FR3122839A1 - Installation et Procédé de production de gaz de synthèse présentant un moyen de limiter les émissions de CO2 par récupération de chaleur - Google Patents
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Abstract
Installation de production de gaz de synthèse comprenant :
Un digesteur permettant de produire du biogaz,Un mélangeur M permettant de mélanger le biogaz avec de la vapeur,Une unité de reformage du biogaz comprenant une chambre de combustion et permettant de produire du gaz de synthèse à partir du mélange de biogaz et de vapeur,Un système de récupération de la chaleur des fumées de combustion issues de l’unité de reformage, ladite chaleur permettant de produire de la vapeur,Une chaudière de récupération de chaleur permettant de refroidir le gaz de synthèse et de produire de la vapeur, etUn moyen d’introduire au moins une partie de la vapeur issue du système de récupération de chaleur et/ou de la chaudière de récupération de chaleur dans le mélangeur M.
Description
La présente invention est relative à une installation de production de gaz de synthèse avec des émissions de CO2 réduites par reformage direct de biogaz, c'est-à-dire reformage de biogaz sans séparation préalable du méthane et du CO2 et à un procédé mettant en œuvre une telle installation.
Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l'absence d'oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s'agir d'une dégradation naturelle - on l'observe ainsi dans les marais ou les décharges d'ordures ménagères - mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, appelé méthaniseur ou digesteur.
De par ses constituants principaux - méthane et dioxyde de carbone - le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d'énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles.
Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables en fonction du mode d'obtention mais également, en moindres proportions de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces.
Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de CO2, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces.
Le biogaz est valorisé de différentes manières. On notera en particulier la production à partir de biogaz de gaz de synthèse (mélange de H2 et CO) et donc par la suite d’hydrogène.
Le risque de reformage direct du biogaz réside dans la formation de carbone par craquage du méthane à l'entrée des tubes de reformage. Ceci est dû à la présence d'une concentration élevée de CO2 et d'une faible teneur en vapeur d'eau dans le mélange entrant dans les tubes de reformage.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une installation et un procédé de production de gaz de synthèse présentant un moyen de limiter les émissions de CO2.
Une solution de la présente invention est une installation de production de gaz de synthèse comprenant :
- Un digesteur permettant de produire du biogaz,
- Un mélangeur M permettant de mélanger le biogaz avec de la vapeur,
- Une unité de reformage du biogaz comprenant une chambre de combustion et permettant de produire du gaz de synthèse à partir du mélange de biogaz et de vapeur,
- Un système de récupération de la chaleur des fumées de combustion issues de l’unité de reformage, ladite chaleur permettant de produire de la vapeur,
- Une chaudière de récupération de chaleur permettant de refroidir le gaz de synthèse et de produire de la vapeur, et
- Un moyen d’introduire au moins une partie de la vapeur issue du système de récupération de chaleur et/ou de la chaudière de récupération de chaleur dans le mélangeur M.
Notons que l’installation de production de gaz de synthèse pourra être comprise dans une installation de production d’hydrogène.
Cette installation de production d’hydrogène comprendra :
- L’installation de production de gaz de synthèse selon l’invention,
- Un réacteur de gaz à l’eau (WGS) permettant de convertir le monoxyde de carbone du gaz de synthèse refroidi en hydrogène, et
- Un moyen de récupération de l’hydrogène en sortie du réacteur de gaz à l’eau.
De préférence cette installation de production d’hydrogène comprendra en aval du réacteur de gaz à l’eau une unité de purification par adsorption (PSA) permettant de purifier l’hydrogène. Notons que les gaz d’échappement de l’unité PSA pourront être utilisés comme combustible des brûleurs de l’unité de reformage
Selon le cas l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- l’installation comprend en amont du mélangeur M un compresseur et une unité de prétraitement du biogaz permettant d’éliminer des impuretés présentes dans le biogaz.
- L’installation comprend un moyen de chauffer le digesteur à l’aide d’au moins une partie de la vapeur issue du système de récupération de chaleur.
- l’unité de reformage comprend un catalyseur en nickel ou en nickel-rhodium.
La présente invention a également pour objet un procédé de production de gaz de synthèse mettant en œuvre une installation selon l’invention et comprenant :
- Une étape de fermentation anaérobie dans le digesteur de manière à produire du biogaz,
- Une étape de mélange du biogaz avec de la vapeur dans le mélangeur M,
- Une étape de reformage du biogaz à partir du mélange biogaz-vapeur, comprenant une sous-étape de combustion d’un gaz combustible, de manière à produire du gaz de synthèse,
- Une étape de récupération de la chaleur des fumées de combustion issues du reformage de manière à produire de la vapeur,
- Une étape de récupération de la chaleur du gaz de synthèse issu du reformage de manière à refroidir ledit gaz de synthèse et à produire de la vapeur, et
- Une étape d’introduction d’au moins une partie de la vapeur produite aux étape iv et v dans le mélangeur M.
Le procédé selon l’invention décrit ici produit d'une part du biogaz par fermentation anaérobie à partir de la biomasse dans un digesteur et d'autre part de l'hydrogène à partir de ce flux de biogaz et un flux d'oxydant (CO2, vapeur ou les deux) dans un four tubulaire par les réactions suivantes:
(1) CH4 + H2O = CO + 3H2
(2) CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
Ces réactions sont hautement endothermiques, donc la chaleur nécessaire est apportée par la combustion du combustible dans des brûleurs placés dans une chambre de combustion. Dans cette chambre de combustion, plusieurs tubes de reformage sont placés. Ils sont remplis d'un catalyseur de reformage ou de garnitures structurées.
De préférence l’étape de fermentation produit un flux de biogaz composé d’environ 45-60% de CH4 et d’environ 40-55% de CO2 plus certaines impuretés comme H2S, COV, siloxanes.
Pendant l’étape de reformage le mélange biogaz-vapeur est envoyé dans les tubes de reformage comprenant un catalyseur.
Dans le cas où on souhaiterait produire de l’hydrogène à partir du gaz de synthèse on ajoutera les étapes suivantes au procédé selon l’invention :
- Une étape de réaction de gaz à l’eau dans le réacteur WGS de manière à convertir le monoxyde de carbone du gaz de synthèse refroidi en hydrogène, et
- Une étape de récupération de l’hydrogène en sortie du réacteur WGS.
De préférence dans ce procédé de production d’hydrogène, l’hydrogène sortant du réacteur WGS est purifié par adsorption. Notons que l’adsorption produit des gaz d’échappement et ces gaz d’échappement pourront être utilisés comme gaz combustible dans l’étape iii. de reformage
Selon le cas, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- Le procédé comprend en amont de l’étape ii. une étape de compression du biogaz et une étape de prétraitement du biogaz de manière à éliminer les impuretés présentes dans le biogaz,
- pendant l’étape de compression le biogaz est comprimé à une pression comprise entre 2 et 50 bar.
- pendant l’étape de prétraitement les impuretés sont choisies parmi le sulfure d’hydrogène, les composés organiques volatils, et les siloxanes.
- l’étape de fermentation anaérobie est réalisée dans le digesteur à une température comprise entre 35°C et 55°C.
- le digesteur est maintenu à cette température comprise entre 35°C et 55°C grâce à au moins une partie de la vapeur produite par la chaleur récupérée des fumées de combustion ou du gaz de synthèse.
- à l’étape v. le gaz de synthèse est refroidi à une température comprise entre 250°C et 400°C. On note que le gaz de synthèse sortant du reformeur est à une température comprise entre 750°C et 950°C.
L'utilisation d'une partie de la vapeur produite dans les deux chaudières du procédé permet d'atteindre efficacement zéro exportation de vapeur et d'éviter de brûler du biogaz dans une chaudière spécifique pour générer la chaleur nécessaire pour maintenir la température du digesteur à 35-55 ° C. Ceci réduit ainsi les émissions de CO2 du processus global.
Pour réduire encore l'empreinte CO2 de l’installation selon l’invention, une technologie de captage du carbone peut être mise en œuvre soit sur les fumées sortant du reformeur et permettant ainsi une récupération proche de 90-100% soit sur le flux de gaz d'échappement PSA et permettant ainsi une récupération proche de 40 -50% des émissions totales de CO2.
Claims (11)
- Installation de production de gaz de synthèse comprenant :
- Un digesteur permettant de produire du biogaz,
- Un mélangeur M permettant de mélanger le biogaz avec de la vapeur,
- Une unité de reformage du biogaz comprenant une chambre de combustion et permettant de produire du gaz de synthèse à partir du mélange de biogaz et de vapeur,
- Un système de récupération de la chaleur des fumées de combustion issues de l’unité de reformage, ladite chaleur permettant de produire de la vapeur,
- Une chaudière de récupération de chaleur permettant de refroidir le gaz de synthèse et de produire de la vapeur, et
- Un moyen d’introduire au moins une partie de la vapeur issue du système de récupération de chaleur et/ou de la chaudière de récupération de chaleur dans le mélangeur M.
- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend en amont du mélangeur M un compresseur et une unité de prétraitement du biogaz permettant d’éliminer des impuretés présentes dans le biogaz.
- Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comprend un moyen de chauffer le digesteur à l’aide d’au moins une partie de la vapeur issue du système de récupération de chaleur.
- Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’unité de reformage comprend un catalyseur en nickel ou en nickel-rhodium.
- Procédé de production de gaz de synthèse mettant en œuvre une installation tel que défini à l'une des revendications 1 à 4 et comprenant :
- Une étape de fermentation anaérobie dans le digesteur de manière à produire du biogaz,
- Une étape de mélange du biogaz avec de la vapeur dans le mélangeur M,
- Une étape de reformage du biogaz à partir du mélange biogaz-vapeur, comprenant une sous-étape de combustion d’un gaz combustible, de manière à produire du gaz de synthèse,
- Une étape de récupération de la chaleur des fumées de combustion issues du reformage de manière à produire de la vapeur,
- Une étape de récupération de la chaleur du gaz de synthèse issu du reformage de manière à refroidir ledit gaz de synthèse et à produire de la vapeur, et
- Une étape d’introduction d’au moins une partie de la vapeur produite aux étape iv et v dans le mélangeur M.
- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend en amont de l’étape ii. une étape de compression du biogaz et une étape de prétraitement du biogaz de manière à éliminer les impuretés présentes dans le biogaz.
- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que pendant l’étape de compression le biogaz est comprimé à une pression comprise entre 2 et 50 bar.
- Procédé selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que pendant l’étape de prétraitement les impuretés sont choisies parmi le sulfure d’hydrogène, les composés organiques volatils, et les siloxanes.
- Procédé selon l’une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l’étape de fermentation anaérobie est réalisée dans le digesteur à une température comprise entre 35°C et 55°C.
- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le digesteur est maintenu à cette température comprise entre 35°C et 55°C grâce à au moins une partie de la vapeur produite par la chaleur récupérée des fumées de combustion ou du gaz de synthèse.
- Procédé selon l’une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu’à l’étape v. le gaz de synthèse est refroidi à une température comprise entre 250°C et 400°C.
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