Brevet FR3090687A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : ENSEMBLE AGITATEUR POUR DIGESTEUR ANAEROBIE Domaine technique [0001] La présente invention porte généralement sur un mécanisme d'agitation avec chauffage pour une unité biogaz, en particulier un ensemble agitateur utilisé dans un digesteur d'une unité de méthanisation. Technique antérieure [0002] On connaît des digesteurs du type fonctionnant à flux continu pour la fermentation anaérobie d'une biomasse pouvant être composée de déchets organiques et formant un mélange pouvant être hétérogène à l'entrée du digesteur. Ces digesteurs sont pourvus d'une entrée et d'une sortie, et équipés d'un agitateur qui consiste en un arbre traversant le digesteur dans sa direction longitudinale, et sur lequel une multitude de bras d'agitateur sont disposés. Dans ce type d'installation, l'arbre est monté dans la région des extrémités du digesteur. Dans un digesteur horizontal à flux continu qui convient à la fermentation anaérobie, réalisée typiquement par voie sèche, l'arbre de l'agitateur s'étend horizontalement. Généralement, les déchets formant le contenu en fermentation sont décomposés, lors d'un mélange minutieux et contrôlé, ce qui permet de former du biogaz, puis ces déchets sont acheminés vers la sortie. [0003] Dans les installations du genre mentionné ci-dessus, les cuves ou réacteurs de fer- mentation doivent être installés sur place et présentent une longueur importante, par exemple supérieure ou égale à 20 mètres si on souhaite une bonne capacité de production. Cependant, des grandes longueurs peuvent poser des problèmes d'affaissement de l'arbre de l'agitateur. [0004] De plus, compte tenu du temps de séjour long des matières à travers le digesteur de l'entrée à la sortie (typiquement plusieurs jours), il est important : - de mélanger de façon efficace, afin notamment de faire remonter la matière lourde de la base vers le haut, de casser les croûtes de matière qui peuvent se former en surface, remettre en suspension les éventuels sédiments et libérer les poches de biogaz qui se forment dans la matière ; - et d'éviter des effets de refroidissement. Aussi, il est intéressant de pouvoir échanger de la chaleur avec les matières en fermentation par l'intermédiaire de l'agitateur. [0005] Il est connu, comme illustré par les documents CA 2732298 et DE 19648875, de concevoir un digesteur de façon horizontale et de fournir un agitateur motorisé, monté horizontalement, à l'intérieur duquel circule un liquide caloporteur. Ceci permet de 2 chauffer la matière depuis une zone centrale de l'enceinte ou cuve du digesteur. Cependant, ces solutions présentent certains inconvénients. Notamment, la nécessité de faire entrer et sortir le liquide caloporteur par l'extérieur de la cuve nécessite soit de limiter la taille de l'arbre du digesteur (avec une efficacité d'échange de chaleur réduite), soit d'augmenter la section de l'arbre et des zones d'étanchéité avec les parois d'extrémité de la cuve. De plus, pour des unités biogaz de grande longueur, alourdir l'agitateur peut poser des problèmes d'affaissement. [0006] En conséquence, il existe un besoin pour chauffer efficacement et mélanger le contenu d'un digesteur, d'une façon compatible avec une productivité satisfaisante et une taille d'unité importante. Solution technique [0007] L'invention propose d'améliorer la situation. [0008] A cet effet, il est prévu un ensemble agitateur pour un digesteur anaérobie, comportant un agitateur pourvu d'un arbre d'agitateur, s'étendant suivant un axe longitudinal, et dc bras raccordés radialcment à l'arbre d'agitateur, des moyens de support permettant dc maintenir l'agitateur de façon horizontale, l'arbre d'agitateur présentant une enveloppe externe tubulaire, s'étendant autour de l'axe longitudinal et destinée à être en contact avec de la matière présente dans une enceinte du digesteur par une paroi externe échangcusc (pour permettre de chauffer cette matière), l'agitateur étant adapté pour tourner autour dc l'axe longitudinal dans un état monté dans l'enceinte, l'arbre d'agitateur ayant en outre la particularité d'inclure : - une structure intérieure tubulaire, comprenant un tube intcrnc qui s'étend longitudinalement sous l'enveloppe externe de façon à délimiter une canalisation allongée pour la circulation d'un liquide caloporteur, entre le tube interne et l'enveloppe externe, la structure intérieure tubulaire présentant deux tenons axiaux de section transversale réduite par rapport à la section transversale de l'enveloppe externe, avec un premier tenon raccordé à une première terminaison du tube interne et un deuxième tenon raccordé à une deuxième terminaison du tube interne axialement opposée à la première terminaison, la canalisation étant alimentée en liquide caloporteur via un passage ou canal interne d'un des deux tenons ; et - un organe de purge d'air ayant une paroi délimitant une ouverture d'évacuation d'air distante de l'axe longitudinal et proche d'une face interne de la paroi externe échangeuse, l'ouverture d'évacuation d'air étant prévue/agencée pour former, une entrée d'une voie d'échappement d'air dans un point haut de la canalisation - pour une configuration horizontale de remplissage de la canalisation en liquide caloporteur, cette voie d'échappement d'air communiquant avec l'air ambiant extérieur, de préférence via un passage formé dans un creux ou dans un canal interne d'un ou des deux tenons, l'organe de purge d'air incluant un bord de l'ouverture d'évacuation d'air permettant 3 de délimiter un niveau maximal de remplissage de la canalisation en liquide caloporteur dans la configuration horizontale de remplissage. [0009] Avec cet agencement, l'arbre d'agitateur peut être efficacement rempli de liquide ca- loporteur dans une zone de circulation sous-jacente à la paroi externe échangeuse (paroi généralement cylindrique). L'ensemble agitateur est un ensemble agitateur-chauffeur fournissant une surface échangeuse aussi longue ou sensiblement aussi longue que l'enceinte de digesteur dans laquelle elle est mise en place (chaque tenon étant également en mesure de former une paroi externe échangcuse, dans des options de réalisation). La capacité de la canalisation allongée peut être typiquement supérieure à 100 litres, de préférence au moins égale à 4000 litres. De plus, le tube interne peut délimiter un espace vide (sans liquide) qui permet d'améliorer la flottabilité de l'arbre d'agitateur dans l'enceinte sans gêner l'échange thermique réalisé par la paroi externe. [0010] Le remplissage peut être complet, dans des options préférées. Cela permet, en tout cas, de mieux utiliser le volume disponible dans la canalisation, l'air initialement présent étant avantageusement chassé. En l'absence d'une voie d'échappement d'air, le remplissage du sous-volume de la canalisation situé plus haut que les tenons (par où le liquide peut entrer et s'évacuer) est impossible : l'air est piégé entre la surface du liquide et le plafond formé par l'enveloppe externe. Mais grâce à l'organe de purge qui s'étend jusqu'à un point haut dans la configuration de remplissage, on évite l'effet de piégeage d'air à l'intérieur de l'enveloppe externe qui doit être de plus grande section que les tenons. [0011] La paroi externe échangeuse peut être une paroi pleine, bien entendu imperméable pour conserver le liquide caloporteur dans la canalisation intérieure de l'arbre d'agitateur. [0012] Dans des formes de réalisation de l'ensemble d'agitation selon l'invention, on peut avoir recours à une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les deux tenons délimitent chacun un canal interne axial communiquant avec la canalisation, de préférence par au moins un trou ou passage radial. - les tenons sont adaptés pour former des saillies axiales sortant de l'enceinte respectivement à deux extrémités opposées de l'arbre d'agitateur, afin de faire circuler le liquide caloporteur entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte du digesteur (via ledit canal interne) ; on comprend que la canalisation peut s'étendre entre deux canaux internes formés chacun dans un tenon de l'arbre d'agitateur pour permettre une circulation unidirectionnelle du liquide caloporteur (pour une géométrie donnée des tenons, il est alors permis de réduire la durée de remplissage en utilisant sensiblement la totalité de la section creuse disponible d'un tenon côté entrée et sensiblement la totalité de la section creuse disponible d'un tenon côté sortie). - la structure intérieure tubulaire présente des couronnes annulaires de renforcement formées extérieurement sur le tube interne et réparties longitudinalement, en soutenant l'enveloppe externe dans différentes zones axialcment espacées entre elles (ceci permet un renforcement structurel de l'arbre d'agitateur, dans une zone interne sans interaction avec le mélange à agiter). - les couronnes annulaires de renforcement sont ajourées, en ayant de préférence des encoches adjacentes à l'enveloppe externe qui permettent au liquide caloporteur de circuler le long du tube interne d'une extrémité à l'autre de l'arbre d'agitation (on évite des pertes de charge en ayant plusieurs encoches pour former au total une section de passage comparable ou identique à celle prévue dans les tenons, un nombre d'au moins quatre ou huit encoches étant préférable pour répartir angulairement les passages). - chaque couronne a une encoche, adjacente à l'enveloppe externe, permettant une circulation d'air pendant la phase de remplissage en se situant en haut dans la configuration de remplissage (ces encoches pouvant être alignées entre elle suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal). - l'enveloppe externe comprend une première portion radiale entourant un premier des deux tenons et une deuxième portion radiale entourant un deuxième des deux tenons, ces portions radiales formant deux extrémités opposées de l'enveloppe externe (cette structure permet une position centrale des tenons et une robustesse de l'arbre d'agitateur, en assurant que la totalité de l'enveloppe externe s'étend à l'intérieur de l'enceinte de digesteur, les étanchéités tournantes étant réalisées autour des tenons plus étroits). - l'arbre d'agitateur inclut deux zones de circulation radiale dont l'une, située au niveau du premier tenon, s'étend axialement entre la première terminaison du tube interne et la première portion radiale du tube externe, et l'autre, située au niveau du deuxième tenon, s'étend axialement entre la deuxième terminaison du tube interne et la deuxième portion radiale du tube externe. - une entrée de liquide caloporteur est prévue, dans l'ensemble agitateur, du côté du premier tenon, l'ouverture d'évacuation d'air de l'organe de purge d'air étant placée dans la zone de circulation radiale qui est délimitée axialement entre la première terminaison du tube interne et la première portion radiale du tube externe, et délimitée radialement entre une portion du premier tenon et la paroi externe échangeuse. - la sortie est préférentiellement située du côté du deuxième tenon, ce qui permet de limiter la section de passage dans chacun des tenons. - une entrée de liquide caloporteur est prévue, dans l'ensemble agitateur, du côté du premier tenon, tandis que l'ouverture d'évacuation d'air de l'organe de purge d'air est placée dans ou adjacente à la zone de circulation radiale qui est délimitée axialement entre la deuxième terminaison du tube interne et la deuxième portion radiale du tube externe, et délimitée radialement entre une portion du deuxième tenon et la paroi externe échangcuse. - l'ouverture d'évacuation d'air est adjacente à un élément de barrage qui s'étend de façon annulaire autour du tube interne et oblige le liquide caloporteur à passer par l'ouverture d'évacuation d'air, au-dessus de l'élément de barrage annulaire pour se déverser depuis la canalisation vers la zone de circulation radiale, au moins dans la configuration horizontale de remplissage de la canalisation en liquide caloporteur. [0013] Selon une option préférée, l'organe de purge d'air comprend un tube coudé et/ou raccordé à l'un des tenons pour former l'ouverture d'évacuation d'air et la voie d'échappement d'air, ce tube ayant une paroi en matériau imperméable. Le tube peut être entièrement rigide pour maintenir sa position. L'utilisation d'un tube coudé ou connecté à un des trous radiaux d'un tenon évite de réduire la section de passage utile du tenon traversé/joint par cc tube, la section de passage du tube pouvant être étroite pour chasser l'air. De plus, l'ouverture d'évacuation peut être très proche de la paroi de l'enveloppe externe, afin d'obtenir un remplissage complet ou quasi complet de la canalisation. [0014] Selon une particularité, le tube formant l'ouverture d'évacuation d'air est coudé et présente une extension sensiblement verticale, dans ladite configuration de remplissage, entre l'ouverture d'évacuation d'air située plus haut qu'un niveau de hauteur des tenons et une zone coudée adjacente à un tronçon de la voie d'échappement d'air qui traverse horizontalement l'un des tenons. Ce type d'évacuation d'air permet un remplissage complet (plus proche de 90% ou 100%), plus avantageux encore qu'un remplissage optimisé par une simple découpe en haut d'un élément de barrage proche d'une extrémité de sortie pour le liquide caloporteur. [0015] La voie d'échappement d'air est conçue et agencée pour permettre de purger de l'air de la canalisation tout en maintenant le liquide caloporteur en pression (ce qui permet un chauffage en pression, le liquide caloporteur étant mis sous pression dans la canalisation pour des besoins de chauffage, par mise sous pression du circuit de liquide caloporteur). [0016] Optionnellement, le tube interne délimite un espace intérieur creux qui s'étend longi- tudinalement entre la première terminaison et la deuxième terminaison, en séparant de façon étanche l'espace intérieur creux et la canalisation pour la circulation du liquide caloporteur. [0017] Dans un mode de réalisation préféré, on prévoit dans l'ensemble agitateur des moyens de repérage en position angulaire permettant de placer l'arbre d'agitateur dans la configuration horizontale de remplissage, les moyens de repérages étant par exemple conçus pour visualiser et/ou caler une position angulaire de l'arbre d'agitateur dans laquelle l'ouverture d'évacuation d'air est au plus haut. [0018] Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de remplissage en liquide 6 caloporteur d'un ensemble agitateur équipant un digesteur anaérobie, utilisant un agitateur pourvu d'un arbre d'agitateur et de bras raccordés radialemcnt à l'arbre d'agitateur, maintenu de façon horizontale et adapté pour tourner autour de son axe longitudinal dans un état monté dans une enceinte du digesteur, l'arbre d'agitateur présentant d'une part une enveloppe externe tubulaire, s'étendant autour de l'axe longitudinal et destinée à être en contact avec de la matière présente dans une enceinte du digesteur par une paroi externe échangeuse, et d'autre part une structure intérieure tubulaire comprenant un tube interne qui s'étend longitudinalement sous l'enveloppe externe de façon à délimiter une canalisation allongée pour la circulation d'un liquide caloporteur, entre le tube interne et l'enveloppe externe , la structure intérieure tubulaire présentant deux tenons axiaux de section transversale réduite par rapport à la section transversale de l'enveloppe externe, avec un premier tenon raccordé à une première terminaison du tube interne et un deuxième tenon raccordé à une deuxième terminaison du tube interne axialement opposée à la première terminaison, le procédé comprenant les étape consistant essentiellement à : - placer l'arbre d'agitateur dans une configuration horizontale de remplissage, de façon à positionner une ouverture d'évacuation d'air dans un point haut de la canalisation, à distance de l'axe longitudinal et proche d'une face interne de la paroi externe échangeuse; - réaliser un remplissage de la canalisation en liquide caloporteur, en alimentant en liquide caloporteur la canalisation via un passage ou canal interne d'un des cieux tenons (11) ; et - purger de l'air à proximité de ladite face interne de la paroi externe échangeuse pendant le remplissage, par utilisation de l'ouverture d'évacuation d'air qui forme une entrée d'une voie d'échappement d'air communiquant avec l'air ambiant extérieur, de préférence via un passage formé dans un creux ou dans un canal interne d'un des tenons. [0019] Comme cela ressort de la discussion ci-dessus, le procédé de remplissage permet d'obtenir un taux de remplissage important dans une zone de circulation périphérique délimitée autour d'un tube interne (tube creux) et évite avantageusement d'agrandir les passages des tenons, qui peuvent être moins larges que l'arbre d'agitateur mis en contact avec la matière à chauffer. On peut utiliser l'ensemble agitateur pour chauffer de la matière présente dans un réacteur/enceinte d'un digesteur (qui peut dépasser 20 mètres le cas échéant), pendant la rotation de l'agitateur autour d'un axe horizontal. [0020] 11 est permis de purger l'air de façon simple, y compris pour une opération de rem- plissage de liquide lorsque l'arbre de l'ensemble agitateur est immergé dans la biomasse, et également pendant le fonctionnement. Lors du remplissage par un fluide caloporteur, la purge de l'air s'effectue en utilisant une zone creuse d'un des tenons. 7 Avec un remplissage optimal en liquide et une surface externe échangeuse de grand diamètre, par exemple supérieur ou égal à 500 mm, la température du mélange en cours de fermentation peut être homogène sous l'action combinée du chauffage par le centre et l'agitation. Bien entendu, un chauffage sur un côté peut aussi compléter le chauffage par l'ensemble agitateur, ce qui peut être nécessaire pour chauffer les zones périphériques. Brève description des dessins [0021] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse des dessins annexés, sur lesquels : [fig.I1 la figure 1 est une vue en coupe longitudinale verticale qui illustre une enceinte d'un digesteur anaérobie équipée d'un ensemble agitateur conforme à l'invention ; [fig.2] la figure 2 est une vue en perspective montrant l'agitateur utilisé dans la figure 1 et permettant d'illustrer un exemple de répartition pour les bras d'agitation ; [fig.3A] la figure 3A est une vue en coupe schématique d'une extrémité de l'arbre d'agitateur dans un exemple de réalisation ; [fig.313] la figure 3B est une vue en coupe schématique de l'autre extrémité de l'arbre d'agitateur, dans le même exemple de réalisation que celui de la figure 3A ; [fig.4] la figure 4 est une vue en perspective montrant le même type d'extrémité que celui représenté à la figure 3A et des détails non limitatifs de réalisation ; [fig.5] la figure 5 est un schéma représentant l'évolution d'un remplissage en liquide ca- loporteur selon une première option, montrant la position schématique de composants principaux de l'arbre d'agitateur et l'évolution du niveau de remplissage lorsqu'on utilise un tube coudé tel que montré sur les figures 3A et 4 ; [fig.6] la figure 6 est du même genre que la figure 4 mais montre une extrémité de l'arbre d'agitateur du côté de la sortie de liquide caloporteur, avec un élément de barrage spécifique agencé de façon annulaire sur le tube interne ; [fig.7] la figure 7 est un schéma représentant l'évolution d'un remplissage en liquide ca- loporteur selon une deuxième option, montrant la position schématique de composants principaux de l'arbre d'agitateur et l'évolution du niveau de remplissage lorsqu'on 8 utilise un élément de barrage surmonté d'une ouverture d'évacuation d'air comme montré sur la figure 6. Description des modes de réalisation [0022] Un ensemble agitateur selon un mode de réalisation de l'invention et un digesteur anaérobie 1 intégrant un tel ensemble agitateur sont décrit ci-dessous en référence aux dessins. [0023] Comme visible sur la figure 1, le digesteur anaérobie 1 comprend une enceinte 2, formant un réacteur ou fermenteur pour recevoir la matière, alimentée à une entrée qui est placée par exemple à une extrémité de l'enceinte. Après un temps de séjour relativement long, la matière est extraite par une sortie pouvant être située à l'autre extrémité. La biomasse constituée par cette matière est traitée, entre l'entrée et la sortie (non représentées), en étant mélangée et chauffée dans le volume V de l'enceinte 2. Ainsi, la méthanisation peut se dérouler correctement, le mélange dans le volume V étant thermiquement homogène et sa température étant contrôlée et/ou régulée pour qu'il n'y ait pas de brusque variation de température. [0024] Dans l'exemple représenté, le digesteur 1 comprend un ensemble agitateur ayant une fonction de chauffage et incluant un agitateur 10 à extension horizontale pour traverser l'enceinte 2, ici d'une extrémité à l'autre de l'enceinte 2 (suivant la direction longitudinale du digesteur 1). L'agitateur 10 comprend un arbre d'agitateur 15 qui présente intérieurement deux zones creuses dont l'une est un espace intérieure creux 20 d'un tube interne 31 et l'autre est une canalisation C2 délimitée entre le tube interne 31 et une enveloppe externe 32 définissant la surface extérieure échangeusc de l'arbre d'agitateur 10. L'agitateur 10 inclut aussi une pluralité de bras d'agitation 14 raccordés chacun à l'arbre 15, typiquement avec une jonction radiale. Chaque bras 14 peut présenter une forme générale de "U", avec deux branches parallèles de raccordement à l'enveloppe externe 32. Bien entendu, d'autres options de réalisation structurelle des bras d'agitation 14 peuvent être utilisées, par exemple avec une forme de "T", des pales d'agitation torsadée ou présentant des courbures, ou autres conformations adaptées pour une action d'agitation. [0025] L'agitateur 10, ici du type mélangeur à pales ou bras 14 étagés sur la longueur de l'enveloppe 32 de l'arbre d'agitateur 15, est monté horizontalement dans l'enceinte 2, en étant supporté par des moyens de support 6a, 6b pourvus de paliers. Comme visible sur les figures 4 et 6, de tels moyens de support (dont seulement une partie est illustrée pour des raisons de clarté des dessins) sont répartis de part et d'autre de l'enceinte 2, ici de part et d'autre de plaques 22 solidaires de parois d'extrémité de l'enceinte, et situés plus à l'extérieur que des systèmes d'étanchéité (de type presse-étoupe par exemple). 9 [0026] Sur l'exemple non limitatif des figures 1 et 2, on a représenté un agitateur 10 ayant un total de quinze pales ou bras d'agitation 14. Chaque pale est munie d'une cuillère, avec une surface concave, dans la portion formant la hase de la forme en « U », distalc de l'arbre d'agitateur 15. L'agitateur 10 est amovible pour une installation et un remplacement aisé. Il passe à travers l'enceinte 2 du digesteur 1, ici à travers des éléments de paroi métalliques constituant des plaques 22 également amovibles avec le reste de l'agitateur 10. De telles plaques 22 participent à réaliser une étanchéité intérieur/ extérieur. L'ensemble amovible peut constituer tout ou partie de l'ensemble agitateur selon l'invention. [0027] Pour cc qui concerne l'actionnement de la rotation de l'agitateur 10, on dispose de nombreuses options. Par exemple, un système d'actionnement peut se composer d'une roue à dents droites, une chaîne, un pignon, un réducteur, un moteur. Dans une autre option, on peut prévoir une roue dentée dite rochet, un vérin qui lors de son extension met en rotation la roue en s'appuyant sur une des dents de la roue, un cliquet pour prévenir la rotation de la roue dans l'autre sens lors de la rétractation du vérin. Suivant encore une autre option, un moteur peut entraîner un train épicycloïdal. Dans tous les cas, on réalise une rotation autour d'un axe longitudinal X, horizontal, de l'agitateur 10, par entraînement depuis une extrémité 15a et/ou 15h de l'arbre d'agitateur 15. [0028] Le système d' actionnement peut être situé en face avant ou arrière du digesteur 1. Les composants d'actionnement et d'entraînement ne sont pas illustrés car ils ne constituent pas des éléments importants au regard du type de problème à résoudre comme déjà discuté plus haut. [0029] Typiquement, on prévoit d'entraîner en rotation l'agitateur 10 par des extrémités, constituées ici par des tenons 11, 12 formant des saillies axiales El, E2 de l'arbre d'agitateur 15. Ces tenons 11, 12 sortent de l'enceinte 2, respectivement à deux extrémités opposées 15a, 15b de l'arbre d'agitateur 15. On comprend que le mode d'entraînement en rotation de l'agitateur 10 est compatible avec un passage d'un liquide caloporteur LC vers des zones creuses de l'agitateur, en particulier la canalisation C2. Le ou les tenons 11, 12 jouent un rôle dans cette circulation, pour acheminer le liquide LC depuis une entrée de liquide 7 et/ou pour l'évacuer vers une sortie de liquide 8. [0030] Ainsi, afin de chauffer la matière dans le volume V interne de l'enceinte 2, on peut utiliser une ou plusieurs zones de chauffage dont la canalisation C2, dans laquelle circule un liquide caloporteur LC depuis une entrée 7 située en dehors de l'enceinte 2 du digesteur 1. Un circuit interne à l'agitateur 10, pour faire circuler le liquide caloporteur LC autour de l'espace intérieur creux 20, est avantageux pour chauffer la matière au coeur du digesteur sans pour autant trop alourdir l'agitateur 10. Le liquide caloporteur LC peut sortir de la même façon, de préférence par un côté opposé. En effet l'arbre d'agitateur 15 peut présenter un volume de remplissage en liquide caloporteur inférieur à la moitié, et par exemple inférieur au tiers, du volume total intérieur délimité par l'enveloppe externe 32. Lorsque l'enveloppe est cylindrique, elle présente un diamètre D supérieur au diamètre intérieur d2 du tube interne 31 et la relation suivante peut être satisfaite : 0,5