Brevet FR2911600A1 — publié le 20080725

La présente invention concerne répartition de la puissance des brûleurs dans un four de reformage à la vapeur d'hydrocarbures. Le procédé de reformage à la vapeur d'hydrocarbures, couramment dénommé SMR ("steam methane reforming" en anglais), met en oeuvre une réaction de reformage qui produit de l'hydrogène et du monoxyde de carbone à partir d'hydrocarbures et de vapeur d'eau. Cette réaction nécessite un apport de chaleur important du fait de son caractère fortement endothermique. Dans ce but, les hydrocarbures et la vapeur d'eau sont introduits dans des tubes de reformage remplis de catalyseurs, lesdits tubes étant placés dans un four. En sortie des tubes, on obtient un mélange composé majoritairement d'H2 et CO, qui s'appelle syngas ou gaz de synthèse. Le four est composé d'une chambre de combustion en murs réfractaires et de brûleurs placés sur ces murs. Les brûleurs sont disposés de manière à transférer la chaleur de leur combustion au mélange d'hydrocarbures et de vapeur à travers la paroi des tubes, généralement par rayonnement de la chaleur de la flamme sur les parois réfractaires de la chambre de combustion. La présente invention concerne les fours dans lesquels les brûleurs sont disposés sur deux des murs verticaux de la chambre de combustion, lesdits murs se faisant face. Ce type de four à chauffage latéral (dénommé "side-fired" en anglais) se différencie des fours où les brûleurs sont montés dans la voûte du four (dits 'top-fired" en anglais). En général, pour éviter l'empiètement direct des flammes sur les tubes de reformage on utilise des brûleurs créant des flammes parallèles aux murs de réfractaires, les réfractaires permettant de renvoyer la chaleur des flammes vers les tubes par rayonnement. Les flammes les plus courantes sont des flammes en forme de rosace. Or, il a été observé que les gaz de combustion générés par ces flammes circulent dans l'enceinte de la chambre de combustion en créant des points chauds plus particulièrement sur certains tubes. Par point chaud, on entend une zone présentant une température supérieure de plusieurs degrés par rapport au reste du tube. Ces points chauds peuvent induire la casse prématurée des tubes ce qui entraîne l'arrêt immédiat du procédé de reformage pour changer le tube. Les tubes sont également soumis à des températures plus élevées dans leur partie basse en raison de la circulation des réactifs de reformage et du gaz de synthèse du haut vers le bas des tubes. Le cumul de points chauds sur un même tube conduit à une surchauffe progressive du gaz de synthèse au fur et à mesure de sa circulation dans la tube de reformage. Il s'en suit une élévation de la température du tube dans sa partie basse et un risque important de casse. En outre, du fait de courants de circulation des gaz de combustion, il a été également observé que certains tubes reçoivent une puissance inférieure aux autres et sont donc sous-exploités : la capacité de production du four n'est donc pas optimale. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de reformage dans un four à chauffage latéral permettant de limiter les points chauds sur les mêmes tubes. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de reformage dans un four de reformage à chauffage latéral permettant d'optimiser le chauffage des tubes et la production du four. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de reformage à la vapeur d'hydrocarbures dans un four de reformage comprenant : - une chambre de combustion présentant au moins deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - au moins une rangée de tubes de reformage alignés verticalement à mi-distance entre les deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant aptes à produire des flammes radiales parallèles à la surface du mur, et dans lequel tous les brûleurs ne présentent pas la même puissance et en ce qu'on fixe la puissance de chaque brûleur de manière à éviter la présence de points chauds sur les tubes. L'invention concerne donc un four de reformage à chauffage latéral. Les tubes de reformage sont alignés verticalement à mi-distance entre deux murs de briques réfractaires sur lesquels sont disposés des brûleurs. Ces tubes de reformage sont remplis de catalyseur de reformage et sont aptes à faire circuler, généralement de haut en bas, un mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse. Les brûleurs utilisés génèrent des flammes parallèles à la paroi réfractaire. On utilise de préférence des brûleurs présentant une injection de combustible et de comburant radiale à partir du nez central du brûleur. Ces brûleurs présentent l'avantage de créer des flammes radiales sur une surface de réfractaire importante. Selon l'invention, plutôt que de fixer une puissance identique à tous les brûleurs, comme cela est fait dans l'art antérieur, on fixe la puissance de chaque brûleur de manière à éviter la présence de points chauds sur les tubes. Alors que certains brûleurs présentent une puissance individuelle supérieure à la puissance moyenne de tous les brûleurs, d'autres brûleurs présentent une puissance individuelle inférieure à la puissance moyenne de tous les brûleurs. La disposition des brûleurs sur les murs de réfractaires se fait généralement sous la forme d'une matrice de brûleurs : les brûleurs sont alignés verticalement sous forme de colonnes et horizontalement sous forme de lignes lesdites lignes étant distribuées sous forme de deux lignes extérieures et de lignes intermédiaires. Chaque colonne d'un mur est placée soit directement en face d'une colonne de brûleurs du mur d'en face, soit en quinconce par rapport aux colonnes du mur d'en face. On différencie les deux lignes extérieures de brûleurs comprenant les brûleurs placés aux extrémités supérieure et inférieure des colonnes des lignes intermédiaires comprenant tous les autres brûleurs. Selon le mode préféré de mise en oeuvre de l'invention : - sur une même colonne, on fixe la puissance individuelle d'une partie des brûleurs à une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, et on fixe la puissance individuelle de l'autre partie des brûleurs à une valeur inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, - sur une même ligne intermédiaire, on fixe les puissances individuelles des brûleurs de manière à obtenir l'enchaînement alternatif d'un brûleur de puissance supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne puis d'un brûleur de puissance inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne. Selon ce mode préféré, on peut mettre en oeuvre les variantes suivantes : - sur chaque colonne, les brûleurs présentant une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne peuvent être adjacents. -on peut fixer la puissance des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face de manière à ce qu'un brûleur présentant une puissance individuelle supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne fasse face à un brûleur présentant une puissance individuelle inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne. - chacun des brûleurs des lignes extérieures peuvent présenter une puissance différente des autres brûleurs intermédiaires, notamment une puissance égale à la moitié de la puissance maximale des autres brûleurs intermédiaires. La figure 1 illustre l'invention et en particulier une mise en oeuvre du mode préféré. Elle représente un four de reformage à chauffage latéral comprenant des tubes de reformage 3 placés à mi-distance entre deux murs en réfractaire let 2. Les murs en réfractaire 1 et 2 sont couverts de brûleurs 41 et 42 disposés sous forme de colonnes et lignes. Les brûleurs 41 placés aux extrémités des colonnes sont dits extérieurs et les autres brûleurs 42 sont dits intermédiaires. Selon le mode préféré de l'invention, sur une même colonne, une partie 5 de brûleurs adjacents présente une puissance de valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne et l'autre partie 6 de brûleurs adjacents présentent une puissance de valeur inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne. Il peut également être avantageux : - que sur une même ligne, un brûleur 7 de puissance supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne soit adjacent à des brûleurs 8 de puissance inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne. - qu'un brûleur 7 de faible puissance placé sur le mur 1 fasse face à un brûleur de grande puissance sur le mur réfractaire 2 opposé. L'invention permet de répartir la surchauffe engendrée par les recirculations des gaz de combustion de manière plus homogène sur l'ensemble des tubes : on évite ainsi la surchauffe préférentielle de certains tubes et une augmentation de la capacité de production est rendue possible. L'invention peut s'appliquer à l'amélioration de fours de reformage existants : tout en conservant la puissance nominale de chauffe du four constante, la puissance de certains brûleurs est diminuée, tandis que la puissance d'autres brûleurs est augmentée. EXEMPLE Une simulation numérique a été réalisée pour valider l'invention. La simulation est basée sur un four de reformage d'hydrocarbures à la vapeur comprenant 60 tubes chauffés par 108 brûleurs disposés de façon symétrique et face à face de part et d'autre des tubes sur 9 colonnes verticales et 6 rangées horizontales. Dans l'exemple comparatif (cas 1), tous les brûleurs présentent la même puissance excepté les brûleurs des lignes extérieures qui présentent une puissance égale à la moitié de la puissance des autres brûleurs. Dans l'exemple selon l'invention (cas 2) : - les brûleurs 41 des lignes extérieures présentent une puissance égale à la moitié de la puissance maximale des brûleurs 42 intermédiaires, - sur chaque colonne, deux brûleurs intermédiaires adjacents 5 présentent une puissance égale à 110 % de leur puissance initiale mise en oeuvre dans le cas 1 et les deux autres brûleurs intermédiaires adjacents 6 de la colonne présentent une puissance égale à 85 % de leur puissance initiale mise en oeuvre dans le cas 1, - sur chaque ligne de brûleurs intermédiaires, un brûleur présentant une puissance égale à 110 % de sa puissance initiale est adjacent à des brûleurs présentant une puissance égale à 85 % de leur puissance initiale, - pour tous les brûleurs intermédiaires, un brûleur du premier mur réfractaire 1 présentant une puissance égale à 110 % de sa puissance initiale fait face à un brûleur du deuxième mur réfractaire 2 présentant une puissance égale à 85 % de sa puissance initiale et vice-versa. La puissance totale des brûleurs est la même dans les cas 1 et 2. Les résultats de la simulation correspondent à l'analyse de la puissance absorbée par chaque tube dans les deux cas. La simulation numérique a été conduite sur une tranche de 7 tubes et de 24 brûleurs limités par deux plans de symétrie. Les résultats sont reportés dans le tableau 1. Tableau 1 Puissance absorbée par tube (kW) Tube Cas 1 : exemple comparatif Cas 2 : selon l'invention 1 267,3 278,3 2 281,5 283,4 3 296,7 287,9 4 300,4 288,5 5 296,8 290,5 6 282,6 289,3 7 275,4 288,7 On constate que la différence maximale de puissance absorbée par tube est réduite de 33,1 kW (cas 1 entre les tubes 1 et 4) à 12,2 kW (cas 2 entre les tubes 1 et 7), la puissance totale absorbée par l'ensemble des tubes restant quasiment identique (2000,7 kW pour le cas 1 contre 2006,6 pour le cas 2). On obtient donc dans le cas 2 une meilleure homogénéité du flux thermique sur les tubes à puissance identique. REVENDICATIONS 1. Procédé de reformage à la vapeur d'hydrocarbures dans un four de reformage comprenant : - une chambre de combustion présentant au moins deux murs (1, 2) verticaux en matière réfractaire se faisant face, - au moins une rangée de tubes de reformage (3) alignés verticalement à mi-distance entre les deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - des brûleurs (41, 42) disposés sur chacun des deux murs (1, 2) verticaux en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant aptes à produire des flammes radiales parallèles à la surface du mur (1, 2), caractérisé en ce que tous les brûleurs ne présentent pas la même puissance et en ce qu'on fixe la puissance de chaque brûleur (41, 42) de manière à éviter une accumulation de points chauds sur un même tube (3) de la rangée. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que : - les brûleurs sont alignés verticalement sous forme de colonnes et horizontalement sous forme de lignes lesdites lignes étant distribuées sous forme de deux lignes extérieures et de lignes intermédiaires, - sur une même colonne, on fixe la puissance individuelle d'une partie (5) des brûleurs à une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, et on fixe la puissance individuelle de l'autre partie (6) des brûleurs à une valeur inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, - sur une même ligne intermédiaire, on fixe les puissances individuelles des brûleurs de manière à obtenir l'enchaînement alternatif d'un brûleur (7) de puissance supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne puis d'un brûleur (8) de puissance inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que sur chaque colonne, les brûleurs présentant une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne sont adjacents. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on fixe la puissance des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face de manière à ce qu'un brûleur (5) présentant une puissance individuelle supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne fasse face à un brûleur (6)présentant une puissance individuelle inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne.