Auteur
Joaquín Reina Hernández
Article original publié dans Industrie Chimique le 18 février 2015. Voir l’article
Sections
- Types de biogaz et sources
- Origine des siloxanes
- Effet des siloxanes
- Traitement des siloxanes
- Solution CLEAN-BGAS® MP DRY
TYPES DE BIOGAZ ET SOURCES
Le secteur énergétique est l’un des plus importants et en plus grand développement actuel. Le monde a compris, depuis le XXe siècle, qu’il doit renouveler et élargir ses sources d’énergie pour pouvoir satisfaire les besoins croissants de la société, tout en prenant soin de l’environnement.
Le biogaz provenant des décharges (sites d’enfouissement), des usines de méthanisation et des stations d’épuration des eaux usées (EDAR) constitue un matériau précieux pour la production d’énergie, de biocarburants et la fabrication de produits chimiques tels que l’hydrogène et le méthanol.
Étant une source d’énergie renouvelable, il est inépuisable, propre et peut être utilisé de manière planifiée. Son utilisation génère une moindre pollution environnementale et constitue une alternative viable à l’épuisement déjà sensible des énergies fossiles, comme le gaz naturel et le pétrole, où l’on observe déjà une augmentation de leurs prix.
Le biogas, d’un point de vue technique, est un mélange multicomposant de gaz, tant dans sa composition de base (CH4, CO2, H2, O2, N2, vapeur d’eau, etc.) que dans ses composants nuisibles (NH3, siloxanes, hydrocarbures halogénés, BTEX, COV, H2S, etc.). Sa composition est intimement liée au type de matière soumise au processus de digestion anaérobie et, dans une certaine mesure, à la technologie utilisée pour sa production.
D’où l’on peut parler, en termes généraux, de deux types de biogaz :
- Systèmes incontrôlés. Biogaz de décharge, sites d’enfouissement, marais
- Systèmes contrôlés. Usine de traitement des eaux usées urbaines (EDAR) et usines de digestion anaérobie (haute charge organique).
De manière générale, on peut dire que les seconds se caractérisent par une concentration élevée de H2S, leur principal composant polluant, et, dans le cas des EDAR, la présence de siloxanes ; tandis que les premiers se caractérisent par l’apparition de siloxanes et d’hydrocarbures de haut poids moléculaire.
Les siloxanes proviennent des silicones présentes dans des matériaux tels que les shampoings, les savons, les tensioactifs, les huiles, les produits pharmaceutiques, etc., qui sont soumis au processus de digestion anaérobie.
D’un point de vue procédural, on peut dire que le biogaz est le gaz provenant du processus de digestion anaérobie de la fraction organique de différents types de matières, et qui se caractérise par sa forte concentration en méthane (CH4), qui lui confère sa caractéristique de biocarburant, cette concentration se situant entre 40 et 80 % v/v du gaz généré dans ce processus.
D’autre part, toute installation d’exploitation/valorisation du biogaz se compose de trois parties fondamentales : production du biogaz (système de DA), captation-nettoyage et système de valorisation (électricité, vapeur, biocarburants ou comme matière première pour la fabrication d’autres produits).
Toutes ces étapes sont consécutives, c’est-à-dire qu’elles fonctionnent en ligne avec une fonction spécifique chacune. Dans ce processus, le nettoyage/conditionnement du biogaz et ses technologies jouent un rôle fondamental, car ils garantissent : 1 2 3
- Un fonctionnement optimal des équipements et machines (moteurs, turbines, chaudières, piles à combustible) impliqués dans son exploitation comme matériau combustible.
- Une durée de vie prolongée des machines utilisées pour son transport, extraction et compression (soufflantes et compresseurs).
- Une amélioration des émissions des gaz d’échappement des machines impliquées dans son exploitation énergétique, car elle élimine leur cause avant d’entrer dans le processus.
- Réduction des coûts de maintenance (réparation et changement d’huiles) des machines impliquées dans ce type d’installation.
ORIGINE DES SILOXANES
Parmi les composants ayant le plus d’incidence sur l’exploitation énergétique du biogaz généré dans les stations d’épuration et les décharges, on trouve les siloxanes, qui causent des dommages aux machines utilisées, réduisant leur durée de vie en raison de l’effet abrasif qu’ils produisent sur les parties internes de celles-ci, tout en augmentant le coût d’exploitation en raison des changements répétés d’huiles et de pièces internes.
Les siloxanes sont une famille de composés organiques formés par des chaînes linéaires ou cycliques de silicium, d’oxygène et de groupes méthyles. Ils sont fabriqués sous une variété de formes, y compris des fluides de haute et basse viscosité, des caoutchoucs, des élastomères et des résines. On les trouve en quantités significatives dans une large gamme de produits domestiques, tels que des détergents, des shampoings, des déodorants, des dentifrices, des cosmétiques, entre autres.
La plupart d’entre eux se volatilisent rapidement dans l’atmosphère, et avec le temps, ils se dégradent en dioxyde de carbone, silice et eau. Mais certains, néanmoins, finissent dans les eaux usées et dans les déchets solides urbains, entraînant leur accumulation inévitable dans les décharges et les épurateurs, où ils sont considérés comme l’un des polluants les plus difficiles à contrôler.
Ce sont des composés organiques formés par des silicones, de l’oxygène et des groupes méthyles, avec une unité structurelle (CH3)2SiO, et un poids moléculaire typiquement compris entre 150 et 600.
Sa solubilité dans l’eau diminue avec l’augmentation de son poids moléculaire ; et ceux-ci peuvent être volatils ou non. La Figure 1 montre l’unité structurelle de différents types de siloxanes.
Figure 1.1 – Nomenclature des siloxanes des groupes M et Dn
Figure 1.2 – Structure linéaire de l’octaméthyltrisiloxane (MDM)
Figure 1.3 – Structure cyclique de l’octaméthylcyclotetrasiloxane (D4)
Les Tableaux 1 et 2 montrent différentes espèces de siloxanes trouvées dans le biogaz de décharge et d’EDAR, ainsi que certaines de leurs propriétés de base.
EFFET DES SILOXANES
Les silicones, contrairement aux sulfures, ne réagissent pas avec l’eau pour former des acides. Cependant, lors de la combustion, les molécules de siloxanes se décomposent en libérant de l’oxygène et du silicium. Ce dernier se combine avec d’autres éléments pour former des silicates, de la silice et d’autres composés cristallins, qui se déposent dans la chambre de combustion (principalement dans la partie supérieure de la chemise), dans les culasses et sur les faces des soupapes.
Ces incrustations provoquent l’usure, par abrasion, de différentes parties internes des moteurs. La Figure 2 montre les incrustations causées par les siloxanes dans différents types de machines.
Figure 2 – Moteurs
Figure 2 – Chaudières
Figure 2 – Turbines
La teneur en silicones admissible pour un bon fonctionnement des moteurs de génération ne doit généralement pas dépasser < 5 mg/Nm3, bien que chaque fabricant de machine fixe ses propres limites. Une teneur supérieure indiquera de possibles problèmes de dépôt de silice et, par conséquent, la combustion des soupapes d'échappement. Dans le cas des turbines à biogaz, étant donné qu'elles fonctionnent à des vitesses de rotation élevées, c'est-à-dire au-dessus de 10 000 tr/min, elles nécessitent un équilibrage, tant statique que dynamique, de leurs pièces mobiles très précis. Ces dispositions de siloxanes peuvent créer des déséquilibres assez graves, entraînant des pannes importantes.
TRAITEMENT DES SILOXANES
Les systèmes actuels pour l’élimination de ces composés utilisent généralement des techniques comportant une ou deux étapes, parmi lesquelles on peut citer le sous-refroidissement, l’adsorption sur charbon actif/silice gel, des filtres en graphite, certains types de résines, le lavage avec certains réactifs (méthanol, acide sulfurique, mélange d’hydrocarbures, etc.).
Cependant, les techniques les plus appliquées sont énoncées ci-dessous :
Refroidissement (Figure 3)
- Jusqu’à 4°C.
- Sous-refroidissement (refroidissement jusqu’à -25°C)
Adsorption
- Charbon actif
- Régénération thermique
- Silice gel
Lavage avec certains réactifs
Combinaison de techniques
La Figure 3 montre le comportement de l’élimination des siloxanes avec la température.
Figure 3. Effet de la température sur la réduction des siloxanes
CLEAN-BGAS® MP DRY
CLEAN-BGAS® MP DRY est une technologie multipurpose (nettoyage/conditionnement), basée sur la combinaison d’opérations, qui repose sur le refroidissement, la condensation, le lavage, le séchage et l’adsorption sur charbon actif, minimisant à la fois la consommation d’énergie et celle de charbon actif.
La technologie se compose de deux étapes de base : une d’élimination grossière des contaminants, y compris les siloxanes de type D, les hydrocarbures et le conditionnement du biogaz pour l’entrée dans des filtres de charbon actif par voie thermique, et une autre de raffinage (élimination des siloxanes de type L et D) par adsorption sur charbon actif. Une partie importante de cette technologie est le récupérateur laveur qui garantit le conditionnement du biogaz dans tous les sens.
Une autre des avantages de cette technologie est qu’elle permet d’éliminer à la fois les hydrocarbures lourds, ainsi que ceux contenant des composés de chlore ou de fluor, qui affectent, à leur tour, le bon fonctionnement du moteur, ainsi que le respect des émissions des systèmes de production d’énergie.
Cette technologie CLEAN-BGAS® MP DRY est le résultat du travail de R&D d’Energy & Waste au sein du Groupe Condorchem, qui travaille depuis plus de 15 ans sur le nettoyage et le conditionnement de différents types de gaz, et en particulier sur le biogaz (Figures 4 à 6).
Figure 4. Condensats avant et après la technologie CLEAN-BGAS® MP DRY. Élimination des hydrocarbures
Figure 5. CLEAN-BGAS® MP DRY. Décharge d’Arico-Tenerife
Figure 6. CLEAN-BGAS® MP DRY. EDAR Mataró. Barcelone
Références.
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