Brevet FR3059336A1 — publié le 20180601

L'invention est relative à un procédé pour la méthanisation de biomasse et le traitement des digestats de la méthanisation par concentration. Le domaine de l'invention est celui de la méthanisation et plus particulièrement de la méthanisation par voie humide dont la biomasse contient typiquement 10% au 5 maximum de matière sèche pour être pompable. La biomasse est typiquement préparée selon une recette donnée et alimentée dans le réacteur de méthanisation où se produisent la réaction de fermentation et la production de biogaz. La biomasse épuisée, ci-après désignée digestats est évacuée du réacteur jusqu'à une centrifugeuse qui permet de séparer une fraction sèche, d'une fraction 10 liquide des digestats. Il est encore connu de concentrer la phase liquide des digestats dans une installation de concentration des digestats par évaporation, et afin d'en diminuer le volume. On utilise à cet effet des évaporateurs qui peuvent être de différentes technologies, et par exemple, un évaporateur en compression mécanique de vapeur (acronyme CMV). Cette 15 installation de traitement des digestats peut encore comprendre un équipement pour séparer l'ammoniaque de la phase liquide concentrée, tel que par exemple une colonne de distillation. Par exemple dans un évaporateur en compression mécanique de vapeur, le liquide à concentrer ruisselle à l'intérieur de tubes d'un échangeur (la calandre) et alors que 20 l'extérieur des tubes est chauffé. Le liquide chauffé dans les tubes chute à leur partie basse dans une chambre de séparation à l'intérieur de laquelle le liquide se sépare en une phase liquide et une phase solide. La phase liquide est continuellement prélevée à la base de la chambre et pompée pour être recirculée à la partie haute de l'échangeur, à l'intérieur des tubes de l'échangeur. Les vapeurs et buées contenues dans la chambre 25 sont comprimées, afin d'augmenter leurs propriétés de pression/température et sont envoyées dans la calandre afin de chauffer l'extérieur des tubes, celles-ci ressortant en partie basse de l'échangeur, notamment à l'état condensé, après échange dans la calandre. Dans un tel équipement, et en raison des incondensables (issus des produits traités 30 notamment), il est connu de réaliser continuellement une purge des vapeurs 3059336 2 comprimées, à partir de la calandre. En raison de la composition de ces vapeurs, il n'est pas possible de les rejeter librement dans l'atmosphère. On utilise alors une boucle d'eau couplée à un condenseur et à des aérothermes avec ventilateurs électriques pour faire condenser des vapeurs. On comprendra que d'autres technologies de concentration nécessitent des aérothermes pour obtenir la condensation de gaz de purge, équipement qui requiert une consommation électrique pour leur mise en oeuvre et obtenir le refroidissement et la condensation des gaz de l'évaporateur. Des aérothermes sont encore nécessaires, par exemple pour refroidir les gaz provenant d'une colonne de distillation qui est typiquement utilisée dans l'installation de concentration pour séparer l'ammoniaque des digestats concentrés. D'un point de vue énergétique, et selon l'état de la technique connue, l'installation globale requiert donc un premier apport énergétique pour apporter de la chaleur à la biomasse dans le réacteur de méthanisation, typiquement en utilisant le biogaz dans une chaudière comme carburant, et un deuxième apport thermique pour le fonctionnement de l'évaporateur, mais encore de l'énergie électrique aux aérothermes pour le refroidissement des gaz de purge des différents équipements de l'évaporateur. Par exemple et dans une unité de méthanisation de concentration de digestats de capacité 80.000 m3/an, les apports thermiques sont typiquement les suivants : - Apport thermique méthaniseur : 500 kWth - Apport thermique évaporateur : 700k Wth - Consommation (aérothermes) : 5k Wth Les aérothermes permettent de dissiper pour environ 500 k Wth de chaleur perdue à l'évaporateur. Le but de la présente invention est de proposer un procédé pour la méthanisation de biomasse et le traitement des digestats de la méthanisation par concentration, mis en oeuvre dans une unité présentant une installation de méthanisation comprenant un réacteur de méthanisation, ci-après désigné méthaniseur, et une installation de 3059336 3 concentration des digestats par évaporation, ci-après désigné évaporateur, et de rendement énergique global amélioré par rapport à l'état de la technique connu. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui n'est donnée qu' à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. 5 Aussi l'invention est relative à un procédé pour la méthanisation de biomasse et le traitement des digestats de la méthanisation par concentration, ledit procédé étant mis en oeuvre dans une unité présentant une installation de méthanisation comprenant un réacteur de méthanisation, ci-après désigné méthaniseur, et une installation de concentration des digestats par évaporation, ci-après désigné évaporateur, 10 ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape a) pour laquelle on alimente le méthaniseur avec une biomasse et on met en oeuvre une réaction de fermentation de la biomasse dans le méthaniseur, obtenant un biogaz, - une étape b) pour laquelle on évacue la biomasse épuisée du méthaniseur, ci-après 15 désignés digestats, - une étape c) pour laquelle on concentre une fraction liquide des digestats dans l'évaporateur, obtenant des digestats liquides concentrés, et dans lequel on apporte à la biomasse contenue dans le méthaniseur un apport thermique pour les besoins de la fermentation dans le méthaniseur. 20 Selon l'invention, on récupère au moins en partie la chaleur perdue contenue dans des gaz en sortie de l'évaporateur pour chauffer un liquide caloporteur d'une boucle de chauffage, et on utilise le liquide caloporteur pour couvrir en tout ou partie de l'apport thermique du méthaniseur, par échange entre le liquide caloporteur et la biomasse contenue dans le méthaniseur. 25 Selon des caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules ou en combinaison : - la boucle de chauffage est une boucle d'eau de température comprise entre 55°C et 65°C, sur la boucle aller, avant échange de l'eau chaude avec la biomasse et de 3059336 4 température comprise entre 45°C et 55°C sur la boucle retour, après échange avec la biomasse ; - ledit évaporateur met en oeuvre un équipement d'évaporation à multiple effets pour concentrer la phase liquide des digestats et dans lequel on récupère la chaleur contenue 5 dans la vapeur fatale Vf en sortie du dernier effet de l'évaporation multiple effet pour chauffer le liquide caloporteur de la boucle de chauffage ; - on met en oeuvre dans l'évaporateur une purge de gaz non condensable, et dans lequel on récupère la chaleur contenue dans le gaz de purge pour chauffer le liquide caloporteur de la boucle de chauffage ; 10 - les gaz de purge contiennent les gaz de purge d'un équipement d'évaporation par compression mécanique de vapeur, ou encore d'un évaporateur multiple effets ; - on met en oeuvre une étape de séparation de l'ammoniaque dans une colonne de distillation de l'évaporateur, les vapeurs en sortie de la colonne de distillation pouvant être acheminées dans l'équipement d'évaporation à multiple effets ou dans 15 l'équipement d'évaporation par compression mécanique de vapeur ; - les étapes a), b et c) sont réalisées en continu ; - l'étape de récupération de la chaleur perdue contenue dans des gaz en sortie de l'évaporateur couvre partiellement ou en totalité ledit apport thermique pour les besoin de la fermentation dans le méthaniseur ; 20 - on obtient la fraction liquide des digestats par la mise en oeuvre d'une centrifugation sur les digestats ; - le procédé est une méthanisation en voie humide, la biomasse comprenant au maximum 10% de matière sèche. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description accompagnée des figures 25 en annexe parmi lesquelles : 3059336 5 - la figure 1 est une vue schématique de procédé méthanisation et de concentration des digestats illustrant les flux de matières (biomasse, biogaz, digestats, phase liquide des digestats concentrés) de l'unité, selon l'invention et selon l'état de la technique connu, - la figure 2 est une vue illustrant les besoins énergétiques de l'unité selon le procédé de 5 la figure 1, et selon l'état de la technique connu, - la figure 3 est une vue illustrant les besoins énergétiques de l'unité selon le procédé de la figure 1, et selon l'invention grâce au couplage énergétique réalisé entre l'évaporateur et le méthaniseur, qui permet le transfert de la chaleur perdue de l'évaporateur pour couvrir en tout ou partie de l'apport thermique du méthaniseur, et simultanément la 10 mise en oeuvre d'un refroidissement de l'évaporateur. - la figure 4 est une vue d'un exemple de technologie d'évaporateur par compression mécanique de vapeur qui peut être mise en oeuvre dans l'installation de concentration des digestats, - la figure 5 est une vue d'un exemple de technologie d'évaporateur par évaporation à 15 multiple effets, qui peut être mise en oeuvre dans l'installation de concentration des digestats. Aussi, l'invention est relative à un procédé pour la méthanisation de biomasse BM et le traitement des digestats de la méthanisation par concentration, ledit procédé étant mis en oeuvre dans une unité présentant une installation de méthanisation comprenant un 20 réacteur de méthanisation, ci-après désigné méthaniseur M, et une installation de concentration des digestats par évaporation, ci-après désigné évaporateur Ev. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - une étape a) pour laquelle on alimente le méthaniseur M avec une biomasse BM et on met en oeuvre une réaction de fermentation de la biomasse dans le méthaniseur, 25 obtenant un biogaz Bg, - une étape b) pour laquelle on évacue la biomasse épuisée du méthaniseur M, ci-après désignés digestats Dg, 3059336 6 - une étape c) pour laquelle on concentre une fraction liquide P1 des digestats dans l'évaporateur, obtenant des digestats liquides concentrés Ct. 11 peut s'agir d'un procédé par voie humide, la biomasse comprenant une teneur en matière sèche faible, afin d'être pompable, typiquement inférieure ou égale à 10% de 5 matière sèche. Les étapes a), b) et c) peuvent être réalisées en continue. La fraction liquide peut être obtenue par la mise en oeuvre d'une étape intermédiaire entre l'étape b) et c) dans laquelle on sépare les digestats en sortie du méthaniseur en la fraction liquide P1 et une fraction solide Ps. Cette étape de séparation peut être une centrifugation CTR. 10 On apporte à la biomasse contenue dans le méthaniseur un apport thermique Api pour les besoins de la fermentation dans le méthaniseur M. Bilan énergétique selon l'état de la technique (Figure 2) : La figure 2 illustre le bilan énergétique de l'unité de méthanisation et de concentration des digestats de capacité 80.000 m3/an de matière en entrée du méthaniseur. 15 L'apport thermique Api au méthaniseur est obtenu par une boucle de chauffage, dont le fluide est chauffé dans une chaudière par brulage d'un biogaz. L'apport thermique AP2 à l'évaporateur est obtenu par la production de vapeur, obtenu par consommation d'un gaz. Le refroidissement de l'évaporateur nécessite encore des aérothermes qui requièrent une 20 consommation électrique. Le bilan énergétique est le suivant : - l'apport thermique au méthaniseur Apl est de 500 kW, - l'apport thermique à l'évaporateur Apl est de 700 kW, - la consommation électrique nécessaire au refroidissement est de 5 kW. 25 La consommation totale de l'unité de donc de 1305 kW. 3059336 7 Les aérothermes permettent de dissiper pour environ 500 k Wth de chaleur perdue à l'évaporateur. Procédé selon l'invention (Figure 3) : Selon l'invention, on récupère au moins en partie la chaleur perdue contenue dans des 5 gaz G en sortie de l'évaporateur Ev pour chauffer un liquide caloporteur Lc d'une boucle de chauffage, et on utilise le liquide caloporteur pour couvrir en tout ou partie de l'apport thermique du méthaniseur, par échange entre le liquide caloporteur Lc et la biomasse contenue dans le méthaniseur M. La boucle de chauffage peut être une boucle d'eau qui peut de température comprise 10 entre 55°C et 65°C, sur l'aller, avant échange de l'eau chaude avec la biomasse (au méthaniseur) et de température comprise entre 45°C et 55°C sur le retour, après échange avec la biomasse. La circulation de l'eau est assurée en continu par une pompe (non illustrée). Au niveau de l'évaporateur Ev, l'eau froide du retour entre dans le secondaire d'un 15 échangeur Ech, et ressort chauffée par les colories échangées par un fluide tels que les Gaz en sortie de l'évaporateur. Cette boucle de chauffage permet ainsi le transfert de chaleur depuis l'évaporateur Ev vers le méthaniseur M, en vue de maintenir la biomasse dans une plage de température favorable à la fermentation et donc à la production de biogaz. Au niveau de 20 l'évaporateur Ev, cette boucle de chauffage permet de refroidir l'évaporateur, et donc d'effacer en tout ou partie de la consommation électrique des aérothermes utilisés dans l'état de la technique pour obtenir ce refroidissement. Bilan énergétique selon l'invention Le bilan énergétique est le suivant : 25 - l'apport thermique à l'évaporateur Ap2 est de 700 kW, - la consommation électrique nécessaire au refroidissement est entièrement effacée, 3059336 8 - l'apport thermique au méthaniseur est couvert en tout ou partie par le transfert d'énergie de l'évaporateur vers le méthaniseur à savoir O REVENDICATIONS1. Procédé pour la méthanisation de biomasse (BM) et le traitement des digestats de la méthanisation par concentration, ledit procédé étant mis en oeuvre dans une unité présentant une installation de méthanisation comprenant un réacteur de méthanisation, ci-après désigné méthaniseur (M), et une installation de concentration des digestats par évaporation, ci-après désigné évaporateur (Ev), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape a) pour laquelle on alimente le méthaniseur (M) avec une biomasse (BM) et 10 on met en oeuvre une réaction de fermentation de la biomasse dans le méthaniseur, obtenant un biogaz (Bg), - une étape b) pour laquelle on évacue la biomasse épuisée du méthaniseur (M), ci-après désignés digestats (Dd), -une étape c) pour laquelle on concentre une fraction liquide des digestats dans 15 l'évaporateur, obtenant des digestats liquides concentrés (Ct), et dans lequel on apporte à la biomasse contenue dans le méthaniseur un apport thermique (Apl) pour les besoins de la fermentation dans le méthaniseur (M), caractérisé en ce qu'on récupère au moins en partie la chaleur perdue contenue dans des gaz (G) en en sortie de l'évaporateur (Ev) pour chauffer un liquide caloporteur (Lc) 20 d'une boucle de chauffage, et on utilise le liquide caloporteur pour couvrir en tout ou partie de l'apport thermique du méthaniseur, par échange entre le liquide caloporteur (Lc) et la biomasse contenue dans le méthaniseur (M). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la boucle de chauffage est une boucle d'eau de température comprise entre 55°C et 65°C, sur la boucle aller, avant échange de 25 l'eau chaude avec la biomasse et de température comprise entre 45°C et 55°C sur la boucle retour, après échange avec la biomasse. 3059336 14 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit évaporateur met en oeuvre un équipement d'évaporation à multiple effets pour concentrer la phase liquide des digestats et dans lequel on récupère la chaleur contenue dans la vapeur fatale Vf en sortie du dernier effet de l'évaporation multiple effet pour chauffer le liquide 5 caloporteur de la boucle de chauffage. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on met en oeuvre dans l'évaporateur une purge de gaz non condensable, et dans lequel on récupère la chaleur contenue dans le gaz de purge pour chauffer le liquide caloporteur de la boucle de chauffage. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les gaz de purge contiennent les gaz de purges d'un équipement d'évaporation par compression mécanique de vapeur, ou encore d'un évaporateur multiple effet. 6. Procédé selon la revendication 3 ou 5, dans lequel on met en oeuvre une étape de séparation de l'ammoniaque dans une colonne de distillation dont les vapeurs en sortie de la colonne de distillation sont acheminées dans l'équipement d'évaporation à multiple effets ou dans l'équipement d'évaporation par compression mécanique de vapeur. 7. Procédé selon la revendication 1 à 6, dans lequel les étapes a), b et c) sont réalisées en continu. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape de récupération de la chaleur perdue contenue dans des gaz (G) en sortie de l'évaporateur (Ev) couvre en totalité ledit apport thermique pour les besoins de la fermentation dans le méthaniseur. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel on obtient la phase liquide P1 des digestats par la mise en oeuvre d'une centrifugation sur les digestats. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, en voie humide, la biomasse comprenant au maximum 10% de matière sèche.