OA22187A - Système intégré de valorisation de biomasse végétale. - Google Patents

Abstract

L’invention est un système continu ou discontinu de valorisation de la biomasse par décomposition anaérobie, couplé à une exploitation agricole afin de produire du biogaz et un digestat pour satisfaire ses propres besoins en électricité, en énergie et en fertilisants. Le système comprend : au moins un biodigesteur anaérobie (Figure 1), au moins une unité de purification de biogaz (1J), une tour de séchage de digestat (4) et des unités de stockage de biogaz et de digestat (2 ; 3), des moyens de sortie de biogaz et de digestat (1D; 1F; 1G; 1I) connectés aux unités de stockage de biogaz et de digestat (2 ; 3), des outils et méthodes d’utilisation du biogaz et du digestat produits (6; 7; 8; 11). La suspension de biomasse ; mélange homogène et stable de fines particules de biomasse et d’eau est décomposée jusqu’à la fin de la production de biogaz avant d'être renouvelée. <img file="OA22187A_A0001.tif"/> Figure 1

Description

DESCRIPTION DE L’INVENTION

Système intégré de valorisation de biomasse végétale

La présente invention concerne le domaine de la biotechnologie et de l’environnement et particulièrement un procédé de production de fertilisants, d’électricité et de chaleur, couplé à un complexe agricole par dégradation ou décomposition anaérobie de sa propre biomasse et utilisations des produits obtenus.

L'invention concerne également un digesteur et le mode d’utilisation des produits obtenus par la mise en œuvre du procédé.

Le biogaz est un gaz issu le plus souvent de la fermentation d'éléments organiques sous l’action de micro-organismes. Ce processus de fermentation, qui se produit spontanément dans les écosystèmes naturels (marais, rizières, sols, intestins de mammifères) est appelé méthanisation. Il est aujourd’hui maîtrisé par l’homme et permet de valoriser les déchets pour remplacer certaines sources d'énergie fossiles.

La méthanisation est un procédé qui consiste à introduire des matières organiques dans une cuve, appelée digesteur ou méthaniseur, en absence d’oxygène (milieu dit anaérobie) et en présence de bactéries, le tout à des températures qui varient selon les procédés mais sans excéder 60°C. Ce processus doit avoir lieu dans une installation confinée appelée digesteur en l’absence d’oxygène. Les micro-organismes naturellement présents dans la matière organique dégradent celle-ci et produisent le biogaz, ainsi qu’un résidu appelé digestat.

Toutes les matières organiques, qu’elles soient d'origines animale ou végétale, peuvent être méthanisées pour être transformées en biogaz. A l’heure actuelle, on utilise le plus souvent les matières organiques suivantes :

- des déchets agricoles : déjections animales, résidus de récoltes comme les pailles ;

- des déchets verts : tontes de gazon ;

- des déchets d'industries agroalimentaires issus d'industrie telles que les abattoirs, les vignes et les laiteries ;

- des boues de stations d'épuration.

Le biogaz obtenu suite au procédé peut avoir plusieurs usages :

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- la production de chaleur : le biogaz est brûlé dans une chaudière pour dégager de la chaleur. Celle-ci doit être utilisée au plus proche de la source de production pour limiter les dissipations et pertes thermiques,

- la production d’électricité : le biogaz est brûlé et l’énergie dégagée alimente un générateur qui produit de l’électricité,

- la cogénération : il s’agit de la production combinée d’électricité et de chaleur. C’est le mode de valorisation le plus fréquent du biogaz. L'électricité est produite par un générateur, tandis que la chaleur est récupérée dans le système de refroidissement.

Après le processus de méthanisation, le déchet conserve l'intégralité de ses éléments nutritifs principaux à savoir azote (N), phosphore (P) potassium (K) en ne perdant essentiellement que le carbone (C), l’hydrogène (H) et l'oxygène (0) sous forme d’un mélange de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Le résidu ou digestat obtenu est alors un produit potentiellement valorisable comme amendement organique des sols, seul ou après mélange éventuel avec des engrais minéraux. Ainsi, le digestat issu de la méthanisation peut être valorisé comme fertilisant renouvelable dans les cultures. Il est moins odorant que les effluents d'élevage initiaux en raison des transformations subies.

Il existe différentes techniques de méthanisation en fonction des matières organiques utilisées et de leur taux de matière sèche. La méthode la plus utilisée est la voie humide, aussi appelée voie « infiniment mélangée » ou voie « liquide ». Elle est utilisée pour les matières organiques ayant un taux de matière sèche inférieur à 20 %, comme par exemple les lisiers et les fumiers. La matière organique se présente alors principalement sous forme liquide et est mélangée en continu à l’aide d’un agitateur dans le digesteur.

Pour les intrants ayant un taux de matière sèche de l’ordre de 30 %, on utilise la méthode de méthanisation par voie sèche. On distingue la voie sèche discontinue et la voie sèche continue en fonction de la nature des matières organiques introduites dans le digesteur.

Dans la mise en oeuvre du procédé, les matières organiques solides sont souvent broyées avant d'être incorporées dans la cuve de digestion afin de faciliter l’acheminement des matières organiques au sein du digesteur ainsi que leur brassage. Parfois les matières organiques solides font aussi l'objet d'un processus de tri préalable afin d'en retirer le plus possible d'objets indésirables.

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Ainsi les matières organiques à traiter soulèvent souvent des difficultés au cours des différents procédés de méthanisation car, d'une part, elles sont génératrices d'odeurs lors des opérations de stockage, de chargement et de déchargement, et d’autre part, ces biomasses présentent généralement l'inconvénient de comporter de nombreux éléments indésirables et/ ou d'être difficiles à manipuler et/ou à broyer, ce qui rend difficiles les opérations de préparation de la biomasse en termes de tri, de broyage, de pompage, de transferts et bien d'autres.

De nombreuses exploitations agricoles produisant des quantités énormes de déchets organiques continuent d'achèter des tonnes d’engrais pour la fertilisation des plants. De même, leurs besoins en électricité, en gaz et en chauffage sont satisfaits par le réseau électrique et autres entreprises leur proposant leurs services. Dès lors, les déchets végétaux qu’elles produisent deviennent encombrant et leur pose souvent des coûts de ramassage et d'incinération. Cette situation génère à leur égard des coûts énormes d’exploitation susceptibles de réduire de façon significative et drastique les bénéfices escomptés. Alors que la valorisation des déchets produits par une exploitation agricole peut constituer une alternative à la réduction des coûts des facteurs.

C'est dans ce sens que la demande FR 3058730 décrit un système de production de biogaz comportant au moins une unité centrale de stockage de digestat liquide et de digestion complémentaire, au moins une unité centrale de stockage de biogaz, une pluralité de digesteurs anaérobies, un réseau d'alimentation de digestat liquide, un réseau d'évacuation de digestat liquide et un réseau d'évacuation de biogaz ; l'un au moins desdits digesteurs anaérobies étant amovible et apte à être connecté et déconnecté desdits réseaux. Cette demande décrit également un procédé de production de biogaz ainsi qu'un digesteur anaérobie de biomasse solide amovible. Cependant, ce système est beaucoup trop complexe et isolé et indépendant, en effet, il ne profite pas directement à une structure donnée. De plus la taille de la biomasse solide retarde le processus de décomposition en dépit de la recirculation de digestat liquide.

L’objet de la présente invention est de proposer aux complexes agricoles un système simplifié et rapide de transformation des biomasses générées sur place et d’utilisation des produits obtenus. L’invention à également pour objet de réduire considérablement les dépenses de fonctionnement des complexes agricoles liées à l'engrais et à l’énergie.

La présente invention qui vise à couvrir cet objet est un système de valorisation de la biomasse végétale comprenant : au moins un biodigesteur anaérobie, au moins une unité de (4] purification de biogaz, une tour de séchage de digestat solide humide et des unités de stockage de biogaz et de digestat équipé d’un moyen de séparation solide-liquide ; l'utilisation du biogaz produit, ainsi que du digestat recueilli après méthanisation de la biomasse.

Le biodigesteur est constitué d'une cuve cylindrique compartimentée en deux zones sans séparation physique ; une zone représentant les trois-quarts du volume de ladite cuve, destinée à contenir la suspension stable de biomasse à décomposer, une zone représentant le quart restant du volume de ladite cuve, destinée à être occupée par le biogaz produit. Ladite cuve comporte : une entrée de suspension de biomasse, constituée d’une conduite taillée en biais, dépassant la surface supérieure de la cuve de quelques centimètres et s'enfonçant à partir d'un orifice depuis cette surface, dans la cuve jusqu’au contact de ladite solution de biomasse, et ainsi configurée pour éviter l'entrée d’air dans ladite cuve et la sortie de biogaz de ladite cuve ; d’une conduite de sortie du biogaz située dans la partie supérieure de ladite cuve, équipée d’un moyen de fermeture et d’ouverture, et d’un moyen de purification du biogaz ; une conduite de sortie de digestat située dans la partie inférieure de ladite cuve, équipée également d'un moyen de fermeture et d’ouverture, les conduites de sortie de biogaz et de digestat étant connectées respectivement à l'unité de stockage de biogaz et à l'unité de stockage de digestat.

Dans un mode de réalisation, la suspension de biomasse est un mélange homogène contenant 55 à 65% de fines particules de biomasse, obtenues à la suite d'opérations de tri et de broyage et 35 à 45% d'eau, stable pour ne pas nécessiter d'agitation dans la cuve au cours de la réaction de décomposition.

Selon un mode de réalisation, afin d’assurer une production optimale de biogaz et une production réduite d’hydrogène sulfureux (H2S), la décomposition des fines particules de biomasse contenues dans ladite suspension s’effectue à une température comprise entre 25 et 60°C, à un pH variant de 6,5 et 8,5, et dure jusqu’à la fin de la réaction de méthanisation constatée par un moyen de mesure ou de détection de gaz, avant d'extraire le digestat par purge et renouveler le contenu du biodigesteur en suspension de biomasse.

Selon un mode de réalisation, le biogaz produit est stocké dans l’unité de stockage, puis conditionné dans des emballages convenables pour être utilisé comme combustible, ou utilisé pour alimenter directement ou indirectement un cogénérateur pour produire de l'électricité et de la vapeur pour les besoins de chauffage des plants via un moyen de transport et pour les besoins des populations du complexe agricole.

[5)

Selon un mode de réalisation, le digestat liquide obtenu à l’issue de la décomposition des fines particules de biomasse est un pâte homogène riche en éléments minéraux, utilisée en l’état comme fertilisant agricole pour épandage ou amendement ou subit une opération de séparation par filtration et pressage pour donner un résidu solide et un liquide, tous deux utilisés également comme fertilisants au sein du complexe agricole.

En variante, le système selon ladite invention peut être configuré pour une alimentation en continue du digesteur en suspension de biomasse afin de décharger en continu le digestat et le biogaz, et de les stocker dans les unités de stockage afin de satisfaire les besoins du complexe agricole en fertilisants et en énergie. Selon cette variante, le digesteur est alimenté en continu par une cuve de préparation de suspension de biomasse, ladite cuve étant équipée d'un moyen d'adduction d’eau contrôlée, pour l’alimentation en eau et d'un moyen de préhension pour la fourniture en fines particules de biomasse.

Le système et le procédé de valorisation de biomasse selon l’invention présente des avantages appréciables pour un complexe agricole et l’environnement :

- il permet de réduire considérablement les charges du complexe agricole en matière de fertilisant et d'énergie ;

- il permet de faire de la biomasse autrefois un déchet, désormais une matière première pour la production d’engrais et d’énergie ;

- il permet réaliser un traitement écologique de la biomasse permettant d’aboutir à une agriculture biologique et respectueuse de l’environnement et sans odeurs agressives ;

- il permet de réduire la production des gaz à effet de serre lors de la décomposition de la biomasse ;

- il est économique car, le biodigesteur du système fonctionne sans agitation, et donc sans consommation d’énergie. Et au besoin peut être alimentée par sa propre énergie.

Les autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtrons plus clairement à la présentation du mode de réalisation préféré et non limitatif illustré par les figures 1 et 2 des planches 1 et 2.

L'invention est un système discontinu ou continu de valorisation de biomasse végétales. De préférence, le mode de réalisation non limitatif décrit un système discontinu de décomposition de biomasse végétale et d’utilisation du biogaz et du digestat dans un complexe agricole de

[6) bananeraie produisant de façon régulière et cumulative, en moyenne 7000 tonnes de biomasse par année.

La figure 1 planche 1 est une vue d’ensemble du système de décomposition de la biomasse et de l'utilisation des produits obtenus selon la présente invention.

La figure 2 planche 2 est une représentation du biodigesteur de biomasse selon la présente invention.

Le système de valorisation de biomasse selon l’invention comprend : un digesteur anaérobie (figure 1), une unité de purification de biogaz (1J), et des unités de stockage de biogaz et de digestat (2 ; 3 et 9), des outils d'utilisation directe du biogaz produit (4 ; 5,10,11) et au moins une méthode d'utilisation du digestat obtenu.

Selon un mode de réalisation préféré, le digesteur est une cuve cylindrique en matière plastique de capacité 200L, délimitée en deux zones sans séparation physique ; une zone (1B) représentant les trois-quarts du volume de ladite cuve, destinée à contenir la suspension stable de biomasse à décomposer, une zone (1C) représentant le quart restant du volume de ladite cuve, destiné à être occupé par le biogaz produit. Ladite cuve comporte sur sa surface supérieure au travers d'un orifice, un tube d'entrée de suspension de biomasse (IA), de préférence un tube en chlorure de polyéthylène (PVC) de diamètre 100 mm, taillée en biais à ses deux extrémités et s’enfonçant dans la cuve jusqu’au contact de la solution de biomasse et dépassant la surface supérieure de la cuve d’environ 30 cm ; ledit tube est ainsi configuré pour éviter l’entrée d’air dans l’enceinte du biodigesteur et la sortie de biogaz de ce dernier, une conduite de sortie du biogaz (1D, 1F), également en PVC, située dans la partie supérieure de ladite cuve, et pourvue d'une vanne (1E), et d’un moyen de purification du biogaz (1J) ; de préférence un lit de copeaux et charbon de bois, et de limailles ou copeaux de fer qui débarrasse le biogaz du dioxyde de carbone (CO2) et du sulfure d'hydrogène (H2S) pour ne laisser que le méthane pur (CH4) ; une conduite de sortie de digestat (1G, 11) de préférence en PVC, située totalement au bas de la ladite cuve, équipée également d’une autre vanne (1F). Lesdites conduites de sortie de biogaz et de digestat (1D, 1F, 1 G, 11) étant connectées respectivement à l’unité de stockage de biogaz (2) et à l’unité de stockage de digestat (3).

Dans un mode de réalisation préféré, la suspension de biomasse est un mélange homogène et stable de fines particules de biomasse constituées de tiges florales et /ou de hampes du bananier, ainsi que de doigts inaptes au conditionnement, retenues à la suite d’opérations de tri et

[7) de broyage. De préférence, le tri est réalisé manuellement et le broyage à l'aide d'une broyeuse mécanique fonctionnant avec du gaz ou de l'électricité. Les fines particules de biomasse obtenues après broyage forment avec l’eau une suspension homogène et assez stable pour ne pas nécessiter d'agitation dans le biodigesteur.

Selon un mode de réalisation préféré et non limitatif, la biomasse à décomposer dans le biodigesteur de 200L est une suspension d’environ 150 kg contenant environ 100 kg de broyats fins de biomasse et 50 L d’eau qui reste en décomposition pendant une durée correspondant à la fin de la réaction de méthanisation, constatée par un moyen de mesure, de préférence un manomètre.

Dans un mode de réalisation préféré, la réaction de décomposition ou de méthanisation de la suspension de biomasse est réalisée à une température d'environ 28°C, et à un pH variant entre 6,7 et 7,5. Dans ces conditions, du biogaz est constamment recueilli déjà à partir de 24 heures de réaction au maximum. En revanche, le digestat, fluide pâteux est déchargée par purge au moyen de la vanne (1H) à la fin de la réaction de méthanisation, avant de renouveler la charge du 15 biodigesteur en suspension de biomasse.

Selon un mode de réalisation, le biogaz produit et stocké dans l’unité de stockage (2) est ensuite conditionné dans des boutielles métalliques (9) pour être utilisé comme combustible par des cuisinières et aussi utilisé pour alimenter un cogénérateur (5) pour produire de l’électricité et de la chaleur transportée selon un système de tuyauterie (10) pour chauffer les plants de bananier 20 pour atteindre une température la température convenable pour stimuler la floraison en périodes de fraîcheur (11) et ravitailler les populations du complexe agricole en électricité et en sources de chaleur.

Selon un mode de réalisation, le digestat pâteux et riche en éléments minéraux est utilisé directement comme fertilisant agricole pour amendement ou subit une séparation par filtration et 25 pressage au sein de l'unité de stockage de digestat (3) pour donner un digestat solide humide et un digestat liquide directement utilisé comme fertilisant ; le digestat solide humide est séché dans une tour de séchage (4) afin d'obtenir un fertilisant solide et sec utilisé également comme fertilisants au sein du complexe agricole.

Claims (7)

1- Système de valorisation de biomasse caractérisé par ce que ledit système fonctionnant en discontinu ou en continu comprend : au moins un biodigesteur anaérobie (figure 1) constitué d'une cuve cylindrique délimitée en deux zones ; une zone (1B) représentant les trois-quarts du volume de ladite cuve, destinée à contenir la suspension stable de biomasse à décomposer, une zone (1C) représentant le quart restant du volume de ladite cuve, destinée à être occupée par le biogaz produit ; une entrée de suspension de biomasse (IA), au moins une unité de purification de biogaz (1 J), une tour de séchage de digestat solide humide (4), une unité de stockage de biogaz (2), une unité de stockage de digestat (3), équipée d’un moyen de séparation solide liquide ; lesdites unités de stockage étant reliées au biodigesteur (figure 1) par une conduite de sortie de biogaz (1D ; 1F) et une conduite de sortie de digestat (IG, 11) ; des outils et méthodes d'utilisation du biogaz produit (5, 6, 9, 11) et du digesta liquide obtenu (11) ; au besoin, une cuve de préparation de suspension de biomasse pourvu d’un moyen de transport d'eau pour l'alimenter en eau et d’un moyen de préhension pour l’alimenter en broyais de biomasse.

2- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’entrée de suspension de biomasse (1A) est une conduite taillée en biais, s'enfonçant dans la cuve depuis un orifice du couvercle de la surface supérieure jusqu'au contact de ladite solution de biomasse et dépassant la surface de la cuve de quelques centimètres et configuré pour éviter l'entrée d’air dans ladite cuve et la sortie de biogaz.

3- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de sortie du biogaz (1D ; 1F) est située dans la partie supérieure du biodigesteur et équipé d’un moyen de fermeture et d’ouverture (1 E), et d'un moyen de purification du biogaz (1J) ; la conduite de sortie de digestat (1G ; 11) étant située dans la partie inférieure de ladite cuve, et équipée d'un autre moyen fermeture et d’ouverture (1 H).

4- Procédé de valorisation de biomasse selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la suspension de biomasse est un mélange constitué de 55 à 65% de fines particules de biomasse obtenues à la suite des opérations de tri et de broyage et de 35 à 45% d’eau, homogène et stable pour ne pas nécessiter d'agitation.

PI

5- Procédé de valorisation de biomasse selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la décomposition de la biomasse s’effectue à une température comprise entre 25 et 60°C, un pH variant entre 6,5 et 8,5.

6- Utilisation de produits de transformations de biomasse, selon toutes les revendications s précédentes, caractérisée en ce que le biogaz produit et stocké dans l’unité de stockage (2) est conditionné dans des emballages convenables (9) pour servir de combustible, ou à alimenter directement un cogénérateur (5) pour produire de l’électricité et de la vapeur pour les besoins des plants et des populations du complexe agricole (6, 7 ; 8 ; 11).

7- Utilisation de produits de transformations de biomasse, selon toutes les revendications ίο précédentes, caractérisée en ce que le digestat est recueilli à la fin de la réaction de méthanisation pour servir de fertilisant pour l'épandage ou amendement ou subit une opération de séparation par filtration et pressage pour donner un résidu solide et un liquide, tous deux utilisés également comme fertilisants pour les plantes du complexe.