Brevet FR3013729A1 — publié le 20150529

PROCEDE D'ALIMENTATION D'UN DIGESTEUR POUR LA PRODUCTION D'UN BIOGAZ ET D'UN DIGESTAT ET APPAREILLAGE POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention concerne la valorisation de matières organiques fermentescibles aussi bien solides que liquides. Comme matières organiques fermentescibles solides, on peut citer les fumiers, les tontes de pelouses, 10 les résidus et excédents de récoltes comme les menues pailles, l'ensilage et leurs mélanges. Les matières organiques fermentescibles liquides peuvent contenir des fibres. Comme matières organiques fermentescibles 15 liquides, on peut citer les lisiers. Pour réaliser cette valorisation, ces matières organiques fermentescibles sont introduites dans un digesteur (aussi appelé méthaniseur) et se décomposent dans celui-ci par méthanisation, donnant, d'une part, un biogaz 20 qui est un mélange gazeux formé essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone, et, d'autre part, un digestat qui est utile comme biofertilisant. Un exemple de composition de biogaz est CH4+CO2+impuretés : 59/40/1 en volume. Le déploiement de la méthanisation dans les 25 exploitations et fermes agricoles est un enjeu économique très important. En effet, la méthanisation agricole permet : - de traiter simultanément toutes les matières organiques fermentescibles, telles que mentionnées ci-dessus, qui 30 sont des déchets et des surplus de récoltes ; - de générer un flux continu de fertilisant pour ces exploitations et fermes agricoles, remplaçant les fertilisants minéraux traditionnels qui proviennent du pétrole et du gaz naturel et produisent des gaz à effet de serre dans un bien plus grande mesure ; et - de fournir des ressources énergétiques d'appoint : gaz méthane, carburants, électricité, compléments de chaleur par le brûlage de CH4 en CO2 pour les bâtiments de la ferme, les logements proches et activités nécessitant de la chaleur telles que le chauffage de serres, de piscines, le séchage, etc. Les matières organiques fermentescibles introduire dans le digesteur sont, comme indiqué ci-dessus, à la fois liquides (notamment lisiers) et solides (notamment fumiers) et leur composition varie au cours du temps. De ce fait, il est difficile d'introduire dans 15 le digesteur un mélange relativement homogène. Il conviendrait aussi que le mélange soit introduit dans le digesteur dans un état relativement agité afin de ne pas présenter de formation de croûte en partie supérieure et de dépôt en partie inférieure dans le 20 digesteur, gênant la libération de biogaz. La présente invention apporte une solution à ce problème en proposant de dilacérer la partie solide des matières fermentescibles entrantes en mélange avec la partie liquide pour donner un courant que l'on adresse à un 25 étage d'introduction, mélange et homogénéisation de nouvelles matières solides avant d'être recyclé à l'étage de dilacération, afin de pouvoir injecter dans le digesteur un courant d'alimentation homogène. L'invention a donc pour objet un procédé 30 d'alimentation en matières organiques fermentescibles d'un digesteur pour la production d'un biogaz et d'un digestat, lesdites matières organiques fermentescibles comportant une partie solide et une partie liquide, caractérisé par le fait que : - on introduit une charge d'alimentation dans une préfosse à ciel ouvert ; à l'aide d'un système de pompage, on aspire ladite charge par le fond de ladite préfosse et on la refoule en aval dudit système de pompage pour la réinjecter dans ladite préfosse par le dessus de celle-ci, ledit système de pompage étant choisi pour assurer un hachage/une dilacération de la partie solide de ladite charge d'alimentation ; - on conduit ce recyclage de la charge d'alimentation autant de fois que nécessaire pour obtenir une charge d'alimentation homogène ; et - l'on adresse au moins une partie de la charge d'alimentation homogène au digesteur, le reste éventuel étant recyclé dans ladite préfosse. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on agite le contenu de la préfosse. Au moins une partie de la charge d'alimentation, 20 liquide ou solide, peut être initialement déversée dans la préfosse à ciel ouvert, en provenance de l'extérieur. Au moins une partie de la charge d'alimentation de la préfosse, liquide ou homogénéisée, peut provenir d'un réservoir de stockage pré-rempli, étant adressé au système 25 de pompage. Au moins une partie de la charge d'alimentation de la préfosse peut être constituée par du digestat prélevé en partie basse du digesteur. On peut également adresser au système de pompage 30 un courant de graisse qui est ensuite combiné au courant de recyclage dans la préfosse ou au courant de matières homogénéisées adressé au digesteur. On peut adresser au digesteur le courant de matières homogénéisées en partie haute ou en partie basse ou à la fois en partie haute et en partie basse de la région de fermentation de celui-ci. On peut adresser au courant d'alimentation du digesteur en partie haute un courant de dérivation du courant de sortie de biogaz par un système Venturi. Une partie du courant de refoulement du système de pompage peut être réinjectée dans le réservoir de 10 stockage. On peut conduire le broyage/la dilacération dans le système de pompage à un débit de sortie choisi pour obtenir une vitesse d'injection dans le digesteur permettant d'assurer un mélange des matières 15 fermentescibles dans celui-ci. L'invention a également pour objet un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comporte : - une préfosse à ciel ouvert destinée à recevoir une charge 20 d'alimentation ; et - un système de pompage destiné à aspirer une charge d'alimentation par le fond de ladite préfosse et à la refouler en retour à ladite fosse ou au digesteur. La préfosse est avantageusement équipée d'un 25 agitateur. Le fond de la préfosse peut comporter un piège à cailloux. L'appareillage comporte un réservoir de stockage de matières fermentescibles liquides ou homogénéisées, 30 relié à l'alimentation du système de pompage, ledit réservoir pouvant également recevoir un courant provenant de la sortie du système de pompage. L'appareillage peut comporter une cuve à graisse reliée à l'alimentation du système de pompage. Une sortie du digestat en partie basse du digesteur peut être reliée au système de pompage. L'appareillage peut comporter une dérivation de la sortie de biogaz pour l'introduction de biogaz dans le ou les courants d'introduction de matières fermentescibles dans le digesteur. Une nourrice peut être disposée en amont de 10 l'alimentation du système de pompage. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, un mode de réalisation particulier avec 15 référence au dessin annexé. Sur ce dessin : la Figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de 20 mélange/homogénéisation, d'agitation et de transport d'un mélange paquets de matières organiques solides (notamment fumier)/matière organique liquide (notamment lisier) /digestat pour alimenter un digesteur ; 25 - la Figure 2 est une vue schématique du dispositif de la Figure 1 illustrant une première étape de fonctionnement de celui-ci, à savoir l'injection d'une matière organique liquide et/ou digestat liquide dans une préfosse de mélange/homogénéisation ; 30 la Figure 3 est une vue schématique du dispositif de la Figure 1 illustrant une deuxième étape du fonctionnement de celui-ci, à savoir la circulation en boucle de la matière organique liquide et/ou digestat liquide, avec agitation, dans la préfosse de mélange/homogénéisation ; la Figure 3A est une vue schématique de dessus de la préfosse de mélange/homogénéisation de la Figure 3 ; la Figure 4 est une vue schématique du dispositif de la Figure 1, illustrant une troisième étape du fonctionnement de celui-ci, à savoir l'injection des paquets de matières organiques solides en vue de leur désintégration et de leur homogénéisation avec le lisier liquide ; - la Figure 4A est une vue schématique de dessus de la préfosse de mélange/homogénéisation de la Figure 4 ; la Figure 5 est une vue schématique du dispositif de la Figure 1, illustrant une quatrième étape du fonctionnement de celui-ci, à savoir l'injection du mélange homogène matière liquide/matière solide dans le digesteur ; la Figure 6 est une vue schématique du dispositif de la Figure 1, illustrant une cinquième étape de fonctionnement de celui-ci, à savoir une incorporation de graisse dans le digesteur tout en maintenant l'agitation du digesteur ; et - les Figures 7, 8 et 9 sont des vues schématiques du dispositif de la Figure 1, illustrant chacune un mode d'agitation du contenu liquide de fermentation du digesteur. Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir que l'on a représenté par 1 dans son ensemble un dispositif d'homogénéisation, agitation et transport de matières organiques/digestat recyclé alimentant un digesteur 2 pour la production d'un biogaz 3 et d'un digestat 4. Le digesteur 2 est formé d'une cuve fermée 5 de confinement de matières organiques/digestat recyclé dont la fermentation conduit, d'une part, au digestat 4 et, d'autre part, au biogaz 3 se formant au-dessus de la matière en fermentation 4a qui se transforme en digestat. A la cuve 5, sont raccordés deux conduits 7 et 8 d'entrée de matières organiques/digestat recyclé, un conduit de sortie 9 du biogaz 3, et un conduit de sortie 10 de la partie du digestat 4 que l'on pourra avantageusement recycler dans le procédé de l'invention, le ou les conduits de sortie du digestat non recyclé, devant être récupéré pour être utilisé comme engrais, n'ayant pas été représentés pour ne pas surcharger le dessin. Les conduits 7 et 8 sont raccordés à la paroi latérale de la cuve 5 et le conduit 10 est raccordé (en 29) au fond de la cuve 5. Le dispositif 1 comporte une préfosse 11 à ciel ouvert de mélange de matière organique liquide/digestat liquide et d'incorporation et homogénéisation de paquets de matières organiques solides ; une nourrice 12 ; et un système de pompage 13 constitué notamment d'une pompe dilacératrice à excentrique à couteau ou d'une pompe hâcheuse ou broyeuse. Dans le cas où l'on utilise une pompe dilacératrice, un hâcheur peut si nécessaire être monté en amont de celle-ci. La préfosse 11 consiste en une cuve en béton destinée à recevoir des paquets solides organiques et de la matière organique liquide/digestat recyclé liquide, lequel sert à désagréger sous agitation les paquets solides organiques comme cela sera décrit plus en détail ci-après. En variante, la préfosse 11 pourrait être une 5 cuve en acier galvanisé revêtue intérieurement d'une membrane consistant en une bâche souple telle qu'une géomembrane formée d'un tissu ou géotextile enduit d'une couche de poly(chlorure de vinyle). La préfosse 11 comporte une paroi cylindrique 14 10 raccordée à un fond plat 15, lequel comporte au voisinage de la paroi 14 une ouverture 16 à laquelle se raccorde, d'un seul tenant, un réceptacle 17 formant un piège à cailloux. Du côté opposé au piège à cailloux 17, un 15 agitateur à pales 18 vient pénétrer dans la préfosse 11. Un raccord 19 est placé dans le fond 15 de la préfosse 11, en vue d'un raccordement avec un conduit 20 qui est raccordé à son autre extrémité à la nourrice 12 et sur le trajet duquel est disposée une électrovanne 21. 20 Le conduit 20 adresse le mélange homogénéisé paquets solides déchiquetés /matière organique liquide/digestat liquide à la nourrice 12. A cette dernière, se raccordent aussi : un conduit 22 d'amenée de graisse en provenance d'une 25 cuve à graisse 23, sur le trajet duquel se trouvent successivement depuis la cuve à graisse 23, une pompe 24 et une électrovanne 25 ; la graisse peut par exemple être constituée par de l'huile de friteuse, de l'huile de colza ou encore de graisses usagées provenant d'une 30 station d'épuration ; un conduit 26 d'amenée de matière organique liquide et/ou de digestat liquide, en provenance d'une cuve de stockage 27, sur le trajet duquel est montée une électrovanne 28 ; et - le conduit 10 de sortie du digestat 4 qui est raccordé à son autre extrémité au raccord 29 placé dans le fond du digesteur 2 et sur le trajet duquel est montée une électrovanne 30. On notera que l'ensemble cuve à graisse 23 conduit 22 - pompe 24 - électrovanne 25 est facultatif, de même que l'ensemble cuve de stockage 27 - conduit 26 10 électrovanne 28. Le courant de sortie de la pompe dilacératrice 13 est amené par le conduit 31 dans la préfosse 11. Sur ce conduit 32, se trouve une électrovanne 32. Un conduit de dérivation 33 sur lequel se trouve 15 une électrovanne 34 amène la matière fermentescible à être introduite par l'entrée 7 dans le digesteur 2. Un conduit de dérivation 35 du conduit 33, sur lequel est disposée une électrovanne 36, amène la matière fermentescible à être introduite dans le digesteur par 20 l'entrée 8. Un autre conduit de dérivation 37, sur lequel se trouve une électrovanne 38, permet de recycler une partie du courant de sortie de la pompe 13 à la cuve de stockage 27. 25 Un courant de dérivation 39 de la sortie 9 de biogaz 3 est relié à la branche d'entrée 7 de matière fermentescible dans le digesteur 2. Les étapes successives du fonctionnement du dispositif 1 vont maintenant être décrites avec référence 30 aux Figures 2 à 9, le digesteur 2 étant considéré en cours d'exploitation, en pleine charge. Première étape : Introduction de matière organique liquide dans la préfosse 11 (Figure 2) On a rempli le digesteur 2 et le réservoir de stockage 27 est également rempli. Les électrovannes 21, 25, 30, 34, 36 et 38 sont fermées. Les électrovannes 28 et 32 sont ouvertes. On met en marche le système de pompage 13 et on injecte dans la préfosse 11 des matières organiques 10 liquides et/ou du digestat en provenance du réservoir de stockage 27 préalablement rempli. On pourrait à la place ou additionnellement injecter du digestat en provenance du digesteur 2 par le conduit 10, auquel cas l'électrovanne 30 serait également 15 ouverte. On pourrait aussi, à la place de cette arrivée de matière interne en provenance du réservoir de stockage 27 et/ou du digesteur 2, ou additionnellement, introduire des matières organiques liquides fermentescibles et/ou du 20 digestat en provenance de l'extérieur, arrivant par exemple par camions-citernes ou cuves à lisier, et déversés à ciel ouvert dans la préfosse 11. Dans tous les cas, le digestat est un digestat brut ou ayant subi une séparation de phases ou un 25 stripping. La séparation de phases et le stripping d'un digestat sont des opérations classiques et n'ont donc pas été représentées sur le dessin pour ne pas le surcharger. Le niveau de liquide dans la préfosse 11 est un niveau intermédiaire à la fin de cette première étape, 30 comme on peut le voir sur la Figure 2. Deuxième étape : Circulation de la matière organique liquide dans la préfosse 11 avec agitation (Figure 3) On ferme les électrovannes 28 et/ou 30 qui étaient ouvertes et on ouvre l'électrovanne 21. On met en marche l'agitateur 18. Il se produit alors une circulation de la matière liquide dans la préfosse 11 comme illustré schématiquement sur la Figure 3A avec une aspiration par le fond 15 de la préfosse 11, transfert par le conduit 20, et refoulement en aval du système de pompage 13 pour réinjecter la matière liquide par le conduit 31 par le haut dans la préfosse 11. Troisième étape : Injection de la matière solide en paquets (Figure 4) La circulation des matières étant inchangée, on vient déverser des paquets P de matière organique solide dans la préfosse 11. Ceux-ci sont éclatés par l'agitateur 18 puis aspirés dans le conduit 20 pour être enfin broyés par le système de pompage 13 et être réinjectés en fragments dans la préfosse par le conduit 31. Quatrième étape : Injection de la matière organique dans le digesteur 2 (Figure 5) Les électrovannes 25, 28, 30, 32, 36 et 38 sont fermées. Les électrovannes 21 et 34 sont ouvertes. La matière organique présente dans la préfosse 11 est pompée par le système de pompage 13 et adressée par le conduit 33 dans le digesteur 2. Une fraction du biogaz qui se forme dans le digesteur 2 peut être recyclée dans ce dernier par le conduit 39 à effet Venturi. Cette injection de matière organique dans le digesteur 2 peut se faire en plusieurs séquences. Agitation dans le digesteur 2 avec incorporation de graisse 5 (Figure 6) Cette étape est optionnelle. Les électrovannes 21, 28, 32, 36 et 38 sont fermées. Les électrovannes 25, 30 et 34 sont ouvertes. 10 Le système de pompage 13 et la pompe 24 sont mis en marche. Du digestat est prélevé du digesteur 2 par le conduit 10 et entre dans la nourrice 12. En même temps, de la graisse est prélevée dans le réservoir de stockage 23 et est introduite dans la nourrice 12 par la pompe 24. Le 15 mélange graisse-digestat est introduit dans le digesteur 2 par le système de pompage 13, entrant dans le digesteur par le conduit 7. Agitation dans le digesteur 2 selon un premier mode de 20 réalisation (Figure 7) Seules les électrovannes 30 et 36 sont ouvertes. Du digestat est pompé par le système de pompage 13 en provenance du conduit 10 et introduit dans le digesteur 2 25 par le conduit 8 par une buse (non représentée), ce qui crée un courant de circulation dans le digesteur 2 en partie inférieure. Agitation dans le digesteur 2 selon un second mode de 30 réalisation (Figure 8) Seules les électrovannes 30 et 34 sont ouvertes. Du digestat est pompé par le système de pompage 13 en provenance du conduit 10 et introduit dans le digesteur 2 par le conduit 7 par une buse (non représentée), ce qui crée un courant de circulation dans le digesteur 2 en partie supérieure. Agitation dans le digesteur 2 selon un troisième mode de réalisation (Figure 9) Dans ce mode de réalisation, seules les électrovannes 30, 34 et 36 sont ouvertes. Cela crée un courant de circulation général dans le digesteur 2 par une agitation à la parfois en partie haute et en partie basse de celui-ci. Alimentation du réservoir de stockage 27 à partir de la préfosse 11 Ce traitement est facultatif. Si les électrovannes 21 et 38 sont ouvertes et le 20 système de pompage 13 est en marche, on peut stocker dans le réservoir 27 de la matière organique déposée dans la préfosse 11. Si les électrovannes 30 et 38 sont ouvertes et le système de pompage 13 est en marche, on peut stocker dans 25 le réservoir 27 du digestat en provenance directe du digesteur 2 ou qui a subi en sortie du digesteur 2 un traitement tel qu'une séparation de phases ou un stripping. Du digestat en provenance de l'extérieur pourrait également être introduit dans le conduit 10 ou dans un 30 conduit du système de traitement précité. REVENDICATIONS1 - Procédé d'alimentation en matières organiques fermentescibles d'un digesteur (2) pour la production d'un biogaz et d'un digestat, lesdites matières organiques fermentescibles comportant une partie solide et une partie liquide, caractérisé par le fait que : - on introduit une charge d'alimentation dans une préfosse (11) à ciel ouvert ; à l'aide d'un système de pompage (13), on aspire ladite charge par le fond de ladite préfosse (11) et on la refoule en aval dudit système de pompage pour la réinjecter dans ladite préfosse (11) par le dessus de celle-ci, ledit système de pompage (13) étant choisi pour assurer un hachage/une dilacération de la partie solide de ladite charge d'alimentation ; - on conduit ce recyclage de la charge d'alimentation autant de fois que nécessaire pour obtenir une charge d'alimentation homogène ; et - on adresse au moins une partie de la charge d'alimentation homogène au digesteur (2), le reste éventuel étant recyclé dans ladite préfosse (11). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on agite le contenu de la préfosse. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'au moins une partie de la charge d'alimentation, liquide ou solide, est initialement déversée dans la préfosse (11) à ciel ouvert, en provenance de l'extérieur. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'au moins une partie de la charged'alimentation de la préfosse (11), liquide ou homogénéisée, provient d'un réservoir de stockage (27) pré-rempli, étant adressé au système de pompage (13). 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'au moins une partie de la charge d'alimentation de la préfosse (11) est constituée par du digestat prélevé en partie basse du digesteur (2). 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on adresse également au système de pompage (13) un courant de graisse (22) qui est ensuite combiné au courant de recyclage dans la préfosse (11) ou au courant de matières homogénéisées adressé au digesteur (2). 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on adresse au digesteur (2) le courant de matières homogénéisées en partie haute ou en partie basse ou à la fois en partie haute et en partie basse de la région de fermentation de celui-ci. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on adresse au courant d'alimentation du 25 digesteur (2) en partie haute un courant de dérivation (39) du courant de sortie (9) de biogaz par un système Venturi. 9 - Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait qu'une partie du courant de 30 refoulement du système de pompage (13) est réinjectée dans le réservoir de stockage (27). 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 9, caractérisé par le fait que l'on conduit le broyage/la dilacération dans le système de pompage (13) à un débit de sortie choisi pour obtenir une vitesse d'injection dans le digesteur (2) permettant d'assurer un mélange des matières fermentescibles dans celui-ci. 11 - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 10, 10 caractérisé par le fait qu'il comporte : - une préfosse (11) à ciel ouvert destinée à recevoir une charge d'alimentation ; et - un système de pompage (13) destiné à aspirer une charge d'alimentation par le fond de ladite préfosse (11) et 15 la refouler en retour à ladite fosse ou au digesteur (2). 12 - Appareillage selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la préfosse (11) est équipée d'un agitateur (18). 20 13 - Appareillage selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé par le fait que le fond (15) de la préfosse (11) comporte un piège à cailloux (17). 25 14 - Appareillage selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé par le fait qu'il comporte un réservoir de stockage (27) de matières fermentescibles liquides ou homogénéisées, relié à l'alimentation du système de pompage (13), ledit réservoir (27) pouvant 30 également recevoir un courant provenant de la sortie du système de pompage (13). 15 - Appareillage selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé par le fait qu'il comporte une cuve à graisse (23) reliée à l'alimentation du système de pompage (13). 16 - Appareillage selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé par le fait qu'une sortie du digestat en partie basse du digesteur (2) est reliée au système de pompage (13). 17 - Appareillage selon l'une des revendications 11 à 16, caractérisé par le fait qu'il comporte une dérivation (39) de la sortie (9) de biogaz pour l'introduction de biogaz dans le ou les courants d'introduction de matières fermentescibles dans le digesteur (2). 18 - Appareillage selon l'une des revendications 11 à 17, caractérisé par le fait qu'une nourrice (12) est 20 disposée en amont de l'alimentation du système de pompage (13).