Brevet FR2648800A1 — publié le 19901228

La présente invention concerne un procede et un dispositif opérant par voie de flamme pour la fabrication d'un gaz de synthèse utilisable par exemple pour préparer de l'ammoniac, ou pour la fabrication d'un gaz réducteur, en particulier pour la sidérurgie., La production idéale de gaz pour la synthèse de l'ammoniac s'effectue suivant la réaction globale suivante: C H + x/20 + xH20 x y 2 -2 +*-.xC02 (2x+y)/2.H2 Une première méthode pour produire du gaz de synthèse avec un bon rendement energetique consiste à associer un reformage primaire avec un reformage secondaire. En reformage primaire, on introduit, dans un réacteur comportant un catalyseur, un fort exces de vapeur (rapport molaire H2O/C > 2) dont l'énergie est recuperee après le reformage secondaire. Dans le reformage (catalytique) secondaire, avec une introduction d'air, on brûle partiellement les effluents du reformage primaire. Une deuxième méthode pour produire du gaz de synthèse, consiste à brûler dans un réacteur un combustible en atmosphère présentant un défaut d'oxygène. La combustion d'hydrocarbures, tels que le méthane provenant généralement du gaz naturel, en atmosphère présentant un défaut d'oxygène conduit à la formation de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) qui sont les constituants du gaz de synthèse, mais également de dioxyde de carbone (CO2), d'eau (H20) et bien souvent de suie (C). - 2- La suie apparait notammert Lorsque Le défaut d'oxygene est trop important. Cependant, comme Le rendement en hydrogène potentieL croit en première approximation avec la temDerature de comoustion et le défaut d'air ou d'oxygène, l'accroissement du rendement en hydrogène s'accompagne de formation de suie. La température de combustion varie notamment en fonction de la température de préchauffage du combustible et du comburant. Aussi, comme cette suie colmate les appareils de production, ce qui n'est pas souhaite, on peut introduire dans le réacteur de la vapeur d'eau pour empêcher la formation de suie. On peut aussi laver les effluents pour retirer la suie formée. Dans ces deux cas, l'investissement matériel nécessaire est tres eleve. Par hydrogène potentiel, on entend les quantités d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO) qui sont produites par la combustion. Le monoxyde de carbone (CO) est transformable en hydrogène par "shift conversion". La demande de brevet français FR-2.608.581 decrit un orocedé et un dispositif opérant par voie de flamme pour la fabrication de gaz de synthèse. Ce procéde et le fonctionnement du dispositif selon cette invention, qui évite la présence de suie à la sortie du réacteur, consiste à faire déposer la suie formée sur des oarois plus ou moins deflectrices, situées dans le courant de gaz brûles (effluents), puis à oxyder cette suie par une addition de comburant à travers les parois qui sont poreuses. Un objet de la présente invention est d'abaisser la quantité de suie potentielle formée par la combustion de manière à réduire la consommation de vapeur d'eau, donc l'investissement nécessaire. L'invention propose un dispositif de fabrication de gaz de synthèse par combustion, en défaut de comburant, d'un combustible hydrocarboné par un comburant gazeux, le dispositif comportant des moyens primaires d'injection produisant suivant un axe un jet global de combustible et d'une partie du comburant dans une chambre de combustion d'un reacteur, le jet comportant une flamme principale prenant naissance sensiblement au niveau des moyens primaires d'injection et produite par les moyens primaires. Le dispositif est notamment caractérise en ce qu'iL comporte en outre des moyens secondaires d'injection d'un complément de comburant, lesdits moyens secondaires d'injection étant disposes au travers dudit jet, à une certaine distance desdits premiers moyens primaires d'injection. Les moyens secondaires pourront être disposes au travers du jet a une distance des moyens primaires sensiblement au moins égale à la moitié de la distance séparant les moyens primaires de L'extrémité de la flamme principale suivant L'axe du jet. La distance séparant les moyens secondaires des moyens primaires pourra être au moins égale aux deux tiers de la distance séparant les moyens primaires de l'extrémité de la flamme principale et de préference au moins égale a la distance séparant les moyens primaires de l'extremité de la flamme principale. Ceci correspond dans certains cas, a une distance séparant les moyens secondaires des moyens primaires égale a au moins la moitié du diametre moyen de la chambre de combustion et de preference comprise entre deux fois et cinq fois Le diamètre moyen. Par diamètre moyen, on entend le terme: 2 Section moyenne de la chambre/7 Les moyens primaires d'injection ou les moyens secondaires d'injection pourront introduire de la vapeur d'eau. L'apport primaire de comburant, défini comme étant le nombre de mâles d'oxygène contenu dans le comburant injecte par les moyens primaires, rapporte au nombre de môles de carbone contenues dans le combustible injecte par les moyens primaires, pourra être compris entre 0,2 et 0,8, et de préférence entre 0,3 et 0,50. L'apport secondaire de comburant, defini comme étant le nombre de môles d'oxygène contenu dans le comburant injecté par les moyens secondaires rapporté au nombre de mâles de carbone contenues dans le combustible injecté par les moyens primaires pourra être compris entre 0,1 et 0,8 et de préference entre 0,1 à 0,5. -4- L'apport de comburant, defini comme etant Le nombre de mâles d'oxygène contenu dans le comburant injecte par les moyens primaires et les moyens secondaires rapporte au nombre de mâles de carbone contenu dans le combustible injecte par les moyens primaires pourra être sensiblement inférieur a 0,8 et de preférence sensiblement inférieur a 0,6. Dans ces définitions des apports d'oxygène, le nombre de mâles d'oxygène ne comptabilise pas l'oxygène de la vapeur d'eau. Les moyens secondaires pourront comporter des injecteurs de comburants situes dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe du jet, a des distances audit axe du jet sensiblement égales. Les moyens secondaires pourront comporter une succession d'injecteurs, desquels jaillit le comburant, et qui produisent au moins une flamme secondaire, et ces injecteurs pourront être adaptes à étaler la flamme secondaire. L'invention propose en outre un procéde de fabrication de gaz de synthèse par combustion, en défaut de comburant, d'un combustible hydrocarboné par un comburant gazeux, le combustible et une partie du comburant étant injectes sous une forme de jet dans une chambre de combustion par des moyens primaires d'injection, le jet ayant un axe et comportant une flamme principale produite par les moyens primaires et prenant naissance sensiblement au niveau des moyens primaires. Ce procéde est notamment caractérise en ce que l'on injecte un complément de comburant par des moyens secondaires d'injection places au travers dudit jet, le complément de comburant et le combustible formant au moins une flamme secondaire, et en ce que l'on utilise des moyens secondaires d'injection adaptes à étaler ladite flamme secondaire. On pourra utiliser des moyens secondaires d'injection adaptés à allonger la flamme secondaire suivant l'axe dudit jet. On pourra utiliser le dispositif ou le procéde selon l'invention pour la fabrication de gaz de synthèse utilisable pour la fabrication de l'ammoniac ou pour la production de gaz réducteur. -- 5 -- On appelle flamme, la zone dans Laquelle se trouvent des especes chimiques fortement instables telles que oes radicaux liDres (OH', H', CH3, O..) ou des ions (CxHy, H) ou des molécules (CHO, CH20...). Dans cette zone, it se produit des réactions fortement exothermiques. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaitront clairement a la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées parmi lesquelles: - Les figures 1, 2 et 3 representent en coupe différents modes de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 1 represente un dispositif ayant des moyens secondaires annulaires d'injection comportant des injecteurs circonférentiels et coplanaires, - La figure 2 reDresente un dispositif ayant des moyens secondaires d'injection cylindriques disposes à différents niveaux d'une flamme principale, et - La figure 3 reoresente un dispositif ayant des moyens secondaires d'injection centraux. Les elements identiques pour les trois figures sont reférencées de la même manière. La reference 1 est relative au corps d'un dispositif constitué de materiaux réfractaires entourés d'une enveloppe. Le dispositif ou réacteur pour la fabrication de gaz de synthèse est alimente par des moyens primaires d'injection 2 de comburant et de combustible qui sont généralement situés dans la partie haute du reacteur. Le comburant arrive par une canalisation 3 et le combustible arrive par la canalisation 4 aux moyens primaires d'injection. Les moyens primaires, lorsqu'ils fonctionnent seuls, produisent une flamme principale 5 dont le contour ou l'extrémité figure en pointillé. Les moyens secondaires sont alimentes en comburant et éventuellement avec une partie de vapeur par la canalisation 7. Lorsque les moyens secondaires d'injection 6 sont en fonctionnement avec les moyens primaires d'injection 2, la flamme a un - 6 contour reférence 8. Les effluents de la comoustion traversent ensuite une masse catalytique 9 retenue par une grille 10 avant de s'évacuer par La sortie 11. La masse catalytique 9 permet d'acceéeérer la conversion endothermique du méthane avec l'eau. Cette conversion répond à la réaction suivante: CH4 + H20 - 3H2 + CO Sur la figure 1, les moyens secondaires d'injection 6 sont constitues par un chenal annulaire 12, alimente en comburant et alimentant une bague d'injection 13 pourvue de trous radiaux par rapport a l'axe 14 du jet de gaz. Les moyens secondaires sont disposes a une distance OB des moyens primaires sensiblement égale aux deux tiers de la distance OA séparant les moyens primaires de l'extrémité de la flamme principale 5. Sur la figure 2, les moyens secondaires d'injection 6 comportent un chenal cylindrique 15 et un cylindre de distribution 16 de comburant. Ce cylindre 16 est réalise soit avec un matériau poreux, soit par une chemise perforce sur toute sa hauteur et sa circonference. La hauteur et la position du cylindre 16 sont adaptes pour que le cylindre, soit sensiblement à la limite du bord de la flamme principale 5 et l'axe des moyens secondaires soit situe a une distance 03 des moyens primaires comprise entre les deux tiers de la distance OA séparant les moyens primaires de l'extremité de la flamme suivant l'axe du jet et la distance OA séparant les moyens primaires de l'extremite de la flamme. Le matériau poreux du cylindre 16 permet le passage du comburant ou éventuellement d'une partie de la vapeur en empêchant le passage des especes instables produites par la combustion. Sur la figure 3, les moyens secondaires d'injection sont centraux par rapport a l'axe du jet 14 et sont disposes au centre des moyens primaires annulaires 2. Ces moyens secondaires sont refroidis par une circulation d'eau amenée par la canalisation 17. Pour se dispenser de la -7- circulation d'eau, de tels moyens centraux peuvent être realises en matériau refractaire comme une ceramique a base ae silice et d'alumine telle que la mullite, ou comme une céramique a base de carbure de silicium. Les moyens secondaires d'injection sont sensiblement disposes a la même hauteur que l'extremite de la flamme principale 5. L'addition de vapeur peut etre faite soit par la canalisation de comburant, soit par tla canalisation de combustible, soit les deux ensembles, soit encore par les moyens secondaires. Le comburant peut être de l'air ou de l'air enrichi et peut être mélange a de la vapeur, des gaz inertes ou du dioxyde de carbone. Le combustile est un hydrocarDure, qui peut être mélange a de la vapeur, des gaz inertes, du dioxyde de carbone ou de l'hydrogène. Le combustible préférentiellement utilise est le méthane. Les flèches 18 des figures 1, 2 et 3 indiquent les courants de recirculation de matières présentes dans la flamme. Des essais ont eété réalisés sous 40,5 bars sur une unité de faible taille (4 a 5 Nm3/h de gaz naturel) avec un rapport 02/C global de 0,6. - Sans étagement de la combustion, le rapport H20/C requis pour éviter la suie est de 1,9. Avec un étagement, en introduisant au brûleur qu'un rapport 02/C de 0,46 le taux requis est de 1,2. Le complement d'oxydant, soit un rapport 02/C de 0,14 est introduit apre. On économise ainsi plus de 30 % de vapeur. -s8 R EV E N D IC AT i ON S 1. - Dispositif de fabrication de gaz de synthese par combustion, en défaut de comburant, d'un combustible hydrocarbone par un comburant gazeux, ledit dispositif comportant des moyens primaires d'injection (2) produisant suivant un axe (14) un jet de combustible et d'une partie du comburant dans une cnambre de combustion d'un réacteur, ledit jet comportant une flamme principale prenant naissance sensiblement a niveau des moyens primaires d'injection et produite par les moyens primaires, caractérise en ce qu'il comporte en outre des moyens secondaires d'injection (6) d'un complement de comburant, lesdits moyens secondaires d'injection (6) étant disposes au travers dudit jet a distance desdits moyens primaires d'injection. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caracterisé en ce que lesdits moyens secondaires (6) sont disposes au travers dudit jet a une distance des moyens primaires sensiblement au moins égale à la moitié de la distance séparant Les moyens primaires (2) de l'extremite de la flamme principale suivant ledit axe. 3. - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérise en ce que la distance séparant les moyens secondaires (6) des moyens primaires (2) est au moins égale aux deux tiers de la distance séparant les moyens primaires de l'extrémité de la flamme principale et de preference au moins égale à la distance séparant les moyens primaires de l'extrémité de la flamme principale. 4. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens primaires d'injection (2) ou les moyens secondaires d'injection (6) introduisent de la vapeur d'eau. 5. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'apport primaire de comburant, défini comme étant le nombre de môles d'oxygène contenues dans le comburant injecté par les moyens primaires rapporte au nombre de môles de carbone contenues dans le combustible injecte par les moyens primaires est compris entre 0,2 et 0,8, et de préférence entre 0,3 et 0,50. -9- 6. - Disositif seLon l'une des revendications 1 a 5, caractérise en ce que l'apoort secondaire de comburant, défini comme étant le nombre de moles d'oxygène contenu dans le comburant injecte par les moyens secondaires rapporté au nombre de môles de carbone contenu dans le combustible injecte par les moyens primaires est compris entre 0,1 et 0,8. 7. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérise en ce que l'apport de comburant, défini comme étant le nombre de môtes d'oxygène contenu dans le comburant injecte par les moyens primaires et les moyens secondaires rapporte au nombre de môles de carbone contenu dans le combustible injecté par les moyens primaires est sensiblement inférieur a 0,8 et de preference sensiblement inférieur à 0,6. 8. - Dispositif selon l'une des revendications 1 a 7, caracterisé en ce que les moyens secondaires comportent des injecteurs de comburants situes dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe dudit jet, a des distances audit axe du jet sensiblement égales. 9. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caracterisé en ce que les moyens secondaires comportent une succession d'injecteurs desquels jaillit le comburant et qui produisent au moins une flamme secondaire, et en ce que lesdits injecteurs sont adaptes à étaler la flamme secondaire (Fig. 3). 10. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérise en ce que lesdits moyens secondaires sont disposes à travers dudit jet à une distance des moyens primaires au moins égale à 1/2 diamètre moyen de la chambre de combustion et de préférence comprise entre deux fois et cinq fois le diametre moyen de la chambre de combustion. 11. - Procédé de fabrication de gaz de synthèse par combustion, en défaut de comburant, d'un combustible hydrocarbone par un comburant gazeux, le combustible et une partie du comburant etant injectés sous une forme de jet dans une chambre de combustion par des moyens primaires d'injection, ledit jet ayant un axe et comportant une flamme principale prenant naissance sensiblement à niveau des moyens - 13 - Drimaires et produite car les moyens primaires, caractérise en ce que l'on injecte un complement de comburant par des moyens secondaires d'injection places au travers dudit jet, le compLement de comburant et le combustible formant au moins une flamme secondaire, et en ce que l'on utilise des moyens secondaires d'injection adaptes a etaler ladite flamme secondaire. 12. - Procede selon la revendication 11, caractérise en ce que l'on utilise des moyens secondaires d'injection adaptes a allonger ladite flamme secondaire suivant l'axe dudit jet. 13. - Application du dispositif selon l'une des revendications 1 a 10, ou du procéde selon l'une des revendications 11 et 12, a la fabricat.an de gaz de synthèse utilisables Pour la fabrication de l'ammoniac ou la production de gaz réducteur.