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Le captage du gaz carbonique (CO2)

Par Philippe DAVID

 

 

Le dioxyde de carbone appelé de façon impropre : « gaz carbonique » (CO2) d'origine humaine est responsable d'un peu plus de 55% de l'effet de serre additionnel dû à l'homme. Ce gaz comporte bien sûr des émissions naturelles (la respiration des animaux, une partie de la putréfaction, les incendies naturels..., mais elles sont compensées par des "puits de carbone" tout aussi importants (le refroidissement d'autres portions de l'eau océanique de surface, et la photosynthèse).
Le gaz carbonique généré par les activités humaines (on parle d'émissions anthropiques, c'est à dire provoquées par l'homme) provient pour l'essentiel de la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz), pour partie de certaines industries, enfin pour une part non négligeable de la déforestation, notamment en zone tropicale.



 

 

 

Le captage-stockage du CO2 est une solution de transition acceptable pour diminuer les rejets de gaz à effet de serre à l’atmosphère en attendant l’avènement de moyens de production nouveaux sans émissions de CO2.

Cette capture du gaz carbonique permet de capter le CO2 provenant notamment des installations de combustion.
Il s'agit du captage en post-combustion qui présente l’avantage d’être le procédé le plus avancé aujourd’hui.
Il consiste à séparer de façon sélective le CO2 des fumées de combustion. Il peut s'intégrer aux installations existantes sans trop de modifications.

Du biogaz au biométhane - Les procédés de décarbonatation existants

Dans la littérature, les procédés de capture durable du CO2 provenant de la méthanisation sont quasi inexistants.
A l’heure de la lutte contre les des Gaz à Effet de Serre (GES), le CO2 occupe une place prépondérante.

Les technologies d’épuration, par familles de procédés:
Les technologies existantes d’épuration peuvent être regroupées selon les familles de procédés suivantes :

1. Pressure Swing Adsorption ou PSA (adsorption par variation de pression)

Le PSA épure le biogaz par adsorption : les molécules de gaz se fixent sur des supports (l’adsorbant étant des filtres moléculaires ou zéolithes), les molécules qui se fixent sont différentes selon la pression utilisée et la pression de traitement varie généralement entre 4 et 7 bars: Ceci permet de séparer le CO2 mais aussi l’eau, l’H2S et l’oxygène.
Avant entrée dans les colonnes, un prétraitement est requis :

  • Le gaz est séché (car le procédé nécessite un gaz sec) et désulfurisé dans un filtre à charbon actif (le soufre peut altérer les filtres).
  • Ensuite, un cycle de pression/dépression permet l’épuration. Les unités se composent de 4 colonnes ou de 6 colonnes. Une partie du méthane résiduel est renvoyé à l’aspiration du compresseur, et le reste est envoyé dans l’évent riche en CO2.

2. Le lavage à l’eau Le système de lavage à l’eau comprend :

  • une tour de lavage où le biogaz est amené à une pression d’environ 9 bars et à une température de 7°C et entre en contact, à contre-courant, avec l’eau. L’absorption du CO2 et des autres gaz solubles tels que le H2S est assurée par l’eau,
  • une tour de dégazage (flash tank, pression à 4 bars) permet de récupérer une partie du méthane dissous et de le remettre dans le circuit de traitement,
  • puis une tour de stripping (à pression atmosphérique) régénère l’eau de process et permet la désorption du CO2, de l’H2S et du CH4 résiduel avant son évacuation à l’atmosphère. Le système comprend également un séchage du gaz. Si la teneur en éléments soufrés dans le biogaz est élevée, une étape de désulfurisation en amont s’avère nécessaire (pour les boues de STEP par exemple).

3. Absorption physique (aux glycols)

L’épuration aux glycols est similaire au procédé du lavage à l’eau, le solvant étant dans ce cas un fluide organique (polyéthylène glycol, principalement le Selexol et le Genosorb).
La solubilité du CO2 dans le glycol étant plus élevée que dans l’eau, la hauteur des tours est également moindre. La pression est amenée à 8 bars. De la chaleur est également nécessaire pour la régénération du fluide, mais de manière moins élevée (env. 50°c) que pour le lavage aux amines.

4. Absorption chimique (lavage aux amines)

L’absorption chimique est un procédé sensiblement similaire au lavage à l’eau, la différence résidant dans l’usage du solvant à la place de l’eau et dans le mécanisme d’absorption/désorption:

  • alors que le CO2 s’absorbe dans l’eau, le CO2 ici réagit avec l’amine, la solubilité du CO2 dans l’amine étant 9 fois plus élevée que dans l’eau,
  • – les deux amines communément utilisées sont le monoethanolamine (MEA) ou le dimethylethanolamine (DMEA). Dans la tour d’absorption, le biogaz entre par le bas, l’amine entre par le haut. Ensuite, le fluide (amine) doit être régénéré pour être réutilisé :
  • il est alors nécessaire de « cracker » les molécules pour créer une réaction chimique inverse, ce qui permet aussi au CO2 d’être relargué dans l’atmosphère.
  • ce processus de régénération du fluide nécessite une source de chaleur importante (300°C), chaleur qui peut aussi être réutilisée ensuite pour chauffer le digesteur.
  • la source de chaleur peut venir d’une source proche résiduelle (énergie fatale) ou d’un réseau de chaleur.

5. Séparation par membrane

La séparation par membrane fonctionne comme un simple filtre.

Principe :
La séparation du CO2 du biogaz est due à la différence de perméabilité des membranes vis-à-vis des composés du biogaz: Le dioxyde de carbone traverse plus vite la membrane que le méthane, ce qui permet de concentrer le méthane d’un côté du module.

Fonctionnement :
le biogaz est comprimé entre 8 et 13 bar.
Un traitement permet de retirer les composés halogénés du biogaz. Le biogaz traverse ensuite un filtre à particules puis alimente les membranes.
Un procédé membrane est très souvent constitué de deux étages pour permettre un bon rendement. Un post-traitement est possible pour valoriser le méthane résiduel car celui-ci n’est pas dilué.
Le biométhane est produit à une pression supérieure à 7bar.

Technologie :
Les membranes, en forme de fibre, sont en polymère (acétate de cellulose, aussi nommée zylonite / polyamide) capable de séparer les petites molécules polaires telles que le CO2, l’H2S, l’O2, l’H2, l’H20…

6. Epuration cryogénique (distillation à froid)

La cryogénie est actuellement en expérimentation en Suède. Elle met à profit les différents points d’ébullition des composés gazeux du biogaz :

  • le CO2 a son point d’ébullition à – 78°C à pression atmosphérique ;
  • celui du méthane se situe à – 160°C à pression atmosphérique. On porte le biogaz à – 165°C, ce qui permet d’extraire le méthane durant sa phase liquide.

Deux produits apparaissent : l’un composé de méthane, l’autre de CO2.
L’eau et le H2S doivent être préalablement traités pour notamment éviter les problèmes de gel. Si l’azote doit être également retiré, le biogaz peut être refroidi d’autant, le point d’ébullition du N2 étant – 195°C.
Cette technique est particulièrement adaptée aux gaz de décharge car elle traite efficacement les siloxanes et l’azote.

 

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Quelquefois, les plus petits ressorts font mouvoir les plus grandes machines.
(Jean-Paul Marat)

 

 

 

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