Brevet FR2758740A1 — publié le 19980731

La présente invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif pour le traitement de biogaz produit par des fermentations anaérobies par exemple dans des centres de stockage d'ordures ménagères. On sait que dans de tels centres de stockage de déchets, les ordures ménagères sont accumulées dans des fosses creusées sur le site de stockage et dénommées alvéoles et qu'après remplissage de ces alvéoles, ceux-ci sont recouverts. L'accumulation dans les alvéoles ainsi recouverts de déchets plus ou moins fermentescibles conduit au développement de fermentations anaérobies qui se traduisent par la production de méthane, associé à divers autres composés gazeux, principalement du dioxyde de carbone (C02), produit à partir des composés carbonés, et du sulfure d'hydrogène (H2S) provenant essentiellement de la décomposition des sulfates. Le dégagement gazeux qui en résulte provoque diverses nuisances environnementales, en particulier en ce qui concerne les pollutions olfactives. De plus, il est impératif d'éviter toute intrusion d'eaux pluviales dans les alvéoles lesquelles entraîneraient une lixiviation des fractions solubles des déchets. C'est la raison pour laquelle la réglementation impose de procéder à une couverture étanche des alvéoles, en fin d'exploitation, cette étanchéité étant assurée par diverses techniques, notamment la mise en place d'une couche d'un ou plusieurs mètres d'argile. Afin d'éviter l'accumulation dangereuse de gaz, on met en place un réseau de captage desdits gaz, au sein de la masse de déchets. La destruction des gaz ainsi captés s'effectue le plus couramment par combustion à l'aide de torchères. L'homme de l'art a donc rapidement eu l'idée de collecter ce gaz, à fort pouvoir calorifique, permettant de valoriser un déchet, autrement inutilisable. Dans ce but, et en fonction d'applications comportant des spécifications de pureté du gaz plus ou moins sévères, des traitements ont été développés afin de purifier le méthane contenu dans le mélange de gaz ainsi capté, en assurant en particulier l'élimination du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène. L'objectif ultime est de pouvoir utiliser le méthane comme combustible domestique (il faut alors respecter les normes de composition en impuretés définies par les sociétés distribuant ledit gaz domestique) ou bien alimenter des brûleurs de chaudières industrielles (pour lesquels les fabricants imposent des normes de composition, principalement pour éviter les phénomènes de corrosion). Une utilisation encore plus noble qui contribue davantage à la réduction de la pollution atmosphérique réside dans l'emploi de ce gaz en tant que carburant automobile, au même titre que le gaz naturel pour véhicule (G.N.V.). Cette utilisation du gaz de décharge en tant que carburant nécessite une épuration particulièrement soignée, ce qui constitue le problème technique résolu par l'invention. Dans les procédés connus de purification des gaz issus de la fermentation de déchets et notamment d'ordures ménagères, on met en oeuvre des systèmes de lavage de gaz, par voie chimique, en vue de l'élimination des éléments polluants (C02 et H2S). Cette élimination peut être réalisée par lavage des gaz en phase aqueuse, le principe étant l'absorption du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène par des solutions alcalines (pH compris le plus souvent entre 8 et 12), le méthane (CH4) ne présentant pas de solubilité notable dans ces solutions aqueuses et pouvant donc être récupéré après a piégeage des autres impuretés gazeuses. L'inconvénient de ces procédés de purification selon la technique antérieure résulte de la formation d'eaux résiduaires à forte concentration en carbonates (provenant de la neutralisation du C02 en milieu alcalin) et de sulfures (correspondant à la neutralisation de l'H2S). Si les solutions de carbonates ne présentent pas de risque majeur pour l'environnement, par contre la charge en sulfures est fortement toxique pour le biotope et elle doit donc subir une dépollution efficace, dépollution qui implique, soit la précipitation des sulfures sous forme de métaux lourds ou alcalino-terreux, soit le déplacement par un acide, du sulfure d'hydrogène et sa combustion sur une torchère spécifique. On notera qu'il existe également des procédés de purification du méthane mettant en oeuvre diverses techniques, utilisant parfois des solvants organiques. Ces procédés présentent l'inconvénient d'être à la fois complexes et onéreux. De plus, et dans tous les cas, on est amené alors à mettre en place un processus chimique complexe, générant plus ou moins de pollution additionnelle et difficile à exploiter, même dans le contexte d'un centre de stockage de déchets moderne. A titre d'exemple de cet état de la technique concernant la purification des gaz en vue de la récupération du méthane, on peut citer US-A 5 529 612, US-A 5 451 249 et EP-A 614396. Ainsi qu'on l'a précisé ci-dessus, la présente invention a mis au point un procédé de purification du gaz méthane résultant des fermentations anaérobies, produites dans les alvéoles à couverture étanche des centres de stockage d'ordures ménagères, afin d'en éliminer les éléments polluants (C02 et H2S) et de récupérer et stocker le méthane ainsi épuré en vue de son utilisation en tant que combustible domestique ou carburant automobile. Le procédé objet de l'invention repose sur les différences de solubilité des gaz en fonction de leur pression partielle (les solubilités du C02 et de l'H2S varient considérablement en fonction de la pression alors que celle du méthane reste, dans tous les cas, très faible). Le procédé objet de l'invention a été conçu de façon à permettre d'une part d'éviter tous les traitements chimiques de purification mis en oeuvre dans la technique antérieure rappelée ci-dessus et, d'autre part, de recycler l'eau utilisée dans le processus de purification (en effet, le procédé selon l'invention est purement physique et il n'implique aucune mise en oeuvre d'un quelconque composé chimique). En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé de traitement du biogaz produit par des fermentations anaérobies, notamment celles intervenant dans les alvéoles des centres de stockage de déchets fermentescibles, notamment d'ordures ménagères, caractérisé par une absorption sélective sous pression des composés autres que le méthane, notamment le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, ce procédé comportant les étapes suivantes - une première compression du biogaz capté dans les alvéoles à une pression de l'ordre de 1 500 kPa; - la purification du biogaz ainsi comprimé par solubilisation différentielle du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène; - le séchage du biogaz ainsi épuré; - une seconde compression du biogaz épuré et séché à une pression de l'ordre de 25 000 kPa et, - un refroidissement et un stockage du gaz combustible en vue de son utilisation en tant que combustible domestique ou carburant automobile. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend - un compresseur primaire dans lequel le biogaz brut issu de la fermentation des déchets est comprimé à environ 1 500 kPa, le biogaz ainsi comprimé étant ensuite refroidi par un échangeur de température; - une tour de lavage au pied de laquelle est injecté le biogaz brut comprimé et en haut de laquelle est injectée de l'eau à contre courant, cette tour de lavage comportant un garnissage pouvant être réalisé par des anneaux de transfert, notamment des anneaux de Rashig, le biogaz sortant en partie supérieure de la tour étant appauvri en C02 et H2S; - des moyens de dégazage recevant l'eau chargée en C02 et en H2S provenant de ladite tour de lavage, ces moyens produisant d'une part de l'air chargé en C02 et en H2S qui est envoyé dans un filtre biologique et d'autre part, de i'eau dégazée qui est, de préférence, recyclée vers la tour de lavage du biogaz brut; - des moyens pour sécher le biogaz épuré provenant de la tour de lavage et, - un compresseur secondaire recevant le biogaz épuré et séché afin de le comprimer à environ 25 000 kPa, le biogaz ainsi comprimé étant stocké en vue de sa distribution en tant que combustible domestique ou carburant automobile. Ainsi qu'on le comprend de la lecture de ce qui précède, le procédé selon l'invention se caractérise essentiellement par un traitement en deux étapes de mise sous pression du biogaz, séparées par une étape de traitement de purification du gaz combustible résultant des fermentations anaérobies. Le premier traitement sous pression met en oeuvre la solubilité différentielle du C02 et de l'H2S par rapport au méthane, le séchage du gaz purifié et le dégazage de l'eau chargée en C02 et H2S provenant du lavage du biogaz brut. L'effluent gazeux provenant du dégazage est avantageusement traité sur une culture fixée biologique, du type désodorisation, utilisée lors des traitements de gaz des stations d'épuration, ce qui assure la destruction des sulfures par des bactéries spécifiques. Le séchage du gaz combustible est effectué de préférence sur tamis moléculaire, en aval de la compression primaire et en amont de la compression secondaire. La régénération du tamis moléculaire est selon l'invention, réalisée par des mises en pression et dépression successives en utilisant la pression résultant de la compression primaire. Le second traitement sous pression élevée permet de réaliser la compression du biogaz épuré et séché en vue de son utilisation ultérieure en tant que combustible domestique ou pour l'alimentation et la propulsion des véhicules automobiles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé dont la figure unique est une vue schématique représentant un exemple de réalisation d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention tel que spécifié ci-dessus. Le biogaz brut produit dans le centre de stockage d'ordures ménagères sur le site est capté sur les alvéoles par un moyen classique de captage schématisé en 10 sur la figure 1. Le biogaz ainsi capté présente en général la composition moyenne suivante: - CH4 55% en volume - CO2 44% en volume - 02 - H2S 10 ppm - H20 saturée - Dérivé S et N L'objectif du traitement objet de l'invention est d'atteindre d'une part les normes régissant le gaz naturel circulant dans le réseau de distribution et celles spécifiques du gaz naturel carburant, soit: - CH4 85,9 à 94,9% pour le gaz à bas pouvoir calorifique - CH4 96,7% pour le gaz à haut pouvoir calorifique -02 - Point de rosée - H2S Le biogaz brut capté en 10 est préfiltré en 12 afin de supprimer toutes les particules néfastes au fonctionnement du poste de compression. Puis, le biogaz préfiltré est délivré à un compresseur primaire 14, pouvant être réalisé sous la forme d'un compresseur à deux étages de compression comprimant le biogaz brut à une pression d'environ 1 500 kPa. En sortie de ce compresseur 14, le biogaz est refroidi à l'aide d'un échangeur de température non représenté sur le dessin. Le biogaz brut comprimé est ensuite injecté au pied d'une tour de lavage 16, garnie d'anneaux de transfert, notamment d'anneaux de Rashig, dans laquelle il est épuré par lavage à l'eau circulant à contre courant. Dans ce but, de l'eau est injectée en 18 à la partie supérieure de la tour de lavage 16. Comme on le décrira ci-après, cette eau est de préférence de l'eau dégazée, recyclée à partir de la tour de dégazage 20. Dans la tour de lavage 16, lorsque le biogaz monte dans celle-ci, il perd du C02 et de l'H2S qui sont absorbés par l'eau qui descend dans la tour 16, le C02 et l'H2S étant beaucoup plus solubles dans l'eau que le méthane. Le biogaz qui sort en 22 en haut de la tour de lavage 16 est donc épuré. Au pied de la tour de lavage 16, on récupère par la conduite 24 I'eau chargée en C02 et en H2S afin de la dégazer dans la tour de dégazage 20. Dans cette tour, I'eau provenant de la tour de lavage 16 est injectée en partie supérieure et un surpresseur fait circuler de l'air ambiant (canalisation 26) à contre courant. En remontant dans la tour de dégazage 20, l'air se charge en C02 et en H2S contenus dans l'eau. L'air ainsi pollué est ensuite envoyé dans un filtre biologique 28 et l'eau dégazée est envoyée dans un réservoir 30 par l'intermédiaire de la canalisation 32. Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, I'eau dégazée ainsi stockée est recyclée par l'intermédiaire d'une pompe 34 dans la canalisation 18 qui la délivre en haut de la tour de lavage 16. Le biogaz épuré, sortant de la tour de lavage 16 est délivré à un sécheur 36. Ce sécheur 36 est du type à tamis moléculaire et selon l'invention, sa régénération est réalisée par mises en pression et dépression successives, en utilisant la pression obtenue par le compresseur primaire 14. Le biogaz épuré et séché alimente un compresseur secondaire 38 dans lequel il est comprimé à environ 25 000 kPa. Le biogaz est ensuite refroidi puis stocké, par exemple dans des bouteilles, en vue de l'alimentation de bornes de distribution 42. Bien entendu, l'installation, qui fonctionne en continu comporte en outre des moyens de contrôle, d'analyse et de gestion notamment en vue de vérifier la qualité du gaz obtenu. II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits etlou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes qui entrent dans le cadre de la portée des revendications annexées. Ainsi, bien que l'exemple de réalisation décrit se réfère aux centres de stockage de déchets, l'invention s'applique à I' épuration de biogaz issu d'une façon générale de fermentations anaérobies de déchets fermentescibles. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement du biogaz produit par des fermentations anaérobies, notamment celles qui interviennent dans les alvéoles des centres de stockage de déchets fermentescibles, notamment d'ordures ménagères, caractérisé par une absorption sélective sous pression des composés autres que le méthane, notamment le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, ce procédé comportant les étapes suivantes - une première compression à une pression de l'ordre de 1 500 kPa, du biogaz capté dans les alvéoles; - la purification du biogaz ainsi comprimé par solubilisation différentielle du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène; - le séchage du biogaz ainsi épuré; - une seconde compression du biogaz épuré et séché à une pression de l'ordre de 25 000 kPa et, - un refroidissement et un stockage du gaz combustible en vue de son utilisation en tant que combustible domestique ou carburant automobile. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le séchage du gaz combustible est réalisé sur tamis moléculaire, en aval de la compression primaire et en amont de la compression secondaire. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la régénération dudit tamis moléculaire est réalisée par mises en pression et dépression en utilisant la pression résultant de la compression primaire. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'eau utilisée lors du processus d'absorption sélective sous pression est recyclée, en tête du procédé, sans traitement spécifique de purification. 5 - Procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les effluents gazeux de la tour de dégazage (20) sont traités sur un lit d'élimination biologique des sulfures. 6 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend: - un compresseur primaire (14) dans lequel le biogaz brut issu de la fermentation des déchets et préalablement préfiltré (12) est comprimé à une pression de l'ordre de 1 500 kPa et ensuite refroidi; - une tour de lavage (16) du type à anneaux de transfert au pied de laquelle est injecté le biogaz brut comprimé et en haut de laquelle est injectée de l'eau à contre courant, le biogaz épuré sortant en partie supérieure (22) de ladite tour; - des moyens de dégazage (20) recevant l'eau chargée en C02 et H2S provenant de la tour de lavage (16), lesdits moyens de dégazage produisant d'une part de l'air chargé en C02 et en H2S qui est délivré à un filtre biologique (28) et d'autre part, de l'eau dégazée qui est stockée (30); - des moyens (36) pour sécher le biogaz épuré provenant de la tour de lavage et, - un compresseur secondaire (38) recevant le biogaz épuré et séché pour le comprimer à environ 25 000 kPa, le gaz épuré ainsi comprimé étant stocké (40) en vue de sa distribution. 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'eau stockée (30) provenant des moyens de dégazage (20) est recyclée en tête de la tour de lavage (16). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le sécheur (36) est du type à tamis moléculaire. 9 - Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que la régénération dudit tamis moléculaire est réalisée par mises en pression et dépression successives, en utilisant la pression produite par ledit compresseur primaire (14).