FR3109391A3 - Installation combining the desorption of CO2 included in the biomass and degradation of the biomass - Google Patents
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Abstract
Installation de production de biogaz comprenant un digesteur alimenté par de la biomasse et un réacteur de désorption alimenté par de l’air permettant la désorption d’au moins une partie du CO2 compris dans au moins une partie P de la biomasse, caractérisée en ce que ladite installation comprend un moyen d’ajouter des micro-organismes aérobies dans le réacteur de désorption.Biogas production installation comprising a digester fed by biomass and a desorption reactor fed by air allowing the desorption of at least part of the CO2 contained in at least part P of the biomass, characterized in that said installation comprises a means of adding aerobic microorganisms to the desorption reactor.
Description
La présente invention est relative à une installation et un procédé pour la production de biogaz enrichi en méthane.The present invention relates to an installation and a process for the production of biogas enriched in methane.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l’absence d’oxygène (digestion anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s’agir d’une dégradation naturelle – on l’observe ainsi dans les marais ou les décharges d’ordures ménagères – mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, et dont les conditions sont contrôlées, appelé méthaniseur ou digesteur, puis dans un post-digesteur, similaire au digesteur et permettant de pousser plus loin la réaction de méthanisation.Biogas is the gas produced during the degradation of organic matter in the absence of oxygen (anaerobic digestion) also called methanization. It may be a matter of natural degradation - we can thus observe it in marshes or household refuse dumps - but the production of biogas can also result from the methanization of waste in a dedicated reactor, and whose conditions are controlled, called a methanizer or digester, then in a post-digester, similar to the digester and allowing the methanization reaction to be pushed further.
On appellera biomasse tout groupement de matières organiques pouvant se transformer en énergie à travers ce processus de méthanisation, par exemple les boues de station d'épuration, fumiers/lisiers, résidus agricoles, déchets alimentaires...We will call biomass any group of organic materials that can be transformed into energy through this anaerobic digestion process, for example sewage sludge, manure / slurry, agricultural residues, food waste, etc.
Le digesteur, c’est-à-dire le réacteur dédié à la méthanisation de la biomasse, est une cuve fermée, chauffée ou non (opération à une température fixée, entre la température ambiante et 55°C) et dont le contenu constitué de la biomasse est brassé, en continu ou séquentiel. Les conditions dans le digesteur sont anaérobies et le biogaz généré se retrouve dans l'espace de tête du digesteur (ciel gazeux), où il est prélevé. Les post-digesteurs sont similaires aux digesteurs.The digester, that is to say the reactor dedicated to the methanization of biomass, is a closed tank, heated or not (operation at a fixed temperature, between room temperature and 55 ° C) and whose content consists of the biomass is stirred, continuously or sequentially. The conditions in the digester are anaerobic and the generated biogas ends up in the digester head space (gas headspace), where it is taken. Post-digesters are similar to digesters.
De par ses constituants principaux – méthane et dioxyde de carbone – le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d’énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles.By virtue of its main constituents - methane and carbon dioxide - biogas is a powerful greenhouse gas; at the same time, it is also a significant source of renewable energy in the context of the scarcity of fossil fuels.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables en fonction du mode d’obtention et du substrat mais peut également contenir, en moindres proportions de l’eau, de l’azote, de l’hydrogène sulfuré (H2S), de l’oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l’état de traces, dont le H2S, entre 10 et 50,000 ppmv.Biogas mainly contains methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) in varying proportions depending on the method of production and the substrate but may also contain, in smaller proportions of water, nitrogen , hydrogen sulfide (H 2 S), oxygen, as well as other organic compounds, in trace amounts, including H2S, between 10 and 50,000 ppmv.
Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de CO2, de 0 à 15% d’azote, de 0 à 5% d’oxygène et des composés traces.Depending on the degraded organic materials and the techniques used, the proportions of the components differ, but on average the biogas comprises, on dry gas, from 30 to 75% of methane, from 15 to 60% of CO 2 , from 0 to 15% d nitrogen, 0 to 5% oxygen and trace compounds.
Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l’électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l’intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité.Biogas is recovered in different ways. It can, after a light treatment, be upgraded near the production site to provide heat, electricity or a mixture of the two (cogeneration); the high carbon dioxide content reduces its calorific value, increases compression and transport costs and limits the economic benefit of its recovery to this local use.
Une purification plus poussée du biogaz permet sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d’obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est le « biométhane ». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au cœur des territoires; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d’origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (bioGNL)…Further purification of biogas allows its wider use, in particular, extensive purification of biogas makes it possible to obtain biogas purified to the specifications of natural gas and which can be substituted for it; the biogas thus purified is “biomethane”. Biomethane thus supplements natural gas resources with a renewable part produced in the heart of the territories; it can be used for exactly the same purposes as natural gas of fossil origin. It can supply a natural gas network, a filling station for vehicles, it can also be liquefied to be stored in the form of liquid natural gas (bioGNL), etc.
Selon la composition de la biomasse, le biogaz produit lors de la digestion contient du sulfure d’hydrogène (H2S) dans des teneurs comprises entre 10 et 50 000 ppm.Depending on the composition of the biomass, the biogas produced during digestion contains hydrogen sulphide (H 2 S) in amounts between 10 and 50,000 ppm.
Le biométhane issu de la fermentation de biomasse dans des digesteurs a un prix élevé. Ce surcoût est du aux coûts de production et notamment aux coûts liés à l’épuration du biogas sortie du digesteur jusqu’à obtention du biométhane. Le biogaz contient un taux important de CO2 et une unité de séparation efficace est nécessaire. Les procédés de séparation couramment utilisées sont l’absorption, l’adsorption et la perméation. Pour que le biométhane devienne compétitif, une réduction des coûts d’épuration est nécessaire.Biomethane from the fermentation of biomass in digesters comes at a high price. This additional cost is due to production costs and in particular to the costs associated with the purification of the biogas leaving the digester until the biomethane is obtained. Biogas contains a high level of CO2 and an efficient separation unit is required. Commonly used separation processes are absorption, adsorption and permeation. For biomethane to become competitive, a reduction in purification costs is necessary.
Une solution déjà proposée décrit un procédé d’enrichissement du biogaz en méthane grâce à un réacteur indépendant du digesteur et désorbant le CO2 par passage d’air gazeux au travers de la biomasse. L’air se charge alors de CO2 qui est alors séparé du méthane.A solution already proposed describes a process for enriching biogas with methane using a reactor independent of the digester and desorbing the CO2 by passing gaseous air through the biomass. The air then becomes charged with CO2 which is then separated from the methane.
La mise en contact de l’air avec la biomasse permet la désorption du CO2. Plus la mise en contact est efficace, plus le CO2 est désorbé et donc plus le biogaz est enrichi en méthane.Bringing the air into contact with the biomass allows the desorption of CO2. The more effective the contacting, the more the CO2 is desorbed and therefore the more the biogas is enriched in methane.
Le problème que se propose de résoudre l’invention est de combiner désorption du CO2 et pré-digestion de la biomasse afin de faciliter la dégradation de la biomasse dans le réacteur et la production de biogaz enrichie en méthane.The problem which the invention proposes to solve is to combine desorption of CO2 and pre-digestion of biomass in order to facilitate the degradation of the biomass in the reactor and the production of biogas enriched in methane.
Une solution de la présente invention est une installation de production de biogaz comprenant un digesteur alimenté par de la biomasse et un réacteur de désorption alimenté par de l’air permettant la désorption d’au moins une partie du CO2compris dans au moins une partie P de la biomasse, caractérisée en ce que ladite installation comprend un moyen d’ajouter des micro-organismes aérobies dans le réacteur de désorption.A solution of the present invention is a biogas production plant comprising a digester fed by biomass and a desorption reactor fed by air allowing the desorption of at least part of the CO 2 included in at least one part. P biomass, characterized in that said installation comprises a means of adding aerobic microorganisms to the desorption reactor.
Dans l’installation selon l’invention les micro-organismes aérobies dégraderont la biomasse dans le réacteur de désorption où la biomasse est mis en contact avec de l’air. Le principal avantage de ce traitement avec les micro-organismes aérobies est de faciliter la dégradation de la biomasse et donc de produire du méthane plus rapidement. Le temps de séjour de la biomasse dans le digesteur est réduit et sur une même période de temps, il est possible de traiter plus de biomasse et de produire plus de biométhane.In the installation according to the invention the aerobic microorganisms will degrade the biomass in the desorption reactor where the biomass is brought into contact with air. The main advantage of this treatment with aerobic microorganisms is to facilitate the degradation of biomass and therefore to produce methane more quickly. The residence time of the biomass in the digester is reduced and over the same period of time it is possible to process more biomass and produce more biomethane.
La surproduction de biométhane permet de réduire le coût de production du biométhane. Le coût d’investissement est constant pour une production plus importante de biométhane.The overproduction of biomethane reduces the cost of producing biomethane. The investment cost is constant for a larger production of biomethane.
Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :Depending on the case, the installation according to the invention may have one or more of the following characteristics:
- le réacteur de désorption comprend au moins un contacteur, de préférence un contacteur à garnissage en vrac. En effet, Le réacteur de désorption sera de préférence défini comme un lit fixe.the desorption reactor comprises at least one contactor, preferably a bulk packed contactor. Indeed, the desorption reactor will preferably be defined as a fixed bed.
- le réacteur de désorption comprend un contacteur à garnissage en vrac comprenant les micro-organismes aérobies.the desorption reactor comprises a bulk packed contactor comprising the aerobic microorganisms.
- l’installation comprend : Un moyen permettant l’extraction d’au moins une partie P de la biomasse comprise dans le digesteur, Un moyen de récupération de la biomasse dégradée et appauvrie en CO2 en sortie du réacteur de désorption et Un moyen permettant l’introduction de la biomasse récupérée dans le digesteur. Par biomasse dégradée on entend la biomasse qui a subi une pré-digestion par les micro-organismes dans le réacteur de désorption.the installation comprises: A means allowing the extraction of at least part P of the biomass included in the digester, A means of recovering the degraded biomass depleted in CO2 at the outlet of the desorption reactor and A means allowing the introduction of the recovered biomass into the digester. By degraded biomass is meant the biomass which has undergone a pre-digestion by the microorganisms in the desorption reactor.
- l’installation comprend une unité de séparation membranaire permettant d’épurer le biogaz récupéré en sortie du digesteur et un moyen permettant de recycler le perméat récupéré en sortie de l’unité de séparation membranaire dans le digesteur.the installation includes a membrane separation unit for purifying the biogas recovered at the exit of the digester and a means for recycling the permeate recovered at the exit of the membrane separation unit in the digester.
Le digesteur comporte toutes les conditions requises pour mettre en œuvre le traitement anaérobie de la biomasse. Par toutes les conditions requises pour le traitement anaérobie du substrat, on entend une atmosphère sans présence d’oxygène, un agitateur et un chauffage pour maintenir la température entre 30 et 70°C.The digester has all the conditions required to implement the anaerobic treatment of the biomass. By all the conditions required for the anaerobic treatment of the substrate is meant an atmosphere without the presence of oxygen, a stirrer and heating to maintain the temperature between 30 and 70 ° C.
La présente invention a également pour objet de production de biogaz mettant en œuvre une installation selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :The present invention also relates to the production of biogas using an installation according to the invention, said method comprising the following steps:
- Introduction de biomasse dans le digesteur,Introduction of biomass into the digester,
- Extraction d’au moins une partie P de la biomasse du digesteur,Extraction of at least part P of the biomass from the digester,
- Introduction de la partie P de la biomasse dans le réacteur de désorption ;Introduction of the P part of the biomass into the desorption reactor;
- Introduction de l’air dans le réacteur de désorption ;Introduction of air into the desorption reactor;
- Introduction de micro-organismes aérobies dans le réacteur de désorption ;Introduction of aerobic microorganisms into the desorption reactor;
- Récupération de la partie P de la biomasse dégradée et appauvrie en CO2 et d’un flux d’air enrichi en CO2 ;Recovery of part P of degraded and CO2-depleted biomass and a CO2-enriched air stream;
- Introduction de la partie P de la biomasse issue de l’étape f) dans le digesteur ;Introduction of the P part of the biomass from step f) into the digester;
- Digestion anaérobie de la biomasse dans le digesteur ; etAnaerobic digestion of biomass in the digester; and
- Récupération de biogaz enrichi en méthane.Recovery of biogas enriched in methane.
De préférence, le biogaz enrichi en méthane est épuré dans au moins une unité de séparation membranaire et le perméat récupéré en sortie de l’unité de séparation membranaire est recyclé dans le digesteur.Preferably, the methane-enriched biogas is purified in at least one membrane separation unit and the permeate recovered at the outlet of the membrane separation unit is recycled to the digester.
Le perméat est recyclé dans le digesteur car il comprend encore alors une quantité non négligeable de méthane.The permeate is recycled into the digester because it then still comprises a not insignificant quantity of methane.
Claims (7)
- Un moyen permettant l’extraction d’au moins une partie P de la biomasse comprise dans le digesteur,
- Un moyen de récupération de la biomasse dégradée et appauvrie en CO2 en sortie du réacteur de désorption et
- Un moyen permettant l’introduction de la biomasse récupérée dans le digesteur.
- A means allowing the extraction of at least part P of the biomass included in the digester,
- A means of recovering the degraded biomass and depleted in CO2 at the outlet of the desorption reactor and
- A means allowing the introduction of the recovered biomass in the digester.
- Introduction de biomasse dans le digesteur,
- Extraction d’au moins une partie P de la biomasse du digesteur,
- Introduction de la partie P de la biomasse dans le réacteur de désorption ;
- Introduction de l’air dans le réacteur de désorption ;
- Introduction de micro-organismes aérobies dans le réacteur de désorption ;
- Récupération de la partie P de la biomasse dégradée et appauvrie en CO2 et d’un flux d’air enrichi en CO2 ;
- Introduction de la partie P de la biomasse issue de l’étape f) dans le digesteur ;
- Digestion anaérobie de la biomasse dans le digesteur ; et
- Récupération de biogaz enrichi en méthane.
- Introduction of biomass into the digester,
- Extraction of at least part P of the biomass from the digester,
- Introduction of the P part of the biomass into the desorption reactor;
- Introduction of air into the desorption reactor;
- Introduction of aerobic microorganisms into the desorption reactor;
- Recovery of the P part of the degraded and CO2-depleted biomass and of an air flow enriched in CO2;
- Introduction of the part P of the biomass from step f) into the digester;
- Anaerobic digestion of biomass in the digester; and
- Recovery of biogas enriched in methane.
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