Brevet FR3157220A1 — publié le 20250627

Procédé de purification d’un gaz Procédé de purification d’un gaz par radiolyse des impuretés contenues dans le gaz, le procédé comportant l’irradiation du gaz par au moins un rayonnement électromagnétique et/ou particulaire, l’énergie portée par au moins une, de préférence chaque, particule du rayonnement étant inférieure ou égale à 300 keV. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de purification d’un gaz La présente invention concerne un procédé de purification des gaz et des effluents gazeux, notamment par faisceau d'électrons. L’injection de biométhane (mélange de CH 4 et de diverses impuretés) dans les réseaux de transport et de stockage existants en vue de son utilisation pour un usage industriel ou particulier, nécessite de contrôler sa teneur en impuretés jusqu’à des teneurs de l’ordre du ppm ( i.e. partie par million). Un tel contrôle est nécessaire pour répondre aux exigences de la règlementation en vigueur et à celles, supplémentaires, de l’utilisateur industriel. Pour répondre à ce besoin, le gaz est traité lors de sa circulation dans un système d’épuration des gaz qui comprend généralement plusieurs étages de filtration. Plusieurs technologies existantes d’épuration du biogaz permettent la production de biométhane compatible avec les spécifications des réseaux. On note par exemple le lavage à l’eau, le lavage aux amines et l’adsorption par inversion de pression, qui sont des technologies adaptées aux moyennes et grandes installations, ainsi que l’épuration membranaire, qui est plus adaptée aux petites installations. L’émergence de nouvelles technologies d’épuration de biogaz est également observée, telles que la cryogénie, la catalyse assistée par plasma froid ou la radiolyse. Le lavage aux amines et la cryogénie sont par exemple des technologies dont la mise en œuvre est spécifique à des débits élevés de biogaz, ou des biogaz très pollués et sont peu adaptées au contexte de la méthanisation agricole ou territoriale. Le lavage à l’eau entraîne généralement un enrichissement du gaz en oxygène et en azote, donc en impuretés. L’épuration membranaire ne permet généralement pas de séparer le méthane et l’azote. Par ailleurs, les membranes ont tendance à s’encrasser ce qui limite l’efficacité de l’épuration. Enfin, l’adsorption par inversion de pression entraîne des pertes de méthane, ce qui n’est généralement pas souhaité lors de l’épuration. Il existe dans la littérature des systèmes de filtration par catalyse, par exemple comme décrit dans Y. Lu et al. , « Catalytic Removal of Oxygen and Pollutants in Exhaust Gases from Pressurized Oxy-Combustors » (2019), doi : 10.2172/1716839, mais qui présentent des problèmes de stabilité dans le temps. De tels systèmes de filtration sont de plus dimensionnés généralement pour les conditions les plus pénalisantes. De plus les catalyseurs équipant ces systèmes de filtration ont des durées de vie limitées en raison du caractère très mélangé des biogaz. Ce procédé d’épuration présente des coûts prohibitifs pour la filière de la méthanisation. A l'heure actuelle, une autre technologie connue pour dépolluer des gaz met en œuvre un ou des faisceaux d'électrons produits par des accélérateurs. Cependant, l’énergie de ces faisceaux d’électrons, généralement de plusieurs MeV, est trop élevée pour interagir efficacement avec les milieux dilués comme les gaz. En outre, l’exploitation de cette technologie nécessite de respecter de nombreuses contraintes liées à la radioprotection. Parmi les sources de rayonnement pouvant activer les gaz (Gamma, Rayons X, UV, électrons), les accélérateurs sont les moins couteuses. A ce jour, la dépollution par faisceaux d’électrons n’est mise en œuvre, dans le monde, que dans quelques rares usines prototypes de taille importante, où l’investissement est justifiable. La puissance en Watt (W) du faisceau d’électrons est reliée à la concentration en impuretés par la formule suivante : P ≥ F*D*C/G*1.24*10 -8 , où : D est le débit de gaz exprimé en Nm 3 /h, G est le rendement radiolytique de la conversion exprimé en Mol/J qui dépend de la pression et de la température du gaz et de l’énergie des particules du faisceau, C est la concentration du gaz en impuretés, exprimée en ppm, F, supérieur à 0 et inférieur à 1, est la fraction de l’énergie du faisceau d’électrons absorbée dans le gaz. Cette formule implique qu’un faisceau plus énergétique permet de traiter une plus grande épaisseur de gaz. Cependant, les besoins en radioprotection évoluent de façon quasiment exponentielle en fonction de l’énergie du faisceau, ce qui rend contraignante la construction d’une installation apte à générer un rayonnement de haute énergie. Il existe donc un besoin pour un procédé de dépollution d’un gaz qui soit plus simple à mettre en œuvre que les procédés actuels, de préférence sans ajout de réactifs, sans injection de molécules indésirables, limitant les pertes de gaz par fuite, et qui en particulier puisse être exploité dans des infrastructures de petite taille. L’invention a pour objet un procédé de purification d’un gaz par radiolyse des impuretés contenues dans le gaz, le procédé comportant l’irradiation du gaz par au moins un rayonnement électromagnétique et/ou particulaire, l’énergie portée par au moins une, de préférence chaque, particule du rayonnement étant inférieure ou égale à 300 keV. L’invention fournit ainsi une solution technique permettant un traitement généraliste des impuretés dans un gaz, de mise en œuvre simple en générant un rayonnement électromagnétique et/ou un rayonnement particulaire de basse énergie. L’invention permet, par l’irradiation du gaz par le rayonnement électromagnétique et/ou particulaire, de déclencher des réactions chimiques consommant les impuretés contenues dans le gaz. Lorsque le gaz est un biométhane, les composés ainsi produits par irradiation des impuretés, par exemple le méthanol et l’acide formique, sont plus lourds que le biométhane avant traitement par le procédé. Ils peuvent donc être isolés facilement, par exemple par condensation ou absorption. Le procédé selon l’invention peut être exploité au moyen d’un dispositif compact, simple d’utilisation et de maintenance, à la différence des dispositifs existants. Par exemple, le dispositif peut être transféré d’une installation à une autre, par exemple sans démontage et par simple convoyage avec un engin de manutention. La génération du rayonnement électromagnétique et/ou particulaire de basse énergie peut permettre de s’affranchir de moyens de radioprotection spécifiques. Elle présente par ailleurs l’avantage que les particules présentent ainsi une forte interaction avec les milieux dilués. Le gaz à purifier peut être stocké et/ou peut s’écouler dans un contenant, par exemple un réservoir ou une conduite. Rayonnement L’énergie portée par ladite particule du rayonnement est de préférence comprise entre 1 eV et 300 keV, mieux entre 1eV et 100 keV, encore mieux entre 1 eV et 20 keV. Ladite particule peut être un électron ou un photon. Le rayonnement peut être émis à partir d’au moins une source d’émission choisie parmi une source à électrons continue, une source à électrons pulsée, une source à rayons X, une source à rayons gamma, une source à rayons béta, une source à rayons alpha, une source à rayons UV, une source à rayons VUV et une source d’ions lourds. Agencement des sources La source d’émission peut présenter une faible taille, étant adaptée à émettre un rayonnement de basse énergie. Avantageusement, le procédé peut comporter l’émission du rayonnement avec plusieurs sources d’émission, par exemple agencées en réseau, notamment afin de couvrir des zones de traitement importantes. Le rayonnement peut être émis par un réseau de sources d’émission, notamment un réseau comportant au moins quatre sources d’émission, mieux dix sources d’émission. Le réseau de sources d’émissions permet de proposer une souplesse d'utilisation et une efficacité énergétique meilleures que les solutions existantes, souvent disproportionnées. En variante, le rayonnement peut être émis par une unique source d’émission. Le rayonnement peut être émis à partir d’au moins une source d’émission logée à l’intérieur du contenant. Le rayonnement peut être émis à partir d’au moins une source d’émission située hors du contenant. Par exemple, dans la variante où le rayonnement est émis à partir de plusieurs sources, lesdites sources sont disposées régulièrement autour de la canalisation. Contenant La paroi du contenant peut être métallique et/ou en matière plastique. Elle peut optionnellement être recouverte d’un matériau catalyseur. Le gaz à purifier peut s’écouler dans la conduite selon un débit massique compris entre 1 Nm 3 /h et 10000 Nm 3 /h. Un normo mètre cube Nm 3 du gaz à purifier est égal au volume qu’occuperait ledit gaz à purifier à une température de 0 °C et sous une pression de 101 325 Pa. Le contenant peut avoir une section transversale circulaire. En variante, le contenant a une section transversale polygonale. Le contenant peut avoir un diamètre intérieur compris entre 0.01 m et 10m. Par diamètre intérieur, il faut comprendre le diamètre du plus petit cercle inscrit dans la section transversale du contenant. Gaz et impuretés Les impuretés peuvent appartenir au groupe comportant le dioxygène O 2 , les siloxanes, le sulfure d’hydrogène H 2 S, le dioxyde de carbone CO 2 , les COV (Composés Organiques Volatiles), l’ammoniac NH 3 , l’azote N 2 , les oxydes de soufre SO x et les oxydes d’azote NO x . Le gaz peut être choisi parmi un hydrocarbure, notamment le méthane, le dihydrogène, un biogaz, notamment issu de la biométhanisation, un gaz issu de la pyrogazéification, et leurs mélanges. Le procédé selon l’invention peut permettre de dépolluer des gaz dans des sites industriels ou agricoles, en sortie de cheminée par exemple et/ou de valoriser des gaz. Le procédé selon l’invention peut comporter la mesure d’une teneur en impuretés dans le gaz, notamment par détection des rayons X émis par les impuretés sous l’action du rayonnement et/ou par analyse d’un prélèvement de gaz, par exemple par chromatographie gazeuse et/ou par spectrométrie de mobilité ionique. Le procédé selon l’invention peut comporter la modulation de la puissance du rayonnement en fonction de la mesure de la teneur en impuretés dans le gaz. Le procédé selon l’invention peut comporter la modulation de la puissance du rayonnement en fonction du régime de fonctionnement de l’installation (continu, intermittent, par cycle) et du débit du gaz. Le procédé selon l’invention peut comporter la purification du gaz par un dispositif additionnel, notamment par une membrane. Le procédé peut être couplé à des procédés d’épuration existants basés sur d’autres technologies (filtration, plasmas froids etc…) Installation L’invention a encore pour objet une installation, notamment pour la mise en œuvre du procédé, l’installation comportant : un contenant conformé pour le stockage ou l’écoulement d’un gaz, au moins une source d’émission, notamment une, agencée pour émettre un rayonnement électromagnétique et/ou particulaire formé par au moins une particule d’énergie inférieure ou égale à 300 keV et pour irradier le gaz avec ledit rayonnement, et de préférence un dispositif de condensation pour collecter par condensation les composés produits par l’irradiation des impuretés contenues dans le gaz par le rayonnement émis par la source. La source d’émission peut être logée à l’intérieur du contenant. En variante, la source d’émission est située hors du contenant. L’installation peut comporter une pluralité de sources d’émission d’un rayonnement agencées pour émettre, chacune, au moins une particule d’énergie inférieure ou égale à 300 keV en direction du gaz. La pluralité de sources d’émission peut être à l’intérieur du contenant. En variante, les sources d’émission peuvent être régulièrement disposées sur une portion annulaire du contenant. L’installation peut comporter un premier dispositif additionnel de purification du gaz, notamment une membrane. L’installation peut comporter un deuxième dispositif additionnel de détection du taux d’impuretés dans le gaz. Ce deuxième dispositif additionnel permet notamment de moduler la puissance du rayonnement en fonction du taux d’impuretés. Le deuxième dispositif additionnel peut comporter un détecteur de rayons X émis par les impuretés, l’émission étant déclenchée par l’irradiation des impuretés par le rayonnement électromagnétique et/ou particulaire. En variante, le deuxième dispositif additionnel peut être agencé pour analyser directement le gaz, notamment par mobilité ionique ou chromatographie gazeuse. L‘invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, présentés à titre illustratif et non limitatif, et du dessin annexé dans lequel : FIG. 1 illustre une section longitudinale, schématique et partielle, d’un exemple d’installation selon l’invention, FIG. 2 illustre une section transversale, schématique et partielle, de quatre exemples de réalisation de l’installation selon l’invention, FIG. 3 illustre une section longitudinale, schématique et partielle, d’une variante de réalisation de l’installation illustrée sur la FIG. 1 , et FIG. 4 illustre une section transversale, schématique et partielle, d’un autre exemple d'installation selon l’invention. Description détaillée On a illustré à la FIG. 1 une installation 1 comportant une conduite 2 de gaz G et une source 3 d’électrons, configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique et/ou particulaire en direction du gaz G s’écoulant dans la conduite. La paroi 20 de la conduite 2 peut être métallique et/ou en matière plastique. Elle peut optionnellement être recouverte d’un matériau catalyseur. La conduite a un diamètre intérieur d de préférence compris entre 0.01 m et 10 m. La source 3 émet des électrons dont l’énergie est comprise entre 1 eV et 20 keV. La source 3 peut être une source à émission continue ou pulsée. La source 3 est notamment photo-déclenchée, par exemple par laser ou par LED, ou par une lampe VUV. La dimension la plus grande L de la source 3 est par exemple comprise entre 5 mm et 100 mm, mieux entre 20 mm et 50 mm. Par « dimension la plus grande », on entend le diamètre du cercle circonscrit à la plus grande section de la source 3. Le gaz G est par exemple un hydrocarbure, notamment le méthane, ou le dihydrogène. En variante le gaz G est un biogaz, notamment issu de la biométhanisation, ou un gaz issu de la pyrogazéification. Des impuretés peuvent être présentes dans le gaz G. Il s’agit notamment de l’oxygène, des siloxanes, du sulfure d’hydrogène, de l’ammoniac, ou des composés organiques volatiles, de l’azote et des oxydes de soufre et d’azote Lors du passage du gaz G devant la source, le gaz est irradié par le rayonnement électromagnétique et/ou particulaire, ce qui induit une ou plusieurs réactions chimiques dont les impuretés sont des réactifs et qui produisent des composés I. Les composés I produits par l’irradiation des impuretés sont par exemple le méthanol, l’acide formique, l’acide acétique, l’eau, ou tout produit d’oxydation du méthane. Ces composés I sont de préférence plus lourds que le gaz G et peuvent donc être isolés par condensation par exemple, notamment au moyen d’un dispositif de condensation 7. On a illustré à la FIG. 2 quatre exemples A, B, C et D, de réalisation de l’installation 1 selon l’invention, se différenciant par leur nombre de sources 3 de rayonnement et la disposition de ces dernières. Les électrons peuvent être émis à partir d’au moins un réseau 33 de sources 3 logées à l’intérieur de la conduite 2, comme cela est illustré aux figures 2B et 2D. En variante, les électrons sont émis à partir d’au moins une source 3 située hors de la conduite 2, comme illustré aux figures 2A et 2C. La source 3 est, dans ces exemples, de préférence directement en contact avec la conduite 2, notamment en regard de celle-ci. La conduite comporte notamment une fenêtre d’extraction du rayonnement vers le gaz, non représentée sur les figures, ladite fenêtre réalisant une interface entre la source 3 et le gaz. La figure 2A illustre un exemple de réalisation de l’installation 1 comportant une unique source 3 situé hors de la conduite 2 et agencée pour émettre des électrons directement en direction du gaz. La figure 2B illustre un exemple de réalisation de l’installation 1 comportant deux réseaux 33 de sources 3 logées à l’intérieur de la conduite 2, au niveau d’une même section transversale de la conduite 2. Chaque réseau 33 comporte par exemple deux lignes de huit sources 3, chaque source étant orientée en direction du gaz G, en direction de la paroi ou d’une zone centrale de la conduite. Les deux lignes de sources de chaque réseau 33 sont de préférence orientées dans des directions opposées. Les alignements des sources 3 dans les deux réseaux 33 sont par exemple dans la même direction. La figure 2C illustre un exemple de réalisation de l’installation 1 comportant une pluralité de sources 3, situées hors de la conduite 2, au niveau d’une même section transversale de la conduite 2. Les sources 3 sont de préférences agencées sous forme de cercle, sur la périphérie de la conduite 2. Les sources 3 sont orientées de manière à émettre des électrons dans le gaz G. Les sources 3 sont de préférences équi-réparties autour de la conduite 2. Les zones soumises au rayonnement d’au moins deux desdites sources 3 sont de préférence au moins partiellement superposées. De préférence, au niveau d’une même section transversale de la conduite 2, toute la surface de la section est soumise au rayonnement. La figure 2D illustre un exemple de réalisation de l’installation 1 comportant un réseau 33 de sources 3 logées à l’intérieur de la conduite 2. Les sources 3 du réseau 33 sont par exemple organisées le long d'un cercle centré sur l'axe d'extension de la conduite 2 et transversal audit axe, chaque source 3 étant orientée pour diriger le faisceau qu’elle émet selon un vecteur comportant une composante radiale et une composante orthoradiale, en direction de la paroi de la conduite, en direction du gaz G. L’espace A au centre du cercle est de préférence vide de gaz G, étant notamment utilisé pour les servitudes électriques des sources. Dans une variante de réalisation, l’installation peut comporter une mesure de la teneur en impuretés dans le gaz G. L’installation peut notamment comporter un détecteur 4 agencé pour détecter les rayons X émis par les impuretés irradiées par le rayonnement électromagnétique et/ou particulaire. Le détecteur 4 est par exemple situé hors de la conduite 2, au niveau de la même section transversale que la ou les sources 3. Cette détection permet de moduler la puissance du rayonnement électromagnétique en fonction de la mesure de la teneur en impuretés dans le gaz G. De préférence, le détecteur 4 est en contact avec la conduite et en regard de celle-ci. Dans une autre variante de réalisation, l’installation comporte un dispositif annexe de purification du gaz. On a ainsi illustré à la FIG. 4 , une installation 1 selon l’invention comportant une membrane 5 contribuant à la purification du gaz G. La membrane 5 s’étend par exemple sur toute la longueur de la conduite 2 dans une direction, et sur le diamètre de la conduite 2 dans une autre direction. La membrane 5 est par exemple un matériau perméable au méthane mais pas au CO 2 . De nombreuses modifications peuvent être apportées à l’installation qui vient d’être décrite, sans que l’on ne sorte du cadre de la présente invention. Procédé de purification d’un gaz par radiolyse des impuretés contenues dans le gaz, le procédé comportant l’irradiation du gaz par au moins un rayonnement électromagnétique et/ou particulaire, l’énergie portée par au moins une, de préférence chaque, particule du rayonnement étant inférieure ou égale à 300 keV. Procédé selon la revendication 1, le rayonnement électromagnétique et/ou particulaire étant émis à partir d’au moins une source d’émission choisie parmi une source à électrons continue, une source à électrons pulsée, une source à rayons X, une source à rayons gamma, une source à rayons béta, une source à rayons alpha, une source à rayons UV, une source à rayons VUV et une source d’ions lourds. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, l’énergie portée par ladite particule du rayonnement étant comprise entre 1 eV et 300 keV, mieux entre 1eV et 100 keV, encore mieux entre 1 eV et 20 keV. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant l’émission du rayonnement électromagnétique avec plusieurs sources d’émission, par exemple agencées en réseau, le réseau comportant par exemple au moins quatre sources d’émission, mieux dix sources d’émission. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, le rayonnement électromagnétique étant émis par une unique source d’émission. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le gaz à purifier étant stocké et/ou s’écoulant dans un contenant, par exemple un réservoir ou une conduite. Procédé selon la revendication 6, le gaz à purifier s’écoulant dans la conduite selon un débit massique compris entre 1 Nm 3 /h et 10000 Nm 3 /h. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les impuretés appartenant au groupe comportant le dioxygène O 2 , les siloxanes, le sulfure d’hydrogène H 2 S, le dioxyde de carbone CO 2 , les composés organiques volatiles, l’ammoniac NH 3 , l’azote N 2 , les oxydes de soufre SO x et les oxydes d’azote NO x . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le gaz étant choisi parmi un hydrocarbure, notamment le méthane, le dihydrogène, un biogaz, notamment issu de la biométhanisation, un gaz issu de la pyrogazéification, et leurs mélanges. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant la mesure d’une teneur en impuretés dans le gaz, notamment par détection des rayons X émis par les impuretés et/ou par analyse d’un prélèvement de gaz, par exemple par chromatographie gazeuse et/ou par spectrométrie de mobilité ionique. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’installation comportant : - un contenant conformé pour le stockage ou l’écoulement d’un gaz, - au moins une source d’émission agencée pour émettre un rayonnement électromagnétique et/ou particulaire formé par au moins une particule d’énergie inférieure ou égale à 300 keV et pour irradier le gaz avec ledit rayonnement, et. -de préférence, un dispositif de condensation (7) pour collecter par condensation les composés produits par l’irradiation des impuretés contenues dans le gaz par le rayonnement émis par la source.