économique d’une filière de production de bio-GNV : Application à un cas réel
2. Etude expérimentale de la désulfurisation du biogaz par des laitiers BOF en conditions réelles
2.2. Résultats des essais en conditions réelles
Les mesures en entrée de la colonne de désulfurisation ont montré que le biogaz avait des concentrations en H2S très variables au cours du temps (Figure 66). Ces variations sont
principalement dues au fonctionnement discontinu des digesteurs dans lesquels l’hydrogène sulfuré est produit lors de l’acétogénèse qui est la troisième étape du processus biologique de méthanisation (Moletta, 2009). Toutefois, la concentration en H2S en sortie de la colonne est
restée inférieure à la valeur seuil de 3,3 ppmv sur 80% de la durée totale d’expérimentation (Figure 66). Sur les 20% du temps restant, les périodes de dépassement de cette valeur ont été dues à de fortes augmentations de la fraction volumique en H2S en entrée sur un à trois jours
consécutifs. Il a été constaté que la concentration en sortie à t = 28,5 jours a été inférieure à la valeur seuil (2,9 ppmv) bien que cette dernière ait été de plus grande 6,5 jours plus tôt (30 ppmv à t = 22 jours). Ces dépassements ne sont donc pas dus à la percée du matériau dans la mesure où la capture de l’H2S entrant a été observée après les pics. Cependant, au regard
des disparités sur les réponses aux pics de concentration, il semble difficile de pouvoir dégager un modèle des résultats. C’est notamment le cas entre t = 22 jours et t = 41 jours où les concentrations en H2S en entrée ont été du même ordre de grandeur (respectivement
169,4 et 160 ,6 ppmv) bien qu’en sortie elles aient été respectivement de 30,6 et 68,5 ppmv.
En première approximation, il est de tout de même possible d’estimer le temps de séjour supplémentaire qui aurait été nécessaire à l’atténuation du pic le plus défavorable. Il s’agit du pic à t = 41 jour présentant le taux de capture d’H2S le plus faible de 59% et la capture de
0,02 gH2S/kgBOF. Sachant qu’à cet instant il restait 68,5 ppmv = 12,9 mg d’H2S à capter,
l’ajout de 558 g de BOF correspondant à 8 secondes de temps de séjour supplémentaire aurait potentiellement pu permettre l’amortissement du pic étudié. Cette estimation a été faite suivant l’hypothèse que la cinétique de sulfuration de laitiers BOF par H2S ait été du premier
ordre vis-à-vis d’H2S et que l’enlèvement était proportionnel à la concentration en H2S entrant.
Figure 66. Suivi des concentrations en H2S en entrée et en sortie de la désulfurisation sur site au cours du temps
Après 45 jours de mesures, les laitiers BOF ont permis de capter 11,7 gH2S/kgBOF (Figure 66).
En comparaison, les essais en laboratoire en colonne dynamique et en conditions équivalentes ont conduit à la capacité de capture de 5,2
0,9 gH2S/kgBOF à la valeur seuil de 3,3 ppmv et
7,8
1,6 gH2S/kgBOF à saturation (Chapitre 3 - 2.2.1). Les performances de capture d’H2S par
les laitiers BOF observées en conditions réelles sont donc supérieures à celles mesurées en laboratoire. Cette différence pourrait s’expliquer par les temps de séjour dans le lit qui semble avoir un effet déterminant sur la capture d’H2S notamment en période de pic. Il est en effet
passé de 1,5 secondes pour les essais en colonne dynamique au laboratoire à 10,9 secondes pour les essais en condition réelles. De plus, ce résultat ne correspond pas la capacité maximale des laitiers BOF puisqu’il a été identifié que la percée n’avait pas été atteinte lors de la campagne de mesure sur site.
Le taux de capture d’H2S moyen a été élevé variant entre 41 et 94% pour une moyenne de
H
2S = 74 20 %. Lors des pics de concentration supérieure à 30 ppmv d’H2S en entrée, le
0 2 4 6 8 10 12 14 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ca pa ci té d e ca pt ure c um ul é (gH 2 S /k gBO F ) Co n ce n tra ti on e n H2 S ( vH2 S en p pm v) Temps (jours) Seuil à 3,3 ppmv H2S entrée H2S sortie
Capacité de capture d'H2S cumulé
11,7 gH2S/kgBOF 11,7 gH2S/kgBOF 11,7 gH2S/kgBOF 11,7 gH2S/kgBOF
taux de capture moyen est passé à 84
10 % traduisant des performances très satisfaisantes. En comparaison, les résultats de la littérature sur l’utilisation de mâchefers pour la capture d’H2S du biogaz en conditions réelles ont fait état de capacités comprises entre 0,037 et
5,7 gH2S/kgmat (Tableau 15 - p.98). Sachant que la capacité de capture d’H2S obtenu ici n’est
pas maximale, les laitiers BOF peuvent être considérés comme des co-produits plus performants pour désulfuriser le biogaz que les mâchefers.
La température en entrée de la colonne a été mesurée en extérieur au niveau du point bas pour l’évacuation des condensats. Elle a été de 12,9
3 °C en moyenne sur toute la durée du suivi avec un minimum et un maximum de 6 et 20 °C respectivement. (Figure 67). Cette température correspond à la température de rosée du gaz avant d’entrée dans la colonne.
Le suivi de la température au sein de la colonne, Tc, a montré une valeur moyenne de 31,8
4 °C. Cette donnée traduit donc une légère exothermicité de la réaction de sulfuration du fer ce qui est conforme à l’enthalpie de réaction de la sulfuration du fer de
Hr 22kJ/molH2S (McKinsey Zicari, 2013). Ce dégagement de chaleur pourrait avoir pour effet de vaporiser une partie de l’eau d’humidification initialement introduite. Ce phénomène pourrait donc conduire à l’assèchement progressif du lit de matériau. Cela provoquerait probablement une chute du rendement de capture comme l’ont montré les résultats au laboratoire sur l’effet du taux d’humidification (Chapitre 3 - 2.2.3).
La mesure de TS (température du gaz en sortie de la colonne) a montré qu’elle suivait la même tendance que la température ambiante, Tamb (Figure 67). Cette observation permet donc
d’estimer qu’à tout instant la température du biogaz sortant de la colonne de désulfurisation est égale à la température ambiante. De plus, cette baisse de température par rapport à Tc entrainerait la condensation d’une partie de l’eau abaissant le point de rosée à TS
. 5 15 25 35 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Te m pé ra tu re ( C) Temps (jours)
Température en entrée de la colonne (Te) Température en sortie de la colonne (Ts) Température colonne (Tc)
Figure 67. Suivi de la température au cours du temps sur site
Les pertes de charges ont oscillé entre 0 et 20 mbars sur toute la durée du test avec une valeur moyenne faible de 9,3 mbars.
2.3. Conclusions
Les expériences sur site ont permis de mettre en évidence une capacité de capture des laitiers BOF plus élevée que celles observées dans la littérature sur les mâchefers d’incinération. Le comportement des laitiers face à la forte variabilité de la concentration en H2S en entrée a
également été observé. La colonne mise en place semble en effet permettre d’assurer un taux de capture important quelles que soient les conditions d’entrée avec un taux de capture d’H2S
moyen de
H2S = 74
20%. Cependant, la spécification à 3,3 ppmv d’H2S en sortie de la
colonne n’a pas été respectée lorsque la concentration en H2S en entrée était trop importante.
Ce résultat a été justifié par un temps de séjour dans le lit de matériaux de 10,9 secondes insuffisant dans les conditions opératoires mises en place ici. Il a ainsi été estimé en première approximation que le temps de séjour devant être augmenté de 8 secondes pour assurer l’amortissement des pics.
Les résultats expérimentaux obtenus lors de cette campagne de mesure ont donc permis de montrer que la désulfurisation du biogaz par les laitiers BOF était faisable pour la production de bio-GNV. De plus, la gestion des pics de concentration en H2S dans le biogaz serait
probablement possible à condition que le temps de séjour dans le lit soit d’au minimum 19 secondes.