Le traitement du biogaz

Note technique 2: Le traitement du biogaz

L’enjeu du traitement du biogaz

Le biogaz est un gaz pauvre dont la composition peut varier. En fonction de son utilisation, une épuration plus ou moins poussée doit être menée. Conserver une bonne qualité du biogaz permet de maintenir la garantie contractuelles sur les équipements de valorisation (chaudières biogaz ou moteurs de cogénération). Différentes techniques existent, ce document permet de les comparer afin d’aider les porteurs de projets dans leurs choix techniques.

Attention : Ne sont pas abordées dans ce document les techniques d’épuration du biogaz en biométhane. Le traitement consiste à enlever l’eau, l’H2S et autres indésirables du biogaz ; l’épuration consiste à purifier le biogaz en enlevant également le CO2 jusqu’à atteindre un taux de CH4 supérieur à 95%. Le biométhane ainsi obtenu peut être utilisé en substitution de gaz naturel, en injection sur le réseau de gaz ou en carburation (tracteurs, voiture ou bus au GNV – gaz naturel véhicule).

Traiter l’eau

Le biogaz brut en sortie de digesteur est toujours saturé en eau. Une augmentation de pression ou une baisse de température fait condenser l’eau du biogaz. Il est indispensable de concevoir les installations de méthanisation pour qu’à aucun moment de l’eau sous forme liquide ne soit en contact avec les éléments sensibles de la ligne de valorisation du biogaz (électrovannes, capteurs, analyseurs, surpresseurs…)

  • Mise en place de canalisations souterraines. Une solution simple consiste à faire circuler le biogaz chaud issu du digesteur dans un réseau enterré à température constante d’environ 10°C. Le refroidissement du biogaz fera condenser l’eau sur les parois de la canalisation. Il faut veiller à installer les canalisations avec une pente constante de 1,5% minimum afin de drainer les condensats vers des pots de purges. Une fois dans le local de valorisation, le biogaz sera réchauffé ce qui l’éloignera de son point de rosée et permettra une bonne durée de vie des équipements. Ce système est passif donc il ne consomme pas d’énergie. Dans le cas de forts débits de biogaz, il peut ne pas être suffisant.
Figure 1 - Réalisation d'un réseau de biogaz souterrain pour transport et assèchement du biogaz
Figure 1 – Réalisation d’un réseau de biogaz souterrain pour transport et assèchement du biogaz
  • Installer un échangeur pour refroidir le biogaz. Sur les installations à fort débit, ou lorsque les longueurs de tranchées sont trop courtes, il peut être installé un sécheur de biogaz par refroidissement. Il s’agit le plus souvent d’un échangeur tubulaire en inox relié à un groupe froid par un réseau de fluide frigorigène. Les condensats sont récoltés et évacués. Ensuite, le biogaz est réchauffé (le plus souvent via la chaleur issue du moteur de cogénération) afin de l’éloigner de son point de rosée. C’est le système techniquement le plus efficace mais il demande un lourd investissement, de la maintenance et des consommations électriques.

Traiter l’H2S

Réduire le taux de soufre est important pour deux raisons principales:

  • La sécurité : l’H2S étant un gaz mortel à l’inhalation, le traiter en amont du process permet d’éviter tout risque d’intoxication avec du biogaz en aval.
  • La durée de vie des équipements : l’association d’H2S avec de l’eau génère de l’acide sulfhydrique qui est hautement corrosif. Brûler un gaz trop riche en souffre engendre irrémédiablement des dommages irréversibles aux équipements de valorisation (chaudières biogaz ou moteurs de cogénération).

Il existe de nombreuses techniques pour traiter l’H2S du biogaz. Les plus pertinentes sont présentées ici :

  • L’insufflation d’air dans le gazomètre. Lors du stockage du biogaz dans le gazomètre, il est possible d’y insuffler de manière contrôlée de l’air afin de stimuler l’action des bactéries Thiobacillus qui sont aérobies et dégradent l’H2S en souffre solide. En effet, sans oxygène, leur fonctionnement est inhibé. Le souffre élémentaire ainsi formé a tendance à s’accumuler sur les parois des gazomètres sous forme d’amas blancs – jaunâtres.

Les volumes à injecter sont de l’ordre de 3% de la production de biogaz brut. C’est un procédé simple à mettre en œuvre et très efficace mais il est indispensable de mettre en place tous les éléments de sécurité afin de ne pas envoyer trop d’air dans le gazomètre et former une atmosphère explosive.

Attention : cette solution est à proscrire en cas d’épuration poussée du biogaz : comme les molécules de CH4 et de N2 ont une taille comparable alors il est difficile de les séparer par procédés membranaires ou PSA (pressure swing adsorption) et l’azote de l’air injectée avec l’oxygène a tendance à rester dans le biométhane.

Figure 2 - similitude de taille méthane diazote
Figure 2 – similitude de taille méthane diazote
  • Mise en place d’un filtre à oxydes de fer. Il s’agit de la méthode historique pour le traitement du souffre car il est aisé de se procurer localement de la grenaille de fer oxydée ou des granulés.Le système consiste à faire passer le biogaz dans un filtre contenant de l’oxyde de fer ; une présence de dioxygène, au tiers de la oxyde de fer traitement H2S biogaz filtre charbon actif Nenufarstœchiométrie de l’H2S permet de régénérer au fur et à mesure le filtre.

C’est le colmatage du filtre par le souffre élémentaire qui impose un renouvellement du média.  Les réactions en jeu sont les suivantes :

Fixation de l’H2S Fe2O3 + 3H2S  Fe2S3 + 3H2O ΔH= -22 kJ/g-mol H2S
Régénération du filtre 2Fe2S3 + O2  2Fe2O3 + 3S2 ΔH= -198 kJ/g-mol H2S

Attention, comme montré ci-dessus, l’enthalpie de la réaction de régénération est fortement négative (réaction fortement exothermique). Non maîtrisée, cette réaction peut être dangereuse, pouvant même mettre feu au filtre. C’est la raison pour laquelle cette technique est de moins en moins utilisée.

  • Injection d’oxydes de fer dans le digesteur. Il est possible d’injecter en même temps que les intrants des oxydes de fer directement dans le digesteur (sous forme limaille de fer oxydée par exemple). Le souffre précipitera sous forme de sulfures de fer qui ne pourront plus migrer vers le biogaz et seront épandues avec le digestat. Solution à mettre en œuvre si le système d’agitation de votre digesteur est assez performant pour ne pas que la limaille sédimente et si un gisement régulier et peu coûteux de limaille de fer est disponible à proximité de votre installation. Ce système ne nécessitant pas d’apport d’oxygène est aussi à étudier en cas de production de biométhane.
  • Mise en place d’un filtre à charbon actif. Le charbon actif est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. La surface d’échange permettant la fixation de bactéries est multipliée, augmentant ainsi l’efficacité de l’oxydation de l’H2S avec de l’oxygène. Les molécules d’H2S ou de souffre élémentaire sont piégées dans les pores du charbon actif. C’est la technique la plus répandue aujourd’hui grâce à sa simplicité et sa fiabilité. Elle est intéressante financièrement pour le traitement de faibles flux de biogaz. Pour les flux de biogaz important, le coût de renouvellement du charbon sera trop élevé et les solutions de tour de lavage seront à privilégier.
Figure 3- filtre à charbons actifs pour le traitement du biogaz
Figure 3- Filtre à charbons actifs pour le traitement du biogaz
  • Mise en place d’une tour de désulfurisation. Lorsque les volumes de biogaz sont important, il peut être intéressant d’investir dans une tour de lavage. Le biogaz soufré est mis en contact dans une tour avec un solvant et l’H2S du biogaz migre préférentiellement dans la phase liquide. Le solvant peut être régénéré dans une autre tour. Les CAPEX sont plus importants que dans les autres solutions (automatismes, capteurs en ligne, pompes de recirculation…) mais les OPEX sont très limitées. C’est aussi une solution à privilégier en cas de production de biométhane où l’apport d’oxygène dans le biogaz est à proscrire.

Conclusion : à chaque projet, une réflexion sur les moyens à mettre en œuvre pour le traitement du biogaz est à mettre en œuvre. Quels débits de biogaz ? Quelle qualité cible pour le biogaz en fonction des éléments de valorisation ? Quelle capacité d’investissement et quel temps disponible pour l’exploitation et la maintenance ?