Brevet FR2481874A1 — publié le 19811113

La présente invention a essentiellement pour objet une installation de production de méthane en continu à partir de déchets organiques tels que par exemple fumiers, déjections animales ou autres matières analogues. On a déJa proposé des installations de production de méthane du type ci-dessus travaillant en discontinu ou même en continu. Dans les installations fonctionnant en dlscontine, on entasse tout d'abord des matières organiques, telles que par exemple du fumier, dans une cuve où il subit une fermentation aérobie fortement exothermique, puis on ajoute du purin ou analogue au contenu de cette cuve qui subit alors une fermentation anaérobie donnant naissance à du méthane que l'on recueille pour des utilisations diverses. Ces installations ont l'avantage de permettre de travailler avec des concentrations élevées en matières organiques, mais elles exigent des manipulations pénibles et donnent une production cyclique de gaz. D'un autre c8té, les installations à fermentation continue doivent travailler avec des matières organiques pompables donc plus diluées, mais, dans de telles installations, les manipulations désagréables sont réduites au minimum et la production de gaz y est régulière. Cependant, toutes les installations connues jusqu'à présentiq1'elles soient du type à fonctionnement discontinu ou continu, présentent de mauvais rendements. En effet, la fermentation anaérobie étant lente et dégageant peu de chaleur, sa température a tendance à s'abaisser de sorte que le débit de gaz est très réduit. Et si l'on veut maintenir artificiellement cette température à un niveau convenable, il est nécessaire de recourir à une dépense d'énergie qui correspond le plus souvent-au tien voire à la moitié du méthane produit, et ceci malgré une bonne isolation thermique. Il convient par conséquent de résoudre le problème de récupération de la chaleur procurée par la fermentation aérobie pour maintenir la température de la fermentation anaérobie tout en conservant une possibilité de réglage correct de la température de fermentation aérobie, puisque c'est surtout elle qui permet la sélection des germes qui déclencheront la fermentation anaérobie0 La présente Invention a essentiellement pour but de résoudre le problème ci-dessus tout en remédiant à tous les inconvénients des appareils actuellement connus, en proposant une nouvelle installation de production de méthane grâce à laquelle notamment on mattrise pm > itementle réglage de la température de fermentation aérobie devant d'ailleurs se situer à un niveau variable selon les matières traitées, et qui en outre demeure d'une souplesse d'emploi remarquable. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de production de méthane en continu à partir de déchets organiques tels que par exemple fumiers, déjections animales ou autres matières analogues qui sont placés dans une cuve ouverte pour y subir une préfermentation aérobie continue suivie par une fermentation anaérobie également continue dans une autre cuve qui est close, caractérisée en ce que l'une des deux cuves précitées est disposée à l'intérieur de l'autre de façon à permettre un transfert aisé de chaleur depuis la cuve de fermentation aérobie vers la cuve close de fermentation anaérobie. Suivant un mode de réalisation préférentiel, c'est la cuve de fermentation aérobie qui est placée à l'intérieur de la cuve de fermentation anaérobie. Ainsi, sans équipement spécial, ctest-à-dire sans avoir recours par exemple à un échangeur de chaleur séparé, on pourra récupérer au mieux la chaleur dégagée par la fermentation aérobie fortement exothermique, pour maintenir à un niveau suffisant la température de la fermentation anaérobie qui dégage une quantité de chaleur insuffisante pour compenser les déperditions. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la cuve de fermentation aérobie est séparée des matières en fermentation dans la cuve anaérobie par au moins un espace rempli d'air et/ou d'eau. On ajoutera ici que l'espace précité est, suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux, constitué par une double enveloppe ou analogue prévale sur au moins une partie de la paroi de la cuve aérobie. On dispose ainsi d'un moyen régulateur de température en permettant de modifier le coefficient global de transfert de chaleur à travers la paroi séparant la cuve aérobie de la zone de fermentation anaérobie. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la cuve close de fermentation anaérobie est divisée en une pluralité de compartiments communicants dont au moins l'un communique avec la cuve de fermentation aérobie et dont au moins un autre est raccordé à un moyen d'évacuation de l'effluent, lequel effluent est éventuellement recyclable au moins en partie. Selon encore une autre caractdristique de l'invention, l'espace précité rempli d'air et/ou d'eau est divisé en secteurs correspondants de préférence et sensiblement aux compartiments précités de la cuve de fermentation anaérobie. Ainsi, la cuve anaérobie est découpée en plusieurs compartiments, par exemple trois, qui sont.parcourus successivement par le produit venant de la cuve adrobieJet un tel compartimentage intéresse également l'espace intermédiaire précité rempli d'air et/ou d'eau, afin de mieux répartir entre les compartiments anaérobies la chaleur provenant de la fermentation aérobie. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'espace ou les secteurs précités sont reliés à un système d'alimentation en eau froide et/ou chaude et permettant éventuellement de réguler le niveau d'eau dans lesdits sectans, ce qui, comme on l'a dit précédemment, permet la variation du coefficient global de transfert de chaleur à travers la paroi séparant les zones aérobie et anaérobie. On notera encore ici que, selon l'invention, les déchets organiques introduits dans la cuve aérobie sont éventuellement réchauffés dans un moyen qui traverse au moins l'un des compartiments précités de la cuve anaérobie. Ce moyen, suivant un mode de réalisation préféré, est constitué par au moins une conduite traversant le dernier compartiment de la cuve anaérobie auquel parviennent les déchets organiques, de sorte que les déchets organiques introduits dans la cuve aérobie soient réchauffés par échange de chaleur avec l'effluent sortant dudit dernier compartiment. Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, au moins lwun des compartiments de la cuve anaérobie précitée est traversé par au moins un tube dans lequel circule un fluide froid ou chaud, tel que par exemple les gaz émanant de la combustion du méthane produit. Avantageusement, la paroi de la cuve de fermentation aérobie forme la paroi interne de la cuve anaérobie, ladite paroi étant raccordée par son sommet à la paroi externe de la cuve anaérobie. Un tel aménagement de. la cuve aérobie dans la cuve anaérobie permet avantageusement le nettoyage facile de l'installation, et notamment celui de la cuve aérobie D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation conforme à l'invention, en coupe verticale, et - la figure 2 est une vue en coupe faite sensiblement suivant la ligne II-II de la figure 1. Selon un exemple de réalisation, et en se reportant aux dessins annexés, une installation de production de méthane en continu conforme à l'invention comprend essen tiellement une enceinte 1 convenablement calorifugée et constituée par une cuve de fermentation aérobie 2 placée à l'intérieur d'une cuve de fermentation anaérobie 3.La cuve 2 dans laquelle sont introduits des déchets organiques tels que par exemple fumiers, litières d'animaux, déjections animales (fécès et urines) ou autres matières analogues, est de préférence cylindrique, tandis que la cuve 3 est agencée conoentrique ment à la cuve 2s Suivant l'exemple de réalisation représenté, les cuves 2 et 3 comportent un fond commun 4, et la paroi 5 de la cuve 2 forme également la paroi interne de la cuve de fermentation anaérobie 5. Cette paroi 5 est raccordée par son sommet à la paroi externe généralement cylindrique 6 de la cuve 3 par une paroi supérieure 7 que l'on voit bien sur la figure 1, de sorte que la cuve 3 forme un espace fermé d'où peut sortir le méthane produit par une conduite ou analogue 8. La paroi 5 de la cuve 2 est séparée des matières en fermentation dans la cuve anaérobie 3 par un espace annulaire 9 qui peut être rempli d'air et/ou d'eau. Cet espace, suivant un exemple de réalisation préféré, est constitué par une double enveloppe formée par la paroi 5 et une autre paroi 5a prévue sur la majeure partie de la hauteur de le cuve 2. L'espace 9 formé par la double enveloppe 5, 5a est relié par l'intermédiaire de conduits 10, il à un système d'alimentation en eau froide et/ou chaude, montré schématiquement en 12 et permettant éventuellement la régulation du niveau d'eau dans ledit espace 9o Ainsi, grâce aux dispositions ci dessus décrites, on pourra faire varier convenablement les conditions de transfert de chaleur à travers la paroi 5 séparant la cuve aérobie 2 des matières en fermentation anaérobie dans la cuve 3.C'est dire que, conformément à l'invention, non seulement on réalisera une excellente récupération de la chaleur libérée par la fermentation exothermique des matières organiques dans la cuve 2 pour maintenir à un niveau approprié la température de la fermentation anaérobie dans la cuve 3, mais talem&commat;nt on restera parfaitement maître de la température de fermentation dans la cuve 2, laquelle température sera ainsi apte à sélectionner les germes qui déclencheront la fermentation anaérobie dans la cuve 3. Cette cuve close 3 est, suivant une réalisation particulièrement avantageuse, et comme on le voit bien sur la figure 3, constituée par une pluralité de compartiments communicants qui peuvent être par exemple au nombre de trois, tels que les compartiments 3a, 3b et 3c. Au moins l'un de ces compartiments, par exemple compartiment 3a, communique avec la cuve 2 par un passage étanche vis-à-vis de l'espace annulaire 9, comme on l'a montré en 13 sur la figure 2.Pour que les déchets organiques 2 parcourent successivement les compartiments 3a, 3b et 3c suivant les flèches visibles sur la figure 2, la cloison 14 entre les compartiments 3a et 3b est munie d'un orifice 15 prévu en partie basse de l'enceinte 1 > de même que la cloison 16 entre les compartiments 3b et 3c est munie d'un orifice 17. Ainsi, le compartiment 3c constitue en quelque sorte le dernier compartiment de la cuve anaérobie 3, la cloison 18 étant pleine et assurant l'étanchéité entre ledit compartiment 3c et le compartiment 3a. C'est d'ailleurs par ce dernier compartiment 3c que sort l'effluent après fermentation en passant dans une conduite associée à un siphon ou analogue, comme on l'a montré schématiquement en 19 et 20 sur la figure 1. Il est important de noter ici que le découpage selon l'invention de la cuve de fermentation anaérobie 3 permet une meilleure efficacité fermentaire. En effet, la vitesse de fermentation ou de transformation du substrat constitué par les matières organiques étant une fonction directe delta omcentration en produits métabdisabLes, il s'ensuit pourltensemble des compartiments 3a, 3b et 3c une vitesse moyenne de fermentation nettement supérieure à celle que l'on obtiendrait avec une cuve non divisée.Le découpage de la cuve en compartiments permet donc avantageusement soit un débit d'alimentation en déchets organiques supérieur avec le même épuisement, ou avec le même débit d'alimentation un épuisement meilleur, étant bien entendu que dans les deux cas on obtient une production accrue de méthane. Comme il apparat clairement sur la figure 2, l'espace annulaire 9 est lui aussi, comme la cuve 3,divisé en secteurs 9a, 9b, 9c, de sorte que le système d'alimentation 12 communique avec chaque secteur séparément comme on le voit sur la figure 2, par les amorces de conduite 11 visibles sur ladite figure. Suivant un mode de réalisation préféré, ces secteurs correspondent aux compartiments de la cuve de fermentation anaérobie 3. En d'autres termes, ces secteurs sont délimités par des prolongements 14a, 16a et 18a des cloisons 14, 16 et 18 respectivement. Ainsi grâce à une quantité de fluide éventuellement différente dans chaque secteur 9a, 9b, 9c, on peut assurer une meilleure répartition de la chaleur provenant de la fermentation aérobie dans la cuve 2, dans chaque compartiment de la cuve anaérobie. Comme on le voit sur la figure 1, on alimente la cuve 2 en substrat par une conduite ou analogue 21 équipée d'une vanne à trois voies 22, soit directement par l'intermédiaire d'un conduit 23, soit après réchauffage par échange de chaleur avec le liquide qui sort en 19 du dernier compartiment anaérobie 3c. Plus précisément, on prévoit suivant la présente invention, un Jeu de tubes 24 disposé dans le dernier compartiment 3c et raccordé à l'alimentation en substrat 21 par l'intermédiaire de la vanne 22. Le liquide sortant en 19 de l'installation méthanogèneSest avantageusement canalisé vers les tubes 24 grtce à un couloir 25 formé entre la paroi externe du compartiment 3c et une cloison ou analogue 26 agencée dans celui-ciO Il faut noter ici qu'on peut avantageusement recycler à l'alimentation 21 tout ou partie des effluents sortant en 20, ou aJouter des produits ou additifs divers susceptibles d'accélérer la fermentation0 Les compartiments 3a, 3b et 3c de la cuve anaérobie 3 sont traversés par un ou plusieurs tubes 27, deux tubes suivant l'exemple représenté. Ces tubes peuvent être parcourus par un fluide froid ou chaud, tel que par exemple les gaz de combustion ou d'échappement provenant de l'utilisation du méthane, ou bien par de l'air ambiant pour faciliter éventuellement les réglages de température. Ces tubes 27, ainsi d'ailleurs que le système 12 d'alimentation et de régulation d t eau dans l'espace intermédiaire 9 peuvent avantageusement être utilisés pour accélérer un démarrage difficile de l'installation ou encore pour ralentir un emballement éventuel de la fermentation aérobie. La cuve de fermentation aérobie 2 est munie d'un système 28, connu en soi, d'inJection intermittente d'air, ainsi que d'au moins un agitateur 29 qui peut également fonctionner de manière intermittente. Egalement, les compartiments 3a, 3b et 3c de la cuve anaérobie 3 sont chacun munis d'un agitateur 30 susceptible de fonctionner par intermit tenue, Le fonctionnement de l'installation methanogène conforme à l'invention se déduit immédiatement de la description qui précède En bref, le substrat est introduit soit directement soit par l'intermédiaire du Jeu de tubes 24 dans la cuve de fermentation aérobie 2, et c'est la charge en substrat dans cette cuve qui permettra sa circulation dans les compartiments successifs 3a, 3b et 3c de la cuve anaérobie. Et, comme on l'a dit plus haut, grtce à espace annulaire 9, on récupérera la chaleur libérée par la fermentation aérobie dans la cuve 2 pour maintenir la température de la fermentation dans les compartiments précités, tout en assurant le réglage de la température de fermentation aérobie.Mais ce qui est essentiel à noter ici, c'est l1observation du demandeur selon laquelle la variation de l'un quelconque des divers paramètres autre que la température de fermentation, entraîne une variation de ladite température qui se stabilise à un nouveau niveau, et que cette température peut autre ramenée au niveau antérieur en Jouant sur un autre paramètres Ceci est très important sur le plan pratique, car, n'étant pas mattre de la température extérieure, on peut compenser ces variations en Jouant par exemple sur le débit d'alimentation en substrat, sa concentration en paille ou déjections animales, ainsi que sur son réchauffage. On donnera ci-après, à titre d'illustration de ce qui précède, un exemple de réalisation d'une installation méthanogbne conforme à la présente invention, ainsi que les résultats et avantages qu'elle procure eu égard notamment à sa souplesse d'emploi. Les résultats qui suivent ont été obtenus avec une enceinte de 100 m3 de volume total comprenant une cuve aérobie centrale entourée par trois compartiments anaérobies, comme on l'a décrit précédemment. On a alimenté la cuve centrale i fermentation aérobie à raison de 6 m3 par Jour d'un produit cmti & 1O%desfleccnpt eninatere sèche (dont la moitié de cellulose) et une quantité assez variable de matières sèches provenant de déjections d'animaux,111es que fécès et urine. Le temps de séJour était alors de 56 heures dans la cuve aérobie et de 4 Jours dans les compartiments anaérobies. Les déJections animales sont surtout transformées dans la cuve aérobie où parvient le substrat après dilacération et éventuellement réchauffage. Pour une température anaérobie de 55 C, qui semble être le maximum souhaitable, 71% de la cellulose est transformé en libérant 86 m3 par jour de méthane. Si la température extérieure est de +100, on constate que la température anaérobie se stabilise à 570C sans réchauffage de l'alimentation en substrat. Il s'agit là d'une différence insignifiante par rapport à la température anaérobie mentionnée en premier lieu et qui peut être compensée par une faible circulation d'eau dans l'un des compartiments de la double paroi 5, 5a, ou bien tout simplement par une circulation d'air extérieur dans les tubes 27, ce qui suffira à rétablir la température souhaitée de 55 . Il est donc permis de dire que pour une température extérieure voisine de 100C, l'installation selon l'invention fonctionne à une température anaérobie sensiblement égale à 550C qui se trouve en équilibre naturel. Si, dans les mêmes conditions, la température extérieure est de 0 C, la fermentation anaérobie trouve sont point d'équilibre à 520C, d'où une transformation de 66% seulement de la cellulose de sorte que la production de méthane est réduite à 80 m3 par Jour. La température anaérobie de 550C peut alors facilement être rétablie, au moins dans les deux premiers compartiments 3a et 3b qui sont les plus productifs, par réchauffage du substrat à l'aide de l'effluent du dernier compartiment anaérobie 3c, comme on l'a décrit précédemment. On obtient ainsi une production de méthane voisine de 85 m3 par Jour. Au lieu de réchauffer l'alimentation en substrat, on peut très bien en augmenter le débit, en le faisant passer de 6 à 6,8 m3 par jour.Dans un tel cas, on retrouve la température de 55 C dans tous les compartiments anaérobies mais la production totale de méthane s'élève alors à 92 m3 par Jour. On constate donc que pour une température extérieure voisine de OOC, on doit procéder à un réchauffage de l'alimentation en substrat ou bien, Si cela est possible, à une augmentation du débit de cette alimentation. Si la température extérieure s'abaisse à -100C, la température anaérobie s'équilibre alors à W7 C pour donner une production de méthane de 69 m par Jour. Dès lors, pour rétablir la température anaérobie de 55 C, il suffit de pratiquer le réchauffage et l'augmentation du débit de l'alimentation pour retrouver une production totale de méthane voisine de 85 m par Jour. Enfin, Si le produit à faire fermenter était trop pausme en déJections animales, tout se passerait comme Si a température extérieure était plus basse, et le même remède que précédemment pourrait pallier cette insuffisance. Cependant, onnotera ici qu'en période d'hiver d&commat; telles conditions n'apparaissent pas car, à cette époque, les disponibilités en fumier sont abondantes et il est donc facile d'augmenter l'alimentation en la portant à 8 m3 par jour, ce quiFereet de retrouver la température anaérobie de 550C avec une production de méthane voisine de 90 m3 par Jour. Les quelques données ci-dessus illustrent bien la souplesse d'une installation méthanogène conforme à l'invention, par le fait quelle permet commodément de Jouer sur les divers paramètres autres que la température de fermentation anaérobie choisie de façon à se trouver toujours dans les conditions les meilleures de rendement et de stabilité de fermentation, et ce, quelle que soit la température extérieure0 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que le nombre de tubes 27, la conformation des cuves 2 et 3, la nature du système de réglage 12 et le nombre de compartiments anaérobies peuvent être quelconques sans sortir du cadre de l'invention. De même, au lieu de placer la cuve aérobie à l'intérieur de la cuve anaérobie, on pourrait tout aussi bien prevoir l'inverse. Egalement, pour limiter la perte de calories de la cuve aérobie 2, une isolation par plaques en matériau isolant peut être prévue tout en laissant la possibilité de circulation de 11 air. C'est dire que l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre de la protection revendiquée ci-après. REVENDICATIONS 1. Installation de production de méthane en continu à partir de déchets organiques tels que par exemple fumiers, déjections animales ou autres matières analogues qui sont placées dans une cuve ouverte pour y subir une préfermenta- tion aérobie continue suivie par une fermentation anaérobie également continue dans une autre cuve qui est close, caractérisée en ce que l'une des deux cuves précitées est disposée à l'intérieur de l'autre de façon à permettre un transfert aisé de chaleur depuis la cuve de fermentation aérobie vers la cuve close de fermentation anaérobie 2.Installation selon la revendication 1, caractérS sée en ce que la cuve de fermentation aérobie est placée à l'intérieur de la cuve de fermentation anaérobie0 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la cuve de fermentation aérobie est séparée des matières en fermentation dans la cuve anaérobie par au moins un espace rempli d'air et/ou d'eau. 4. Installation selon la revendication 3, caractéri sée en ce que l'espace précité est constitué par une double enveloppe ou analogue prévue sur au moins une partie de la paroi de la cuve aérobie, 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la cuve close précités de fermentation anaérobie est divisée en une pluralité de compartiments successifs communicants dont au moins l'un communique avec la cuve de fermentation aérobie et dont au moins un autre est raccordé à un moyen d'évacua- tion de l'effluent, lequel effluent est éventuellement recyclable au moins en partie. 6. Installation selon l'une des revendications 3 à 5,. caractérisée en ce que l'espace précité rempli d'air et/ou d'eau est divisé en secteurs correspondant de préférence et sensiblement aux compartiments précités de la cuve de fermentation anaérobie 7. Installation selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que l'espace ou les secteurs précités sont reliés à un système d'alimentation en eau froide et/ou chaude et permettant éventuellement de réguler le niveau d'eau dans ledit espace ou lesdits secteurs. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les déchets organiques introduits dans la cuve aérobie sont éventuellement réchauffés dans un moyen traversant au moins l'un des compartiments précités de la cuve anaérobie. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moyen précité est constitué par au moins une conduite traversant le dernier compartiment de la cuve anaérobie auquel parviennent les déchets organiques, de sorte que les déchets organiques introduits dans la cuve aérobie soient réchauffés par échange de chaleur avec l'effluent sortant dudit dernier compartiment. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins l'un des compartiments de la cuve anaérobie précitée est traversé par au moins un tube dans lequel circule un fluide froid ou chaud, tel que par exemple les gaz émanant de la combustion du méthane produit. 11. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi de la cuve de fermentation aérobie forme la paroi interne de la cuve anaérobie, ladite paroi étant raccordée par son sommet à la paroi externe de la cuve anaérobie.