique). La technique d'adsorption par inversion de pression utilise ainsi des adsorbants solides pour capturer le dioxyde de carbone et ainsi obtenir un effluent enrichi en méthane. [103] This step can be chosen from several gas separation processes, for example the pressure inversion adsorption process or the membrane separation process and/or from other separation and/or purification processes. Advantageously, this step can make it possible to separate and remove carbon dioxide and/or other contaminants present in the gas. [104] Pressure swing adsorption, also called "Pressure Swing Adsorption", is a process for separating gas mixtures during which the adsorption of a gas by a solid or a liquid alternately takes place. a given pressure, then its desorption at a lower pressure. It consists of removing a gas from a gas mixture, using its chemical affinity and its particular characteristics with respect to a solid material, an adsorbent exposed to a rigorously controlled pressure oscillation. Selective adsorption occurs through different equilibrium capacities (equilibrium adsorbent) or by differences in absorption rates (kinetic adsorbent). The pressure inversion adsorption technique thus uses solid adsorbents to capture carbon dioxide and thus obtain an effluent enriched in methane.
[105] La séparation membranaire consiste à séparer plusieurs composés d’un gaz en envoyant un effluent gazeux traverser un module comprenant une membrane. Suivant la différence de perméabilité de la membrane vis-à-vis des composés de l’effluent gazeux, certains composés traverseront plus vite la membrane tandis que d’autres la traverseront lentement. Ainsi, dans le cas de l’invention, d’un côté ou de l’autre du module, il y aura différentes concentrations du méthane, un effluent sera enrichi en méthane et sera utilisé lors de l’étape (c) de pyrolyse du méthane tandis que l’autre effluent sera appauvri en méthane. [105] Membrane separation consists of separating several compounds from a gas by sending a gaseous effluent through a module comprising a membrane. Depending on the difference in permeability of the membrane with respect to the compounds in the gaseous effluent, certain compounds will pass through the membrane more quickly while others will pass through it slowly. Thus, in the case of the invention, on one side or the other of the module, there will be different concentrations of methane, an effluent will be enriched in methane and will be used during step (c) of pyrolysis of the methane while the other effluent will be depleted in methane.
[106] Les autres procédés de séparation et/ou purification envisageables comprennent : [106] Other possible separation and/or purification processes include:
[107] - les procédés d’absorption chimique utilisant un solvant sélectif pour absorber les gaz indésirables tels que le dioxyde de carbone (CO2), l'azote (N2) et les composés soufrés, laissant le méthane non absorbé dans le flux de gaz, [107] - chemical absorption processes using a selective solvent to absorb unwanted gases such as carbon dioxide (CO2), nitrogen (N2) and sulfur compounds, leaving methane unabsorbed in the gas stream ,
[108] - les procédés d’adsorption sur charbon actif utilisant du charbon actif pour adsorber les impuretés telles que le CO2, les composés soufrés et les composés organiques volatils, et permettant au méthane de passer à travers, [108] - activated carbon adsorption processes using activated carbon to adsorb impurities such as CO2, sulfur compounds and volatile organic compounds, and allowing methane to pass through,
[109] - les procédés de cryogénie dans lesquels le flux de gaz est refroidi à des températures très basses pour liquéfier et séparer les composants indésirables tels que le CO2 et l'eau, laissant le méthane sous forme gazeuse, [109] - cryogenic processes in which the gas stream is cooled to very low temperatures to liquefy and separate unwanted components such as CO2 and water, leaving the methane in gaseous form,
[110] - les procédés utilisant des membranes de séparation sélectives pour séparer le méthane des autres gaz indésirables tels que le CO2, l'azote et les composés soufrés en fonction de leur taille et de leur perméabilité, [110] - processes using selective separation membranes to separate methane from other undesirable gases such as CO2, nitrogen and sulfur compounds depending on their size and permeability,
[H l] - les procédés d’adsorption sur tamis moléculaires présentant une structure poreuse, capables d’adsorber les grandes molécules telles que le CO2 et l'eau, et permettant au méthane de passer à travers, [H l] - adsorption processes on molecular sieves having a porous structure, capable of adsorbing large molecules such as CO2 and water, and allowing methane to pass through,
[112] - les procédés par échange d'ions utilisant des résines échangeuses d'ions pour éliminer les ions chargés tels que les ions sulfates, chlorures et ammonium, réduisant ainsi les impuretés dans le flux de gaz, [112] - ion exchange processes using ion exchange resins to remove charged ions such as sulfate, chloride and ammonium ions, thereby reducing impurities in the gas stream,
[113] - les procédés de distillation cryogénique utilisant une combinaison de refroidissement et de distillation pour séparer du méthane les composants indésirables tels que le CO2, l’eau et les composés soufrés, [114] - les procédés d’hydrotr alternent mettant en œuvre des réactions chimiques d'hydrogénation pour éliminer les composés soufrés et autres impuretés du gaz, produisant un flux plus pur de méthane. [113] - cryogenic distillation processes using a combination of cooling and distillation to separate undesirable components such as CO2, water and sulfur compounds from methane, [114] - alternate hydrotr processes implementing chemical hydrogenation reactions to remove sulfur compounds and other impurities from the gas, producing a purer stream of methane.
[115] Etape optionnelle (g) de production de gaz par digestion anaérobie [115] Optional step (g) of gas production by anaerobic digestion
[116] Le procédé de production et valorisation du carbone solide peut comprendre une étape optionnelle (g) de production de gaz par digestion anaérobie. Cette unité peut être une unité présente sur le même site que le procédé selon l’invention. Préférentiellement, l’étape optionnelle (g) est située en amont de l’étape (a) de fourniture du gaz et il produit le gaz utilisé lors de l’étape (a) et dans la suite du procédé selon l’invention. [116] The solid carbon production and valorization process may include an optional step (g) of gas production by anaerobic digestion. This unit may be a unit present on the same site as the process according to the invention. Preferably, the optional step (g) is located upstream of the gas supply step (a) and it produces the gas used during step (a) and in the remainder of the process according to the invention.
[117] La digestion anaérobie ou méthanisation correspond à une cascade de réactions biochimiques permettant à des microorganismes méthanogènes de convertir la matière organique telle que des boues présente dans un digesteur en gaz correspondant principalement en un mélange de dioxyde de carbone et de méthane. Les matières restantes sont appelées digestat. Les conditions de mise en œuvre de cette étape (c), notamment la température, le pH et le temps de séjour, peuvent avantageusement être choisies afin de maximiser la production de gaz. [117] Anaerobic digestion or methanization corresponds to a cascade of biochemical reactions allowing methanogenic microorganisms to convert organic matter such as sludge present in a digester into gas corresponding mainly to a mixture of carbon dioxide and methane. The remaining materials are called digestate. The conditions for implementing this step (c), in particular the temperature, pH and residence time, can advantageously be chosen in order to maximize gas production.
[118] Les boues utilisées dans le digesteur sont typiquement des boues provenant d’une étape de traitement primaire et/ou de traitement secondaire d’un procédé de traitement des eaux usées. L’étape de traitement primaire permet généralement de réduire la teneur des eaux usées à traiter en solides et/ou en matières organiques. Il s’agit typiquement d’une étape de décantation, possiblement assistée par une adjonction préalable de coagulant et floculant, au cours de laquelle les eaux usées sont placées dans une cuve de retenue ou un bassin de décantation. L’étape de traitement secondaire, quant à elle, permet de réduire la teneur en carbone et/ou en azote et/ou en phosphore de l’effluent présentant une teneur réduite en solides sortant de la première étape de traitement. Au cours cette étape, les matières organiques, les composés azotés et/ou les composés phosphorés, sont assimilés ou décomposés par des bactéries aérobies et/ou anaérobies et/ou anoxies. Il s’agit donc d’une étape de traitement biologique, le plus souvent mise en œuvre dans des réacteurs à cultures libres (procédé dit « à boues activées »). [118] The sludge used in the digester is typically sludge coming from a primary treatment and/or secondary treatment stage of a wastewater treatment process. The primary treatment stage generally makes it possible to reduce the solids and/or organic matter content of the wastewater to be treated. This is typically a settling stage, possibly assisted by a prior addition of coagulant and flocculant, during which the wastewater is placed in a holding tank or a settling basin. The secondary treatment step, for its part, makes it possible to reduce the carbon and/or nitrogen and/or phosphorus content of the effluent having a reduced solids content leaving the first treatment step. During this stage, organic matter, nitrogen compounds and/or phosphorus compounds are assimilated or decomposed by aerobic and/or anaerobic and/or anoxia bacteria. It is therefore a biological treatment step, most often implemented in free culture reactors (so-called “activated sludge” process).
[119] Dans un digesteur, la boue est décomposée par la biomasse présente. Un support de biomasse est généralement utilisé pour permettre à la biomasse de se former et de se développer autour des particules du support, la biomasse peut être ainsi maintenue au sein du digesteur. [119] In a digester, the sludge is broken down by the biomass present. A biomass support is generally used to allow biomass to form and grow around the particles of the support, the biomass can thus be maintained within the digester.
[120] Dans un mode de réalisation, le support de biomasse correspond à l’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e). [120] In one embodiment, the biomass support corresponds to at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e).
[121] Du point de vue du carbone solide, l’étape (g) peut être une étape continue ou discontinue. Préférentiellement, c’est une étape continue dans laquelle le carbone solide sortant de l’étape (d) est directement introduit dans le digesteur au fur et à mesure que le carbone solide utilisé en sort. [121] From the point of view of solid carbon, step (g) can be a continuous or discontinuous step. Preferably, it is a continuous step in which the solid carbon leaving step (d) is directly introduced into the digester progressively. as the solid carbon used leaves it.
[122] Etape optionnelle d’élimination de contaminants d’une eau traitée [122] Optional step of removing contaminants from treated water
[123] Dans un mode de réalisation, le carbone solide produit, de préférence lorsqu’il contient un cœur aimanté de fer, peut être utilisé pour l’élimination de contaminants tels que des micropolluants dans l’eau. Ainsi, le procédé peut comprendre une étape optionnelle d’élimination de contaminants d’une eau traitée provenant d’un procédé de traitement des eaux usées, au cours duquel la teneur en micropolluants de l’eau traitée est réduite. [123] In one embodiment, the solid carbon produced, preferably when containing a magnetized iron core, can be used for the removal of contaminants such as micropollutants in water. Thus, the process may include an optional step of eliminating contaminants from treated water coming from a wastewater treatment process, during which the content of micropollutants in the treated water is reduced.
[124] Cette étape est conçue pour nettoyer davantage l'eau lorsqu'elle est déversée dans un écosystème sensible ou pour la réutiliser. [124] This step is designed to further clean water when it is released into a sensitive ecosystem or to reuse it.
[125] L’étape optionnelle d’élimination des contaminants consiste typiquement à placer l’eau dans un décanteur contenant un lit de média adsorbant. Selon un mode de réalisation de l’invention le média adsorbant est le carbone solide séparé lors de l’étape (d), optionnellement mis en forme lors de l’étape (e). L’eau va traverser le lit de média adsorbant dans lequel a lieu 1’ adsorption des contaminants tel que les micropolluants ou encore de la matière organique. Une fois le carbone solide saturé en contaminant alors il est enlevé du bassin puis remplacé. Cette étape est une étape discontinue du point de vue du média adsorbant car il faut attendre qu’il soit saturé avant de le remplacer. Ainsi, avant utilisation, le carbone solide est généralement stocké dans un endroit sec. [125] The optional contaminant removal step typically involves placing the water in a decanter containing a bed of adsorbent media. According to one embodiment of the invention, the adsorbent media is the solid carbon separated during step (d), optionally shaped during step (e). The water will pass through the bed of adsorbent media in which the adsorption of contaminants such as micropollutants or even organic matter takes place. Once the solid carbon is saturated with contaminants, it is removed from the pool and replaced. This step is a discontinuous step from the point of view of the adsorbent media because it must be saturated before replacing it. So, before use, solid carbon is generally stored in a dry place.
[126] En sortie de l’étape optionnelle d’élimination de contaminants, le carbone solide peut être récupéré en utilisant un champ magnétique. Par exemple, en utilisant un cyclone à champ magnétique. [126] At the output of the optional contaminant removal step, solid carbon can be recovered using a magnetic field. For example, using a magnetic field cyclone.
[127] Etape optionnelle de traitement des odeurs [127] Optional odor treatment step
[128] Le carbone solide produit récupéré lors de l’étape (d) de séparation ou optionnellement lors de l’étape (e) de mise en forme peut également être utilisé pour le traitement des odeurs. Ainsi dans un mode de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de traitement des odeurs d’un effluent gazeux au cours de laquelle l’effluent gazeux est mis en contact avec un média adsorbant. Le média adsorbant étant le carbone solide récupéré ou optionnellement mis en forme. [128] The solid carbon produced recovered during separation step (d) or optionally during shaping step (e) can also be used for odor treatment. Thus in one embodiment, the method can comprise a step of treating the odors of a gaseous effluent during which the gaseous effluent is brought into contact with an adsorbent media. The adsorbent media being the solid carbon recovered or optionally shaped.
[129] Les composés odorants à traiter sont souvent des composés soufrés tel que du sulfure d’hydrogène mais aussi des composés azotés tel que de l’ammoniac ou encore des composés acides. Des législations ordonnent ainsi de limiter l’émission de ces composés odorants pour ne pas perturber ou importuner les habitations se trouvant autour de l’installation. [129] The odorous compounds to be treated are often sulfur compounds such as hydrogen sulfide but also nitrogen compounds such as ammonia or even acidic compounds. Legislation thus orders the emission of these odorous compounds to be limited so as not to disturb or annoy homes located around the installation.
[130] Cette étape est typiquement un traitement des odeurs par adsorption sur un média adsorbant sur lequel les composés odorants sont piégés par adsorption. Ce procédé est préconisé pour des installations de faibles débits et de faibles charges polluantes. [130] This step is typically a treatment of odors by adsorption on an adsorbent media on which the odorous compounds are trapped by adsorption. This process is recommended for installations with low flow rates and low polluting loads.
[131] Le média adsorbant utilisé est typiquement placé dans des cartouches filtrantes au travers desquelles le gaz à traiter circule. Ce procédé est un procédé discontinu, ainsi, le carbone solide produit est généralement stocké en amont dans un endroit sec. [131] The adsorbent media used is typically placed in filter cartridges through which the gas to be treated circulates. This process is a batch process, thus, the solid carbon produced is generally stored upstream in a dry location.
[132] Description de l’installation [132] Description of the installation
[133] Sur les différentes figures décrites ci-dessous, les traits pleins correspondent à une ligne continue dans laquelle le flux circule en continu dans la conduite, tandis que les traits en pointillés signifient que le flux circule en discontinu dans un circuit pouvant comprendre une étape de stockage du carbone solide dans un dispositif de stockage (cuve ou autre) et un dispositif de transport du carbone solide (train, camion, ou autre) jusqu’à et depuis le dispositif de stockage, non représenté sur les figures. L’étape de stockage est réalisée dans une unité de stockage comprenant au moins une enceinte permettant de conserver le carbone solide dans un endroit sec. Les différents modes de réalisation et leurs variantes décrits en référence aux figures peuvent être combinés en fonction des résultats recherchés. [133] In the various figures described below, the solid lines correspond to a continuous line in which the flow circulates continuously in the pipe, while the dotted lines mean that the flow circulates discontinuously in a circuit which may include a step of storing solid carbon in a storage device (tank or other) and a device for transporting solid carbon (train, truck, or other) to and from the storage device, not shown in the figures. The storage step is carried out in a storage unit comprising at least one enclosure allowing the solid carbon to be kept in a dry place. The different embodiments and their variants described with reference to the figures can be combined depending on the desired results.
[134] En référence à la figure 1, l’installation 100 de production et de valorisation du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane comprend une conduite A de fourniture de gaz, une unité d’élimination B des polluants apte à mettre en œuvre l’étape (b), une unité de pyrolyse C apte à mettre en œuvre l’étape (c) et une unité de séparation D adaptée à mettre en œuvre l’étape (d) du procédé. [134] With reference to Figure 1, the installation 100 for producing and recovering solid carbon from the pyrolysis of methane comprises a gas supply pipe A, a pollutant elimination unit B capable of implementing step (b), a pyrolysis unit C capable of implementing step (c) and a separation unit D adapted to implement step (d) of the process.
[135] L’unité d’élimination B des polluants du gaz comprend, par exemple, au moins un réacteur à lit fixe apte à recevoir un média adsorbant ou tout autre réacteur adapté. Dans un mode de réalisation alternatif, plusieurs réacteurs à lit fixe en parallèle et/ou en série peuvent être installés. L’unité d’élimination B est raccordée fluidiquement à la conduite A de fourniture du gaz et il comprend une conduite 1 d’évacuation du gaz traité. [135] The gas pollutant elimination unit B comprises, for example, at least one fixed bed reactor capable of receiving an adsorbent media or any other suitable reactor. In an alternative embodiment, several fixed bed reactors in parallel and/or series can be installed. The elimination unit B is fluidly connected to the gas supply pipe A and it includes a pipe 1 for evacuating the treated gas.
[136] L’unité de pyrolyse C du gaz traité comprend au moins un réacteur apte à réaliser une pyrolyse. Dans un mode de réalisation alternatif, plusieurs réacteurs en parallèle et/ou en série peuvent être installés. L’unité de pyrolyse C est raccordée fluidiquement à l’unité d’élimination B par la conduite 1 d’évacuation et il comprend une conduite 2 d’évacuation d’un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydrogène et du carbone solide. [136] The pyrolysis unit C of the treated gas comprises at least one reactor capable of carrying out pyrolysis. In an alternative embodiment, several reactors in parallel and/or in series can be installed. The pyrolysis unit C is fluidly connected to the elimination unit B via the evacuation pipe 1 and it comprises a pipe 2 for evacuating an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon.
[137] L’unité de séparation D de l’effluent sortant de l’unité C peut être une unité de séparation cyclonique (Dl), une unité de séparation par filtration (D2) ou la succession des unités (Dl) et (D2). Dans un mode de réalisation particulier, l’unité de séparation cyclonique (Dl) comprend un ou plusieurs cyclones en parallèle et/ou en série. De même, dans un autre mode de réalisation particulier, l’unité de séparation par filtration (D2) comprend un ou plusieurs filtres en parallèle et/ou en série. L’unité de séparation D est raccordée fluidiquement à l’unité de pyrolyse C par la conduite 2 d’évacuation et comprend un circuit 3 d’évacuation du carbone solide et une conduite 4 d’évacuation de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène. [137] The separation unit D of the effluent leaving unit C can be a cyclonic separation unit (Dl), a filtration separation unit (D2) or the succession of units (Dl) and (D2 ). In a particular embodiment, the cyclonic separation unit (Dl) comprises one or more cyclones in parallel and/or in series. Likewise, in another particular embodiment, the filtration separation unit (D2) comprises one or more filters in parallel and/or in series. The separation unit D is fluidly connected to the pyrolysis unit C via the evacuation line 2 and includes a circuit 3 for evacuating the solid carbon and a line 4 for evacuating the gas phase enriched with dihydrogen.
[138] En référence à la figure 1, au moins une partie du carbone solide compris dans la conduite 4 d’évacuation est envoyé dans l’unité d’élimination B pour être utilisé comme média adsorbant via le circuit 5. [138] With reference to Figure 1, at least part of the solid carbon included in the evacuation pipe 4 is sent to the elimination unit B to be used as adsorbent media via circuit 5.
[139] La figure 2 présente un mode de réalisation de l’installation, comprenant notamment en option, une unité de séparation F pour la mise en œuvre d’une séparation entre l’unité d’élimination B et l’unité de pyrolyse C, et, en option, une unité de mise en forme E pour la mise en œuvre de l’étape (e) de mise en forme en aval de l’unité de séparation D. L’installation 200 comprend ainsi une conduite (A) de fourniture de gaz, une unité d’élimination B des polluants apte à mettre en œuvre l’étape (b), une unité de pyrolyse C apte à mettre en œuvre l’étape (c) et une unité de séparation D adaptée à mettre en œuvre l’étape (d) du procédé. [139] Figure 2 presents an embodiment of the installation, including in particular as an option, a separation unit F for implementing a separation between the elimination unit B and the pyrolysis unit C , and, optionally, a shaping unit E for implementing step (e) of shaping downstream of the separation unit D. The installation 200 thus comprises a pipe (A) supply of gas, a pollutant elimination unit B capable of implementing step (b), a pyrolysis unit C capable of implementing step (c) and a separation unit D adapted to implement implement step (d) of the process.
[140] L’installation 200 comprend en outre : [140] Installation 200 further includes:
[141] - entre l’unité B et l’unité C, l’unité de séparation E apte à séparer le méthane présent dans le gaz traité, et optionnellement à enlever le dioxyde de carbone, et [141] - between unit B and unit C, the separation unit E capable of separating the methane present in the treated gas, and optionally of removing the carbon dioxide, and
[142] - en aval de l’unité de séparation D, l’unité optionnelle E de mise en forme de carbone solide apte à réaliser l’étape optionnelle (e) du procédé. [142] - downstream of the separation unit D, the optional unit E for shaping solid carbon capable of carrying out the optional step (e) of the process.
[143] A noter que l’installation pourrait ne comprendre qu’une seule de ces unités optionnelles E et F. [143] Note that the installation could include only one of these optional units E and F.
[144] L’unité de séparation F du gaz sortant de l’unité B permet de purifier le gaz afin de le concentrer en méthane. Dans un mode de réalisation, cette unité F permet de séparer du méthane le dioxyde de carbone présent pour obtenir du gaz traité enrichi en méthane. L’unité de séparation F est raccordée fluidiquement à l’unité d’élimination B par la conduite 1 d’évacuation et comprend une conduite 19 d’évacuation d’un effluent gazeux appauvri en méthane, par exemple enrichi en dioxyde de carbone ou en un autre composant du gaz, et une conduite 6 d’évacuation du gaz traité enrichi en méthane, et appauvri en dioxyde de carbone ou en un autre composant du gaz. [144] The separation unit F of the gas leaving unit B makes it possible to purify the gas in order to concentrate it into methane. In one embodiment, this unit F makes it possible to separate the carbon dioxide present from methane to obtain treated gas enriched in methane. The separation unit F is fluidly connected to the elimination unit B via the evacuation pipe 1 and comprises a pipe 19 for evacuating a gaseous effluent depleted in methane, for example enriched in carbon dioxide or in another component of the gas, and a pipe 6 for evacuating the treated gas enriched in methane, and depleted in carbon dioxide or in another component of the gas.
[145] L’unité de mise en forme E du carbone solide sortant de l’unité D de séparation est une unité fonctionnant en discontinu c’est-à-dire que le carbone solide ne rentre pas en continu selon un débit fixé dans l’unité (de même pour la sortie de cette unité). L’unité de mise en forme E est raccordée à l’unité de séparation D par un circuit 3 d’évacuation et comprend un circuit 8 d’évacuation du carbone solide mis en forme. [145] The solid carbon shaping unit E leaving the separation unit D is a unit operating discontinuously, that is to say that the solid carbon does not enter continuously at a flow rate fixed in the unit (same for the output of this unit). The shaping unit E is connected to the separation unit D by an evacuation circuit 3 and includes a circuit 8 for evacuating the shaped solid carbon.
[146] En référence à la figure 2, le circuit 8 signifie, qu’au moins une partie du carbone solide mis en forme dans l’unité E, la totalité dans l’exemple représenté, est envoyé dans l’unité d’élimination B pour être utilisé comme média adsorbant. [146] With reference to Figure 2, circuit 8 means that at least part of the solid carbon shaped in unit E, all of it in the example shown, is sent to the elimination unit B to be used as an adsorbent media.
[147] La figure 3 présente un autre mode de réalisation de l’installation. [147] Figure 3 shows another embodiment of the installation.
[148] L’installation 300 représentée comprend tout d’abord une unité G de production de gaz par digestion anaérobie d’une boue. L’unité G de production de gaz est raccordée à une conduite 9 de fourniture d’une boue issue d’une installation de traitement de l’eau 400 et l’unité G est raccordée à la conduite A de fourniture pour y envoyer le gaz produit. L’unité G est également alimentée en au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D), optionnellement de l’unité de mise en forme (E), par un circuit 10. L’unité de production du gaz G comprend également une conduite 11 d’évacuation des boues et du carbone solide utilisé. [148] The installation 300 shown firstly comprises a unit G for producing gas by anaerobic digestion of a sludge. The gas production unit G is connected to a pipe 9 for supplying a sludge from a water treatment installation 400 and the unit G is connected to the supply pipe A to send the gas there. product. The unit G is also supplied with at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D), optionally from the shaping unit (E), via a circuit 10. The gas production unit G also includes a pipe 11 for evacuating sludge and solid carbon used.
[149] La conduite A de fourniture du gaz est raccordée à l’unité B d’élimination des polluants du gaz. L’unité B d’élimination comprend une conduite 1 d’évacuation du gaz traité. [149] Gas supply line A is connected to unit B for eliminating gas pollutants. Elimination unit B includes a pipe 1 for evacuating the treated gas.
[150] Ensuite, l’unité E optionnelle de séparation est ici raccordée à l’unité B par la conduite d’évacuation 1. L’unité E comprend également une conduite 19 d’évacuation d’un effluent gazeux appauvri en méthane, et enrichi en dioxyde de carbone ou en autre composant du gaz, et une conduite 6 d’évacuation du gaz traité enrichi en méthane et appauvri en dioxyde de carbone ou en autre composant du gaz. [150] Then, the optional separation unit E is here connected to unit B via evacuation pipe 1. Unit E also includes a pipe 19 for evacuating a gaseous effluent depleted in methane, and enriched in carbon dioxide or other gas component, and a pipe 6 for evacuating the treated gas enriched in methane and depleted in carbon dioxide or other gas component.
[151] L’unité C de pyrolyse, quant à elle, est raccordée à l’unité optionnelle E par la conduite d’évacuation 6. L’unité C comprend également une conduite d’évacuation 2 d’un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydrogène et du carbone solide. La conduite 2 raccorde l’unité C à l’unité D de séparation. L’unité D de séparation comprend un circuit 3 d’évacuation du carbone solide et une conduite 4 d’évacuation de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène. [151] The pyrolysis unit C, for its part, is connected to the optional unit E by the evacuation pipe 6. The unit C also includes an evacuation pipe 2 of an effluent containing a gas phase enriched with dihydrogen and solid carbon. Line 2 connects unit C to separation unit D. The separation unit D includes a circuit 3 for evacuating solid carbon and a pipe 4 for evacuating the gas phase enriched with dihydrogen.
[152] Dans une première variante, l’unité D comprend un circuit 5-1 et 5-2 de valorisation du carbone solide. Le circuit 5-1 alimente le circuit 10 d’alimentation de l’unité G en carbone solide et un circuit 12 d’alimentation de l’unité B en carbone solide comme média adsorbant. Le circuit 5-2, quant à lui, alimente en carbone solide un circuit 13 d’alimentation d’une unité d’élimination H de contaminants d’une eau traitée et un circuit 14 d’alimentation d’une unité de traitement I des odeurs d’un effluent gazeux. [152] In a first variant, unit D includes a circuit 5-1 and 5-2 for recovering solid carbon. Circuit 5-1 supplies circuit 10 for supplying unit G with solid carbon and a circuit 12 for supplying unit B with solid carbon as adsorbent media. Circuit 5-2, for its part, supplies solid carbon to a circuit 13 for supplying an elimination unit H of contaminants from treated water and a circuit 14 for supplying a treatment unit I for odors of a gaseous effluent.
[153] Dans l’exemple représenté, l’unité d’élimination H de contaminants reçoit une eau traitée provenant d’une installation 400 de traitement des eaux usées. L’unité H comprend ainsi une conduite 15 de fourniture d’une eau traitée et une conduite 16 d’évacuation d’une eau appauvrie en contaminants. [153] In the example shown, the contaminant elimination unit H receives treated water coming from a wastewater treatment installation 400. Unit H thus comprises a pipe 15 for supplying treated water and a pipe 16 for evacuating water depleted in contaminants.
[154] L’unité I de traitement, dont le média adsorbant est le carbone solide produit, comprend une conduite 17 de fourniture d’un effluent gazeux comprenant des composés odorants et une conduite 18 d’évacuation d’un effluent gazeux appauvri en composés odorants. [154] The treatment unit I, whose adsorbent media is the solid carbon produced, comprises a pipe 17 for supplying a gaseous effluent comprising odorous compounds and a pipe 18 for evacuating a gaseous effluent depleted in compounds odorous.
[155] Dans une deuxième variante, en combinaison ou non avec la première variante, au moins une partie du carbone solide sortant de l’unité D est mis en forme dans l’unité E, raccordée à l’unité de séparation D par un circuit 3 d’évacuation. L’unité E comprend également un circuit 8-1 et 8-2 de valorisation du carbone solide. Le circuit 8-1 alimente le circuit 10 d’alimentation de l’unité G en carbone solide et le circuit 12 d’alimentation de l’unité B en carbone solide comme média adsorbant.[155] In a second variant, in combination or not with the first variant, at least part of the solid carbon leaving the unit D is shaped in the unit E, connected to the separation unit D by a circuit 3 of evacuation. Unit E also includes an 8-1 and 8-2 solid carbon recovery circuit. Circuit 8-1 supplies circuit 10 for supplying unit G with solid carbon and circuit 12 for supplying unit B with solid carbon as adsorbent media.
Le circuit 8-2, quant à lui, alimente le circuit 13 d’alimentation d’une unité d’élimination H de contaminants d’une eau traitée et le circuit 14 d’alimentation d’une unité de traitement I des odeurs d’un effluent gazeux. [156] Préférentiellement, l’installation comprend l’unité E de mise en forme du carbone solide ainsi que son circuit de valorisation 8-1 et 8-2. Circuit 8-2, for its part, supplies circuit 13 for supplying an elimination unit H of contaminants from treated water and circuit 14 for supplying a treatment unit I for odors from a gaseous effluent. [156] Preferably, the installation includes the solid carbon shaping unit E as well as its recovery circuit 8-1 and 8-2.
[157] Dans les modes de réalisation précédemment décrits en référence aux figures 1- 3, chacun des circuits 3, 5, 5-1, 5-2, 8-1, 8-2, 10, 12, 13, 14 peut comprendre au moins un dispositif de stockage (cuve ou autre) et au moins un dispositif de transport du carbone solide (train, camion, ou autre) jusqu’à et depuis le dispositif de stockage. [157] In the embodiments previously described with reference to Figures 1-3, each of the circuits 3, 5, 5-1, 5-2, 8-1, 8-2, 10, 12, 13, 14 can comprise at least one storage device (tank or other) and at least one device for transporting solid carbon (train, truck, or other) to and from the storage device.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Procédé de production et valorisation du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane, comprenant : [Claim 1] Process for the production and valorization of solid carbon from the pyrolysis of methane, comprising:
(a) une étape de fourniture de gaz contenant du méthane et des polluants ; (a) a step of supplying gas containing methane and pollutants;
(b) une étape d’élimination des polluants du gaz de l’étape (a) produisant du gaz traité, au cours de laquelle le gaz est mis en contact avec un média adsorbant apte à adsorber au moins une partie des polluants contenus dans le gaz ; (b) a step of eliminating pollutants from the gas of step (a) producing treated gas, during which the gas is brought into contact with an adsorbent media capable of adsorbing at least part of the pollutants contained in the gas ;
(c) une étape de pyrolyse du gaz traité de l’étape (b) produisant un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydrogène et du carbone solide, au cours de laquelle au moins une partie du méthane contenu dans le gaz traité est converti en dihydrogène et en carbone solide ; (c) a step of pyrolysis of the treated gas of step (b) producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon, during which at least part of the methane contained in the treated gas is converted into dihydrogen and solid carbon;
(d) une étape de séparation de l’effluent de l’étape (c) choisie parmi une étape (dl) de séparation cyclonique, une étape (d2) de séparation par filtration ou la succession des étapes (dl) et (d2), au cours de laquelle on sépare le carbone solide de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène ; (d) a step of separating the effluent from step (c) chosen from a step (dl) of cyclonic separation, a step (d2) of separation by filtration or the succession of steps (dl) and (d2) , during which the solid carbon is separated from the gas phase enriched in dihydrogen;
(e) une étape optionnelle de mise en forme d’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), le procédé est caractérisé en ce qu’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), est utilisé comme média adsorbant à l’étape (b).(e) an optional step of shaping at least part of the solid carbon separated in step (d), the process is characterized in that at least part of the solid carbon separated in step (d) ), optionally shaped in step (e), is used as adsorbent media in step (b).
[Revendication 2] Procédé valorisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le gaz fourni à l’étape (a) est choisi parmi du biogaz, du gaz de synthèse et du gaz naturel, seuls ou en mélange. [Claim 2] Valorization process according to claim 1, characterized in that the gas supplied in step (a) is chosen from biogas, synthesis gas and natural gas, alone or as a mixture.
[Revendication 3] Procédé valorisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le procédé comprend, entre l’étape (b) d’élimination et l’étape (c) de pyrolyse, une étape (f) de séparation du méthane contenu dans le gaz traité, au cours de laquelle le méthane présent dans le gaz traité est séparé avant d’être envoyé à l’étape (c). [Claim 3] Valorization process according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the process comprises, between step (b) of elimination and step (c) of pyrolysis, a step (f) separation of the methane contained in the treated gas, during which the methane present in the treated gas is separated before being sent to step (c).
[Revendication 4] Procédé de valorisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le procédé comprend, en amont de l’étape de fourniture, une étape (g) de production de gaz par digestion anaérobie d’une boue issue d’un procédé de traitement des eaux usées. [Claim 4] Valorization process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the process comprises, upstream of the supply step, a step (g) of gas production by anaerobic digestion of a sludge from a wastewater treatment process.
[Revendication 5] Procédé de valorisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’étape (g) est réalisée en présence d’un support de biomasse et en ce qu’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), est utilisé comme support de biomasse. [Claim 5] Valorization process according to claim 4, characterized in that step (g) is carried out in the presence of a biomass support and in that at least part of the solid carbon separated in step ( d), optionally shaped in step (e), is used as a biomass support.
[Revendication 6] Procédé de valorisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d’élimination de contaminants d’une eau traitée provenant d’un procédé de traitement des eaux usées, au cours de laquelle la teneur en micropolluants de l’eau traitée est réduite par sa mise en contact avec au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e). [Claim 6] Valorization process according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the process comprises a step of eliminating contaminants from treated water coming from a wastewater treatment process, during of which the micropollutant content of the treated water is reduced by bringing it into contact with at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e).
[Revendication 7] Procédé de valorisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de traitement des odeurs d’un effluent gazeux au cours de laquelle l’effluent gazeux est mis en contact avec un média adsorbant, et en ce qu’au moins une partie du carbone solide séparé à l’étape (d), optionnellement mis en forme à l’étape (e), est utilisé comme média adsorbant lors de cette étape de traitement des odeurs. [Claim 7] Valorization process according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the process comprises a step of treating the odors of a gaseous effluent during which the gaseous effluent is brought into contact with a adsorbent media, and in that at least part of the solid carbon separated in step (d), optionally shaped in step (e), is used as adsorbent media during this odor treatment step.
[Revendication 8] Installation de production et de valorisation du carbone solide issu de la pyrolyse du méthane pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant : [Claim 8] Installation for the production and valorization of solid carbon resulting from the pyrolysis of methane for the implementation of the process according to any one of the preceding claims, comprising:
- une conduite (A) de fourniture de gaz contenant du méthane et des polluants ; - a gas supply pipe (A) containing methane and pollutants;
- une unité d’élimination (B) des polluants du gaz apte à mettre en œuvre l’étape (b) produisant du gaz traité, comprenant un média adsorbant apte à adsorber des polluants, ladite unité d’élimination- a gas pollutant elimination unit (B) capable of implementing step (b) producing treated gas, comprising an adsorbent media capable of adsorbing pollutants, said elimination unit
(B) est raccordée à la conduite (A) de fourniture ; (B) is connected to the supply line (A);
- une unité de pyrolyse (C) du gaz traité apte à mettre en œuvre l’étape (c) produisant un effluent contenant une phase gazeuse enrichie en dihydrogène et du carbone solide, ladite unité de pyrolyse- a pyrolysis unit (C) of the treated gas capable of implementing step (c) producing an effluent containing a gas phase enriched in dihydrogen and solid carbon, said pyrolysis unit
(C) est raccordée à l’unité d’élimination (B) ; (C) is connected to the elimination unit (B);
- une unité de séparation (D) du carbone solide de la phase gazeuse enrichie en dihydrogène de l’effluent produit par l’unité de pyrolyse, ladite unité de séparation (D) étant raccordée à l’unité de pyrolyse (C) et choisie parmi une unité de séparation cyclonique (Dl), une unité de séparation par filtration (D2) ou la succession des unités (Dl) et (D2) ; - une unité optionnelle (E) de mise en forme de carbone solide alimentée en au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D) ; l’installation est caractérisée en ce qu’au moins une partie du carbone solide sortant de l’unité de séparation (D), optionnellement sortant de l’unité de mise en forme (E), est utilisée comme média adsorbant dans l’unité d’élimination des polluants. - a separation unit (D) of solid carbon from the gas phase enriched in dihydrogen of the effluent produced by the pyrolysis unit, said separation unit (D) being connected to the pyrolysis unit (C) and chosen among a cyclonic separation unit (Dl), a filtration separation unit (D2) or the succession of units (Dl) and (D2); - an optional unit (E) for shaping solid carbon supplied with at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D); the installation is characterized in that at least part of the solid carbon leaving the separation unit (D), optionally leaving the shaping unit (E), is used as adsorbent media in the unit elimination of pollutants.
[Revendication 9] Installation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’elle comprend, une unité de séparation (F) apte à séparer le méthane présent dans le gaz traité, cette unité de séparation étant raccordée à l’unité (B) d’élimination pour en recevoir le gaz traité et à l’unité de pyrolyse (C) pour lui fournir un gaz séparé présentant une teneur plus élevée en méthane. [Claim 9] Installation according to claim 8, characterized in that it comprises a separation unit (F) capable of separating the methane present in the treated gas, this separation unit being connected to the unit (B) d elimination to receive the treated gas and to the pyrolysis unit (C) to supply it with a separated gas having a higher methane content.
[Revendication 10] Installation selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu’elle comprend au moins une des unités suivantes : [Claim 10] Installation according to any one of claims 8 or 9, characterized in that it comprises at least one of the following units:
- une unité (G) de production de gaz par digestion anaérobie d’une boue issue d’une installation de traitement de l’eau raccordée d’une part à la conduite (A) de fourniture pour y envoyer le gaz produit et d’autre part alimentée en au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D), optionnellement de l’unité de mise en forme (E) ; une unité d’élimination (H) de contaminants d’une eau traitée provenant d’une installation de traitement des eaux usées, ladite unité d’élimination étant apte à réduire la teneur en micropolluants de l’eau traitée et étant raccordée à l’unité de séparation (D), optionnellement à l’unité de mise en forme (E), pour recevoir au moins une partie du carbone solide venant de l’unité de séparation (D), optionnellement de l’unité de mise en forme (E); - a unit (G) for producing gas by anaerobic digestion of a sludge from a water treatment installation connected on the one hand to the supply pipe (A) to send the gas produced there and on the other hand supplied with at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D), optionally from the shaping unit (E); a unit (H) for eliminating contaminants from treated water coming from a wastewater treatment installation, said elimination unit being capable of reducing the content of micropollutants in the treated water and being connected to the separation unit (D), optionally to the shaping unit (E), to receive at least part of the solid carbon coming from the separation unit (D), optionally from the shaping unit ( E);
- une unité (I) de traitement des odeurs d’un effluent gazeux comprenant un média adsorbant, au moins une partie du carbone solide sortant de l’unité de séparation (D), optionnellement sortant de l’unité de mise en forme (E), étant utilisée comme média adsorbant dans l’unité de traitement des odeurs. - a unit (I) for treating odors from a gaseous effluent comprising an adsorbent media, at least part of the solid carbon leaving the separation unit (D), optionally leaving the shaping unit (E ), being used as an adsorbent media in the odor treatment unit.
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