Dimensionnement des procédés de valorisation du biogaz

Épuration du biogaz en sortie du digesteur

La forte teneur en méthane du biogaz en fait une source d'énergie très intéressante. En effet, il existe plusieurs techniques pour produire de l'énergie à partir du biogaz. Nous étudierons ici deux valorisations possibles : la production d'électricité et de chaleur (cogénération) d'une part et la production de biométhane pour alimenter un réseau de transport d'autre part.

Lorsque le biogaz produit à partir de boues de station d'épuration sort du méthaniseur, il est composé de deux gaz principaux : le méthane (60 % - 70 %) et le dioxyde de carbone (30 % - 40 %). A ces gaz s'ajoutent de petites quantités d'eau, d'hydrogène sulfuré, d'azote, d'oxygène et de composés organiques (Vienna University of Technology, 2012). Pour pouvoir valoriser le biogaz, il faut éliminer l'eau, les composés organiques volatils (COV) et l'hydrogène sulfuré (H2S) car ces gaz sont responsables de la dégradation des canalisations et des moteurs. Cette étape est appelée épuration du biogaz (voir Fig. ci-dessous).

 

Schéma récapitulatif des procédés d'épuration et de purification du biogaz choisis pour notre installation

 

1. Élimination de l'hydrogène sulfuré (H2S)

1.1 Principe

Ce composé provient de la dégradation des protéines et d'autres composés soufrés et doit être éliminé pour éviter la corrosion des canalisations et le rejet d'oxyde de soufre dans les fumés. Il existe plusieurs méthodes d'élimination de l'hydrogène sulfuré telles que la désulfuration biologique, l'utilisation de charbon actif ou l'utilisation d'oxydes de fer (Moletta, 2011). Nous utiliserons dans notre unité d'épuration du biogaz le dernier procédé car il est bien adapté au biogaz de station d'épuration (Couturier, 2009).

L'adsorption chimique de H2S sur des éponges ferrugineuses (Fe2O3) est le premier traitement d'épuration du biogaz. Ce traitement se fait ici à température ambiante et à une pression de 7 bars obtenue précédemment lors de la compression du biogaz. Cette compression permet de limiter les volumes de gaz à traiter. L'hydrogène sulfuré précipite avec les oxydes de fer (III) pour former du sulfure de fer (III) solide, qui reste fixé sur le filtre, et de l'eau.

$$Fe_{​​2}O_{3} + 3H_{2}= Fe_{2}S_{3} + 6 H_{2}O $$

La présence d'eau dans le biogaz améliore le procédé en permettant une meilleure solubilisation de H2S à la surface des hydroxydes. De plus, la réaction libère de l'eau. La deshumidification se fait donc après l'extraction de l'hydrogène sulfuré.

Les éponges ferrugineuses sont ensuite régénérées par oxydation au dioxygène avant d'être réutilisées. Plusieurs colonnes sont donc nécessaires au procédé pour un fonctionnement en continu.

$$2Fe_{​​2}S_{3} + 3O_{2}= 2Fe_{2}O_{3} + 6S $$

 

1.2 Dimensionnement

La concentration en H2S du biogaz produit par digestion des boues de STEP peut atteindre des valeurs allant jusqu'à 10 000 mg.m-3 ($C_{H2S,e}$) tandis que la concentration acceptée dans le biométhane est de 5 mg.m-3 ($C_{H2S,s}$) (B. Boulinguiez et al, 2011). Notre débit de biogaz estimé précédemment est de 3 L.s-1 après la compression à 7 bars ($Q_{biogaz}$).

$$F_{H2S} = (C_{H2S,e}-C_{H2S,s}) \times Q_{biogaz}$$

Le flux de H2S à traiter est donc de 30,4 mg.s-1. La durée de cycle d'une colonne est de 63 jours ($T$), la capacité d'adsorption de l'oxyde de fer ($K_{ads}$) est de 0,85 kg.kg-1 et la densité de l'éponge ($d$) est de 190 kg.m-3

$$ V_{lit} = \frac{F_{H2S}}{K_{ads}} \times \frac{d}{T}$$

Le volume de lit calculé est de 1,03 m3. Pour une longueur de colonne de 2 m, le rayon de la colonne est de 0,40 m. 

 

2. Élimination de l'eau​

La présence d'eau dans le biogaz favorise les effets de corrosion des installations par les autres composés. Elle diminue également le Pouvoir Calorifique Inférieur du biogaz lors de la combustion. Enfin, elle diminue l'efficacité du traitement des COV.

L'eau est ici éliminée par condensation en combinant une compression (7 bars) et un refroidissement (proche de 0°C). Ce procédé permet également d'éliminer les traces d'ammoniac présentes dans le biogaz. En effet, grâce à la forte solubilité de NH​3 dans l'eau, ce composé est éliminé dans l'effluent liquide produit lors de l'étape de condensation.

 

3. Élimination des Composés Organiques Volatils

3.1 Principe

​Parmi les COV, on retrouve principalement :

  • des composé halogénés (Cl, F) et organo-soufrés (S). Lors de la combustion du biogaz, ces composés peuvent former des acides corrosifs (HCl, HF, H2SO3, H2SO​4) qui endommagent les pièces du moteur.
  • des siloxanes. Ces composés sont présents dans un très grand nombre de produits antropogéniques (cosmétiques, silicones) et contiennent du silicium. Lors de la combustion, les siloxanes sont oxydés et des dépôts de silice se forment sur les pièces du moteur, diminuant son efficacité et sa longévité.

Les COV sont éliminés par adsorption sur des charbons actifs qui garnissent des colonnes placées en parallèles alternant des cycles d'adsorption/régénération (Thermal Swing Adsorption TSA). La régénération se fait par traitement par la vapeur à haute température (250 °C) qui entraîne les COV et permet la réutilisation de la colonne.

 

3.2 ​Dimensionnement

La concentration en COV du biogaz produit par digestion des boues de STEP peut atteindre des valeurs allant jusqu'à 1 500 mg.m-3 (B. Boulinguiez et al, 2011). Pour déterminer la capacité d'adsorption de la colonne de charbon actif, nous utilisons le modèle d'équilibre fluide/solide de Langmuir (B. Boulinguiez et al, 2010) :

$$ q_{e} = \frac{q_{m}.b.C_{COV,e}}{1+b.C_{COV,e}}$$

$q_{m}$ est la capacité d'adsorption maximale, $q_{e}$ est la capacité d'adsorption à l'équilibre et $b$ est la constante d'équilibre.

Nous utilisons un charbon actif microporeux, avec une densité de 300 kg.m-3, une capacité d'adsorption maximale de 0,1 kg.kg-1 et une constante d'équilibre de 574 m3.kg-1 (B. Boulinguiez et al, 2010). La capacité d'adsorption à l'équilibre est alors de 0,046 kg.kg-1.

Pour un dimensionnement similaire à celui effectué pour la désulfuration, on obtient alors un volume de lit de 1,79 m3 pour 63 jours de fonctionnement et un rayon de colonne de 0,53 m pour une longueur de 2 m.

​Après ces pré-traitements, le biogaz n'est plus est composé que de méthane et de dioxyde de carbone. Il peut être envoyé dans l'unité de valorisation. Nous étudions deux possibilités : l'utilisation du biogaz en cogénération et la purification en biométhane pour l'utilisation dans un réseau de transport.

 

Bibliographie

B. Boulinguiez, P. Le CloirecAdsorption on Activated Carbons of Five Selected Volatile Organic Compounds Present in Biogas: Comparison of Granular and Fiber Cloth Materials​, 2010, Energy Fuels, Vol.24, pp.4756-4765

B. Boulinguiez, P. Le Cloirec, Purification de biogaz - Élimination des COV et des siloxanes, 2011, Techniques de l'ingénieur

S. McKinsey Zicari, Removal of hydrogen sulfide from biogaz using cow-manure compost, 2003, Cornell University

R. Moletta, La méthanisation, 2e édition, 2011, Édition TEC&DOC, Lavoisier, Paris

E. Ryckebosch, M. Drouillon, H. Vervaeren, Techniques for transformation of biogas to biomethane​, 2011, Biomass and Bioenergy, Vol.35, pp.1633-1645