FR3122839A1 - Installation and process for the production of synthesis gas having a means of limiting CO2 emissions by heat recovery - 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.Syngas production facility comprising: A digester for producing biogas, A mixer M for mixing biogas with steam, A biogas reforming unit comprising a combustion chamber and for producing syngas at from the mixture of biogas and steam,A system for recovering the heat of the combustion fumes from the reforming unit, said heat making it possible to produce steam,A heat recovery boiler making it possible to cool the synthesis gas and to produce steam, andA means of introducing at least a part of the steam from the heat recovery system and/or the heat recovery boiler into the mixer 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.The present invention relates to an installation for the production of synthesis gas with reduced CO2 emissions by direct reforming of biogas, that is to say reforming of biogas without prior separation of methane and CO2 and to a process using implement such a facility.
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.Biogas is the gas produced during the degradation of organic matter in the absence of oxygen (anaerobic fermentation) also called methanation. It can be a natural degradation - it can thus be observed in marshes or household waste dumps - but the production of biogas can also result from the methanization of waste in a dedicated reactor, called a methanizer or digester.
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.Due to its main constituents - methane and carbon dioxide - biogas is a powerful greenhouse gas; it also constitutes, at the same time, an appreciable source of renewable energy in a context of scarcity of fossil fuels.
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. Biogas mainly contains methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) in varying proportions depending on the method of production but also, in smaller proportions, water, nitrogen, hydrogen sulphide, oxygen, as well as other organic compounds, in trace amounts.
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.Depending on the organic matter degraded and the techniques used, the proportions of the components differ, but on average biogas contains, on dry gas, 30 to 75% methane, 15 to 60% CO2, 0 to 15% nitrogen, 0 to 5% oxygen and trace compounds.
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.Biogas is recovered in different ways. Of particular note is the production from biogas of synthesis gas (mixture of H2 and CO) and therefore subsequently of hydrogen.
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.The risk of direct biogas reforming lies in the formation of carbon by cracking of the methane at the inlet of the reforming tubes. This is due to the presence of a high concentration of CO2 and a low content of water vapor in the mixture entering the reforming tubes.
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.From there, a problem which arises is to provide an installation and a process for the production of synthesis gas having a means of limiting CO2 emissions.
Une solution de la présente invention est une installation de production de gaz de synthèse comprenant :A solution of the present invention is a syngas production plant comprising:
- Un digesteur permettant de produire du biogaz,A digester to produce biogas,
- Un mélangeur M permettant de mélanger le biogaz avec de la vapeur,A mixer M for mixing biogas with steam,
- 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,A biogas reforming unit comprising a combustion chamber and making it possible to produce synthesis gas from the mixture of biogas and steam,
- 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,A system for recovering heat from the combustion fumes from the reforming unit, said heat making it possible to produce steam,
- Une chaudière de récupération de chaleur permettant de refroidir le gaz de synthèse et de produire de la vapeur, etA waste heat boiler to cool the syngas and produce steam, and
- 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.A means of introducing at least part of the steam from the heat recovery system and/or the heat recovery boiler into the mixer M.
Notons que l’installation de production de gaz de synthèse pourra être comprise dans une installation de production d’hydrogène.It should be noted that the syngas production facility may be included in a hydrogen production facility.
Cette installation de production d’hydrogène comprendra :This hydrogen production facility will include:
- L’installation de production de gaz de synthèse selon l’invention,The synthesis gas production installation according to the invention,
- Un réacteur de gaz à l’eau (WGS) permettant de convertir le monoxyde de carbone du gaz de synthèse refroidi en hydrogène, etA water gas reactor (WGS) to convert carbon monoxide from cooled syngas into hydrogen, and
- Un moyen de récupération de l’hydrogène en sortie du réacteur de gaz à l’eau.A means of recovering hydrogen at the outlet of the water gas reactor.
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 reformagePreferably, this hydrogen production facility will include, downstream of the water gas reactor, a purification unit by adsorption (PSA) making it possible to purify the hydrogen. It should be noted that the exhaust gases from the PSA unit can be used as fuel for the burners of the reforming unit
Selon le cas l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :Depending on the case, the installation according to the invention may have one or more of the characteristics below:
- 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.the installation comprises, upstream of the mixer M, a compressor and a biogas pre-treatment unit enabling the impurities present in the biogas to be eliminated.
- 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.The installation includes a means of heating the digester using at least a portion of the steam from the heat recovery system.
- l’unité de reformage comprend un catalyseur en nickel ou en nickel-rhodium.the reforming unit includes a nickel or nickel-rhodium catalyst.
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 :The present invention also relates to a process for the production of synthesis gas implementing an installation according to the invention and comprising:
- Une étape de fermentation anaérobie dans le digesteur de manière à produire du biogaz,An anaerobic fermentation step in the digester to produce biogas,
- Une étape de mélange du biogaz avec de la vapeur dans le mélangeur M,A stage of mixing biogas with steam in the mixer 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,A step of reforming the biogas from the biogas-steam mixture, comprising a sub-step of combustion of a combustible gas, so as to produce synthesis gas,
- Une étape de récupération de la chaleur des fumées de combustion issues du reformage de manière à produire de la vapeur,A stage for recovering the heat from the combustion fumes resulting from the reforming so as to produce steam,
- 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, etA step for recovering the heat from the synthesis gas resulting from the reforming so as to cool said synthesis gas and to produce steam, and
- Une étape d’introduction d’au moins une partie de la vapeur produite aux étape iv et v dans le mélangeur M.A step of introducing at least part of the steam produced in steps iv and v into the mixer 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:The process according to the invention described here produces on the one hand biogas by anaerobic fermentation from biomass in a digester and on the other hand hydrogen from this flow of biogas and a flow of oxidant (CO2 , steam or both) in a tube furnace by the following reactions:
(1) CH4 + H2O = CO + 3H2(1) CH4 + H2O = CO + 3H2
(2) CH4 + CO2 = 2CO + 2H2(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.These reactions are highly endothermic, so the necessary heat is provided by the combustion of the fuel in burners placed in a combustion chamber. In this combustion chamber, several reforming tubes are placed. They are filled with a reforming catalyst or structured packings.
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.Preferably the fermentation step produces a biogas stream composed of about 45-60% CH4 and about 40-55% CO2 plus some impurities like H2S, VOCs, siloxanes.
Pendant l’étape de reformage le mélange biogaz-vapeur est envoyé dans les tubes de reformage comprenant un catalyseur.During the reforming stage, the biogas-steam mixture is sent to the reforming tubes comprising a catalyst.
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 :If it is desired to produce hydrogen from synthesis gas, the following steps will be added to the process according to the 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, etA water gas reaction step in the WGS reactor to convert the carbon monoxide in the cooled synthesis gas into hydrogen, and
- Une étape de récupération de l’hydrogène en sortie du réacteur WGS.A hydrogen recovery step at the outlet of the WGS reactor.
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 reformagePreferably in this hydrogen production process, the hydrogen leaving the WGS reactor is purified by adsorption. Note that adsorption produces exhaust gases and these exhaust gases can be used as fuel gas in step iii. reforming
Selon le cas, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :Depending on the case, the process according to the invention may have one or more of the characteristics below:
- 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,The method comprises upstream of step ii. a biogas compression step and a biogas pretreatment step so as to eliminate the impurities present in the biogas,
- pendant l’étape de compression le biogaz est comprimé à une pression comprise entre 2 et 50 bar.during the compression stage the biogas is compressed to a pressure between 2 and 50 bar.
- pendant l’étape de prétraitement les impuretés sont choisies parmi le sulfure d’hydrogène, les composés organiques volatils, et les siloxanes.during the pretreatment step, the impurities are chosen from hydrogen sulphide, volatile organic compounds, and siloxanes.
- l’étape de fermentation anaérobie est réalisée dans le digesteur à une température comprise entre 35°C et 55°C.the anaerobic fermentation stage is carried out in the digester at a temperature between 35°C and 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.the digester is maintained at this temperature of between 35° C. and 55° C. thanks to at least part of the steam produced by the heat recovered from the combustion fumes or from the synthesis gas.
- 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.in step v. the synthesis gas is cooled to a temperature between 250°C and 400°C. It is noted that the synthesis gas leaving the reformer is at a temperature of between 750°C and 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.The use of part of the steam produced in the two boilers of the process makes it possible to effectively achieve zero steam export and to avoid burning biogas in a specific boiler to generate the heat necessary to maintain the temperature of the digester at 35-55°C. This thus reduces the CO2 emissions of the overall process.
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.To further reduce the CO2 footprint of the installation according to the invention, a carbon capture technology can be implemented either on the fumes leaving the reformer and thus allowing a recovery close to 90-100% or on the flow of PSA exhaust gases and thus allowing a recovery close to 40 -50% of the total CO2 emissions.
Claims (11)
- 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.
- A digester to produce biogas,
- A mixer M for mixing biogas with steam,
- A biogas reforming unit comprising a combustion chamber and making it possible to produce synthesis gas from the mixture of biogas and steam,
- A system for recovering heat from the combustion fumes from the reforming unit, said heat making it possible to produce steam,
- A waste heat boiler to cool the syngas and produce steam, and
- A means of introducing at least part of the steam from the heat recovery system and/or the heat recovery boiler into the mixer M.
- 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.
- An anaerobic fermentation step in the digester to produce biogas,
- A stage of mixing biogas with steam in the mixer M,
- A step of reforming the biogas from the biogas-steam mixture, comprising a sub-step of combustion of a combustible gas, so as to produce synthesis gas,
- A stage for recovering the heat from the combustion fumes resulting from the reforming so as to produce steam,
- A step for recovering the heat from the synthesis gas resulting from the reforming so as to cool said synthesis gas and to produce steam, and
- A step of introducing at least part of the steam produced in steps iv and v into the mixer M.
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2021
- 2021-05-12 FR FR2105033A patent/FR3122839A1/en active Pending
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