Brevet FR2500256A1 — publié le 19820827

DIGESTEUR A LESSIVAGE PAR REMONTAGE THERMIQUE POUR LA FERMENTA TION DE MATIERES CELLULOSIQUES ET LA PRODUCTION DE METHANE. La présente invention a trait à un digesteur pour la fermentation de matières cellulosiques, notamment de fumiers, pailles, ou déchets cellulosiques et d'agriculture, pour la production de méthane. Le coût croissant de l'énergie remet à l'ordre du jour la production de méthane à partir de matières organiques et notamment de matières cellulosiques à l'aide de digesteurs. Les digesteurs connus se présentent en général sous forme d'une cuve remplie de matières cellulosiques noyées dans un liquide aqueux de façon à permettre une fermentation anaérobie pour provoquer la formation de méthane pendant la durée de la fermentation, la matière restante pouvant -------- après la fermentation, être utilisée comme engrais ou base d'un compost. La température minimale pour obtenir une bonne fermentation méthanique anaérobie se situe entre 35 et 450C. Cette température n'est cependant pas toujours facilement attein- te à l'intérieur d'un digesteur en pays tempéré, de sorte qu'il est souvent nécessaire de réchauffer la masse de matières organiques en fermentation. Dans ce but, on a déjà proposé des digesteurs comprenant en général une cuve surmontée d'un gazomètre avec, dans la partie inférieure de la cuve, une porte d'évacuation, la paroi latérale de la cuve étant dédoublée de façon à former une chemise de chauffage entourant la cuve, cette chemise de chauffage étant alimentée en eau de chauffage en fonction des besoins. L'expérience montre cependant que l'on n'obtient pas un rendement de fermentation maximum A l'aide de telles cuves malgrS une consommation d'énergie 'de chauffage qui n'est pas négligeable. L'invention se propose de remédier à ces inconvénients et de fournir un digesteur pour la fermentation anaérobie de matières cellulosiques pour la production de méthane permettant d'accroitre la production de méthane à volume de cuve égal tout en maintenant la consommation en énergie de chauffage du contenu de la cuve à une valeur aussi faible que possible. Un autre objectif de l'invention est de maintenir dans la masse en fermentation des conditions plus favorables à la fermentation anaérobie et, par là, d'augmenter la production de méthane. Un autre objectif de l'invention est, dans un tel digesteur, d'élimùier les risques de fuite de methane qui constituent, dans cette technologie, l'un des problèmes principaux en raison notamment de la production horaire relativement faible en gaz qui rend insupportables même des fuites minimes. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel digesteur qui soit de construction particulièrement simple et facile et de prix de revient abaissé. L'invention a pour objet un digesteur pour la fermentation cellulosique pour la production de méthane par fermentation anaérobie, comprena@t au moins une cuve destinée à recevoir la matière cellulosique, une ou plusieurs ouvertures obturables pour le chargement et le déchargement de la matière dans la cuv@, des movens pour transférer vers l'extérieur le méthane pr@duit dans la cuve ou pour l'y stocker et des moyens de chauffage du contenu de la cuve pour favoriser la fermentation, caractérisé par le fait que ladite cuve présente : à une certaine distance au-dessus de son fond, une grille ou un plancher analogue supportant la matière organique disposée dans a cuve de façon à laisse, sous ladite grille et au-dessus du fond, un espace d'accumulation de liquide ; des moyens de chauffage du liquide contenu dans ledit espace, et comprenant de préférence, un échangeur ou serpentin de chauffage situé dans ledit espace pour chauffer le liquide qui y est accumulé ; un ou plusieurs conduits verticaux s'étendant sensiblement sur la hauteur de la cuve et débouchant Au-dessous de ladite grille de support, dans ledit espace d'accumulation de liquide pour prélever ledit liquide, notamment par l'effet de la circulation provoquée pa@ l@ différence de température de liquide entre le fond et le sommet de la cuve ; un ou plusieurs siphons reliés à l'exurémité supérieure dudit conduit au dessus de la matière organique contenue dans la cuve, de façon à distribuer périodiquement au sommet de la cuve, le liquide chaud prélevé dans ledit espace d'accumulation ; au moins une grille ou autre moyen de contention disposée au voisinage dudit siphon vers le Sommet de la cuve pour empêcher la matière organique de monter au-dessus du débouché dudit siphon ; ladite cuve étant obturée, en sa partie supérieure, par un couvercle de façon que l'étanchéité entre le couvercle et la cuve soit assurée par un joint d'eau, la paroi de la cuve comprenant,de préférence, au voisinage du fond, une porte d'accès. Le digesteur selon l'invention comporte donc, depuis le bas, vers le haut, un espace d'accumulation de liquide avec un moyen de chauffage tel que le serpentin, un plancher Supportant la masse mais permettant une circulation de liquide pour le retour vers ledit espace, une grille de contention disposée au-dessus de la masse et un siphon permettant de distribuer au sommet de la masse et de préférence en se servant de cette grille pour faciliter l'écoulement des quantités de liquide chauffé provenant de l'espace t'accumulation par l'intermédiaire de la circulation naturelle établie dans le conduit vertical, le méthane se dégageant au-dessus de ladite grille et étant récupéré dans le volume situé sous le couvercle étanchéifié par un joint d'eau de façon à éviter toute fuite de gaz. Le liquide qui s'accumule dans l'espace inférieur d'accumulation, tel que par exemple du purin, est donc chauffé par l'échangeur ou serpentin de chauffage en fonction des besoins, par exemple en déterminant la température à l'intérieur de la masse en des points soigneusement distribués, de sorte que si la température dans la masse organique descend au-dessous d'une certaine valeur, le purin contenu dans l'espace se trouve chauffé, ce qui provoque l'ascension du liquide dans le conduit vertical de prélèvement et la sortie du liquide par jets par le siphon qui déverse ainsi le liquide à la partie supérieure de la masse en fermentation de sorte que le liquide, en redescendant dans la masse, la réchauffe progressivement de façon homogène. Il est ainsi possible de maintenir dans la masse organique une température convenablement contrée favorisant un rendement optimal de la fermentation anaérobie. En outre, on obtient un chauffage régulier de l'ensem- ble de la masse de matière organique et un minimum de perte de chaleur par les parois alors que dans la technique ant- rieure les chemises de chauffage, tout en provoquant un chauffage peu homogène de la masse conduisaient à des pertes thermiques importantes, à moins de prévoir un calorifugeage coateux de la cuve. La cuve selon l'invention, bien qu'elle ne présente pas de chemise, peut être facilement construite sur place soit en béton, soit même en matière plastique assemblée et soudée sur place. On obtient ainsi une possibilité de fabriquer des cuves à prix de revient particulièrement bas, tout en résolvant de façon optimale le problème du chauffage ainsi que le problème de l'étanchéité évitant les pertes en méthane. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et st référant au dessin annexe dans lequel - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'une cuve selon l'invention représentée de façon schématique - la figure 2 représente une vue en coupe verticale de la cuve de la figure 1, le plan de coupe étant décalé de 90 0 - la figure 3 représente une vue schématique d'une installation de plusieurs cuves selon l'invention en une batterie avec un gazomètre séparé. On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2. Sur ces figures, on a représenté une cuve d'un digesteur destinée à recevoir des fumiers et des pailles pour la production de méthane. La cuve, par exemple de section carrée est construite en béton ou en matière plastique. Elle présente un fond carrée 1 et quatre parois latérales 2 dont l'une présente, au niveau du fond, une ouverture obturée normalement par une porte 3, par exemple une porte métallique montée sur un châssis convenable solidaire de la paroi et permettant la vidange des parties solides et le passage d'un homme pour l1installation et la maintenance. Au sommet de la cuve se trouve disposée, sur toute la périphérie de celle-ci, une rigole 4 obtenue par un dédouble- ment local des parois 2 ou par tout autre moyen, rigole dans laquelle plonge le rebord périphérique vertical 5 d'une plaque de couvercle d'étanchéité 6, par exemple en métal ou en matière plastique, la rigole 4 étant remplie d'eau de façon à former un joint d'eau sur un périmètre continu, assurant une parfaite étanchéité du volume intérieur du sommet de la cuve entre les parois de celle-ci et le couvercle 6. Une barre de fixation 7 peut être prévue pour empêcher un soulè- vement intempestif du couvercle 6. On a représenté de façon schématique en 8 nn orifice de mise à l'atmosphère, normalement obture par une vanne convenable (non représentée). A l'intérieur de la cuve et à une certaine distance au-dessus de son fond 1 se trouve un plancher métallique ajoure 9 reposant sur des supports ou entretoises 10 et qui est destiné à former un plancher supportant la masse de ma tière cellulosique entassée dans la cuve de façon à dFlimi- ter, au-dessous du plancher un volume d'accumulation de liquide 11 et au-dessus de celul-ci un volume de réception de matières cellulosiques 12. La porte 3 présente un conduit muni d'une vanne ou robinet 13 permettant de communiquer avec l'espace 11 pour la vidange du liquide de la cuve ou l'introduction d'air lors de la fermentation aérobie de départ. Le volume ou espace d'accumulation de matières cellulosiques 12 est délimité à sa partie supérieure par une grille horizontale amovible 14 empêchant toute remontée de matières organiques au-dessus d'elle et libérant donc, au-dessus de l'espace 12, un espace 15 d'accumulation de méthane. Le méthane peut être recueilli d'une façon usuelle, soit en branchant une canalisation de récupération de méthane sur le conduit 8, soit en prévoyant un conduit de récupération de mé- thane différent pénétrant et débouchant dans ledit espace 15. Un conduit ou tube vertical métallique 16 est disposé centrale ment dans la cuve pour s'étendre entre l'espace d'accumulation de liquide 11 et l'espace d'accumulation de méthane 15.Ce tube 17 débouche dans l'espace 11 à l'aide d'une crépine 17 empêchant que des matières solides contenues dans le liquide situé dans cet espace 11 ne puissent pénétrer dans le tube 16. Le chauffage du content de la cuve est effectué à l'aide d'un échangeur constitué @n l'oc@urence d'un serpentin 18 situé dans l'espace 11 et susc@ptible d'etre alimenté en un fluide de chauffage, par eremple de l'eau chaude. Tout autre moyen de chauffage ou éch@ngeur pourrait bien entende être prévu dans ledit espace à la place d'un serp@ntin. Par son extrémité supérieure, le tube 16 détouche,au niveau de l'espace 15, dans un siphon 19 avantageusement constitué de deux tôles convenablement formées et superposées, de fa çon à réaliser un siphon ayar@ une forme géométrique de révolution débouchant dans l'e@pace 13 @@r une emb@uchure annulaire 20 orientée vers le h@ut. Le siphon 19 è double paroi vient @'embofter, par sa partie centrale,sur l'oxtrér@té @upé@deure du tube 16 et, de ce fait, il peut être facilement dépe@@ l@rs f@s @pérations de remplissage pendant lesquelles l'extrémlté supér@eu@@ du tuhe 16 sura alors ob turée par un bouchon de protsction pour évlter l'in@@duction de matière dans le tube. La grille 14 est de préférure conque de façon à préserter une surface totale de passage relativement faible, de façon à favoriser l'écoulement du liquide sarter@ du débouché annulaire 20 sur la to talité de la surface de la grille, A titre d'exemple, une euve selon l'invention peut avoir une capacité utile de 20m3 en étant formée d'un prisme ayant une base carrée de 2,5m de côté et une hauteur d'environ 3,5m. Le fonctionnement du digesteur selon l'invention est le suivant : Pour le remplissage le digesteu@ est vide et la barre 7 ainsi que le couvercle 6 sont @@posés. Le siphon 19 est déposé et l'extrémité supérieure du tube 16 reçoit, à sa place, un bouchon de protection. la grill@ l@ est également déposée. On introduit alors les fumiers cu l@@ psilles par le haut pour remplir la cuve jusqu'à haute@r e@ l'@mplacement de la grille 14. Une fais la cuve remplie, on @@@@se ensuite la matière cellulosique contenue avec du purin récupéré des vidanges précédentes pour humidifier la masse. I1 se produit alors un départ de fermentation aérobie rapide avec une élévation de température autour de 60 en un délai de 48 à 72 heures. Afin de faciliter cette fermentation aérobie, on peut avantageusement introduire de l'air chaud par le conduit traversant la porte 3 et la vanne 13 en raccordant sur cette vanne un dispositif d'amenée d'air chaud (non représenté). Une fois que la fermentation aérobie S'est produite pendant une durée de 48 à 72 heures par exemple, on ferme l'arrivée d'air au niveau de la vanne 13, et on met en place la grille supérieure 14 dans sa position représentée sur le dessin, de même que l'on remet en place le siphon 19 sur l'extrémité supérieure du tube 16. On complète si nécessaire avec de l'eau de façon à noyer complètement la matière solide juste au voisinage de la grille 14. Pendant les quatre premiers jours la masse étant encore chaude en raison de la fermentation aérobie, la fermentation anaérobie se développera convenablement sans autre intervention. Le gaz méthane qui se dégage dans le volume 15 sera donc progressivement évacué et > après passage dans un épurateur pour éliminer le gaz carbonique, il sera dirigé vers un gazomètre de stockage. La masse contenuedans la cuve va cependant peu à peu se refroidir. Dès que la température dans le volume 12, con troué par un thermomètre ou un thermostat convenablement placé dans ce volume sera inférieure à 35 C, on met alors cn marche le serpentin 18 en y faisant passer de l'eau chaude à une température par exemple de 55 à 600C. Le purin qui se trouve dans l'espace ll se trouve alors chauffé jusqu'à cette température et remontera par circulation naturelle dans le tube 16 pour déboucher dans le siphon 19.Celui-ci produira alors un déversement du purin chaud par secousses ou jets périodiques qui, sortant du passage annulaire 20, viendront se répartir sur la surface de la grille Li puis pénétreront dans la masse située sous la grille pour rechauf- fer cette masse.On obtient ainsi un réchauffage particulière ment homogène permettant de maintenir la totalité de k masse solide et liquide cooonue dans le volume 12 à la température souhaitez la plus propice à la fermentation anaérovie, tout en favorisant le brassage des colonies microbdennes perticipent à l'élaboration du méthane. La fermentation pourra ainsi se produire de façon op tinale pendant toute la durée nécessaire, cette durée étant inférieure à 30 jours et le méthane produit sera constamment extrait et stocké. Le digesteur selon l'invention permet d'obtenir à peu près 60m3 de méthane par fermentation sensiblement complète pour lm3 de fumier avec une production journalière supérieure à 2m3 de méthane par m3 de digesteur. Une fois la fermentation tsminée, on effectue la vidange du digesteur, en ouvrant la vanne 13 de la porte 3 pour vidanger le purin qui est stocké pour ensemencer une nouvelle cuvée puis en ouvrant la porte inférieure et en récupérant dans une benne les matières solides qui peuvent être stockées et employées comme fumier, ce dernier étant plus riche que le fumier obtenu par fermentation à l'air libre. En se référant plus particulièrement à la figure 3, on voit que l'on peut mettre plusieurs digesteurs 21, analogues au digesteur des figures 1 et 2, en batterie par exemple sur un socle en béton 23. Les différents digesteurs sont alimentés en eau chaude pour leurs serpentins par une canalisation 22 alors qu'un ensemble de canalisations 24 permet la récupération du gaz méthane, son envoi dans un épurateur à bullage dans du lait de chaux 25 puis de là vers un gazomètre 36 d'où le gaz peut être extrait et comprimé dans un compres- seur 27 entrainé par un moteur 28 utilisant de préférence une partie du méthane provenant du gazomètre. On peut d'ailleurs utiliser l'eau de refroidissement du moteur 28 pour alimenter les serpentins 18 en eau chaude. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter diverses modifications de forme ou de matériau sans pour cela s'éloigner ni de son cadre, ni de son esprit. Ainsi, la cuve du digesteur qui est de préférence réalise en béton ou alors en matière plastique soudée sur place peut évidemment être réalisée en métal ou tout autre matériau convenable. A la place du couvercle 6 étanchéifié par un joint d'eau grâce à la rigole 4, on peut utiliser un gazomètre de stockage dont l'étanchéité est également assurée par un joint d'eau. Le nombre des tubes 16 par digesteur peut également être varié selon la surface de la cuve de même que la forne du siphon 20 peut également être modifié, l'essentiel étant que le chauffage du liquide contenu dans l'espace infé- rieur 11 provoque une circulation naturelle et une d'livrance du liquide chauffé par jets par le siphon. REVENDICATIONS 1 - Digesteur pour la fermentation cellulosique pour la production de méthane par fermentation anaérobie, comprenant au moins une cuve destinée à recevoi la matière cellulosique, une ou plusieurs ouvertures obturables pour le chargement et le déchargement de la matière dans la cuve, des moyens pour transférer vers l'extérieur le méthane produit dans la cuve ou pour le stocker, et des moyens de chauffage du contenu de la cuve pour favoriser la fermentation, caractérisé par le fait que ladite cuve présente :: d une certaine distance au-dessus de son fond (I), un grille ou plancher ajouré (9) supportant la matière organique disposée dans la cuve de façon à laisser, sous ladite grille (9) t au-dessus du fond (1), un espace d'accumulation de liquide (11) ; des moyens de chauffage (18) du liquide contenu dans ledit espace (11) ; un ou plusieurs conduits verticaux (16) a'étendant @ensiblement sur la hauteur de la cuve et débouchant au-dessous de ladite grille de support (9) dan ledit espace d'accumulation de liquide (11) pour prélever ledit liquide, notamment par l'effet de la circulation provoquée par la différence de tempéra. ture de liquide entre le fond et le sommet de la cuve ; un ou plusieurs siphons (19) reliés à l'extrémité superieure dudit conduit (16) au-dessus de le matière organique contenue dans la cuve de façon à distribuer périodiquement au sommet de la cwe, le liquide chaud prélevé dans ledit espace d'accumula- tion (11) ; au moins une grille (14) ou tout autre moyen de contention disposé au voisinage dudit siphon (19) vers le sommet de la cuve pour empêcher la matière organique de monter au-dessus du débouché dudit siphon (19) ; ladite cuve étant obturée , en sa partie supérieure, par un couvercle (6) de façon que l'étanchéité entre le couvercle (6) et la cuve soit assurée par un joint d'eau (4). 2 - Digesteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte, à la partie inférieure de la cuve, une porte d'accès (3) obturant un orifice dans la paroi (2) de la cuve, ladite porte étant munie d'un conduit avec une -vanne (13) débouchant à l'intérieur dudit espace d'accumula- tion (11). 3 - Digesteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage du liquide (18) comprennent un échangeur ou serpentin de chauffage à eau chaude (18). 4 - Digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte, dans le volume (12) occupé par la matière cellulosique, au moins un thermomètre ou un thermostat permettant, lorsqu'une température minimale est détectée, de mettre en marche ledit moyen de chauffage (18). 5 - Digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le cor cercle (6) obturant la partie supérieure de la cuve est fixe et maintenu par une barre de fixation (7). 6 - Digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit couvercle obturant la cuve en sa partie supérieure est conçu à la façon d'un gazomètre. 7 - Digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'au moins le fond (1) et les parois (2) de la cuve sont réalisés en béton. 8 - Digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'au moins le fond (1) et les parois (2) de la cuve sont réalisés en matière plastique. 9 - Digesteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de cuves en batterie (21), lesdites cuves présentant des conduits (22) pour l'alimentation des moyens de chauffage (18) et des conduits (24) pour l'évacuation dh mEdhace formé aboutissant à un épurateur (25) puis de là à un gazomètre de stockage (26), la sortie du gazomètre étant reliée à un compresseur (27) entrainé par un moteur (28) fonctionnant au méthane en prélevant une partie du méthane produit.