Brevet FR2557758A1 — publié le 19850712

1. EXPOSE La crise de l'énergie conduit à envisager la récupération de l'éner gie jusqu'alors négligée , produite par les fermentations méthaniques des déchets organiques ou alcooliques de substrats cultivés . La fermentation méthanique en particulier a lieu sous l'action de bactéries en produisant du biogaz , composé de C 02 et S H2 élimin nés et de C H4 , dont le pouvoir calorifique de 1 N m3 est égal à 0,8 kg de fuel Ce type de fermentation anaérobie est réalisé dans des digestors qui existent actuellement sous forme de plusieurs prototypes , tra vaillant en continu , où où les déchets séjournent 15 jours environ à une température impérativement maintenue à 37 / 40 o Le rendement méthanique , exprimé en C H4 , est fonction de la teneur en Glucides de la Matière Sèche ( M S ) du déchet , de la conception du digestor et de la température de la masse , qui conditioone l'ac tivité bactérienne optimale A titre d'exemple , un digestor fonctionnant avec du lisier de porc à 3,5 % de M S , produit 14 N m3 de biogaz par N m3 de lisier , dont 11 N m3 de C H4 soit environ 80 % . il rejete en même temps un effluent trés chargé , composé de 70 % d'une partie liquide polluée et 30 % d'une partie décantée pâteuse à 16 % de M S , contenant 4,14 kg d'enrais organique complet ( N , P , K ) par 100 kg de pâte Les déchets organiques sont trés pollués par des molécules complexes de Matières Grasses et surtout Azotées , liées avec des métaux . Le lisier de porc entre dans le digestor avec une pollution , exprimée en DCO / litre de 66 gr et en ressort " inodore " avec une DCO / 1 de 17 à 19 gr , soit diminuée de 73 % environ pouvant atteindre 80 % . Comparée à une épuration " normale " en terme administratif de DCO!l de 0,9 gr et à une norme d'eau de consommation de DCO / 1 de 0,02 gr. La dépollution des effluents doit en conséquence être poursuivie par des méthodes biologiques et de fermentation aérobie , pour ne pas nuire à l'environnement et épurer entièrement lteau des rejets La généralisation de l'utilisation de la fermentation méthanique des déchets organiques sera imposée progressivement pour trois raisons essentielles - dépollution devenue impérative pour la modernisation et le développement des productions animales et de certaines végétales des industries agro - alimentaires et pour le traitement des eaux usées des agglomérations urbaines , plus productif et moins couteux que celui de la voie actuelle de la fermentation aérobie - production d'énergie thermique nouvelle , sous forme de C H4 , transformable en énergie mécanique ou électrique - récupération d'engrais organiques complets à faible cout. Le fonctionnement des digestors implique une température constante de 40 C , pour assurer la multiplication et l'efficacité des popula tions bactériennes . Ceux ci consomment donc de l'énergie . L'expé rimentation a montré que l'énergie consommée à cette fin représente le tiers de l'énergie qu'ils produisent sous forme de C H4 . On a pensé à limiter cette consommation en récupérant l'énergie de l'ef fluent sortant à 40 C du digestor en le faisant passer dans un échangeur , où il transfèrerait son énergie au liquide entrant dans le digestor à une température moyenne de 20 C Ces effluents sont épais et trés chargés d'impuretés solides qui encrassent les échangeurs qu'il faut nettoyer constament sous peine de voir leur rendement s'effondrer .Compte tenu de la taille des appareils et des masses en circulation le problème est insoluble Le dispsoitif objet de la présente demande de Brevet d'invention permet de récupérer énergie de l'effluent sortant du disgestor , sans aucun risque d'encrassement , pour porter à 400 C le liquide entrant et maintenir la masse à l'intèrieur du digestor à une température de 40 o C malgré les déperditions calorifiques de ce dernier 2.DESCRIPTITON DU DISPOSITIF ( Schéma annexe 1 Pour la clarté de l'exposé nous admettrons les hypothèses suivantes le liquide entrant dans le digestor est à une température de 20 0 C . la température de fonctionnzent du digestor et par con séquent la température de sortie de l'effluent est de 400 C le liquide séjourne 15 jours dans le digestor alimenté en continu . le digestor est une cuve cylindrique de 5 mètres de rayon et de 10 mètres de hauteur . Son volume est de 785 m3 et la surface de son enveloppe est de 471 m2 . Il est convenablement isolé et ses déperditions moyennes sont en conséquence de 40 Kcal / m2 / heure . . le volume du liquide qu'il contient est de 700 m3 . le digestor produit 11 N m3 de C H4 par m3 de liquide traité le débit du liquide entrant est pratiquement égal au volume de l'effluent sortant , soit 700 000 : (24 . 15) = 1 944 kg / heure Le liquide " digéré " ou effluent sort du digestor 1 par la canalisation 2 , qui est équipée d'une vanne 3 . Sa température est de 40 C . Il est envoyé au sommet d'une cuve 4 , dont la partie non occupée par le liquide est en relation par une canalisation 5 avec un hydroéjecteur 6 . Le fluide moteur est le liquide entrant dans le digestor 1 .Il est envoyé à la température de 200 C dans l'hy droéjecteur 6 par une canalisation 7 , g race à l'action d'une pompe 8. C lui ci crée dans la cuve 4 une pression d'aspiration à peu prés égale à la pression de vaporisation de l'eau à la température de 300 C , soit 0,042 bar . Une partie de l'eau contenue dans le liquide arrivant dans la cuve 4 se vaporise sous forme de vapeur à cette pression , l'autre partie tombe à l'état liquide toujours à la température de 30 C dans le fond de la cuve 4 . La vapeur ab sorbée par l'hydroéjecteur 6 se condense au contact du liquide ar rivant par la canalisation 7 . Le liquide sortant de l'hydroéjec teur 6 rejoint alors le digestor 1 par la canalisation 9 On a ainsi transmis au fluide entrant par une opération dite "flash une partie de l'énergie contenue dans le liquide sortant . Le liquide récupéré au fond de la cuve 4 quitte cette dernière par gravité en direction d'une cuve 10 par une canalisation 11 , qui est équipée d'une vanne 12 dont l'ouverture est commandée par une sonde de ni veau 13 , montée sur la cuve 4 , de telle manière que le niveau du liquide dans la cuve 4 soit à peu prés constant Le liquide arrive dans la cuve 10 par le sommet de cette dernière La partie de la cuve 10 , non occupée par le liquide , est en rela tion par une canalisation 14 avec l'évaporateur 15 d'une pompe à chaleur ( PAC ) . Celle ci est un dispositif bien connu .Elle com prend essentiellement une boucle thermodynamique fermée 16 dans laquelle circule un fluide frigorigène , un fréon par exemple . Sur cette boucle sont montés successivement un évaporateur 15 , un compresseur 17 , un condenseur 18 et un détendeur 19 . La PAC en elle même ne fait pas partie de la présente Demande de Brevet d'invention , qui ne concerne que son insertion et son utilisation dans le dispositif . L'évaporateur 15 de la PAC est en relation par une canalisation 20 avec une cuve 21 , elle même reliée par une canalisation 22 avec un compresseur d'air 23 , qui agit comme une pompe à vide en amont et un compresseur en aval .Le compresseur d'air maintient dans le circuit composé de la cuve 10 de la cana lisation 14 , de l'évaporateur 15 , de la canalisation 20 , de la cuve 21 et de la canalisation 22 , une pression égale à la pression de vaporisation de l'eau à la température de 160 C , soit 0,018 bar . Le liquide entrant dans la cuve 10 subit une nouvelle opération " flash " . Une partie de l'eau qu'il contient se vaporise sous forme de vapeur à la pression de 0,018 bar . Celle ci quitte la cuve 10 par la canalisation 14 en direction de l'évaporateur 15, qui maintient une température infèrieure de 3 à 4 C à la températu re de vaporisation de la vapeur qui y arrive , 120 C par exemple La vapeur se condense dans ltévaporateur 15 et le liquide ainsi formé tombe par gravité dans la cuve 21 grace à la canalisation 20 .On note que le compresseur 23 n'a donc pas de vapeur à aspirer pour créer la pression désirée , mais seulement de faibles quantités de gaz ( C H4 , C 02 , S H2 ) , qui auraient pu quitter le digestor avec le liquide L'énergie récupérée par la PAC est transmise par le condenseur 18 de cette dernière à une eau contenue dans une cuve 24 . On sait en effet qu'une PAC est un système thermodynamique qui prend l'énergie d'une milieu donné pour la transmettre à un autre milieu à une tem pérature supèrieure . Par exemple , pour porter 1 kg d'eau de 15 à 5 C , il faut lui enlever 1 ( 15 - 5 ) = 10 Kcal et pour porter 1 kg d'eau de 30 à 40 o C , il faut fournir 1(40-30) = 10 Kcal .Dans les deux cas la quantité d'énergie mise en jeu est la même , mais l'opération n'est réalisable que par l'intervention d'une PAC Dans le cas qui nous occupe , l'énergie fournie par le condenseur 18 à l'eau de la cuve 24 , l'est à un niveau de température légèrement supèrieur à la température de fonctionnement de 40 C du digestor Nous choisissons , par exemple , la température de 43 C . La cuve 24 est en relation par une canalisation 25 avec un hydroéjecteur 26 , dont le fluide moteur est du liquide pris à la température de 40 o C dans le digestor 1 par une canalisation 27 et grace à l'action d'une pompe 28 . L'hydroéjecteur 26 crée dans la cuve 24 une pression égale à la pression de vaporisationde l'eau à 43 C soit 0,086 bar .L'eau de la cuve 24 se vaporise , la vapeur ainsi créée vient se condenser dans le liquide servant de fluide moteur à l'hydroéjecteur ou dans le digestor 1 . Ce liquide retourne à la température de 43 o C par la canalisation 29 dans le digestor 1 On note que le liquide arrivant dans la cuve 21 en est extrait par une canalisation 30 grace à l'action d'une pompe 31 , qui se met en route dès que le niveau indiqué par la sonde 32 , montée sur la cuve 21 , dépasse un niveau de référence .L'eau ainsi extraite est renvoyée dans la cuve 24 . La pression engendrée par la pompe 31 devra donc être légèrement supèrieure à la différence de pression entre 0,086 bar et 0,018 bar . On note aussi sur la cuve 21 une sonde barométrique 33 , qui permet la mise en route du compresseur 23 dès que la pression enregistrée dans la cuve 21 est supèrieure à 0,018 bar . Les gaz aspirés par le compresseur 23 sont envoyés par la canalisation 34 dans la cuve 24 .La pression engendrée par le compresseur 23 devra donc être légèrement supèrieure à la différence de pression entre 0,086 et 0,018 bar Le liquide tombant au fond de la cuve 10 est extrait par une canalisation 35 grace à l'action d'une pompe 36 , qui entre en action dès que la sonde de niveau 37 , montée sur la cuve 10 indique que le liquide a dépassé son niveau de référence dans la cuve 10 . La vanne 3 , montée sur la canalisation 2 , permet en outre de ré guler le débit de liquide sortant du digestor 1 .On note que celui ci est équipé d'une sonde thermique 38 , qui permet la mise en route de la pompe 28 et de la PAC 15 , 16 , 17 , 18 et 19 dès que la température de fonctionnement du digestor 1 est au dessus de 40 o C . On note également que , lors du remplissage initial du di gestor aprés un arrêt quelconque , le dispositif ne peut fonctionner puisqutil n'a aucune énergie à sa disposition , aussi a-t-on prévu une source d'énergie de démarrage : un thermoplongeur 39 par exem ple , qui est monté sur le digestor .Le calcul ci aprés montrera que le poids d'eau arrivant dans la cuve 24 par la canalisation 30 est infèrieure au poids de vapeur émise dans la cuve 24 . Aussi a-t-on prévu sur la cuve 24 une arrivée d'eau 40 , équipée d'une vanne 41 , dont l'ouverture est commandée grace à une sonde de ni veau 42 3. CALCUL On reprend pour base de calcul les hypothèses exprimées au début du paragraphe 2 Les besoins d'énergie du digestor sont les suivants ,maintien du digestor à la température de 40 o C , compte tenu de déperditions de 40 Kcal/m2/heure , soit 471 - 40 = 19 000 Kcal / heure .mise à température de 1 944 kg de liquide de 20 à 40 o C soit 1 944 (40 - 20) = 39 000 Kcal l heure, au total 19 ODO + 39 000 = 58 000 Kcal / heure . La vapeur , extraite de la cuve 4 et absorbée par le liquide-entrant dans le digestor , permet de porter ce dernier de 20 à 30 o C , ce qui représente un apport d'énergie de 1 944 (30 - 10) = 19 500 Kcal / heure Reste à fournir 58 000 - 19 500 = 38 500 Kcal / heure Ces besoins sont assumés par la vapeur issue de la cuve 24 , dont la pression est de 0,086 bar et la chaleur totale de 616 Kcal/kg . Cette vapeur se condense à la température de 40 o C et l'énergie qu' elle émet est en conséquence de 616 - 40 = 576 Kcal/kg Les besoins de vapeur sont donc de 38 500 / 576 = 74,61 kg / heure Cette vapeur est émise à partir d'eau arrivant dans la cuve 24 à la température de 12 o C . Il aura fallu lui fournir une énergie de 616 - 12 = 604 Kcal/kg Le condenseur 18 de la PAC aura donc du fournir une énergie totale de 604 . 74,61 = 45 064 Kcal / heure . Les températures au condenseur 18 et à l'évaporateur 15 de la PAC étant respectivement de 43 et 12 C cette dernière aura un COP d'environ 5 . Celà veut dire que pour 4 Kcal fournis par le condenseur le moteur du compresseur 17 en aura consommé 1 , sous forme d'électricité et l'évaporateur en aura extrait 4 de la vapeur qui y est entrée . La consommation d'énergie électrique de la PAC aura donc été de 45 064 / 5 = 9 013 Kcal / heure , soit 10,48 hh/ heure L'énergie fournie à l'évaporateur 15 par la vapeur y arrivant s'é lève à 45 064 (4/5) = 36 052 Kcal / heure La vapeur entrant dans l'évaporateur 15 étant à une pression de 0,018 bar , sa chaleur totale s'élève à 604 Kcal/kg .Elle se con dense à la température de 12 C et libère une énergie de 604 - 12 = 592 Kcal / kg Les besoins de vapeur s'élevent donc à 36 052 / 592 = 69,90 Kcal / heure qui sont renvoyés dans la cuve 24 qui émet 74,61 kg de vapeur Les besoins complémentaires d'eau sont de 74,61 - 69,90 = 4,71 kg / heure Ce qui justifie la canalisation 40 , la vanne 41 et la sonde de niveau 42 Nous avons vu que la consommation électrique de la PAC serait de 10,5 Kwh / heure .Par ailleurs nous avons calculé que la consommation électrique des trois pompes 8 , 28 et 36 serait de 4,5 Kwh/heure et que celles de la pompe 31 et du compresseur 23 seraient négli geables La consommation totale d'électricité du dispositif serait donc de 15 Kwh / heure Enfin en ce qui concerne l'utilisation en France du dispositif , on note que les besoins en énergie du digestor pour 2 heures de fonc tionnenent sont de 58 000 . 2 = 116 000 Kcal Si le dispositif , selon la présente Demande de Brevet d'invention ne fonctionne pas pendant 2 heures l'abaissement de la température dans le digestor sera de 700 000 .Q T = 116 000 Kcal , soit b T = 116 000 / 700 000 = 0,170 c ce qui ne porte pas atteinte au bon fonctionnement du digestor On peut donc prévoir de ne pas faire fonctionner le dispositif pen dant les heures de-pointe du Tarif d'Hiver de 1' EDF , pour rattraper la perte de température en 8 heures d'heures creuses ou pleines du Tarif .Dans ces conditions la puissance de la PAC devra être augmentée de 2 / ( 8 + 2 ) = 20 % pour être portée à ( 58 000 . 120 ) / 100 = 70 000 Kcal / heure En conséquence le prix du Kwh électrique est ramené à 0,238 Fr / Kwh en Novembre 1983 , soit une dépense annuelle de 15 . 24 . 365 . 0,238 = 31 000 Fr / An La production de C H4 est de N m3 / m3 de liquide , soit 11 . 70Q = 7 700 N m3 en 15 jours Le PCIdu C H4 étant de 8 500 Kcal / N m3 , celà représente (7 700.8 500) / (24.15) = 181 000 Kcal / heure soit 211,39 Kwh PCI de C H4 / heure ou 235,00 Kwh PCS. de C H4 / heure ou 2 037 000 Kwh PCS de C H4 / An au prix de GDF à 0,125 Fr 250 000 Fr / An Si l'on utilise une partie du C H4 produit par le digestor pour as sumer les besoins d'énergie de ce dernier , il faudrait lui fournir 58 000 Kcal / heure , ce qui compte tenu du rendement de 85 % du système de chauffage ( pertes sur fumées ...... ) représente une dépense de C H4 de 58 000 (100/85) = 68 000 Kcal / heure soit 68 000 / 181000 = 37 % en volume ou 250 000 . 0,37 = 92 000 Fr / An en valeur Les économies réalisées par le dispositif selon la présente Demande de Brevet drinvention s'élèvent à 92 000 - 31 000 = 61 000 Fr / An ou de 66,3 % REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à récupérer l'énergie des liquides chargés d'im puretés sortant des digestors , caractérisé en ce que le liquide sortant du digestor 1 est envoyé par une canalisation 2 équipée d'une vanne 3 dans une cuve 4 ou une partie du liquide se vapo rise sous l'effet d'une faible pression créée par l'action d'un hy droéjecteur 6 , dont le fluide moteur est le liquide entrant dans le digestor . -La vapeur créée dans la cuve 4 transfert au liquide entrant dans le digestor en se condensant dans ce liquide , une par tie de l'énergie contenue dans le liquide sortant 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le niveau du liquide dans la cuve 4 est régulé par une sonde de niveau agis sant sur la vanne 3 ainsi que sur une vanne 12 placée sur la sortie du liquide de la cuve 4 3 Dispositif selon les revendications 1 et 2 , caractérisé en ce que le liquide sortant de la cuve 4 est envoyé par une canalisation 11 équipée de la vanne 12 dans une cuve 10 où une partie du liquide se vaporise sous l'effet d'une faible pression , créée par un com - presseur 23 qui n'agit que sur les gaz incondensables ayant pu at atteindre la cuve 10 , car avant d'atteindre le compresseur 23 la vapeur émise dans la cuve 10 est condensée dans l'évaporateur 15 d'une pompe à chaleur ( PAC ) 15 , 16 , 17 , 18 et 19 . Les conden sats ainsi créés sont récupérés dans une cuve 21 en relation par une canalisation 22 avec le compresseur 23 4 Dispositif selon les revendications 1 , 2 et 3 ci dessus , caracté risé en ce que le niveau du liquide dans la cuve 10 est régulé par une sonde de niveau 37 agissant sur une pompe 36 5 Dispositif selon les revendications 1 , 2 , 3 et 4 ci dessus , ca ractérisé en ce que le remplissage en liquide et en gaz de la cuve 21 est régulé .En ce qui concerne le liquide par une sonde de niveau 32 agissant sur une pompe 31 d'où le liquide extrait est envoyé dans une cuve 24 et en ce qui concerne les gaz par une sonde barométri que 33 agissant sur le compresseur 23 d'où les gaz extraits sont envoyés dans la cuve 24 6 Dispositif selon les revendications 1 , 2 , 3 , 4 et 5 ci dessus caractérisé en ce que le condenseur de la PAC 15 , 16 , 17 , 18 et 19 lest inclus dans une cuve 24 où il maintient un volume d'eau à une température légèrement supèrieure à la température de fonction nement du digestor 1 .La cuve 24 soumise à une faible pression entrainant la vaporisation de l'eau qu'elle contient grace à l'action d'un hydroéjecteur 26 , dont le fluide moteur est le liquide con tenu par le digestor , qui est amené à l'hydroéjecteup 26 par une canalisation 27 et une pompe 28 et renvoyé dans le digestor 1 en entrainant la vapeur par une canalisation 29 7 Dispositif selon les revendications 1 , 2 } 3 , 4 , 5 et 6 cides sus caractérisé en ce que la cuve 24 est équipée d'une arrivee 40 d'eau colmplémentaire sur iaquelle est montée une vanne 41 , dont ltouverture est commandée par une sonde de niveau- 42 montée sur la cuve 24 8 Dispositif selon les revendications 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 et 7 ci dessus , caractérisé en ce que le digestor 1 est équipé , d'une part d'une source d'énergie 39 un thermoplongeur par exemple permettant son démarrage lors de son remplissage initial et d'autre part d'une sonde thermique 38 commandant la mise en route de la pompe 28 et de la PAC 15 , 16 , 17 , 18 et 19 des que la tempé rature du liquide est infèrieure à la température de fonctionnement désirée