Brevet FR2860222A1 — publié le 20050401

Procédé et appareil de fabrication de gaz de synthèse La présente invention concerne un nouveau procédé de fabrication de gaz de synthèse par oxydation partielle non-catalytique concomitante de charges hydrocarbonées pouvant contenir de petites quantités d'autres éléments que C et H et de charges organiques oxygénées pouvant contenir de petites quantités d'autres éléments que C, H et O, ainsi qu'un appareil de mise en oeuvre du dit procédé. Les charges hydrocarbonées pouvant être retenues dans le cadre de l'invention incluent les naphtas, les kérosènes, les gazoles atmosphériques, les gazoles sous vide, les asphaltes, les résidus de viscoréduction, les corps gras d'origine végétale ou animale, les esters de corps gras, et les mélanges de ces différents corps. On notera que certaines charges lourdes, dites hydrocarbonées, contiennent en fait de petites quantités de l'élément oxygène. Il s'agit des matières premières d'origine végétale ou animale, totale ou partielle. Les charges organiques oxygénées pouvant être retenues dans le cadre de l'invention incluent en particulier le glycérol, les solutions aqueuses d'éthanol provenant de la fermentation éthanolique, les mélanges de butanol, d'acétone et d'éthanol provenant de la fermentation acétonobutylique, les éthers, et les mélanges de ces différents corps. Les gaz de synthèse obtenus dans le cadre de l'invention sont,selon la nature du gaz oxydant contenant del' oxygène utilisé,des mélanges d'hydrogène et d'oxyde de carbone ou d'hydrogène,d'oxyde de carbone et d'azote,pouvant contenir d'autres corps. Les procédés connus de fabrication de gaz de synthèse par oxydation partielle non-catalytique utilisent des charges hydrocarbonées d'origine fossile, sans ajout de charges organiques d'origine naturelle. La présente invention permet donc de remplacer pour partie des matières premières fossiles par des matières premières renouvelables. En outre, dans le cas particulier de l'oxydation partielle de charges hydrocarbonées liquides, les procédés connus conduisent à la formation gênante de suies. La présente invention permet de réduire fortement la formation de suies. Ces objectifs sont atteints dans la présente invention en prévoyant d'utiliser comme corps de départ un premier gaz, noté (A), contenant de l'hydrogène, préchauffé à une température supérieure à 580 C, un deuxième gaz,noté (B), contenant de l'oxygène, préchauffé à une température supérieure à 580 C, une charge hydrocarbonée, notée (C), pouvant contenir de petites quantités d'autres éléments que C et H, un gaz oxydant, noté (D), contenant de l'oxygène, une charge organique oxygénée, notée (F), pouvant contenir de petites quantités d'autres éléments que C, H et O, un gaz contenant de l'hydrogène, noté (G), différentes fractions de vapeur d'eau surchauffées à des températures déterminées, notées (W1), (W2) et (W3) ou d'une manière plus générale (W), -d'introduire dans une première préchambre les corps de départ (F) et (W1) de manière à les mélanger et à vaporiser la charge (F), - d'introduire dans une deuxième préchambre les effluents de la première préchambre, les corps de départ (C), (W2) et (G) de manière à les mélanger et à vaporiser la charge (C), et à obtenir ainsi un mélange gazeux constitué des corps (C) , (F), (G) , (W), - d'introduire séparément dans la partie amont d'une chambre de réaction, en jets turbulents croisés ou opposés, les gaz (A), (B), (D) et le mélange gazeux des corps (C), (F), (G) et (W), de manière à ce que ces différents corps se mélangent et que la réaction des corps (A) et (B) induise la réaction d'oxydation partielle des charges (C) et (F) par l'oxydant (D), -de laisser la réaction se développer et de recueillir dans la partie aval de la chambre de réaction les effluents (E) du réacteur. Afin de modérer, si nécessaire, la température du mélange réactionnel, on peut introduire dans la chambre de réaction la troisième fraction de vapeur (W3). On notera plusieurs différences entre le procédé selon l'invention et les procédés connus avec brûleur. En premier lieu, les corps de départ incluent des réactifs supplémentaires, qui sont la charge organique oxygénée (F), le gaz (G) et les agents de déclenchement (A) et (B). Le déclenchement de la réaction d'oxydation partielle par la réaction des gaz (A) et (B), c'est-à-dire sans recours à un moyen d'allumage proprement dit, est l'une des causes qui fait que la réaction se déroule en l'absence de flammes. En outre, de manière à souffler les flammes susceptibles de se former, il est recommandé d'introduire les différents fluides en jets turbulents, croisés ou opposés. Il s'agit là d'une différence importante avec les procédés connus avec brûleur, où l'on cherche, au contraire, à stabiliser les flammes. Enfin, contrairement à la pratique usuellement recommandée, on vaporise la charge (C), avant de l'introduire dans la chambre de réaction, par mélange avec la charge (F), le gaz (G) et la vapeur d'eau surchauffée (W). En fait, on a observé que l'ajout concomitant des trois corps de départ (F), (G) et (W) à la charge (C) rendaient possible cette vaporisation de (C), sans dégradation néfaste de la charge (C). L'invention concerne également un appareil de mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend une première préchambre de vaporisation de la charge (F), suivie d'une deuxième préchambre de vaporisation de la charge (C),elle-même suivie d'une chambre de réaction munie d'injecteurs des corps de départ, séparément ou prémélangés, les dits injecteurs étant situés en partie amont de la dite chambre, ainsi qu'un orifice de soutirage des effluents du réacteur, situé en partie aval de la chambre de réaction. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description non limitative qui va suivre, faite en référence à la figure 1 annexée, qui représente une coupe de l'appareil. La préchambre (5) de vaporisation du corps (F) comporte un injecteur-mélangeur (1), comprenant une canne centrale (2) d'injection de la charge (F) et une tubulure (3) d'alimentation en vapeur d'eau surchauffée (Wl).La chambre (4) de l'injecteur-mélangeur (1) est munie d'un dispositif, non représenté, de mise en rotation de (W 1) et se termine par un convergent-divergent. Les fluides issus de (4) se mélangent en tête de la préchambre (5), où la charge (F) se vaporise. La sortie (6) de la chambre (5) est raccordée à l'injecteur-mélangeur (7). Celui-ci comporte une canne centrale (8) d'injection de la charge (C) ainsi qu'une tubulure (9) d'alimentation en gaz (G) et en vapeur (W2). La chambre (10) de l'injecteur-mélangeur (7) est munie d'un dispositif, non représenté, de mise en rotation des gaz apportés par les tubulures (6) et (9) et se termine par un convergent-divergent.Les fluides issus de la chambre (10) se mélangent en tête de la préchambre (11), où la charge (C) est vaporisée. Le réacteur comporte une chambre de réaction (13) garnie intérieurement d'un matériau réfractaire, ladite chambre étant munie dans sa partie amont d'un injecteur (12) du mélange des corps (C), (F), (G) et (W) issus de la préchambre (11), d'un injecteur (14) d'alimentation en gaz (D), d'un injecteur (15) d'alimentation en gaz (A), d'un injecteur ( 16) d'alimentation en gaz (B), d'un injecteur (19) de vapeur (W3) et, dans sa partie aval, d'un orifice (17) de soutirage des effluents (E) de la chambre (13). On observe sur ce schéma que les axes des injecteurs (12), (14), (15) et (16) convergent sensiblement dans la zone (18) située dans la partie amont du réacteur. Il est recommandé, afin que les jets de gaz issus des injecteurs (12), (14) à (16) se croisent ou soient opposés, d'avoir des angles entre les différents axes des injecteurs supérieurs à 30 . De façon à éclairer au mieux les conditions d'application de l'invention, on va 5 maintenant présenter un exemple opératoire. EXEMPLE On utilise comme corps de départ un gaz (A) constitué d'hydrogène préchauffé à 800 C, un gaz (B) constitué d'oxygène préchauffé à 800 C, une charge (C) constituée d'un fioul lourd de densité égale à 0,97 et de rapport massique H/C égal à 0,13 préchauffée à 260 C, un gaz oxydant( D) constitué d'oxygène à la température ambiante, une charge organique oxygénée( F) constituée de glycérol préchauffé à 260 C, un gaz (G) constitué d'hydrogène préchauffé à 400 C, deux fractions de vapeur d'eau (W1) et (W2) surchauffées à 600 C, une fraction de vapeur d'eau (W3) à la température de 125 C. On alimente l'injecteur-mélangeur (1) par les corps (F) et (W1), puis on alimente l'injecteur-mélangeur (7) par les effluents de la chambre (5), les corps (C), (G) et (W2). On alimente la chambre (13) de réaction d'un réacteur selon l'invention en introduisant le dit mélange de (C), (F),(G) et (W) par l'injecteur (12) , le gaz oxydant (D) par l'injecteur (14), le gaz (A) par l'injecteur (15) , le gaz (B) par l'injecteur (16) et la vapeur d'eau (W3) par l'injecteur (19). On utilise les rapports massiques suivants des différents corps de départ: A/C= 0,3% ; B/C= 2,4% ; D/C= 1,2; F/C= 13%; G/C= 1,5% ; W1/C=W2/C=W3/C=27% . La réaction est conduite à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique. On recueille en sortie (17) de la chambre (13) les effluents du réacteur. Ils contiennent essentiellement du monoxyde de carbone, de l'hydrogène, de la vapeur d'eau et du gaz carbonique. On n'observe pas de formation de suies. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique concomitante d'une charge hydrocarbonée (C) pouvant contenir d'autres éléments que C et H, et d'une charge organique oxygénée (F) pouvant contenir d'autres éléments que C, H et O, par un gaz oxydant (D) contenant de l'oxygène, caractérisé en ce qu' -on introduit en continu dans la partie amont d'une chambre de réaction, séparément ou prémélangés, un gaz (A) contenant de l'hydrogène préchauffé à une température supérieure à 580 C, un gaz (B) contenant de l'oxygène préchauffé à une température supérieure à 580 C, la charge hydrocarbonée (C), le gaz oxydant (D), la charge organique oxygénée (F), un gaz (G) contenant de l'hydrogène et différentes fractions (W1), (W2) et (W3) de vapeur d'eau surchauffées à des températures déterminées, de sorte que ces corps se mélangent et que la réaction des gaz (A) et (B) déclenche la réaction d'oxydation partielle des corps (C) et( F) par l'oxydant (D), -on laisse la réaction se développer et on recueille dans la partie aval de la chambre de réaction les effluents (E) du réacteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corps de départ (C), (F), (G), (W1) et (W2) sont prémélangés, avant d'être introduits dans la chambre de réaction, afin de vaporiser les corps de départ liquides. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les jets des gaz introduits dans la chambre de réaction sont turbulents. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les jets de gaz introduits dans la chambre de réaction sont croisés ou opposés. 5. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une première préchambre (5) de vaporisation de la charge (F) par une première fraction de vapeur d'eau (W 1), ladite préchambre étant munie d'un injecteurmélangeur (1) comprenant une canne centrale (2) d'injection de la charge (F), une tubulure (3) d'admission de la vapeur (W1), des moyens (4) de mise en rotation de la vapeur et un convergent-divergent débouchant dans la préchambre (5), une deuxième préchambre (11) de vaporisation de la charge (C) par une deuxième fraction de vapeur d'eau (W2) et le gaz (G), la dite deuxième préchambre étant munie d'un injecteur-mélangeur (7) comprenant une canne centrale (8) d'injection de la charge (C) ,une tubulure (6) raccordée à la sortie de la chambre (5), une tubulure (9) d'admission du gaz (G) et de la deuxième fraction de vapeur (W2), des moyens (10) de mise en rotation des gaz et un convergent- divergent débouchant dans la préchambre (11), une chambre de réaction (13) , garnie intérieurement de réfractaire, munie d'un injecteur (12) raccordé à la sortie de la préchambre (11),d' un injecteur (14) du gaz (D), d' un injecteur (15) du gaz (A), d'un injecteur (16) du gaz (B), d'un injecteur (19) de la vapeur d'eau (W3), d' un orifice (17), situé en aval du réacteur, pour le soutirage des effluents (E) du réacteur. 6. Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les axes des injecteurs (12), 10 (14) à (16) convergent dans une zone (18) située en amont de la chambre de réaction (13), en formant des angles supérieurs à 30 .