Brevet FR2896790A1 — publié le 20070803

L'invention concerne des reformeurs de combustible, et plus particulièrement des applications à des reformeurs de combustible qui utilisent un reformage autothermique et un récupérateur. Il est connu dans la reformation d'un combustible d'utiliser un reformeur autothermique ("ATR") ayant une conception classique à plaques en empilage et de prévoir un récupérateur en tant que constituant distinct séparé. Bien que de telles conceptions puissent fonctionner pour le but prévu, il est toujours possible de les perfectionner. Par exemple, il est toujours possible de réduire le coût, et/ou de diminuer l'encombrement, et/ou d'augmenter la durée de vie, etc. Conformément à une caractéristique de l'invention, il est proposé une unité intégrée à reformeur autothermique/récupérateur destinée à être utilisée dans le reformage d'un écoulement de gaz d'alimentation pour produire un écoulement de reformat. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend une enveloppe, une paroi cylindrique placée dans l'enveloppe ; une structure de catalyseur de reformeur autothermique placée à l'intérieur de la paroi cylindrique ; et un échangeur de chaleur du récupérateur placé dans l'enveloppe. L'enveloppe comporte une entrée de gaz d'alimentation et une sortie d'écoulement de reformat. La paroi cylindrique a une extrémité d'entrée destinée à recevoir l'écoulement de gaz d'alimentation dans un volume intérieur entouré par la paroi cylindrique, et elle est positionnée par rapport à l'entrée de gaz d'alimentation et à la sortie de façon à diriger l'écoulement de gaz d'alimentation de l'entrée de gaz d'alimentation vers l'extrémité d'entrée et à diriger l'écoulement de reformat du volume intérieur vers la sortie d'écoulement de reformat. La structure de catalyseur du reformeur autothermique est contenue dans le volume intérieur pour recevoir l'écoulement de gaz d'alimentation et délivrer un écoulement de reformat au volume intérieur. L'échangeur de chaleur du récupérateur comprend un chemin d'écoulement de gaz d'alimentation en relation d'échange de chaleur avec le chemin d'écoulement de reformat. Le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation est défini entre l'enveloppe et la paroi cylindrique en un emplacement situé en amont de l'extrémité d'entrée par rapport à l'écoulement de gaz d'alimentation, et le chemin d'écoulement de reformat est placé dans le volume intérieur en aval de la structure de catalyseur par IO rapport à l'écoulement de reformat. Selon une caractéristique, le chemin d'écoulement de reformat est défini entre la paroi cylindrique et une seconde paroi cylindrique contenue dans le volume intérieur. 15 Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend en outre une chicane placée entre la structure de catalyseur et le chemin d'écoulement de reformat pour diriger l'écoulement de reformat jusque dans le chemin d'écoulement de reformat. 20 Selon une caractéristique, la structure de catalyseur comprend un monolithe catalyseur. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend en outre une chicane d'extrémité reliée à la paroi cylindrique à une extrémité de la paroi cylindrique opposée 25 à l'extrémité d'entrée de façon à diriger l'écoulement de reformat du chemin d'écoulement de reformat vers la sortie d'écoulement de reformat. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend en outre un collecteur de gaz d'alimentation à l'intérieur 30 de l'enveloppe pour diriger l'écoulement de gaz d'alimentation de l'entrée de gaz d'alimentation vers le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation, le collecteur de gaz d'alimentation entourant une partie de la sortie d'écoulement de reformat. 35 Selon une caractéristique, la paroi cylindrique a un diamètre extérieur uniforme s'étendant depuis une entrée vers le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation jusqu'à l'extrémité d'entrée. Selon une caractéristique, la paroi cylindrique comprend deux pièces cylindriques qui sont jointes l'une à l'autre, l'une des pièces cylindriques définissant les chemins d'écoulement de gaz d'alimentation et de reformat de l'échangeur de chaleur du récupérateur et l'autre pièce cylindrique entourant la structure de catalyseur. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend en outre une bougie de réchauffage s'étendant dans l'enveloppe en un emplacement adjacent à l'extrémité d'entrée pour fournir de la chaleur à l'écoulement de gaz d'alimentation entrant dans la structure de catalyseur. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend en outre un puits thermométrique pénétrant dans l'enveloppe et la paroi cylindrique pour s'étendre dans le volume intérieur en un emplacement situé entre la structure de catalyseur et le chemin d'écoulement de reformat. Selon une autre caractéristique, le puits thermométrique est fixé à l'enveloppe et peut flotter par rapport à la paroi cylindrique. Selon une autre caractéristique encore, la paroi cylindrique présente un trou de dégagement à travers lequel s'étend le puits thermométrique, et comprenant en outre un disque monté sur le puits thermométrique recouvrant le trou de dégagement pour limiter l'écoulement de gaz à travers le trou de dégagement. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend une liaison structurale entre la paroi cylindrique et l'enveloppe à une extrémité de la paroi cylindrique opposée à l'extrémité d'entrée, et dans laquelle l'extrémité d'entrée est libre de se dilater longitudinalement par rapport à l'enveloppe. Conformément à une caractéristique de l'invention, l'unité intégrée comprend une enveloppe cylindrique ayant une entrée de gaz d'alimentation et une sortie d'écoulement de reformat placées de façon à être adjacentes à une première extrémité de l'enveloppe cylindrique ; une structure de catalyseur de reformeur autothermique placée dans l'enveloppe et espacée de la première extrémité ; un échangeur de chaleur du récupérateur placé dans l'enveloppe entre la première extrémité et la structure de catalyseur ; un chemin d'écoulement de gaz d'alimentation dans l'enveloppe s'étendant de l'entrée de gaz d'alimentation, à travers l'échangeur de chaleur du récupérateur, et jusqu'à la structure de catalyseur ; et un chemin d'écoulement de reformat dans l'enveloppe s'étendant de la structure de catalyseur, à travers l'échangeur de chaleur du récupérateur, jusqu'à la sortie du reformat. Le chemin d'écoulement du reformat est en relation d'échangeur de chaleur avec le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation dans l'échangeur de chaleur du récupérateur. Selon une caractéristique, les trajets d'écoulement de gaz d'alimentation et de reformat sont définis par une paroi cylindrique placée dans l'enveloppe, et la structure de catalyseur du reformeur autothermique est contenue dans un volume intérieur entouré par la paroi cylindrique. Selon une autre caractéristique, le chemin d'écoulement de reformat s'étendant à travers l'échangeur de chaleur du récupérateur est défini entre la paroi cylindrique et une seconde paroi cylindrique contenue dans le volume intérieur. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend en outre une bougie de réchauffage pénétrant dans l'enveloppe en un emplacement adjacent à la structure de catalyseur pour fournir de la chaleur à l'écoulement de gaz d'alimentation entrant dans la structure de catalyseur. Selon une caractéristique, l'unité intégrée comprend une liaison structurale entre une extrémité de la paroi cylindrique et l'enveloppe à la première extrémité, et dans laquelle une extrémité opposée de la paroi cylindrique est libre de se dilater longitudinalement par rapport à l'enveloppe. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif, et sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective avec coupe 5 d'une unité intégrée à ATR/récupérateur selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective avec coupe montrant un autre ensemble intégré à ATR/récupérateur selon l'invention ; la figure 3 est une vue en perspective éclatée de 10 l'ensemble de la figure 2 ; et la figure 4 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie suivant la ligne 4-4 de la figure 2. Une unité intégrée 10 à reformeur autothermique (ATR/récupérateur) est représentée sur la figure 1 et 15 comprend une structure de catalyseur d'ATR (reformeur autothermique) sous la forme d'un monolithe de catalyseur 12, entouré d'une paroi cylindrique 14, et un échangeur de chaleur 16 constituant un récupérateur, le récupérateur 16 et le monolithe ATR 12 étant tous deux contenus dans une 20 enveloppe cylindrique 18. L'enveloppe 18 comporte une première extrémité 20 et une seconde extrémité 22, la structure de catalyseur 12 étant placée à proximité immédiate de la seconde extrémité 22 et l'échangeur de chaleur récupérateur 16 étant placé entre la première 25 extrémité 20 et la structure de catalyseur 12. L'unité intégrée 10 comprend en outre un chemin d'écoulement d'alimentation, indiqué par les flèches 24, dans l'enveloppe 18, s'étendant d'une entrée 26 de gaz d'alimentation à travers le récupérateur 16 et jusqu'à la 30 structure de catalyseur 12 ; et un chemin d'écoulement de reformat, indiqué par des flèches 30, dans l'enveloppe 18, s'étendant entre la structure de catalyseur à travers le récupérateur 16 et jusqu'à une sortie 32 de reformat, le chemin 30 d'écoulement de reformat étant en relation 35 d'échange de chaleur avec le chemin 24 d'écoulement de gaz d'alimentation dans le récupérateur 16. La paroi cylindrique 14 a une extrémité d'entrée 34 destinée à recevoir l'écoulement de gaz d'alimentation dans un volume intérieur 36 qui est entouré par la paroi cylindrique 14. La structure du catalyseur 12 est contenue dans le volume intérieur 36 pour recevoir l'écoulement de gaz d'alimentation et délivrer un écoulement de reformat à la partie restante du volume intérieur 36. De préférence, lorsque la structure 12 se présente sous la forme d'un monolithe, comme illustré, le monolithe est enveloppé dans un mat intumescent 37 et est fixé à l'aide de brides à ses extrémités. Tout catalyseur de reformage autothermique approprié peut être utilisé pour la structure de catalyseur 12. De même, bien que la structure de catalyseur 12 ait été représentée sous la forme d'un monolithe, d'autres structures de catalyseur peuvent être souhaitables pour certaines applications. Le récupérateur 16 comprend la paroi cylindrique 14 qui sépare le chemin 24 d'écoulement de gaz d'alimentation du chemin 32 d'écoulement de reformat dans le récupérateur 16. De préférence, des ailettes 38 et 40 de serpentins ou d'autres moyens appropriés d'accentuation thermique et/ou d'écoulement sont incluses dans le chemin 24 d'écoulement de gaz d'alimentation et dans le chemin 30 d'écoulement de reformat, respectivement, et sont en contact de transmission de chaleur, et avantageusement liées, avec la paroi cylindrique 14 pour améliorer la transmission de la chaleur de l'écoulement de reformat à l'écoulement de gaz d'alimentation. A cet égard, on préfère aussi que l'ailette 38 dans le chemin 24 d'écoulement de gaz d'alimentation ne soit pas liée à l'enveloppe extérieure 18, ce qui permet une dilatation thermique différentielle entre l'ailette 38 et l'enveloppe 18. Le récupérateur 16 comprend aussi, de préférence, une paroi cylindrique intérieure 41 qui coopère avec la paroi 14 pour définir le chemin 30 d'écoulement de reformat à travers le récupérateur 16. Le chemin 24 d'écoulement de gaz d'alimentation dans le récupérateur 16 est défini entre la paroi 14 et l'enveloppe cylindrique 18 de l'unité 10. Une chicane 42 en forme de dôme est avantageusement prévue sur le côté d'entrée de la paroi cylindrique intérieure 41 afin de diriger l'écoulement de reformat dans le chemin 30 d'écoulement de reformat à travers le récupérateur 16. On préfère qu'un chapeau d'extrémité 43 (représenté sur la figure 1) ou qu'un bloc isolant 44 (représenté sur les figures 2 et 3) soit prévu pour fermer ou remplir le volume intérieur de la paroi cylindrique 41 afin de minimiser le volume combustible interne de l'unité intégrée 10. La partie 46 de la paroi cylindrique 14 entourant la structure 12 de catalyseur est avantageusement formée à partir d'une pièce séparée de matière qui est reliée à une autre partie 48 de la paroi cylindrique 18 qui s'étend à travers le récupérateur 16. Cette construction permet de faciliter la fabrication à la fois du récupérateur 16 et la structure de catalyseur 12. Une chicane d'extrémité 50 est reliée à la paroi cylindrique 14 à une extrémité de la paroi cylindrique 14 opposée à l'extrémité d'entrée 34 afin de diriger l'écoulement de reformat vers la sortie 32 d'écoulement de reformat. Une structure 52 de collecteur de gaz d'alimentation entoure une partie de la sortie 32 d'écoulement de reformat et dirige l'écoulement de gaz d'alimentation de l'entrée 26 de gaz d'alimentation vers le chemin 24 d'écoulement de gaz d'alimentation à travers le récupérateur 16. La chicane d'extrémité 50 et la structure 52 de collecteur de gaz d'alimentation coopèrent ensemble avec la sortie 32 d'écoulement de reformat pour réaliser une liaison structurale entre la paroi cylindrique 14 et l'enveloppe 18 à l'extrémité 20. L'extrémité d'entrée 34 de la paroi cylindrique 14 ne comporte aucune liaison directe avec l'enveloppe 18, permettant ainsi à l'extrémité d'entrée 34 de se dilater librement dans la direction longitudinale par rapport à l'enveloppe 18 pour s'adapter à des différences de croissance thermique entre les structures. De préférence, l'unité intégrée ATR/récupérateur comprend aussi une bougie de préchauffage 60 placée de façon à être adjacente à l'entrée de la structure de catalyseur 12, et un puits thermométrique 62 placé entre une extrémité de sortie du monolithe ATR et le côté d'entrée du chemin d'écoulement de reformat à travers le récupérateur pour loger une sonde 63 de température pour contrôler la température du reformat sortant de la structure de catalyseur 12 et pour générer un signal représentatif de la température à des fins de contrôle et/ou de commande du cycle de reformage de combustible. Dans certains systèmes, la bougie de préchauffage 60 peut être souhaitable pour élever la température du gaz d'alimentation lors de conditions de démarrage. Bien que le puits thermométrique 62 soit représenté comme étant placé entre la sortie de la structure 12 de catalyseur et l'entrée du chemin 30 d'écoulement de reformat dans le récupérateur 16, il est possible de contrôler la température du gaz d'alimentation et/ou du reformat en d'autres emplacements et de l'utiliser pour une commande dans certains systèmes. Il peut donc être souhaitable de placer le puits thermométrique 62 en d'autres positions à l'intérieur de l'unité intégrée ATR/récupérateur 10. Le puits thermométrique 62 pénètre avantageusement à la fois dans l'enveloppe 18 et la paroi cylindrique 14 afin de s'étendre dans le volume intérieur 36, la paroi cylindrique 18 ayant un trou de dégagement 64 à travers lequel s'étend le puits thermométrique 62, et un disque 66 étant monté sur le puits thermométrique recouvrant le trou de dégagement 64 pour limiter l'écoulement transversal de gaz à travers le trou de dégagement 64. Ceci permet des différences de dilatation thermique entre l'enveloppe 18 et la paroi cylindrique 14 sans appliquer de contrainte au puits thermométrique 62, à la paroi cylindrique 14 ou à l'enveloppe 18. Bien que n'importe quelle orientation soit possible, dans certaines applications, on préfère que l'unité intégrée 10 soit orientée verticalement, comme montré sur la figure 1, l'extrémité 20 étant en bas et l'extrémité 22 en haut. En outre, bien que les matières particulières choisies pour l'unité intégrée 10 dépendent fortement de l'application particulière, une matière appropriée est un acier inoxydable de type 310S (UNS31008), les constituants étant reliés par une brasure appropriée, telle que AWS BNi-5. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'unité décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Unité intégrée à reformeur autothermique/récupérateur pour une utilisation dans le reformage d'un écoulement de gaz d'alimentation afin de produire un écoulement de reformat, l'unité étant caractérisée en ce qu'elle comporte : une enveloppe (18) comprenant une entrée (26) de gaz d'alimentation et une sortie (32) d'écoulement de reformat ; une paroi cylindrique (14) placée dans l'enveloppe, la paroi cylindrique ayant une extrémité d'entrée (34) destinée à recevoir l'écoulement de gaz d'alimentation dans un volume intérieur (36) entouré par la paroi cylindrique, la paroi cylindrique étant positionnée par rapport à l'entrée de gaz d'alimentation et à la sortie de façon à diriger l'écoulement de gaz d'alimentation de l'entrée de gaz d'alimentation vers l'extrémité d'entrée et à diriger l'écoulement de reformat du volume intérieur vers la sortie d'écoulement de reformat ; une structure (12) de catalyseur de reformeur autothermique contenue dans le volume intérieur pour recevoir l'écoulement de gaz d'alimentation et délivrer un écoulement de reformat au volume intérieur ; et un échangeur de chaleur (16) de récupérateur comportant un chemin (24) d'écoulement de gaz d'alimentation en relation d'échange de chaleur avec un chemin (30) d'écoulement de reformat, le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation étant défini entre l'enveloppe et la paroi cylindrique en un emplacement en amont de l'extrémité d'entrée par rapport à l'écoulement de gaz d'alimentation, et le chemin d'écoulement de reformat étant placé dans le volume intérieur en aval de la structure de catalyseur par rapport à l'écoulement de reformat. 2. Unité intégrée selon la revendication 1, dans laquelle le chemin d'écoulement de reformat est défini entre la paroi cylindrique et une seconde paroi cylindrique (41) contenue dans le volume intérieur. 3. Unité intégrée selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une chicane (42) placée entre la structure de catalyseur et le chemin d'écoulement de reformat pour diriger l'écoulement de reformat dans le chemin d'écoulement de reformat. 4. Unité intégrée selon la revendication 2, caractérisée en ce que la structure de catalyseur comprend un monolithe (12) de catalyseur. 5. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une chicane (50) d'extrémité reliée à la paroi cylindrique à une extrémité de la paroi cylindrique opposée à l'extrémité d'entrée afin de diriger l'écoulement de reformat du chemin d'écoulement de reformat vers la sortie d'écoulement de reformat. 6. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un collecteur (52) de gaz d'alimentation dans l'enveloppe pour diriger l'écoulement de gaz d'alimentation de l'entrée de gaz d'alimentation vers le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation, le collecteur de gaz d'alimentation entourant une partie de la sortie d'écoulement de reformat. 7. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi cylindrique a un diamètre extérieur uniforme s'étendant d'une entrée vers le chemin d'écoulement de gaz d'alimentation jusqu'à l'extrémité d'entrée. 8. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi cylindrique comporte deux pièces cylindriques (46, 48) qui ont été jointes l'une à l'autre, l'une des pièces cylindriques définissant les chemins d'écoulement de gaz d'alimentation et de reformat de l'échangeur de chaleur du récupérateur et l'autre pièce cylindrique entourant la structure de catalyseur. 12 9. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une bougie (60) de préchauffage s'étendant dans l'enveloppe en un emplacement adjacent à l'extrémité d'entrée pour fournir de la chaleur à l'écoulement de gaz d'alimentation entrant dans la structure de catalyseur. 10. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un puits thermométrique (62) pénétrant à la fois dans l'enveloppe et dans la paroi cylindrique pour s'étendre dans le volume intérieur en un emplacement situé entre la structure de catalyseur et le chemin d'écoulement de reformat. 11. Unité intégrée selon la revendication 10, caractérisée en ce que le puits thermométrique est fixé à l'enveloppe et peut flotter par rapport à la paroi cylindrique. 12. Unité intégrée selon la revendication 11, caractérisée en ce que la paroi cylindrique présente un trou (64) de dégagement à travers lequel s'étend le puits thermométrique, et comportant en outre un disque (66) monté sur le puits thermométrique et recouvrant le trou de dégagement pour limiter l'écoulement de gaz à travers le trou de dégagement. 13. Unité intégrée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une liaison structurale entre la paroi cylindrique et l'enveloppe à une extrémité de la paroi cylindrique opposée à l'extrémité d'entrée, et en ce que l'extrémité d'entrée est libre de se dilater longitudinalement par rapport à l'enveloppe. 35