Brevet FR2578237A1 — publié le 19860905

La présente invention concerne un procédé pour manufacturer un gaz contenant principalement CO + H2 par reformage thermique d'un hydrocarbure gazeux, par exemple CH4, avec de la vapeur d'eau en proportion presque stoechio- métrique, ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Le procédé connu de reformage d'un hydrocarbure gazeux tel que CH4 pour produire un gaz contenant CO + H2 opère par reformage catalytique à des températures infé- rieures à environ 1000 C. Pour produire un gaz de réduction par ce qui est connu comme le reformage en une étape, le reformage est exécuté avec une proportion presque stoechio- métrique entre H20 et C. Des températures élevées sont pré- férables dans ce processus, mais la température est limitée par la résistance de la matière des tubes de reformeur. Un inconvénient de ce procédé connu réside en ce que le catalyseur est extrêmement sensible au soufre et que l'hydrocarbure doit par conséquent être débarrassé du soufre avant le reformage. Il est connu en soi qu'un hydrocarbure peut être reformé sans utilisation de catalyseur, à des températures supérieures à 1200-1300 C. Cependant, on ne connaît aucun procédé ni dispositif propre à exécuter cette opération. En conséquence, le but de la présente invention est de fournir un procédé et un dispositif pour effectuer le reformage thermique d'un hydrocarbure sans utiliser de tubes de reformeur ni de catalyseurs. Le procédé selon l'invention consiste à alimenter un réacteur de reformage avec un hydrocarbure gazeux et de la vapeur d'eau, en proportion presque stoechiométrique, et à chauffer totalement ou partiellement le gaz à l'aide de générateurs de plasma de telle façon que la température du mélange gazeux dépasse 1200 C. Outre le fait qu'il permet d'apporter une énergie extérieure au moyen de générateurs de plasma, le procédé de reformage thermique selon l'invention donne également dès le départ une très basse teneur en CO2 + H20, c'est-à-dire inférieure à 10 %. Selon un mode avantageux de réalisation du pro- cédé de l'invention, l'hydrocarbure gazeux et/ou la vapeur d'eau sont amenés à passer en totalité ou en partie par le générateur de plasma cependant que le gaz restant est injecté directement dans le réacteur. Le générateur de plasma peut être muni de deux électrodes annulaires, ou bien il peut être du type à arc transféré. Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, la perte calorifique du processus et/ou la chaleur physique du mélange gazeux engendré sont utilisées au moins en partie pour produire la vapeur d'eau utilisée dans le processus. Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, la chaleur physique du mélange ga- zeux engendré est utilisée au moins en partie pour désul- furer le gaz produit. La désulfuration est effectuée par injection d'un accepteur de soufre, tel que du calcaire ou de la dolomite pulvérisés, dans le réacteur, après quoi la majeure partie du soufre est séparée en même temps que la chaux consommée sous forme solide et/ou liquide. Selon encore un autre mode avantageux de réalisa- tion du procédé de l'invention, la chaleur physique du mélange gazeux engendré est utilisée au moins en partie pour carburer le gaz produit. Ceci est de préférence accom- pli par injection d'un porteur de carbone actif à l'état pulvérisé, habituellement du coke, après quoi les cendres restantes sont séparées sous forme solide et/ou liquide. On peut ainsi réduire davantage la teneur résiduelle en CO2 + H20, théoriquement jusqu'à 0 %. Il est également envisageable en soi d'effectuer la désulfuration et/ou la carburation dans des réacteurs séparés par lesquels on fait passer le gaz chaud produit après le reformage. L'invention est ainsi mise en pratique dans un réacteur vide thermiquement isolé dans lequel la tempéra- ture dépasse 1200 C, et atteint de préférence 1300 C. La pression du mélange gazeux à l'intérieur du réacteur est ajustée en vue de l'usage auquel on destine le gaz. S'il doit être utilisé comme gaz de réduction, il convient que la pression absolue soit d'environ 200 à 300 kPa, et pour l'utiliser comme gaz de synthèse, il faut normalement que la pression absolue dépasse environ 2 MPa. La température du gaz est réglée d'une façon convenant à l'usage projeté, par exemple par échange de chaleur et/ou refroidissement. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend au moins une chambre de réaction, au moins un générateur de plasma destiné à fournir de l'énergie extérieure à la chambre de réaction, des moyens d'alimentation en hydrocarbure et en vapeur d'eau devant être chauffés par le générateur de plasma, des sorties de gaz et des sorties pour les scories et les cendres. Selon une forme préférée de réalisation du dispo- sitif de l'invention, celui-ci comprend également des moyens d'alimentation en porteur de carbone actif et en accepteur de soufre. Le générateur de plasma peut être muni d'élec- trodes cylindriques entre lesquelles est engendré un arc électrique, ou bien il peut être du type à arc transféré. Selon une autre forme avantageuse de réalisation du dispositif de l'invention, ce dispositif comprend une cuve cylindrique verticale séparée en des zones de refor- mage et de carburation, un étranglement étant éventuelle- ment présent entre ces zones, et pourvue d'une sortie pour les scories liquides ménagée au fond de la cuve et d'une sortie de gaz disposée dans la partie inférieure de la cuve et communiquant avec un séparateur subséquent pourvu dans sa partie inférieure d'une sortie pour les scories solides et les matières non vaporisées, et d'une sortie de gaz dis- posée dans sa partie supérieure. Des moyens d'alimentation en porteur de carbone réactif et en accepteur de soufre sont disposés en un ou plusieurs points de la cuve et en association avec la sortie de gaz de la cuve. Selon une autre forme avantageuse de réalisation du dispositif de l'invention, le ou les générateurs de plasma sont disposés au sommet de la cuve verticale. Selon encore une autre forme avantageuse de réa- lisation du dispositif de l'invention, le séparateur est conçu comme un séparateur cyclone afin de faciliter la séparation des particules solides. Selon encore une autre forme avantageuse de réa- lisation du dispositif de l'invention, un échangeur de cha- leur est prévu dans la sortie de gaz de la cuve verticale et/ou du séparateur. D'autres caractéristiques, avantages et modes de mise en pratique de l'invention ressortiront de la descrip- tion détaillée suivante qui est faite en regard du dessin annexé sur lequel: la figure unique donne une représentation schéma- tique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de reformage thermique conforme à l'invention. Le dispositif comprend un cuve cylindrique verti- cale 1 composée d'une zone de reformage 2 et d'une zone de carburation 3. Les deux zones sont représentées partielle- ment séparées par un étranglement 4 mais elles sont en com- munication directe l'une avec l'autre. Au moins un générateur de plasma 5 est disposé au sommet de la cuve. L'hydrocarbure peut être injecté dans la cuve, en totalité ou en partie, par une conduite 6, ou bien il peut être introduit par une conduite 7 jusqu'à un mélangeur 8. Dans la forme de réalisation représentée sur le dessin, il y a un échange de chaleur entre de l'eau et le gaz engendré et de la vapeur d'eau peut être introduite dans le mélangeur par une conduite 9, ou bien être injectée en totalité ou en partie dans la zone de reformage par une conduite 10. Le mélangeur 8 peut engendrer un mélange gazeux qui peut être acheminé en totalité ou en partie par une conduite 11 et amené à passer par le générateur de plasma 5, ou bien une partie du mélange gazeux peut être directement injectée dans la zone de reformage par une conduite 12. Cette forme de réalisation ne permet d'alimenter le générateur de plasma qu'en hydrocarbure ou vapeur d'eau par l'intermédiaire du mélangeur 8. La zone de carburation 3 située au-dessous de la zone de reformage 2 est en communication avec un séparateur 14 par l'intermédiaire d'une conduite de gaz 13, ce qui as- sure au gaz un temps de séjour suffisamment long pour per- mettre à la carburation de s'effectuer jusqu'à la teneur résiduelle désirée en H20 et CO2. Le séparateur est de pré- férence un séparateur cyclone afin que les polluants parti- culaires tels que les gouttes de scories et les matières non volatilisées soient plus facilement séparées du gaz. Les scories issues de la zone de reformage 2 sont éliminées en majeure partie par une sortie 15 de scories qui est ménagée dans la zone cylindrique de carburation de la cuve 1, tandis que les particules accompagnant le gaz sont enlevées par une sortie 16 de scories qui est ménagée au fond du séparateur. La conduite de gaz 13 constitue fonctionnellement une partie de la zone de carburation 3. Des injecteurs 17, 18 et 19 destinés à l'alimentation en porteur de carbone réactif et/ou en accepteur de soufre sont disposés dans la zone de reformage, la zone de carburation et la conduite de gaz 13. On peut également envisager d'injecter un scori- fiant par ces injecteurs. Sur le dessin, un échangeur de chaleur 21 est représenté dans la sortie de gaz 20 du séparateur 14. Cet échangeur est utilisé pour échanger la chaleur du gaz engen- dré ou le refroidir. Comme mentionné ci-dessus, l'échangeur de chaleur peut avantageusement être utilisé pour produire de la vapeur d'eau destinée à l'opération de reformage. Cet échange de chaleur ou ce refroidissement du mélange gazeux - 6 engendré peut également ou en variante être effectué dans la conduite de gaz 13 qui relie la zone de carburation et le séparateur. REVENDICATIONS 1. Procédé pour manufacturer un gaz contenant principalement CO + H2 par reformage thermique d'un hydro- carbure gazeux, par exemple CH4, avec de la vapeur d'eau en proportion presque stoechiométrique, caractérisé en ce qu'il consiste à alimenter un réacteur de reformage avec un hydrocarbure gazeux et de la vapeur d'eau, séparément ou en mélange et en proportion presque stoechiométrique, et à chauffer totalement ou partiellement le gaz à l'aide d'au moins un générateur de plasma de telle façon que la tempé- rature du mélange gazeux dépasse 1200 C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrocarbure gazeux et/ou la vapeur d'eau sont amenés à passer en totalité ou en partie par le générateur de plasma tandis que le gaz restant est injecté directement dans le réacteur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le générateur de plasma est muni de deux électrodes annulaires. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le générateur de plasma est du type à arc transféré. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la perte calorifique du processus et/ou la chaleur physique du mélange gazeux en- gendré sont utilisés au moins en partie pour produire la vapeur d'eau utilisée dans le processus. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que la chaleur physique du mélange gazeux engendré est utilisée au moins en partie pour désulfurer le gaz produit. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la désulfuration est effectuée en injectant un accepteur de soufre tel que du calcaire ou de la dolomite pulvérisés, dans le réacteur, après quoi la majeure partie du soufre est séparée en même temps que la chaux consommée sous forme solide et/ou liquide. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la chaleur physique du mélange gazeux engendré est utilisée au moins en partie pour carburer le gaz produit. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la carburation est effectuée en injectant un por- teur de carbone réactif, de préférence du coke, à l'état pulvérisé dans le réacteur, après quoi les cendres restantes sont séparées sous forme solide et/ou liquide. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la teneur résiduelle en CO2 + H2 après la carbu- ration du mélange gazeux est inférieure à 10 %. 11. Dispositif pour manufacturer un gaz contenant principalement CO + H2 par reformage thermique d'un hydrocar- bure gazeuxpar exempleCH4, avecde lavapeur d'eau en propor- tion presque stoechiométrique, pour mettre en-oeuvre le procédé selonla revendication 1, caractérisé ence qu'ilcomprend au moinsune chambrede réaction, au moins un générateur de plasma (5) destiné à fournir de l'énergie extérieure à la chambre de réaction, des moyens d'alimentation en hydrocarbure et en vapeur d'eau devant être chauffés par le générateur de plasma, et des sorties (15, 16) pour les scories et les cendres. - 12. Dispositif selon la revendication 11, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens (17, 18, 19) d'alimen- tation en porteur de carbone réactif et/ou en accepteur de soufre. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve cylindrique ver- ticale (1) séparée en des zones de reformage (2).et de carburation (3), un étranglement (4) étant éventuellement présent entre ces zones, et pourvue d'une sortie (15) pour les scories liquides ménagée au fond de la cuve, et d'une sortie (13) de gaz disposée dans la partie inférieure de la cuve et communiquant avec un séparateur subséquent (14) pourvu dans sa partie inférieure d'une sortie (16) pour les scories solides et les matières non vaporisées, et d'une sortie (20) de gaz disposée dans sa partie supérieure. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 11 à 13, caractérisé en ce que le ou les générateurs de plasma sont disposés au sommet de la cuve verticale (1). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 11 à 14, caractérisé en ce que le séparateur (14) est concçu comme un séparateur cyclone. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 11 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend un échan- geur de chaleur (21) placé dans la sortie (13) de gaz de la cuve verticale (1) et/ou dans la-sortie (20) de gaz du séparateur (14).