New compacts systems for biogas upgrading
Nouveaux systèmes compacts pour la purification du biogaz
Résumé
Biogas is a renewable energy source produced naturally by the anaerobic digestion of organic matter. It consists mainly of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2). It also contains traces of water vapour, volatile organic compounds (VOCs) and hydrogen sulphide. Biogas upgrading to biomethane requires the removal of contaminants in the raw biogas, reducing the level of impurities to achieve high CH4 content of about 90 to 99%. The uses of biomethane are the same as natural gas while being a 100% renewable and non-fossil energy source. Many technologies have been tested and applied to remove impurities from biogas, such as water scrubbing, physical and chemical scrubbing, membrane separation, pressure swing adsorption, biological methods, etc. Absorbents play an important role in removing impurities from biogas. Therefore, the development of novel absorbents with high absorption capacity and high recyclability is mandatory. The suitable absorbent should also have low viscosity, relatively low toxicity, low vapor pressure, high boiling point, high absorption capacity, and low cost. Deep eutectic solvents (DESs) are a mixture of two or three chemical compounds (usually a hydrogen acceptor compound, HBA and a compound hydrogen donor, HBD), which combine via hydrogen bonds that have a lower melting point than each of their pure components. These solvents have physico-chemical properties that can be tuned depending on the nature of the individual compounds and their ratio. The purpose of the thesis was to evaluate DESs and conventional green solvents as VOCs/CO2 absorbers for biogas upgrading. We evaluated and compared the efficiency of different DESs and conventional absorbents for the absorption of nine VOCs and CO2. The vapor–liquid partition coefficient (K) of the VOCs in the studied solvents and the absorption capacity of CO2 in DES were determined using static headspace-gas chromatography. The effect of VOC mixture, temperature water content was evaluated. The absorption capacities of individuals VOCs, their mixture and CO2/CH4 in DESs and conventional solvents were also evaluated using a dynamic set-up which simulated an industrial absorption column. Both static and dynamic results are in good agreement. Also, the absorption capacities of industrial absorbents were evaluated on an industrial scale using an exchanger developed by our industrial partner (Terrao®).
Le biogaz est une source d'énergie renouvelable produite naturellement par la digestion anaérobie de matières organiques. Il se compose principalement de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Il contient également des traces de vapeur d'eau, de composés organiques volatils (COV) et de sulfure d'hydrogène. La valorisation du biogaz en biométhane nécessite l'élimination des contaminants présents dans le biogaz brut, en réduisant le niveau d'impuretés afin d'obtenir une teneur élevée en CH4, de l'ordre de 90 à 99 %. Les utilisations du biométhane sont les mêmes que celles du gaz naturel, mais il s'agit d'une source d'énergie non fossile et renouvelable à 100 %. De nombreuses technologies ont été testées et appliquées pour éliminer les impuretés du biogaz, telles que le lavage à l'eau, le lavage physique et chimique, la séparation par membrane, l'adsorption par variation de pression, les méthodes biologiques, etc. Les absorbants jouent un rôle important dans l'élimination des impuretés du biogaz. Il est donc impératif de mettre au point de nouveaux absorbants dotés d'une capacité d'absorption et d'une recyclabilité élevées. L'absorbant approprié doit également avoir une faible viscosité, une toxicité relativement faible, une faible pression de vapeur, un point d'ébullition élevé, une grande capacité d'absorption et un faible coût. Les solvants eutectiques profonds (DESs) sont un mélange de deux ou trois composés chimiques (généralement un composé accepteur d'hydrogène, HBA, et un composé donneur d'hydrogène, HBD), qui se combinent par le biais de liaisons hydrogène et dont le point de fusion est inférieur à celui de chacun de leurs composants purs. Ces solvants ont des propriétés physico-chimiques qui peuvent être ajustées en fonction de la nature des composés individuels et de leur ratio. L'objectif de cette thèse était d'évaluer des DES et des solvants verts conventionnels en tant qu'absorbants pour les COV/CO2. Nous avons évalué et comparé l'efficacité de différents DESs et absorbants conventionnels pour l'absorption de neuf COV et du CO2. Le coefficient de partage vapeur-liquide (K) des COV dans les solvants étudiés et la capacité d'absorption du CO2 dans les DES ont été déterminés à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à l’espace de tête statique. L'effet du mélange de COV, de la température et de la teneur en eau a été évalué. Les capacités d'absorption des COV individuels, de leur mélange et du CO2/CH4 dans les DES et les solvants conventionnels ont également été évaluées à l'aide d'un dispositif dynamique simulant une colonne d'absorption industrielle. Les résultats statiques et dynamiques obtenus sont en bon accord. Les capacités d'absorption d’absorbants industriels ont également été évaluées à l'échelle industrielle en utilisant un échangeur développé par notre partenaire industriel (Terrao®).
Origine : Version validée par le jury (STAR)