Brevet FR2932173A1 — publié le 20091211

La présente invention concerne un procédé et une installation de production d'un gaz de synthèse par reformage catalytique à la vapeur d'une charge 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, appelé gaz de synthèse ou syngas. Le four est composé d'une ou plusieurs chambres 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, appelés aussi murs latéraux, se faisant face. Ce type de four est dit à chauffage latéral (dénommé "side-fired" en anglais), il se différencie des fours où les brûleurs sont montés dans la voûte du four (dits 'top-fired" en anglais). Dans les fours à chauffage latéral, dans chaque chambre de combustion, les tubes de reformage sont disposés en ligne dans un plan situé à égale distance entre les deux murs verticaux latéraux supportant les brûleurs. Les gaz de combustion, aussi appelés fumées, sont évacués hors du foyer dans la partie haute du four (par partie haute ou région haute du four, on entend la région du four située au dessus de la rangée de brûleurs la plus élevée). Les sorties, à l'extrémité côté four, des conduites d'évacuation des fumées sont localisées à l'extrémité haute du four sur un seul des murs latéraux. Il peut exister plusieurs conduites d'évacuation des fumées dans un même four, mais celles-ci sont toujours disposées sur un même mur latéral vertical, à la même hauteur dans le four et elles sont régulièrement espacées les unes des autres. Il a été observé que la disposition asymétrique des conduites d'évacuation des fumées dans le four par rapport à la rangée de tubes engendre une aspiration préférentielle des gaz de combustion dans la moitié du four située du côté des sorties desdites conduites (nous l'appellerons aussi 1ère moitié du four) ; cette aspiration préférentielle induit une dissymétrie de l'écoulement des gaz de combustion et est à l'origine d'une perte d'efficacité thermique du four. En effet, il en résulte une dissymétrie importante du champ de température des gaz de combustion de part et d'autre de la rangée de tubes qui provient du passage préférentiel des gaz chauds vers la sortie dans ladite 1ère moitié du four (située du côté de la sortie). Dans la 2ème moitié du four, les gaz de combustion subissent une perte de charge que l'on peut attribuer à leur nécessaire passage au travers de la rangée de tubes de reformage pour atteindre la sortie. L'obstacle que représente la rangée de tubes constituant un frein important au passage des gaz de combustion, il se crée une recirculation de ces gaz dans l'extrémité haute de cette 2ème moitié de four. Le temps de séjour des gaz de combustion lors de la traversée de la région haute du four est donc plus court dans la 1ère moitié que dans la 2ème moitié. Or, les gaz de combustion dont le temps de séjour est plus court transfèrent moins d'énergie par rayonnement à la rangée de tubes de reformage et sortent plus chauds dans les conduites de sortie. L'énergie thermique évacuée du fait d'une température plus élevée des fumées représente ainsi un potentiel de production de gaz de synthèse non valorisé. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de reformage dans un four à chauffage latéral permettant d'améliorer le transfert thermique dans la partie haute du four pour augmenter sa capacité de production. Cette amélioration est obtenue selon la solution de l'invention en symétrisant l'écoulement des gaz (ou fumées) dans la partie haute du four. L'invention concerne ainsi un procédé de production d'un gaz de synthèse à partir d'une charge d'hydrocarbures comprenant au moins une étape de génération d'un gaz de synthèse brut par reformage catalytique à la vapeur de ladite charge d'hydrocarbures, avec fourniture de la chaleur nécessaire au reformage à l'aide d'une combustion, ladite étape étant réalisée dans un four de reformage comprenant : - au moins 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, remplis de catalyseur de reformage, aptes à faire circuler de haut en bas, un mélange contenant la charge d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse brut, - des brûleurs 4 disposés sur chacun des deux murs verticaux 1, 2 en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant alimentés en combustible et en comburant et aptes à produire par combustion des flammes radiales parallèles à la surface du mur, - au moins une sortie de conduite d'évacuation des gaz issus de ladite combustion, située à l'extrémité haute du four sur un seul des murs verticaux 1, ladite étape de génération produisant, outre le gaz de synthèse brut, des gaz de combustion émis lors de la combustion, lesquels s'écoulent vers au moins une conduite de sortie des gaz de combustion ; le procédé est caractérisé en ce que au moins une conduite d'évacuation des gaz présente un déflecteur installé au niveau de la sortie à la jonction entre la conduite et le mur 1, s'opposant à l'écoulement desdits gaz de combustion vers ladite sortie, de sorte à limiter leur aspiration préférentielle dans la moitié du four située du côté de ladite au moins une conduite d'évacuation des gaz. L'ensemble conduite, sortie, déflecteur ainsi constitué est conçu et dimensionné de telle sorte que les écoulements de gaz de combustion s'effectuent de la manière la plus symétrique possible de part et d'autre de la rangée de tubes de reformage. L'invention permet d'homogénéiser la distribution de température de part et d'autre de la rangée de tubes de reformage et d'assurer un transfert d'énergie thermique plus important vers les tubes de reformage. L'invention permet ainsi d'augmenter la capacité de production de gaz de synthèse brut d'un four. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, le déflecteur est constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois existantes de la conduite d'évacuations des gaz (fumées) en direction de la rangée de tubes. L'invention peut s'intégrer dans la conception de nouvelles unités de production de gaz de synthèse. L'invention peut aussi être utilisée pour améliorer les performances de fours de reformage à la vapeur existant de géométrie comparable. Elle concerne ainsi un procédé destiné à améliorer les performances d'un four de reformage à la vapeur existant, comprenant : - au moins une chambre de combustion présentant au moins deux murs verticaux 1, 2 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, remplis de catalyseur de reformage, aptes à faire circuler, généralement de haut en bas, un mélange contenant la charge d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse brut, - des brûleurs 4 disposés sur chacun des deux murs verticaux 1, 2 en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant alimentés en combustible et en comburant et aptes à produire par combustion des flammes radiales parallèles à la surface du mur, - au moins une sortie de conduite d'évacuation des gaz issus de ladite combustion, située à l'extrémité haute du four sur un seul des murs verticaux 1, caractérisé en ce qu'on équipe la conduite d'évacuation des gaz de combustion avec un déflecteur prolongeant ladite conduite à l'intérieur de la chambre de combustion du four, en direction de la rangée de tubes de reformage. Un déflecteur préféré pour améliorer les performances d'un four est constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois de la conduite d'évacuation des gaz de combustion, dans le four, en direction de la rangée de tubes. L'invention concerne aussi une installation pour la production de gaz de synthèse comprenant un four de reformage à la vapeur apte à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus qui comprend au moins une chambre de combustion et au moins une chambre de convection, ladite chambre de combustion présentant au moins : - deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - une rangée de tubes de reformage alignés verticalement à mi-distance entre les deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, remplis de catalyseur de reformage, aptes à faire circuler, généralement de haut en bas, un mélange contenant la charge d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse brut, - des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant alimentés en combustible et en comburant et aptes à produire par combustion des flammes radiales parallèles à la surface du mur, - au moins une sortie apte à recevoir une conduite d'évacuation des gaz issus deladite combustion, située à l'extrémité haute du four sur un seul des murs verticaux, ladite chambre de convection contenant au moins ladite conduite d'évacuation des gaz de combustion, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation des gaz présente un déflecteur installé au niveau de la sortie à la jonction entre la conduite et le mur, s'opposant à l'écoulement desdits gaz de combustion vers la sortie, de sorte à limiter leur aspiration préférentielle dans la moitié du four située du côté de la conduite d'évacuation des gaz. Le déflecteur préféré étant constitué par un ensemble de plaques tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne aussi selon un autre aspect un four de reformage à la vapeur d'hydrocarbures amélioré par l'installation d'un déflecteur selon le procédé précédemment décrit ; un déflecteur préféré étant constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois existantes de la conduite d'évacuation des gaz de combustion dans le four, en direction de la rangée de tubes. L'invention va maintenant être décrite en lien avec les Figures 1 à 4 et l'exemple d'une simulation numérique réalisée pour sa validation. - la Figure 1 illustre un four classique, dans sa partie haute, - la Figure 2 illustre un four selon l'invention, dans sa partie haute, - la Figure 3 présente le champ des températures dans la partie haute d'un four classique selon la Figure 1, - la Figure 4 présente le champ des températures dans la partie haute d'un four modifié selon l'invention, conforme à la Figure 2. La simulation est basée sur un four de reformage d'hydrocarbures à la vapeur selon la Figure 1 ou la Figure 2 comprenant 60 tubes chauffés par 108 brûleurs. La Figure 1 présente une vue schématique d'un four de reformage à chauffage latéral de conception standard montrant les positions respectives de différents éléments constitutifs dudit four, utiles pour la compréhension de l'invention ; seule la partie haute du four y est représentée. On y voit un tube de reformage 3 (il s'agit en réalité d'une rangée de tubes) ; les tubes 3 sont situés à mi-distance entre deux murs en réfractaire 1 et 2. Les murs en réfractaire 1 et 2 sont munis de brûleurs 4 disposés sous forme de colonnes et lignes. Les gaz de combustion sont évacués hors de la chambre de combustion dans la partie haute du four. La sortie vers la conduite d'évacuation des fumées 5 est localisée à l'extrémité haute du four sur le mur latéral 1. Elle s'ouvre directement dans le mur. Il peut y avoir plusieurs conduites d'évacuation des fumées dans un même four, mais les sorties sont toujours disposées sur le même mur latéral, à la même hauteur dans le four et elles sont régulièrement espacées les unes des autres. La Figure 2 présente une vue schématique d'un four de reformage à chauffage latéral selon l'invention. Ce four diffère de celui de la Figure 1 en ce que la sortie de la conduite d'évacuation des fumées 5 est équipée d'un dispositif permettant de symétriser les écoulements de part et d'autre de la rangée de tubes de réformage 3; ledit dispositif est dans cet exemple constitué par un ensemble de plaques 6 ajouté par rapport à l'exemple de la Figure 1 de sorte à prolonger la conduite à l'intérieur du foyer, en direction de la rangée de tubes de réformage 3. Les exemples présentent les résultats de la simulation numérique réalisée pour caractériser l'écoulement des gaz de combustion et le transfert thermique dans un four de reformage de conception standard selon la Figure 1 (cas 1, exemple comparatif) et dans un four de reformage modifié selon l'invention (cas 2, exemple selon l'invention). Les deux cas ont été réalisés dans les mêmes conditions de fonctionnement (débits d'injection de carburant et d'air aux brûleurs, débit de méthane et de vapeur d'eau dans les tubes de reformage, pertes thermiques, etc.). Le cas 2 diffère du cas 1 uniquement par l'ajout des plaques de prolongation de la conduite de sortie des fumées selon le dispositif de la Figure 2 conforme à l'invention. La Figure 3 montre le champ de température obtenu par le calcul dans la partie haute du four classique de la Figure 1 ; seule la partie haute du four est représentée. Cette figure fait apparaître une dissymétrie importante du champ de température des gaz brûlés de part et d'autre de la rangée de tubes. Ladite dissymétrie illustre le passage préférentiel des gaz chauds (température de l'ordre de 1000°C) vers la sortie des gaz de combustion, dans la première moitié du four. Dans la 2ème moitié du four, la rangée de tubes freine de manière importante le passage des gaz de combustion et on observe une recirculation de ces gaz dans l'extrémité haute de cette moitié de four. La Figure 4 montre le champ de température obtenu par le calcul relatif au four modifié selon l'invention selon la Figure 2. On observe une distribution de température plus symétrique par rapport à la rangée de tubes de réformage. Les résultats comparatifs sont reportés dans le Tableau 1 qui donne les gains en performance en pourcentage, rapporté au cas classique. Tableau 1 Cas 1 : exemple sans Cas 2 : exemple déflecteur avec déflecteur (comparatif) (selon l'invention) Puissance transférée 100 101.8 aux tubes de reformage Production d'H2 100 101.6 Production de CO 100 102.8 On y constate que le rendement thermique du four est amélioré de 1,8% et que les débits d'hydrogène et de monoxyde de carbone produits sont améliorés respectivement de 1,6% et de 2,8%. On obtient donc une meilleure efficacité globale du four et une capacité de production accrue. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'un gaz de synthèse à partir d'une charge d'hydrocarbures comprenant au moins une étape de génération d'un gaz de synthèse brut par reformage catalytique à la vapeur de ladite charge d'hydrocarbures avec production de la chaleur nécessaire au reformage à l'aide d'une combustion, ladite étape étant réalisée dans un four de reformage comprenant : - au moins 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, remplis de catalyseur de reformage, aptes à faire circuler de haut en bas un mélange contenant la charge d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau, de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse brut, - des brûleurs (4) disposés sur chacun des deux murs verticaux (1, 2) en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant alimentés en combustible et en comburant et aptes à produire par combustion des flammes radiales parallèles à la surface du mur, - au moins une sortie de conduite d'évacuation des gaz issus de ladite combustion, située à l'extrémité haute du four sur un seul des murs verticaux (1), ladite étape de génération produisant, outre le gaz de synthèse brut, des gaz de combustion émis lors de la combustion, lesquels s'écoulent vers au moins une sortie de conduite d'évacuation des gaz de combustion, caractérisé en ce que au moins une conduite d'évacuation des gaz présente un déflecteur installé au niveau de la sortie à la jonction entre la conduite et le mur (1), s'opposant à l'écoulement desdits gaz de combustion vers ladite sortie, de sorte à limiter leur aspiration préférentielle dans la moitié du four située du côté de ladite sortie de conduite d'évacuation des gaz. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le déflecteur est constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois de la conduite d'évacuation des gaz de combustion dans le four, en direction de la rangée de tubes. 3. Procédé destiné à améliorer les performances d'un four de reformage à la vapeur existant, comprenant :- au moins 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, remplis de catalyseur de reformage, aptes à faire circuler, généralement de haut en bas, un mélange contenant la charge d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse brut, - des brûleurs (4) disposés sur chacun des deux murs verticaux (1, 2) en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant alimentés en combustible et en comburant et aptes à produire par combustion des flammes radiales parallèles à la surface du mur, - au moins une sortie de conduite d'évacuation des gaz issus de ladite combustion, située à l'extrémité haute du four sur un seul des murs verticaux (1), caractérisé en ce qu'on équipe la conduite d'évacuation des gaz de combustion avec un déflecteur prolongeant ladite conduite à l'intérieur de la chambre de combustion du four, en direction de la rangée de tubes de reformage. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le déflecteur est constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois existantes de la conduite d'évacuation des gaz de combustion, dans le four, en direction de la rangée de tubes. 5. Installation pour la production de gaz de synthèse comprenant un four de reformage à la vapeur apte à la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1 comprenant au moins une chambre de combustion et au moins une chambre de convection, ladite chambre de combustion présentant au moins : - deux murs (1, 2) verticaux en matière réfractaire se faisant face, - une rangée de tubes de reformage (3) alignés verticalement à mi-distance entre les deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, remplis de catalyseur de reformage, aptes à faire circuler, généralement de haut en bas, un mélange contenant la charge d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse brut, - des brûleurs (4) disposés sur chacun des deux murs verticaux (1, 2) en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant alimentés en combustible et en comburant et aptes à produire par combustion des flammes radiales parallèles à la surface du mur,- au moins une sortie apte à recevoir une conduite d'évacuation des gaz issus de ladite combustion, située à l'extrémité haute du four sur un seul des murs verticaux (1), ladite chambre de convection contenant au moins ladite conduite d'évacuation des gaz de combustion, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation des gaz présente un déflecteur installé au niveau de la sortie à la jonction entre la conduite et le mur (1), s'opposant à l'écoulement desdits gaz de combustion vers ladite sortie, de sorte à limiter leur aspiration préférentielle dans la moitié du four située du côté de ladite au moins une conduite d'évacuation des gaz. 6. Installation selon la revendication 5 dans laquelle le déflecteur est constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois existantes de la conduite d'évacuation des gaz de combustion en direction de la rangée de tubes. 7. Four de reformage à la vapeur d'hydrocarbures amélioré par l'installation d'un déflecteur selon le procédé de la revendication 3. 8. Four de reformage amélioré selon la revendication 7 dans lequel le déflecteur est constitué par un ensemble de plaques prolongeant tout ou partie des parois existantes de la conduite d'évacuation des gaz de combustion dans le four, en direction de la rangée de tubes.