Brevet FR2259784A1 — publié le 19750829

L'invention se rapporte à un procédé pour la combustion de llammo- niac à l'aide d'un gaz contenant de l'oxygène, ainsi qu'à une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé. L'application de ce procédé est particulièrement avantageuse aux moteurs à combustion interne ainsi qu'aux installations utilisant la chaleur produite par la combustion,telles par exemple les installations de chauffage et les centrales thermiques. De nombreuses études et recherches se sont proposé de supprimer les nuisances sur ltenvironnement, provoquées par les moteurs à combustion interne, les installations de chauffage à combustion et les centrales thermiques. Jusqu a présent, tout espoir semblait perdu de supprimer, à l'aide d'un même procédé, les nuisances à de telles installations de transformation d'énergie du fait surtout que les exigences formulées à l'égard des différentes sources d'énergie sont trop variées. On opposera à ce sujet l'exploitation approximativement régulière d'une centrale électrique dans un intervalle de temps donhé, à la variation, à intervalles rapprochés, de la production d'énergie d'un véhicule. Pour les carburants et les combustibles à base de carbone, généralement utilisés de nos jours, en particulier pour le fonctionne- ment des moteurs des automobiles, on se trouve ainsi amené à accepter la combustion incomplète comme un fait quasiment inévitable (émanations d'hydrocarbures, de produits cancérigènes, de suie et d'oxyde de carbone). D'autre part, la quasi totalité des phénomènes de combustion s'accompagnent en plus d'émissions de produits nocifs tels que des oxydes de soufre ou des oxydes nitriques engendrés par l'oxydation de l'azote organique, ainsi que des poussières provenant des impuretés contenues dans les combustibles fossiles. Ainsi, on est souvent amené, en vue d'aboutir au phénomène de combustion souhaité, d'ajouter des produits éminemment toxiques, tels que le benzène ou le plomb tétraéthyle. De plus, on peut d'ores et déjà prévoir la période à laquelle les carburants ou les combustibles fossiles, de plus en plus nécessaires pour couvrir les besoins en matières premières, seront épuisés, Par ailleurs, on n'a découvert à ce jour, et surtout dans le domaine du transport individuel, aucun produit de remplacement du pétrole ou du charbon et encore bien moins un produit de remplacement ne provoquant pas de nuisances sur l'environnement. On a pu apprendre que l'hydrogène, en tant que combustible ou en tant que carburant, était un produit énergétique ne provoquant pas de nuisances et pouvant, en tant que matière première, être fourni en quantité illimitée par des réservoirs énergétiques quelconques (par exemple énergie solaire). Par contre, on sait aussi que les probl èmes cités plus haut ne pourront être que partiellement résolus avec l'hydrogène, Aux temperatures normales, l'hydrogène ne se trouve qu'à l'état gazeux et ne peut être liquéfié même à des températures extrêmement basses et quelle que soit la pression utilisée. On dispose ainsi d'une densité énergétique par unité de volume trop faible pour la plupart des cas d'utilisation courante (véhi cules et chauffage domestique). Des difficultés supplémentaires proviennent des pertes de coulage inévitables en cours de transport par pipelines ou pendant le stockage dans les réservoirs à gaz, du fait surtout je la très grande vitesse de diffusion de l'hydrogène gazeux très léger à travers la plupart des parois métalli- que s. Le pouvoir calorifique, par unité de masse, de l'hydrogène est d'environ 120.000 kJ/kg, alors que le pouvoir calorifique de l'essence se situe aux environs de 48. 000 kJ/kg. L'hydrogène liquide, qui n'est liquéfiable que sous pression et à une température inférieure à - 240 "C, a un pouvoir calorifique par unité de volume d'environ 8500 -kJ/l. contre environ 36. oxo kS/l, pour l'essence, Il est donc difficilement concevable que cette technique du maintien permanent de température extrêmement basse, avec son besoin propre en énergie particulièrement élevé, trouve application dans le domaine des combustibles et des carburants à l'exception bien entendu de quelques cas bien particuliers, comme celui des fusées, où les couts et les prix n'occupent qu'une place très secondaire. Ce sont donc ces inconvénients qui s'opposent en général à l'utilisation de l'hydrogène en tant que combustible dans les procédés. traditionnels. 1l incombe ainsi à l'invention de réaliser un procédé qui, à la place des carburants et combustibles traditionnels, utilise un élétnent qui produit une énergie calorifique lors de sa combustion, qui ne-présente aucun des inconvénients cités et qui existe en quantité suffisante, ainsi qu'une installation permettant la réalisation du procédé. Partant des qualités connues de l'ammoniac, l'invention résout ce problème par le fait que l'ammoniac est préalablement dissocié ou craqué dans un appareil de craquage et transformé ainsi en gaz permanent combustible qui est dirigé, tout comme le gaz à teneur d'oxygène nécessaire à sa combustion, dans une chambre de combustion telle que par exemple le cylindre d'un moteur, ou le foyer d'une installation de chauffage ou la chaudière d'une centrale thermique, pour y être brûlé. D'une manière surprenante, on a constaté que la plupart des problè mes posés pouvaient être résolus en utilisant l'ammoniac dans le phénomène de la combustion. L'avantage particulier résulte du fait que l'ammoniac ne contient pas de carbone, ce qui évite la formation d'hydrocarbures, de suie, d'oxyde de carbone et de gaz carbonique. On connaft la synth-èse de l'ammoniac. Elle est réalisable à grande échelle et indépendamment des combustibles fossiles. Contrairement à l'hydrogène, l'ammoniac est liquéfiable sous pression, même à des températures supérieures aux températures ambiantes et inversement il ne se solidifie pas, même lorsqu'il se trouve exposé aux plus basses température-s sévissant sur notre planète. Ainsi l'ammoniac présente tous les avantages exigés d'un carburant sous forme d'un gaz liquéfié. On considère néanmoins comme un inconvénient le fait que la combustion de l'ammoniac n'est possible, dans de faibles limites, que mélangé à oxygène pur, ou mélangé à de l'air à l'aide d'un catalyseur, ce qui a pour effet de libérer de grandes quantités d'oxydes d'azote connus pour leur nocivité. Le procédé défini par l'invention évite ces inconvénients par le fait que l'ammoniac craqué dans un appareil de craquage produit ainsi un gaz permanent combustible et que ce gaz combustible, ainsi que le volume de gaz à teneur d'oxygène, nécessaire à la combustion sont dirigés dans la chambre de combustion pour y être brûlés. Le gaz permanent combustible produit à partir de l'ammoniac brille ainsi, contraitement à l'ammoniac, dans pratiquement toutes les conditions et non seulement mélangé à l'oxygène pur, mais également en présence d'air contenant de l'oxygène ou même dans des mélanges gazeux encore beaucoup plus pauvres en oxygène. Ainsi, à l'exception du démarrage de l'allumage, l'utilisation d'un catalyseur est absolument inutile pour le déroulement du processus de combustion. D'autre part, l'azote du gaz permanent produit à partir de l'ammoniac a, lors de la combustion, un comportement dont l'inertie correspond à celle de l'azote de l'air, contrairement à ce qui se produit avec la combustion catalytique directe qui dégage une quantité excessive d'oxydes d'azote. Un autre avantage présenté par le procédé défini par l'invention réside dans le fait que la quantité d'énergie fournie par la combustion de 1 kg de gaz permanent combustible, produit à partir de l'ammoniac, est sensiblement plus importante que la quantité d'énergie dégagée par la combustion de 1 kg d'ammoniac. Viennent encore staligner d'autres avantages du fait que les dangers d'incendie ou d'explosion à craindre pendant le stockage ou lors du transport de l'ammoniac sont infiniment moindres que pour l'essence, ou d'autres produits pétroliers, voire l'hydrogène.Ces avantages proviennent du fait que d'après l'invention, la quantité de gaz combustible nécessaire n'est produite par le craquage de l'ammoniac et introduite dans la chambre de combustion qu'au tout dernier moment, On bénéficie ainsi, pour un gaz liquéfié utilisé comme combustible ou comme carburant, de tous les avantages de stockage, de transport, d'amenée, de dosage, etc... alliés à une haute densité énergétique, sans avoir à craindre les dangers d'incendie ou d'explosion, ce qui revet une importance capitale dans le domaine de la sécurité de la circulation.On bénéficie par ailleurs des avantages procurés par l'amenée du combustible ou du carburant sous-forme entièrement gazeuse à l'intérieur de la chambre de combustion du fait que, par le craquage, l'ammoniac peu combustible, préalablement liquéfié, est transformé en gaz permanent parfaitement combustible. Dans une autre forme de réalisation du procédé défini par l'invention, le craquage de l'ammoniac est réalisé dans la chambre de combustion et le gaz permanent combustible, produit à partir de l'ammoniac, est brillé dans un même espace et en même temps que le gaz à teneur d'oxygène nécessaire à la combustion. Ceci présente, entre autres, l'avantage que la chaleur de combustion qui en résulte fournit, le cas échéant, directement à l'installation de craquage utilisée pour le craquage de l'ammoniac, la chaleur nécessaire à ce craquage de l'ammoniac, D'autre part, ce procédé présente l'avantage d'un craquage et d'une utilisation plus complète de l'ammoniac, compte tenu qu'une fraction du gaz permanent, produit à partir de l'ammoniac est, par sa combustion, éliminée de 1 'équilibre chimique. Dans une autre application du procédé de l'invention, un produit au moins, dérivé de l'ammoniac, est soumis au craquage dans l'appareil de craquage visé. Par cette mesure, il est possible de faire entrer dans le procédé défini par llinvention des dérivés, transformables en ammoniac par le phénomène du craquage.De la même manière, il est possible, en application d'une variante du procédé défini par l'invention, de réaliser d'abord, dans un premier appareil de craquage, la transformation par craquage d'un ou de plusieurs produits dérivés de ammoniac en ammoniac et en sous produits et de diriger ensuite l'ammoniac ainsi recueilli sur un autre appareil de craquage spécifique pour l'ammoniac, où l'on obtient par le craquage la formation d'un gaz permanent combustible. Il s'est avéré particulièrement avantageux d'utiliser1 en tant que produit dérivé de l'ammoniac, du carbonate acide d'ammonium, Ce produit bien connu dérivé de l'ammoniac se trouve en quantité suffisante et peut être manipulé et acquis sans difficultés. Conformément au procédé défini par l'invention, l'ammoniac est considéré comme combustible ou comme carburant liquide dans lequel l'ammoniac est utilisé comme élément porteur d'hydrogène, et qui présente tous les avantages de l'hydrogène1 y compris la combustion ne dégageant pas de produits nocifs1 sans en posséder les inconvénients résultant du stockage et de l'embarquement sur le véhicule, Dans le cadre de la présente invention, l'installation permettant l'applicátion du procédé défini par cette invention, doit avoir une configuration telle que le dispositif, composé d'une chambre de combustion, des éléments d'amenée pour l'ammoniac craqué et le gaz porteur d'oxygène, ainsi que du dispositif d'allumage, comporte au moins un appareil de craquage pour l'ammoniac, associé à la chambre de combustion.L'appareil de craquage peut être associe à la chambre de combustion de manière à ce qulil se trouve à l'intérieur ou autour de cette chambre de combustion. Cet appareil de craquage peut, par exemple, être relié à la chambre de combustion par au moins une conduite de raccordement. D'autre part, l'appareil de craquage peut être associé à la chambre de combustion de manière à ce que l'appareil de craquage forme le revêtement extérieur de la chambre de combustion ou que l'appareil de craquage traverse la chambre de combustion, Cette disposition pré sente1 entre autres, l'avantage d'une part, d'échauffer l'ammoniac et de fournir la chaleur nécessaire au craquage par une fraction de la chaleur de combustion et, d'autre part, de refroidir le revêtement extérieur de la chambre de combustion. Par ailleurs, l'installation de craquage peut être associée à la cham bre de combustion de manière à se trouver, en tant qu'appareil de craquage, à l'intérieur de cette chambre de combustion. Dans ce cas, la paroi de la chambre de combustion forme le revêtement de la chambre de combustion proprement dite et celui due l'appareil de craquage dans lequel cas cet appa reil peut avoir la configuration d'un catalyseur de craquage de géométrie quelconque. L'avantage de cette disposition consiste, entre autres, dans le fait que la chaleur nécessaire au craquage de l'ammoniac est fournie directement par la chaleur de combustion, que la température de craquage disponible est plus élevée, que la combustion de l'ammoniac est plus complète et que les pertes de chaleur sont plus faible s. L'appareil de craquage de l'ammoniac peut comporter, d'après l'in vention, une installation au moins, à l'aide de laquelle l'ammoniac est trans formé par craquage en gaz permanent combustible, installation utilisée habituellement pour la génération et la transmission de rayons électromagnétiques (lumière ultra-violette, par exemple), de hautes températures, d'étincelles électriques, etc... La transmission des températures et de l'énergie calori fique nécessaire à l'appareil de craquage peut par exemple être effectuée à l'aide d'un échangeur de chaleur, d'une canalisation conductrice de chaleur, d'un tube chauffant annulaire ou d'une thermopompe. La température et Ité nergie calorifique peuvent être engendrées entièrement ou partiellement soit par la chaleur de combustion du gaz combustible, soit par la chaleur des gaz dtichappement, soit encore par un chauffage électrique. L'appareil de craquage contient avantageusement un catalyseur permettant un craquage plus rapide à plus basse température. A l'aide d'une installation au moins, utilisée pour la transmission de la température et de l'énergie calorifique sur l'installation de craquage de l'ammoniac, le catalyseur peut être porté à la température nécessaire au craquage de l'ammoniac. Dans une forme de réalisation perfectionnée de l'invention, la canali sation conductrice de chaleur peut comporter une installation génératrice d'une flamme de combustion ou de chauffage électrique. Dans un autre stade de cette invention, le catalyseur de craquage peut être construit et aménagé à l'intérieur de l'appareil de craquage de manière à ce que, sous l'effet d'une mise sous tension électrique, il soit parcouru par un courant électrique, en utilisant par exemple le nickel comme filament ou comme grillage conducteur. Les deux configurations décrites en dernier sont essentiellement utilisées pour le démarrage ou le maintien du craquage de l'ammoniac dans le cas où, pendant la phase de démarrage, l'énergie calorifique et la température n'ont pas atteint le niveau requis ou nlont pas pu être fournies par d'autres sources. Dans le cadre de la présente invention, l'installation de craquage peut se composer de plusieurs appareils de craquage individuels disposés en parallèle ou bien disposés en série, en vue. de provoquer un craquage aus-si complet que possible. Lorsque le craquage, compte tenu de son réglage ou de l'équilibre chimique, est incomplet, on a la possibilité de disposer d'autres appareils de craquage en aval de la chambre de combustion, le cas échéant, en alternance avec d'autres chambres de combustion pour que, dans le gaz d'échappement provenant de la combustion du gaz combustible produit à partir de l'ammoniac, on atteigne de manière répétée, dans l'appareil de craquage suivant, un nouvel équilibre qui fait que, dans le gaz d'échappement ainsi évacué, la concentration subit une décroissance géométrique. Compte tenu de la configuration décrite de l'invention, les dérivés de l'ammoniac peuvent être utilisés pour le stockage des combustibles ou des carburants dans le cas où, par le procédé de craquage, on peut en extraire de l'ammoniac et des sous-produits. L'ammoniac, le cas échéant mélangé aux sous-produits, est ensuite, conformément à l'invention, soumis au craquage en vue d'obtenir un gaz permanent combustible. On a ainsi la possibilité de stocker et de transporter à l'ébat liquide, voire solide, et à température normale un carburant utilisé normalement à l'état gazeux. De tels dérivés de I'ammoniac, particulièrement avantageux pour le procédé défini par l'invention, sont essentiellement l'hydrazine, l'hydroxyl- amine, l'urée, des sels d'ammonium, en particulier des halogénures d'ammonium et le carbonate dlammonium. Conformément à la description de la forme de réalisation perfectionnée de l'objet de l'invention, il est possible de procéder au craquage d'unau de plusieurs dérivés de l'ammoniac dans llinstallation de craquage pour l'ammoniac. Ceci est possible en particulier lorsque, pendant le craquage dlau moins un produit dérivé de l'ammoniac, il ne se forme aucun sous-produit dangereux, soit pour le fonctionnement de l'installation de craquage, soit pour la combustion, soit pour l'évacuation des gaz d'échappement, etc... Une élimination des sous-produits rendue éventuellement nécessaire peut etre obtenue par des procédés physiques, chimiques, ou par tout autre moyen connu. De tels procédés sont connus et ne font donc pas l'objet de la présente invention. Une forme de stockage à l'état solide- du carburant ou du combustible est donnée, d'après la définition de l'objet de l'invention, par le carbonate acide d'ammonium qui, chauffé à température douce, se décompose en ammo mac, en eau et en gaz carbonique, ce qui, lors du craquage ultérieur de l'ammoniac, ne donne que des produits naturellement répandus dans l'air. Le carbonate acide d'ammonium est, dlaprès le présent procédé, particulièrement avantageux comme élément de stockage pour les carburants et les combustibles du fait que l'eau et le gaz carbonique qui permettent de donner à l'ammoniac sa forme de stockage, sont facilement accessibles, peu chers et se trouvent souvent sous forme de déchets. Par ailleurs, le procédé de fabrication du carbonate acide d 'ammonium et son craquage, en vue de.l'ob- tention de llammonac, est particulièrement simple.Le craquage du carbonate acide d'ammonium à une température proche de 60 C permet de séparer facilement le sous-produit eau à l'état liquide qui se forme des autres produits gazeux et d'éviter ainsi que cette eau ne pénètre involontairement dans l'installation de craquage de l'ammoniac. Le craquage peut toutefois se faire dans une installation identique à celle réservée à llammoniac. Le stockage sous forme de carbonate acide d'ammonium présente par ailleurs l'avantage incontestable de pouvoir être réalisé en période pléthorique en carburant, qui peut aller de quelques minutes à quelques dizaines d'années, et permettre ainsi un stockage sir tout en supprimant pendant ce temps la fabrication onéreuse en énergie de l'hy- drogène, la synthèse de l'ammoniac, voire la fabrication du carbonate acide d'ammonium. Le carbonate acide d'ammonium peut sans hésitation être stocké en sacs ou sous forme d'énormes montagnes sans danger d'incendie et sans aucune protection contre les chocs. n suffit de le protéger sommairement par une couche ou un revêtement imperméable aux gaz et de ne pas trop l'exposer aux effets de l'eau. Dans le cas où il n'est pas activé à des fins énergétiques, son enlèvement ne s'impose pas, mais son utilisation comme engrais peut être décidée sans plus. L'ammoniac et les produits dérivés de liammoniac représentent une réserve concentrée d'énergie, beaucoup plus concentrée ailleurs que par exemple l'eau chaude, la vapeur d'eau, les produits portés à l'évaporation à partir de leur état solide ou liquide à température normale, l'eau dans le réservoir d'alimentation ou encore l'énergie potentielle de l'eau de pluie en montagne.Cette énergie stockée, reconnue comme teflè par les Demandeurs, pèut, d'après le procédé de Itinvention, être libéré e d'une manière continue à tout moment et en tous lieux sous l'effet, à court terme, d'une énergie de démarrage. Le transfert de cette énergie dans les autres formes d'énergie est possible, Conformément à l'invention, l'ammoniac peut, d'après le procédé décrit, être utilisé pour le fonctionnement des moteurs à combustion interne où la transformation peut être réalisée dans tous les types de moteurs à combustion connus tels que les moteurs à pistons, les moteurs à pistons rotatifs, les turbines à gaz à combustion interne et les moteurs à gaz.Ces moteurs à combustion interne sont utilisables tant aux équipements fixes, tels par exemple pour l'entrainement des générateurs, que pour la traction des véhicules où l'énergie de démarrage est instantanément disponible, même en cas de variations à court terme des besoins propres aux voitures automobiles. L'utilisation de l'ammoniac pour le fonctionnement des moteurs à combustion interne est surtout avantageuse du fait que les émanations de produits nocifs typiques,-- tels que l'oxyde de carbone, la suie et les hydro carbure s, sont entièrement supprimées. D'autre part, l'ammoniac en tant que carburant et en tant que combustible n'exige l'addition d'aucun produit toxique, tel que le plomb tétraéthyle et le benzène, ajouté aux carburants actuels en vue de 1 'optimisation du phénomène de la combustion. D'autre part, d'après l'invention, l'ammoniac produit à partir des produits dérivés de l'ammoniac est utilisé pour ltalimentation du chauffage à combustion. La chaleur peut être utilisée pour le chauffage domestique, le chauffage des bâtiments publics, voire des chaussées. De plus, chaleur et température peuvent être utilisées dans les processus chimiques, Par ailleurs, d'après l'invention, l'ammoniac est utilisé pour l'alimentation des centrales thermiques. La combustion peut également dans ce cas, se faire dans les installations traditionnelles et être utilisée pour la production de l'énergie électrique. Bien entendu, d'autres possibilités d'utilisation telles que par exemple l'élimination des quantités d'ammoniac produites ou libérées involontairement, entrent dans le cadre de l'inventions Le procédé défini par l'invention et les installations permettant l'application de ce procédé, remplacent les produits tels que le charbon et le pétrole actuellement utilisés dans la production de l'énergie. REVENDICATIONS 1) Procédé pour la combustion de l'ammoniac à l'aide d'un gaz contenant de l'oxygène, caractérisé en ce que ammoniac est craqué dans un appareil de craquage et transformé ainsi en gaz permanent oe mbustible qui est dirigé, tout comme le gaz à teneur d'oxygène, nécessaire à sa combustion, dans une chambre de combustion pour y etre hfilé. 2) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu'un produit dérivé de ammoniac au moins est soumis au craquage dans l'appareil de craquage. 3) Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que dans un premier appareil de craquage, un ou plusieurs produits dérivés de l'ammoniac sont transformés par craquage en ammoniac et en sous- produits et qu'ensuite cet ammoniac est dirigé dans un appareil de craquage spécifique pour l'ammo niac, 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le produit dérivé de ammoniac qui est dirigé dans llinstalla- tion de craquage est du carbonate acide d'ammonium 5) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, comportant une chambre de combustion, le dispositif nécessaire à Amenée de ammoniac craqué et du gaz porteur oxygène, ainsi que le dispositif d'allumage, caractérisée en ce qu'au moins un appareil de craquage de l'ammoniac se trouve associé à la chambre de combustion. 6) Installation selon la revendication-5, caractérisée entre que llins- tallation de craquage est aménagée à l'intérieur de la chambre de combustion. 7) Application du procédé selon la revendication l à ltalimentation des moteurs à combustion interne à laide de l'ammoniac. 8) Application du procédé selon la revendication 1 à l'alimentation par cet ammoniac des installations de chauffage par combustion. 9) Application du procédé selon la revendication 1 à ltalimentation par cet ammoniac de centrales thermiques.