Brevet FR2608581A1 — publié le 19880624

i La présente invention concerne un procédé et un dispositif opérant par voie de flamme pour la fabrication de gaz de synthèse. La combustion des hydrocarbures, comme le gaz naturel, en atmosphère présentant un défaut d'oxygène, conduit à la formation de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2), mais également de dioxyde de carbone (CO2) et d'eau (H20). Par exemple, si l'on réalise la combustion d'une mole de méthane (CH4) avec 0,7 mole d'oxygène, on obtient 54,9 % mole hydrogène (H2); 31,6 % mole de monoxyde de carbone (CO); 1,7 % mole de dioxyde de carbone (CO2) et 11,7 X mole d'eau (H20) à l'équilibre adiabatique. Toutefois, par le processus même de combustion, on se trouvera en présence d'hydrocarbures intermédiaires, avec formation de moins de CO et d'H2, mais davantage de C02 et d'H20. Des essais ont été effectués pour minimiser ce phénomène. La conversion en CO et H2 est d'autant meilleure que les parois du réacteur sont adiabatiques (la forme du réacteur ne doit pas autoriser une perte de rayonnement). -2- Il n'y a pas de problème majeur pour des rapports O/C voisins de 1,4 mole/mole, mais pour des rapports inférieurs, iL est nécessaire de préchauffer les gaz. En présence d'hydrocarbures plus Lourds que le méthane, la formation de suies peut limiter l'abaissement du rapport O/C. La présente invention fournit un procédé et un dispositif permettant d'éviter La présence de suies en sortie de réacteur notamment dans des conditions de fonctionnement délicates, par exemple pour des rapports 0/C faibles ou lorsque l'on opère en présence d'hydrocarbures autres que le méthane, ou encore lorsque le réacteur est alimenté avec de l'air au lieu de l'oxygène. Le dispositif selon l'invention permet l'obtention ou la fabrication de gaz de synthèse par combustion d'un carburant en atmosphère présentant un défaut de comburant, lecomburant étant gazeux. Le dispositif comporte des premiers moyens d'introduction du carburant et d'une partie du comburant dans un réacteur, des deuxièmes moyens d'introduction d'une deuxième partie du comburant dans le réacteur, ces deuxièmes moyens comportant une paroi poreuse délimitant au moins une partie du réacteur. La paroi poreuse pourra délimiter sensiblement la zone réactionnelle du réacteur. La paroi poreuse pourra avoir sensiblement la forme d'un cylindre. Ce cylindre pourra comporter à l'une de ses extrémités les premiers moyens d'introduction du carburant et d'une partie du comburant et être fermé à son autre extrémité. Le cylindre pourra comporter une canalisation pour la sortie des effluents. - 3 - Lorsque les gaz provenant des premiers moyens d'introduction subissent dans ledit réacteur au moins un changement de direction du fait de la présence d'une paroi déflectrice, au moins une portion de cette paroi défLectrice pourra être poreuse et servir à l'introduction d'une partie du comburant. Le dispositif selon l'invention pourra comporter un réacteur constitue en au moins deux parties, la première partie comportant à une extrémité au moins un orifice de sortie situé sensiblement vis-à-vis des premiers moyens d'introduction, la deuxième partie du réacteur entourant ladite extrémité en laissant libre un espace de passage des gaz. Dans ce cas, la paroi déflectrice pourra correspondre à la portion de la paroi de la deuxième partie du réacteur se trouvant en vis-à-vis de l'orifice de sortie de la première partie du réacteur. La deuxième partie du réacteur pourra englober ou envelopper sensiblement l'ensemble de la première partie du réacteur. La paroi poreuse pourra avoir une face, qui ne délimite pas Le réacteur, entourée par une enceinte étanche, cette enceinte comportant elle-même des moyens d'alimentation en comburant. La paroi poreuse pourra être réalisée dans un matériau ayant de bonnes caractéristiques d'isolation thermique et/ou pourra comporter un matériau ayant des propriétés catalytiques, tel de La zircone. Les premiers moyens d'introduction pourront comporter pLusieurs tubes et pourront acheminer séparément ledit carburant et une partie du comburant jusque dans le réacteur. La présente invention concerne également un procédé pour fabriquer ou obtenir du gaz de synthèse par combustion en défaut de comburant d'un carburant, ledit comburant étant gazeux. - 4 - Selon ce procédé, on introduit dans un réacteur le carburant et une partie du comburant par des premiers moyens d'introduction et on introduit une autre partie du gaz comburant par l'intermédiaire d'une paroi poreuse participant à la délimitation dudit réacteur. SeLon une variante du procédé, on pourra introduire dans la paroi poreuse un catalyseur de réaction. Selon une autre variante du procédé, le comburant introduit par les premiers moyens d'introduction pourra être différent en nature et/ou composition de celui introduit par les deuxièmes moyens d'introduction. Cependant, préférentiellement, ils pourront être identiques. Selon un mode de réalisation, le réacteur comporte une double enveloppe (en matériau réfractaire ou céramique) poreuse, par laquelle sera introduite une partie du comburant 0,2 air enrichi ou non en oxygène, ou tout autre gaz pouvant intervenir au court du procéde (vapeur d'eau). Selon un mode particulier de mise en oeuvre de la présente invention, on introduit par le brûleur l'hydrocarbure et l'oxygène séparément et par la paroi poreuse un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau. L'art antérieur peut être illustré par l'article de M. Kitano et Y. Otsuka intitulé "Suppression Effects of stretching flow on soot emission from laminar diffusion flames" paru dans Combustion Science and Technologie 1985, volume 42, pages 165-183 et par le brevet américain 4.618.451. La présente invention est particulièrement bien adaptée pour la fabrication de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2) - 5 - La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-jointes parmi lesquelles: - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention comportant une paroi poreuse sensiblement cylindrique, et la figure 2 illustre un autre mode de réalisation selon lequel le réacteur comporte deux parties. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un réacteur dans son ensemble. Ce réacteur comporte un brûleur 2 pouvant comporter plusieurs tubes 3. Certains de ces tubes pourront servir à introduire un gaz comburant contenant de l'oxygène et les autres à l'introduction d'un carburant. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en utilisant un autre type de brûleur. Dans le cas de la figure 1, les tubes 3 servent a introduire de l'oxygène et ce sont les espaces libres 4 entre les tubes qui servent à introduire le gaz à transformer, tel du méthane. Les gaz peuvent être amenés au brûleur 2 par une canalisation 5, en ce qui concerne le gaz carburant, et par la canalisation 6 en ce qui concerne une partie du gaz comburant. Le brûleur 2 est surmonté d'une enveloppe cylindrique poreuse 7. Cette enveloppe comporte à sa partie supérieure une canalisation de sortie des effluents 8. Dans l'exemple de la figure 1, l'enveloppe poreuse 7 avec le brûleur, placé à son extrémité inférieure, délimite la zone réactionnelle 9. -6- L'enveloppe poreuse 7 est elle-même enfermée dans une enceinte étanche 10. Cette enceinte est traversée par la canalisation de sortie des effuents 8 ainsi que par les canalisations 5 et 6 d'alimentation du brûleur en méthane (CH4) et en oxygène O2). Par ailleurs, cette enceinte est alimentée en gaz comburant, tel de l'oxygène, par une canalisation 11. Selon la présente invention, on maintient un espace libre ou zone de répartition 16 entre l'enceinte 10 et l'enveloppe poreuse 7. L'oxygène arrivant par la canalisation 11 va occuper cet espace 16 et va baigner la paroi poreuse, l'alimentant ainsi en oxygène. L'oxygène pénètre dans la zone réactionnelle 9 et participe à la réaction pour obtenir une conversion complète du méthane en CO, H2, C02 et H20. Bien entendu, la quantité d'oxygène que l'on introduit dans la zone réactionnelle 9 par la canalisation 6 du brûleur 2 est insuffisante pour réaliser une conversion complète du méthane et l'oxygène pénétrant par la paroi poreuse 7 est nécessaire pour réaliser une conversion complète. La paroi poreuse 9 peut avoir une porosité variable selon qu'elle alimente un point ou un autre de la zone réactionnelle 9, ceci afin de faire varier le débit introduit dans les différents endroits de la zone réactionnelle 9. Par exemple, la porosité pourra varier le long de l'axe 12 du réacteur 1. Cette variation de porosité pourra être obtenue notamment par l'assemblage d'éléments modulaires, tels des plaques ou des briques, 13, 14, 15 de porosités différentes. Sensiblement au niveau du brûleur 2, la paroi poreuse peut être prolongée par une paroi étanche ou par le corps même du brûleur 2. - 7 - On peut également introduire dans la zone réactionnelle 9 de La vapeur d'eau ou tout autre gaz pour compléter le procédé. Ceci pourra être réalisé, soit par La canalisation 6 du brûleur, soit par La canalisation 11- d'alimentation de l'espace libre 16. Les parois internes de l'enceinte pourront être avantageusement revêtues d'une couche de protection anti-rayonnante 17. Ce dispositif présente plusieurs avantages. Le gaz qui traverse a paroi poreuse s'échauffe et refroidit ainsi cette paroi. Toutefois, dans la fabrication du gaz de synthèse, les parois trop froides sont à proscrire car elles réduisent l'efficacité de la conversion (gel des réactions) et peuvent induire l'accumulation de carbone. Dans notre cas, l'oxygène qui diffuse crée une couche limite réactionnelle capable de protéger la paroi, alors plus froide, des gaz en cours de conversion. Il permet d'introduire une partie de l'oxygène à distance du brûleur 2. La combustion en sortie du brûleur 2 est beaucoup plus riche puisque l'oxygène y est en quantité insuffisante pour une conversion complète. Ainsi, la combustion du niveau du brûleur 2 s'effectue à température plus basse, ce qui protège ainsi le brûleur. L'oxygène est graduellement introduit par la paroi poreuse 7 pour compléter la conversion. Le dispositif selon l'invention permet un fonctionnement dans de bonnes conditions de sécurité. En effet, toute destruction du réacteur commence par l'attaque de la paroi poreuse qui est une paroi intermédiaire, du fait de la présence de l'enceinte 10. - 8 - De plus en fonctionnement, la température du jet issu du brûleur est plus basse que celle qui aurait été obtenue si tous les produits de conversion avaient été introduits par le brûleur. On peut d'aiLLeurs augmenter la vitesse de diffusion dans La partie de la paroi la plus sollicitée par les échanges thermiques, ceLa en jouant sur La porosité de cette partie de la paroi. Le dispositif selon l'invention évite d'introduire l'oxygène préchauffé à des températures très élevées pour alimenter le brûLeur. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation selon lequel le réacteur comporte deux parties. La première partie 18 -est délimitée par l'intérieur d'un élément allongé 19 pouvant être avantageusement réalisé en matériau réfractaire. Le brûleur 2 est placé à l'extrémité 20 inférieure de cet élément allongé 19. A une autre extrémité 21 de cet élément, se trouve une ouverture 22, cette ouverture alimente la deuxième partie du réacteur 23. Cette deuxième partie du réacteur 23 enveloppe l'extrémité supérieure 21 de l'éLément allongé 19. La deuxième partie du réacteur est délimitée par la paroi externe 24 de l'élément allongé 19, par une enveloppe cylindrique 25 en matériau réfractaire et par un dôme ou calotte 26 qui surmonte cette enveloppe cylindrique 25 de manière à coiffer l'extrémité supérieure 21 de l'élément allongé 19. Le dôme 26 est placé vis-à-vis de l'orifice ou ouverture de sortie 22 des effluents de la première partie du réacteur. -- 9 -- Cet orifice est Lui-même placé dans l'axe 27 du brûleur qui est également l'axe du réacteur. Les effluents sortant par l'orifice 22 sont déviés par le dôme 26 de 360 et cheminent dans la deuxième partie du réacteur 23 en longeant la paroi externe de l'élément allongé 19 pour sortir par des canalisations 28. Selon ce mode de réalisation, le dôme 26, qui est une paroi déflectrice, est réalisé en matériau poreux, éventuellement réfractaire, et sert à introduire une autre partie du gaz comburant que celle introduite par les canalisations 29 du brûleur. La face 30 du dôme 26 qui ne délimite pas le réacteur, est entourée par une enceinte étanché 31 qui définit une chambre 32. Cette chambre 32 est alimentée en comburant, tel de l'oxygène, par une canalisation 33. L'oxygène diffuse à travers la paroi poreuse 6 du dôme et alimente en oxygène la deuxième partie du réacteur 23. éà Sur la figure 2, l'enceinte étanche 31 fait partie d'une enveloppe externe 34 qui englobe l'ensemble du réacteur et qui comporte les canalisations d'introduction 33 de l'oxygène, les canalisations 28 de sortie des effluents et le logement pour le brûleur 2. Le brûleur 2 est du type multitube ou autre, et comporte donc plusieurs tubes 35 d'introduction du carburant tel du gaz naturel. Celui-ci parvient au brûleur 2 par une canalisation 36. Le comburant, tel de l'oxygène, est introduit dans le premier réacteur par l'espace 37 laissé libre entre les tubes 35 du brûleur. Selon ce mode de réalisation, les suies provenant du premier réacteur sont collectées sur la paroi poreuse en forme de dôme. - 10 - IL convient de noter que les suies grossissent par coalescence et, de ce fait, pourront &tre coLLectées plus aisément sur cette paroi. Le dôme poreux 26 en contact avec le réacteur réchauffe l'oxygène qui le traverse, ce qui permet une parfaite oxydation des suies coLLectées sur la face interne du dôme. On peut également envisager une action catalytique du matériau poreux qui pourra comporter, par exemple, de la zircone. Le comburant utilisé pourra comporter de l'oxygène, de l'air et/ou de l'eau sous forme de vapeur et cela dans les deux modes de réalisation illustrés et le carburant pourra être du méthane (CH4). - 11 - R E Y E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. - Dispositif de fabrication de gaz de synthèse par combustion d'un carburant en atmosphère présentant un défaut de comburant, ledit comburant étant gazeux, ledit dispositif comportant des premiers moyens d'introduction du carburant et d'une partie du comburant dans un réacteur, et étant caractérisé en ce qu'il comporte des deuxièmes moyens d'introduction d'une deuxième partie du comburant dans le réacteur (1), ces deuxièmes moyens comportant une paroi poreuse (7, ), ladite paroi poreuse délimitant au moins une partie du réacteur. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi poreuse (7) délimite sensiblement la zone réactionnelle (9) dudit réacteur. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite paroi poreuse (7) a sensiblement la forme d'un cylindre, ce cylindre comportant à l'une de ses extrémités les premiers moyens d'introduction du carburant et d'une partie du comburant (2) et étant fermé à son autre extrémité, ledit cylindre comportant une canalisation (8) pour la sortie des effluents. 4. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les gaz provenant des premiers moyens d'introduction (2) subissent dans ledit réacteur au moins un changement de direction du fait de la présence d'une paroi déflectrice, caractérisé en ce qu'au moins une portion de cette paroi déflectrice est poreuse (30) et sert à l'introduction d'une partie du comburant. 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur ayant au moins deux parties, la première partie (18) comportant à une extrémité au moins un orifice (22) de sortie situé sensiblement vis-à-vis desdits premiers moyens d'introduction - 12 - (2), en ce que La deuxième partie de réacteur (23) entoure Ladite extrémité en Laissant Libre un espace de passage des gaz et en ce que Ladite paroi défLectrice correspond à La portion de La paroi de La deuxième partie du réacteur se trouvant en vis-à-vis dudit orifice (22) de sortie de La première partie du réacteur. 6. - Dispositif seLon La revendication 5, caractérisé en ce que La deuxième partie du réacteur enveLoppe sensibLement l'ensembLe de Ladite première partie du réacteur. 7. - Dispositif selon L'une des revendications précédente, caractérisé en ce que Ladite paroi poreuse comporte une face qui ne délimite pas Le réacteur et en ce que cette face est entourée par une enceinte étanche (31), cette enceinte comportant elle-même des moyens d'alimentation en combudrant (27, 33). 8. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite paroi poreuse est réalisée dans un matériau ayant de bonnes caractéristiques d'isolation thermique. 9. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite paroi poreuse comporte un matériau ayant des propriétés catalytique, tel de la zircone. 10. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens d'introduction comportent plusieurs tubes (3, 35) et en ce que lesdits moyens acheminent séparément ledit carburant et ladite partie du comburant jusque dans le réacteur (9, 18). 11. - Procédé pour fabriquer du gaz de synthèse par combustion en défaut de comburant d'un carburant, ledit comburant étant gazeux, selon lequel on introduit dans un réacteur le carburant et une partie du comburant par des premiers moyens d'introduction, caractérisé en ce - 13 - que l'on introduit une autre partie du gaz comburant par l'intermédiaire d'une paroi poreuse participant à la délimation dudit réacteur. 12. Procédé seLon La revendication 11, caractérisé en ce que l'on a introduit dans La paroi poreuse un catalyseur de réaction. 13. - Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que les gaz comburant introduits par les premiers moyens d'introduction sont de mêmes nature et composition que ceux introduits par les deuxièmes moyens. 14. - Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que les gaz comburant introduits par les deuxièmes moyens d'introduction comportenrft de l'oxygène et de la vapeur d'eau.