EP4153348A1 - Procede et systeme pour transformer un melange de gaz par plasma pulses - Google Patents

Procede et systeme pour transformer un melange de gaz par plasma pulses

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EP4153348A1
EP4153348A1 EP21734400.1A EP21734400A EP4153348A1 EP 4153348 A1 EP4153348 A1 EP 4153348A1 EP 21734400 A EP21734400 A EP 21734400A EP 4153348 A1 EP4153348 A1 EP 4153348A1
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EP
European Patent Office
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electrode
zone
gas
plasma
electrodes
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Pending
Application number
EP21734400.1A
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German (de)
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Inventor
Erwan Pannier
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CentraleSupelec
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CentraleSupelec
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Publication date
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    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma

Definitions

  • the invention belongs to the field of devices for the production of gas, and in particular of reforming for the production of products with higher added value.
  • Plasma discharges present an electrophysical alternative to the transformation of gas mixtures into gas mixtures with higher added value by thermal (pyrolysis), thermocatalytic (reforming reactions) or electrochemical (electrolysis) approaches.
  • Document US 6,395,197 B1 discloses a method and system for producing hydrogen and elemental carbon from natural gas and other hydrocarbons.
  • Diatomic hydrogen and unsaturated hydrocarbons are produced as reactor gas in a fast quench plasma reactor. During the rapid quench, the unsaturated hydrocarbons are further decomposed by heating the reactor gases. Other gases can be added at different stages of the process to form a desired end product and prevent back reactions.
  • the product is a hydrogen and elemental carbon fuel that can be used in powder form as a feedstock for several industrial processes.
  • the gas residence time may become comparable or less than the characteristic ionization times.
  • the chemical reaction may not occur, and the plasma may not initiate.
  • Active systems are already known for initiating the plasma, which make it possible to increase the electric field above the breakdown value. These active systems can implement an increase in the voltage applied to the electrodes, a decrease in the pressure of the gas, an increase in the temperature of the gas, or a decrease in the inter-electrode distance by a mobile mechanical system.
  • WO 2013/078880 A1 discloses a multistage plasma reactor system including (i) hollow cathodes for cracking carbonaceous material, each stage comprising hollow cathodes and hollow anodes cooled by recycling coolant or refrigerant, (ii) one or more working gas inlets, (iii) one or more carbonaceous material and carrier gas inlets as feedstock, and (iv) reaction tubes connected to the anode or at the cathode.
  • Document CN 109663555 A discloses a system and a method for the synergistic conversion of greenhouse gases and biochar by pulsed plasma jet.
  • a discharge arc formed between an inner electrode and an outer electrode is driven by an upward spiral air flow of CO2, passes sequentially through a tapered nozzle and an air distribution plate to form a plurality of micro-jets uniformly distributed plasma.
  • the micro-jets entrain the biochar particles to form a gas-solid fluidization reaction zone.
  • the aim of the present invention is to provide a method and a system for transforming gas by pulsed plasmas which allow better operational continuity and lower maintenance costs than current methods and systems.
  • a method for producing gases from a mixture of gases comprising: a step for injecting a gas mixture into a pulsed plasma reactor, a step for dissociating said gas mixture, implementing isochoric discharges between a first elongated electrode of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity facing said first electrode, a step for evacuating the reactive gases produced from said dissociation step, towards a zone where they can be cooled and / or separated and / or collected.
  • the first electrode and the one or more other electrodes define an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance and composed of an ignition zone and two other zones
  • the dissociation step comprises, in the case where the plasma produced in the reactor is blown by a continuous flow of gas in this reactor, a step for providing a passive restrike of said plasma, said passive restrike step being carried out in the priming zone providing a zone protected from said continuous flow of gas and having an inter-electrode distance allowing ignition of the plasma protected from said continuous flow of gas.
  • the reboot technique implemented in the system / method according to the invention is passive and therefore reliable.
  • this configuration of the dissociation reactor could also be implemented in plasma-assisted combustion chambers for which the control of the reactive zone in high-flow media can constitute a real problem.
  • the step of passive re-priming of the plasma can also advantageously comprise, at the outlet of the priming zone (1), an entry of said plasma into a propagation zone having an increasing (2) then decreasing (3) inter-electrode distance. in the direction of propagation of the plasma, then in a stable operating zone (4) arranged to create an electric field and having an inter-electrode distance less than the distance in said propagation zone.
  • the passage from zone (1) to zone (2) then (3) is obtained by advantageously using the flow induced by discharges producing a shock wave, called isochoric discharges. This shock wave is passively created by isochoric discharges.
  • Another problem solved in the gas transformation process according to the invention is that of the need to control the gas flow within the plasma reactor.
  • the incoming gas flow (overall flow) is transformed by passing through a reactive zone (a reaction transforms the inputs into products) which generates its own flow (induced flow). If the reaction products are convected upstream from the bulk flow, they can be transformed back into the reactive zone, and the energy yield drops.
  • the shock waves are obtained by repetitive pulsed nanosecond discharges, produced between the first electrode of given polarity and the other or other electrodes of opposite or neutral polarity.
  • Directional control can advantageously include an increase in a reduced electric field at one of the two electrodes.
  • the shock wave caused by the pulsed discharge and the associated hydrodynamic expansion have been the subject of several scientific works [1] [2] [3]
  • the novelty of the method according to the invention lies in the stability of the control of the 'flow obtained.
  • the hydrodynamics generated by a shock wave can take two forms:
  • the regime must be non-diffusive.
  • Dumitrache's theory [5] makes it possible to establish a criterion to obtain a non-diffusive regime, which depends on the dimensionless number p:
  • the discharge creates a shock wave which can be modeled as a cylindrical shock wave centered on the inter-electrode axis, and two spherical shock waves substantially centered in front of each of the electrodes.
  • the spherical shock waves diffuse with the same speed and the hot gases are ejected according to a torus.
  • one of the two shock waves is faster and the hot gases are ejected on the side of the faster shock wave.
  • the speed of propagation of a shock wave is proportional to the pressure gradient.
  • the pressure gradient is proportional to the temperature gradient at the end of the discharge.
  • the increase in temperature is due to the predissociation of excited electronic states (ultra-rapid heating).
  • the heating of one of the electrodes is produced directly by the impact of the ions on said electrode and by the reduction of thermal diffusion.
  • the heating of one of the two electrodes can be increased by choosing a material with low thermal diffusivity for this electrode.
  • the geometry and thermophysical properties of the electrodes are controlled to generate the induced flow and to convect the exiting gases out of the reactive zone and downstream of the overall flow.
  • plasmas are characterized by the reduced electric field (E / N) applied in the discharge (expressed in Townsend: Td).
  • E / N reduced electric field
  • Different types of plasma microwave, nanoseconds, DBD, etc.
  • Each range of reduced electric field corresponds to a different mode of excitation of the molecule.
  • the production of electrons is obtained by ionization at strong electric fields (> 130 Td).
  • the vibration of the molecules is obtained for intermediate electric fields (50 - 100 Td).
  • the dissociation step may further comprise a step for generating a high voltage signal for controlling repetitive discharges by combining a very high voltage signal over short times to ionize the gas and a high voltage signal over short times. average times to excite molecules into vibrationally excited levels.
  • a system for transforming a gas mixture implementing the production process according to the invention, comprising:
  • a dissociation stage comprising said pulsed plasma reactor receiving at input said incoming gas flow, a first elongated electrode of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity, facing said first electrode, said first electrode and said one or more other electrodes (i) defining an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance, and (ii) being arranged to subject said gas flow to isochoric discharges so as to produce reactive gases,
  • the pulsed plasma reactor comprises a zone protected from the gas flow, called the priming zone , whose inter-electrode distance allows passive re-ignition of the plasma in the event that the latter is blown by a continuous flow of gas into said plasma reactor.
  • the propagation zone a zone of increasing then decreasing inter-electrode distance in the direction of propagation of the plasma, called the propagation zone, and an inter-electrode distance zone less than the distance in said propagation zone, called the stable operation zone, arranged to create an electric field.
  • the isochoric discharges produced between the first electrode of given polarity and the other electrode (s) of opposite polarity generate a shock wave that helps control the direction of the reactive gases.
  • the first electrode may advantageously have a peak effect arranged to generate in the stable operating zone a reduced electric field greater than that generated in the initiation zone or in the propagation zone.
  • the stable operating zone can be either substantially parallel to the direction of gas flow or substantially transverse to the direction of gas flow.
  • the gas flow can be either perpendicular to a plane substantially horizontal crossing the electrodes, or perpendicular to a substantially vertical plane crossing the electrodes.
  • the transformation system may further comprise means for controlling the direction of the flow of reactive gases in the plasma discharge, said direction controlling means comprising means for increasing the reduced electric field. to one of the two electrodes.
  • the means for increasing the reduced electric field may involve a tip effect electrode and / or a heating mechanism included in one of the electrodes.
  • the transformation system according to the invention can further comprise means for generating a high voltage signal greater than 10 kV to control repetitive discharges by combining a very high voltage signal greater than 130 Td over short times less than 20 ns to ionize the gas and a high voltage signal of between 50 and 100 Td over long times less than 1s to excite molecules into vibrationally excited levels.
  • a use of the system according to the invention for producing hydrogen gas from mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons, comprising an injection of said mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons at the inlet of the pulsed plasma reactor, and a collection of hydrogen gas at the outlet of said pulsed plasma reactor.
  • the isochoric discharges can advantageously comprise repetitive nanosecond pulse (NRP) discharges.
  • NTP repetitive nanosecond pulse
  • the reactive gas discharge interface may include: a stage for rapidly cooling said reactive gases, a stage for separating the hydrogen gas and carbon monoxide produced after cooling said reactive gases.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen production system according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of an exemplary embodiment of a hydrogen production system according to the invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of FIG. 2, illustrating essential components of the system
  • FIG. 4 is a partial sectional view of an exemplary embodiment of a dissociation stage within a hydrogen production system according to the invention
  • FIG. 5A is a partial sectional view of a first configuration of the dissociation stage, in which the stable zone is transverse to the gas flow;
  • FIG. 5B is a partial sectional view of a second configuration of the dissociation stage, in which the stable zone is transverse to the gas flow;
  • FIG. 6 illustrates the respective locations of the initiation, propagation and stability zones within a dissociation stage
  • FIG. 7 is an enlarged sectional view of a dissociation stage, showing characteristic inter-electrode distances
  • FIG. 8 illustrates three examples of characteristic profiles providing inter-electrode distance variations within a dissociation stage
  • FIG. 9 schematically illustrates a phenomenon of reinjection of hot gases into the plasma within a reactor
  • FIG. 10 is a partial sectional view of a dissociation stage configured to avoid this reinjection phenomenon
  • FIG. 11 illustrates three embodiments of axial electrodes adapted to avoid this phenomenon of reinjection
  • FIG. 12 is a block diagram of a device for generating a mixed signal for supplying the electrodes of a dihydrogen production system according to the invention.
  • a system S for producing hydrogen gas according to the invention comprises, with reference to FIGS. 1 and 2, a dissociation stage DI receiving as input a gas flow such as a mixture of methane. CEE and CO2 carbon dioxide, an FQ (“Fast Quenching”) ultra-rapid cooling stage, followed by an SE separation stage of the hydrogen gas H2 and carbon monoxide gas CO.
  • a gas flow such as a mixture of methane. CEE and CO2 carbon dioxide
  • FQ Fast Quenching
  • the gas flow treated by this production system can be about 0.2 m 3 / h or ⁇ 3.5 liters / min.
  • the dissociation stage 10 comprises a structure 12, of cylindrical shape and made of a stainless steel / aluminum alloy, comprising an inlet 21 for a gas flow (EEC, CO2) entering and defining a first chamber 20 containing a first electrode 13 acting. anode opposite a second electrode 15 acting as a cathode arranged in the middle of an outlet 26 of the first chamber 20. This cathode can be made of tungsten.
  • the dissociation stage 10 is further provided with a connector 11 which contains a power cable for the electrode 13.
  • the structure 12 contains an insulating block 14 arranged to prevent any occurrence of an electric arc due to the 'high voltage supply to the electrode 13.
  • the outlet 26 allows the dissociated gases to enter the cooling zone FQ consisting of a second chamber 27 defined by a structure 23 of cylindrical exterior shape and taper interior shape providing a continuous increase in the inside flow diameter from orifice 26 up to the outlet of the cooling zone FQ.
  • the third stage SE of the hydrogen gas production system 1 comprises a cylindrical structure 24 mechanically coupled to the outlet of the cooling stage FQ and a radial discharge duct 22.
  • the separation chamber 19 inside the structure 24 is crossed axially by an electrical supply rod 25 comprising at its end the electrode 15 extending into the dissociation chamber 20.
  • This dissociation stage 40 comprises an anode 13 having a tapered and pointed shape at its end and a cathode 15, facing the anode 13, having a substantially rounded end and electrically connected to the internal wall of the chamber. of dissociation.
  • three characteristic zones can be identified within the dissociation stage: a so-called starting zone I, AMO corresponding to a minimum inter-electrode distance, a zone at the start of propagation 2 where the plasma is located just after initiation and in which the inter-electrode distance is increasing in the direction of plasma propagation, then a propagation zone 3, PRO, in which the inter-electrode distance is decreasing, followed by a zone of stability 4, STA located between the tip of the anode 13 and the end of the cathode 15.
  • the insulating block 14 disposed upstream of the priming zone 1 has two functions: it prevents the occurrence of an electric arc and it creates this zone 1 protected from the continuous flow of gas 5 in which the priming will take place.
  • the inter-electrode distance is variable, increasing then decreasing, ranging from a minimum value dl in the ignition zone 1 to a value d4 in the stability zone 4 between the point of electrode 13 and the end of electrode 15.
  • FIGS. 5A and 5B two configurations of a dissociation stage of a gas transformation system according to the invention will now be described, in which the gas flow is transverse to the electrode device.
  • the gas flow 55 A flows perpendicularly to the horizontal plane of the device. of electrodes 53,57.
  • the initiation zone 1 is located outside the flow of the flow 55 A and is therefore protected from this flow.
  • each spark can switch the induced flow, either to the left or to the right.
  • the frequency of the pulses being high (of the order of 1000 pulses per second), it suffices to wait for the spark which allows the flow to the right (in the direction of towards the device of electrodes 53,57), to that there is a correct priming.
  • the gas flow 55B flows perpendicularly to the vertical plane of the electrode device 53,57.
  • FIGS. 9 to 11 A description will now be given, with reference to FIGS. 9 to 11, of embodiments of a system for producing hydrogen gas according to the invention, making it possible to solve the problem of the reinjection of the gases produced into the plasma as schematically illustrated in FIG. figure 9.
  • the gas production system thus comprises: two electrodes 13, 15 facing each other, as shown in FIG. 10, defining a zone inter-electrode in which an electric field is created between the two electrodes to produce a plasma discharge generating a shock wave, hereinafter called isochoric discharge;
  • a reactive zone in which a high reduced field is promoted at one of the two electrodes by use of a peak effect electrode, with an increase in temperature, by a heating mechanism included in the electrode 13 and by reducing cooling mechanisms around the electrode.
  • the shock wave is passively created by isochoric discharges.
  • a one-dimensional (1D) ideal propagation model is a straight profile forming an angle a with the direction of propagation, the ideal angle a depending on the frequency of the pulses and the temperature reached .
  • the priming at its beginning must play on the peak effect, whereas to stabilize at the end of the process, the inter-electrode space must be reduced.
  • An ideal theoretical profile [initiation + propagation + stabilization] would therefore be a combination of a point and two broken lines. As such a theoretical profile is in practice difficult to machine, a profile using the same tangents as this ideal profile was used.
  • the cathode 15.1 has the shape of a point at the end of the rod 25.
  • the cathode 15.2 has the shape of a perforated disc arranged in the part of more small diameter of the rapid cooling zone.
  • the cathode 15.3 has a complex geometry extending from the initiation zone to the zone of stability.
  • the pulsed plasma generating a shock wave is generated by Pulse Repetitive Nanosecond (NRP) pulses, with a voltage of 10 kV and a repetition frequency in a range of 5 to 500 kHz, preferably between 10 and 100 kHz.
  • NTP Pulse Repetitive Nanosecond
  • Voltage signals result from a combination of high voltage signals of varying shapes for the production of plasma discharges, so as to excite different energy modes of a molecule to achieve a desirable chemical effect.
  • a very high voltage signal (> 130 Td) over short times (0-20 ns), called a short pulse, is thus combined to ionize the gas with a high voltage signal (50 - 100 Td) over long times (0-1 s), called long pulse to excite molecules in vibrational levels.
  • the long pulse is generated by a long pulse generator module 31, and the short pulse is generated by an NRP module 32.
  • the two signals are combined with a mixer module 33.
  • the generation system 30 comprises:
  • a DC module 31 generating a high voltage pulse of duration 0 - ls, hereinafter called long pulse, provided with an impedance adaptation
  • an NRP 32 module generating a high voltage pulse of duration 0 - 20 ns, hereinafter referred to as a short pulse, provided with an impedance matching
  • the long pulse generator module 31 is equipped with a protection realized by a first order low pass filter, while the short pulse generator module 32 is equipped with a protection realized by a second high pass filter. order.
  • the short pulse generator module 32 provides a reduced electric field> 100 Td and duration 0 - 20 ns, while the long pulse generator module 31 provides a reduced electric field of 50 - 100 Td and duration 0 - ls .
  • the signal generator system 30 is defined so that the reduced electric field of the long pulse is below the ionization threshold.
  • the plasma is in a subcritical regime.
  • Target ranges voltage [1 - 4 kV], and [0.5 - 30 A]
  • the long pulse generator 31 is a DC generator of voltage 3 kV and maximum current 1 A
  • the short pulse generator 32 is a high voltage NRP generator of voltage 10 kV.
  • the NRP circuit is protected from DC and the DC circuit is protected from NRP.
  • the short pulse generator 32 is a 10 ns pulse nanosecond generator
  • the long pulse generator 31 is a 1 ⁇ s pulse pulse generator.

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Abstract

Procédé pour transformer un mélange gazeux en mélange gazeux à plus haute valeur ajoutée, comprenant une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé, une étape de dissociation mettant en œuvre des décharges pulsées générant une onde de choc entre deux électrodes, produisant des gaz, une étape pour évacuer les gaz produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés. L'étape de dissociation étant en outre agencée pour procurer un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par le flux continu de gaz dans ledit réacteur.

Description

PROCEDE ET SYSTEME POUR TRANSFORMER UN MELANGE DE GAZ PAR
PLASMAS PULSES
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention appartient au domaine des dispositifs de production de gaz, et en particulier de reformage pour la production de produits à plus haute valeur ajoutée.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les décharges plasmas présentent une alternative électrophysique à la transformation de mélanges gazeux en des mélanges gazeux à plus haute valeur ajoutée par des approches thermiques (pyrolyse), thermocatalytiques (réactions de reformage), ou électrochimiques (électrolyse).
Le document US 6,395,197 B1 divulgue un procédé et système de production d'hydrogène et de carbone élémentaire à partir du gaz naturel et d’autres hydrocarbures. De l’hydrogène diatomique et des hydrocarbures insaturés sont produits comme gaz de réacteur dans un réacteur plasma à trempe rapide. Pendant la trempe rapide, les hydrocarbures insaturés sont encore décomposés en réchauffant les gaz du réacteur. D'autres gaz peuvent être ajoutés à différentes étapes du processus pour former un produit final souhaité et empêcher les réactions de retour. Le produit est un combustible hydrogène et du carbone élémentaire qui peut être utilisé sous forme de poudre comme produit de base pour plusieurs procédés industriels.
Le document US 5,409,784 divulgue un système plasmatron-pile à combustible destiné à générer de l’électricité, dans lequel le plasmatron reçoit un carburant hydrocarboné et reforme le combustible hydrocarboné pour produire un gaz riche en hydrogène. L’utilisation d’impulsions permet de produire des plasmas avec une densité d’espèces réactives équivalente tout en réduisant réchauffement par rapport à des plasmas non pulsés. L’efficacité énergétique du procédé en est améliorée.
Dans le cas où ces procédés mettent en œuvre des décharges plasma dans des flux de gaz à vitesse élevée, le temps de résidence du gaz peut devenir comparable ou inférieur aux temps caractéristiques d’ionisation. Dans ce cas, la réaction chimique peut ne pas se produire, et le plasma peut ne pas s’amorcer. On connaît déjà des systèmes actifs pour amorcer le plasma, qui permettent d’augmenter le champ électrique au-dessus de la valeur de claquage. Ces systèmes actifs peuvent mettre en œuvre une augmentation de la tension appliquée aux électrodes, une diminution de la pression du gaz, une augmentation de la température du gaz, ou une diminution de la distance inter-électrode par un système mécanique mobile.
Ces systèmes actifs présentés ci-dessus présentent des limitations industrielles. Ils ne sont pas adaptés à des plasmas générés par des impulsions, ce qui ne permet pas de bénéficier de leur efficacité énergétique avantageuse. En effet, la diminution de la pression et l’augmentation de la température nécessitent une interruption du procédé. L’augmentation de la tension nécessite un surdimensionnement du générateur de tension (coût supplémentaire). La présence de pièces mobiles induit des surcoûts de maintenance et d’étanchéité. Par ailleurs les systèmes à rétroaction exigent des capteurs, donc des systèmes de mesure (mesure électrique, mesure optique) et un circuit de traitement pour la rétroaction.
Le document WO 2013/078880 Al divulgue un système réacteur à plasma à plusieurs étages incluant (i) des cathodes creuses pour le craquage de matière carbonée, chaque étage comprenant des cathodes creuses et des anodes creuses refroidies par recyclage d'agent de refroidissement ou de fluide frigorigène, (ii) une ou plusieurs entrées de gaz de travail, (iii) une ou plusieurs entrées de matière carbonée et de gaz vecteur en tant que charge d'alimentation, et (iv) des tubes de réaction raccordés à l'anode ou à la cathode.
Le document CN 109663555 A divulgue un système et un procédé de conversion synergique de gaz à effet de serre et de biochar par jet de plasma pulsé. Un arc de décharge formé entre une électrode intérieure et une électrode extérieure est entraîné par un flux d’air ascendant en spirale de C02, passe séquentiellement à travers une buse effilée et une plaque de distribution d’air pour former une pluralité de micro-jets de plasma uniformément répartis. Les micro-jets entraînent les particules de biochar pour former une zone de réaction de fluidisation gaz-solide.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un système de transformation de gaz par plasmas pulsés qui permettent une meilleure continuité opérationnelle et des coûts de maintenance moindres que les procédés et systèmes actuels. EXPOSE DE L’INVENTION
Cet objectif est atteint avec un procédé pour produire des gaz à partir d’un mélange de gaz, comprenant : une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé, une étape de dissociation dudit mélange gazeux, mettant en œuvre des décharges isochores entre une première électrode longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée en regard de ladite première électrode, une étape pour évacuer les gaz réactifs produits à partir de ladite étape de dissociation, vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés. Suivant l’invention, la première électrode et les une ou plusieurs autres électrodes définissent un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter-électrode variable et composé d’une zone d’amorçage et de deux autres zones, et l’étape de dissociation comprend, dans le cas où le plasma produit dans le réacteur serait soufflé par un flux continu de gaz dans ce réacteur, une étape pour procurer un réamorçage passif dudit plasma, ladite étape de réamorçage passif étant réalisée dans la zone d’amorçage procurant une zone protégée dudit flux continu de gaz et présentant une distance inter-électrode permettant un allumage du plasma à l’abri dudit flux continu de gaz.
La technique de réamorçage mise en œuvre dans le système/procédé selon l’invention est passive et donc fiable.
Il est à noter que cette configuration du réacteur de dissociation pourrait aussi être mise en œuvre dans des chambres de combustion assistée par plasma pour lesquelles le contrôle de la zone réactive dans des milieux à fort écoulement peut constituer un vrai problème.
L’étape de réamorçage passif du plasma peut en outre avantageusement comprendre, en sortie de la zone d’amorçage (1), une entrée dudit plasma dans une zone de propagation présentant une distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma, puis dans une zone d’opération stable (4) agencée pour créer un champ électrique et présentant une distance inter-électrode inférieure à la distance dans ladite zone de propagation. Le passage de la zone (1) à la zone (2) puis (3) est obtenu en utilisant avantageusement l’écoulement induit par des décharges produisant une onde de choc, dites décharges isochores. Cette onde de choc est passivement créée par les décharges isochores.
Un autre problème résolu dans le procédé de transformation de gaz selon l’invention est celui de la nécessité de contrôler l’écoulement gazeux au sein du réacteur plasma.
L’écoulement de gaz entrant (écoulement global) est transformé par passage dans une zone réactive (une réaction transforme les entrants en produits) qui génère son propre écoulement (écoulement induit). Si les produits de la réaction sont convectés en amont de l’écoulement global, ils peuvent être retransformés à nouveau dans la zone réactive, et le rendement énergétique chute.
Ces décharges isochores produites au cours de l’étape de dissociation entre la première électrode de polarité donnée et l’autre électrode de polarité opposée génèrent une onde de choc asymétrique contribuant à contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma.
Dans un mode préféré de mise en œuvre du procédé selon l’invention, les ondes de choc sont obtenues par des décharges nanosecondes répétitives pulsées, produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée ou neutre.
Le contrôle de direction peut avantageusement comprendre une augmentation d’un champ électrique réduit à l’une des deux électrodes.
On peut aussi prévoir un chauffage inclus dans l’une des électrodes pour produire une asymétrie du champ électrique réduit.
L’onde de choc provoquée par la décharge pulsée et l’expansion hydrodynamique associée ont fait l’objet de plusieurs travaux scientifiques [1] [2] [3] La nouveauté du procédé selon l’invention réside dans la stabilité du contrôle de l’écoulement obtenu.
On rappelle que l’amorçage d’un plasma est piloté par le champ électrique réduit E/N, où E est le champ électrique et N le nombre de molécules par unité de volume. E/N est exprimé en Townsend (1 Td = 10 17 V.cm2)
L’hydrodynamique générée par une onde de choc peut prendre deux formes :
- un régime diffusif - un régime non diffusif, avec présence d’une éjection des gaz chauds produits par la décharge.
Dans l’invention, le régime doit être non diffusif. La théorie de Dumitrache [5] permet d’établir un critère pour obtenir un régime non diffusif, qui dépend du nombre adimensionné p :
E p tel que - - — > 60
H d p t?2P où E est l’énergie déposée sous forme thermique dans le plasma, d la distance inter électrode, R le rayon de la décharge, P la pression du gaz.
En régime non diffusif, la décharge crée une onde de choc qui peut être modélisée par une onde de choc cylindrique centrée sur l’axe inter-électrode, et deux ondes de choc sphériques sensiblement centrées devant chacune des électrodes. Dans des conditions initiales axisymétriques, les ondes de choc sphériques diffusent avec la même vitesse et les gaz chauds sont éjectés selon un tore. Dans des conditions initiales non symétriques, une des deux ondes de choc est plus rapide et les gaz chauds sont éjectés du côté de l’onde de choc la plus rapide.
La vitesse de propagation d’une onde de choc est proportionnelle au gradient de pression. Dans une décharge isochore (dépôt d’énergie « temps hydrodynamiques), le gradient de pression est proportionnel au gradient de température à la fin de la décharge. Dans les décharges isochores, l’augmentation de température est due à la prédissociation d’états électroniques excités (échauffement ultrarapide).
L’excitation d’états électroniques augmente avec le champ électrique réduit E/N. Par conséquent, si l’une des deux électrodes est initialement plus chaude, le champ électrique réduit sera supérieur. Par conséquent, l’excitation donc la prédissociation sera supérieure. Par conséquent, la température dans la décharge sera supérieure, donc la pression, donc l’onde de choc sera plus rapide à cette électrode. Par conséquent, les gaz chauds seront éjectés du côté de l’électrode chaude. L’électrode restera chaude, d’où la stabilité.
Dans un exemple particulier de mise en œuvre de l’invention, le chauffage de l’une des électrodes est produit directement par l’impact des ions sur ladite électrode et par la réduction de la diffusion thermique. Le chauffage d’une des deux électrodes peut être augmenté en choisissant pour cette électrode un matériau à faible diffusivité thermique Pour comprendre les mécanismes contrôlant l’écoulement induit par une seule décharge nanoseconde générée entre une paire d'électrodes et conduisant à la formation des deux régimes hydrodynamiques observés, on pourra utilement se référer au document [6]
Pour comprendre l’impact de la recirculation des flux de gaz sur l’évolution temporelle des espèces et la température des gaz au voisinage de la zone de décharge générant une onde de choc, on pourra utilement se référer au document [7]
Pour une étude numérique de la dynamique des fluides induite par les plasmas produits par deux impulsions laser pour l’inflammation de mélanges combustibles, on pourra utilement se référer au document [8]
Dans le procédé, la géométrie et les propriétés thermophysiques des électrodes sont contrôlées pour générer l’écoulement induit et pour diriger par convection les gaz sortants en dehors de la zone réactive et en aval de l’écoulement global.
Une approche novatrice est également proposée pour la génération des signaux de tension appliqués aux électrodes du réacteur plasma mettant en œuvre le procédé de transformation de gaz selon l’invention.
En effet, il est connu que les plasmas sont caractérisés par le champ électrique réduit (E/N) appliqué dans la décharge (exprimé en Townsend : Td). Différents types de plasma (micro ondes, nanosecondes, DBD, etc.) correspondent à différentes plages de champs électriques réduits. Chaque gamme de champ électrique réduit correspond à un mode d’excitation différent de la molécule.
La dissociation de molécules (C02, Hydrocarbures) par plasma requiert à la fois de générer une densité suffisante d’électrons et d’exciter ces électrons aux énergies de vibration des molécules.
La production d’électrons est obtenue par ionisation à des champs électriques forts (> 130 Td). La vibration des molécules est obtenue pour des champs électriques intermédiaires (50 - 100 Td).
Il s’agit ainsi de combiner de manière efficace différents signaux pour obtenir une forte ionisation suivie d’une vibration des molécules par combinaison d’un puise électrique de champ réduit > 130 Td suivi d’un puise électrique de champ intermédiaire (50 - 100 Td).
L’étape de dissociation peut en outre comprendre une étape pour générer un signal haute tension de commande de décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension sur des temps courts pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension sur des temps moyens pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités. Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un système pour transformer un mélange gazeux, mettant en œuvre le procédé de production selon l’invention, comprenant:
- un réacteur à plasma pulsé,
- des moyens pour injecter un mélange gazeux dans ledit réacteur à plasma pulsé,
- un étage de dissociation comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux entrant, une première électrode longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée, en regard de ladite première électrode, ladite première électrode et lesdites une ou plusieurs autres électrodes (i) définissant un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter électrode variable, et (ii) étant agencées pour soumettre ledit écoulement gazeux à des décharges isochores d façon à produire des gaz réactifs,
- une interface pour évacuer les gaz réactifs produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé comprend une zone protégée de l’écoulement gazeux, dite zone d’amorçage, dont la distance inter-électrode permet un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur plasma.
Le réacteur à plasma pulsé selon l’invention peut en outre avantageusement comprendre :
- une zone de distance inter-électrode croissante puis décroissante dans la direction de propagation du plasma , dite zone de propagation, et une zone de distance inter-électrode inférieure à la distance dans ladite zone de propagation, dite zone d’opération stable, agencée pour créer un champ électrique.
Les décharges isochores produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée génèrent une onde de choc contribuant à contrôler la direction des gaz réactifs.
La première électrode peut avantageusement présenter un effet de pointe agencé pour générer dans la zone d’opération stable un champ électrique réduit plus important que celui généré dans la zone d’amorçage ou dans la zone de propagation.
La zone d’opération stable peut être soit sensiblement parallèle à la direction de l’écoulement gazeux, soit sensiblement transverse à la direction de l’écoulement gazeux. Dans cette configuration transverse, et ii l’on considère un réacteur disposé horizontalement, l’écoulement gazeux peut être soit perpendiculaire à un plan sensiblement horizontal traversant les électrodes, soit perpendiculaire à un plan sensiblement vertical traversant les électrodes.
Dans une configuration préférée de l’invention, le système de transformation peut en otre comprendre des moyens pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma, lesdits moyens de contrôle de direction comprenant des moyens pour augmenter le champ électrique réduit à l’une des deux électrodes.
Les moyens pour augmenter le champ électrique réduit peuvent mettre en œuvre une électrode à effet de pointe et/ou un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes.
Le système de transformation selon l’invention peut en outre comprendre des moyens pour générer un signal de haute tension supérieure à 10 kV pour commander des décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension supérieure à 130 Td sur des temps courts inférieurs à 20 ns pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension comprise entre 50 et 100 Td sur des temps longs inférieures à ls pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités.
Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé une utilisation du système selon l’invention, pour produire du dihydrogène gazeux à partir de mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures, comprenant une injection desdits mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte de dihydrogène gazeux en sortie dudit réacteur à plasma pulsé.
Les décharges isochores peuvent avantageusement comprendre des décharges à impulsions nanosecondes répétitives (NRP).
L’interface d’évacuation des gaz réactifs peut comprendre: un étage de refroidissement rapide desdits gaz réactifs, un étage pour séparer le dihydrogène gazeux et le monoxyde de carbone produits à l’issue du refroidissement desdits gaz réactifs.
Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé une utilisation du système selon l’invention, pour produire de l’oxygène à partir de dioxyde de carbone, comprenant une injection de dioxyde de carbone en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte d’oxygène en sortie dudit réacteur à plasma pulsé. DESCRIPTION DES FIGURES
On comprendra mieux l’invention à la lumière de la description illustrée par les figures ci- après :
- la figure 1 est un schéma synoptique d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe d’un exemple de réalisation d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ;
- la figure 3 est une vue agrandie de la figure 2, illustrant des composants essentiels du système ;
- la figure 4 est une vue en coupe partielle d’un exemple de réalisation d’un étage de dissociation au sein d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ;
- la figure 5 A est une vue en coupe partielle d’une première configuration de l’étage de dissociation, dans laquelle la zone stable est transverse à l’écoulement gazeux ;
- la figure 5B est une vue en coupe partielle d’une seconde configuration de l’étage de dissociation, dans laquelle la zone stable est transverse à l’écoulement gazeux ;
- la figure 6 illustre les localisations respectives des zones d’amorçage, de propagation et de stabilité au sein d’un étage de dissociation ;
- la figure 7 est une vue en coupe agrandie d’un étage de dissociation, représentant des distances inter-électrodes caractéristiques ;
- la figure 8 illustre trois exemples de profils caractéristiques procurant des variations de distance inter-électrodes au sein d’un étage de dissociation ;
- la figure 9 illustre schématiquement un phénomène de réinjection de gaz chauds dans le plasma au sein d’un réacteur ;
- la figure 10 est une vue en coupe partielle d’un étage de dissociation configuré pour éviter ce phénomène de réinjection ;
- la figure 11 illustre trois exemples de réalisation d’électrodes axiales adaptées pour éviter ce phénomène de réinjection ;
- la figure 12 est un schéma synoptique d’un dispositif de génération d’un signal mixte d’alimentation des électrodes d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ; et
- la figure 13 est un schéma électrique d’un exemple pratique de réalisation du dispositif générateur de la figure 12. DESCRIPTION D’EXEMPLES DE REALISATION DE L’INVENTION Un système S de production de gaz dihydrogène selon l’invention comprend, en référence aux figures 1 et 2, un étage de dissociation DI recevant en entrée un flux gazeux tel qu’un mélange de méthane CEE et de gaz carbonique CO2, un étage de refroidissement ultrarapide FQ (« Fast Quenching »), suivi d’un étage de séparation SE du gaz dihydrogène H2 et du gaz monoxyde de carbone CO.
A titre d’exemple pratique, le flux gazeux traité par ce système de production peut être d’environ 0,2 m3/h soit~3,5 litres/mn.
On peut prévoir pour la stœchiométrie des intrants gazeux C02 :CH4, un rapport 50:50 à 30:70 correspondant à un mélange de type biogaz ; et 0:100 pour le méthane pur.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, un exemple pratique de réalisation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention.
L’étage de dissociation 10 comprend une structure 12, de forme cylindrique et réalisée dans un alliage inox/alu, comportant une entrée 21 pour un flux gazeux (CEE, CO2) entrant et définissant une première chambre 20 contenant une première électrode 13 faisant fonction d’anode en vis-à-vis d’une seconde électrode 15 faisant fonction de cathode disposée au milieu d’un orifice 26 de sortie de la première chambre 20. Cette cathode peut être réalisée en tungstène. L’étage de dissociation 10 est en outre pourvu d’un connecteur 11 qui contient un câble d’alimentation de l’électrode 13. La structure 12 contient un bloc isolant 14 disposé pour éviter toute survenue d’un arc électrique du fait de l’alimentation à haute tension de l’électrode 13.
L’orifice de sortie 26 permet aux gaz dissociés de pénétrer dans la zone de refroidissement FQ constituée d’une seconde chambre 27 définie par une structure 23 de forme extérieure cylindrique et de forme intérieure conique procurant une augmentation continue du diamètre intérieur d’écoulement depuis l’orifice 26 jusqu’à la sortie de la zone de refroidissement FQ.
En référence aux figures 2 et 3, le troisième étage SE du système de production de gaz dihydrogène 1 comporte une structure cylindrique 24 couplée mécaniquement à la sortie de l’étage de refroidissement FQ et un conduit d’évacuation radial 22. La chambre de séparation 19 à l’intérieur de la structure 24 est traversée axialement par une tige 25 d’alimentation électrique comportant à son extrémité l’électrode 15 s’étendant dans la chambre de dissociation 20. On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 8, des exemples pratiques de réalisation de l’étage de dissociation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention.
Cet étage de dissociation 40 comprend une anode 13 présentant une forme effilée et pointue à son extrémité et une cathode 15, en vis-à-vis de l’anode 13, présentant une extrémité sensiblement arrondie et électriquement reliée à la paroi interne de la chambre de dissociation.
En référence aux figures 4 et 6, trois zones caractéristiques peuvent être identifiées au sein de l’étage de dissociation : une zone dite d’amorçage I,AMO correspondant à une distance inter-électrode minimale, une zone de début de propagation 2 où le plasma se trouve juste après l’amorçage et dans laquelle la distance inter-électrodes est croissante dans la direction de propagation du plasma , puis une zone de propagation 3,PRO, dans laquelle la distance inter-électrodes est décroissante, suivie d’une zone de stabilité 4,STA située entre la pointe de l’anode 13 et l’extrémité de la cathode 15.
Le bloc isolant 14 disposé en amont de la zone d’amorçage 1 a deux fonctions : il empêche la survenue d’un arc électrique et il crée cette zone 1 protégée du flux continu de gaz 5 dans laquelle l’amorçage va se faire.
Comme l’illustre la figure 7, la distance inter-électrodes est variable, croissante puis décroissante, allant d’une valeur dl minimale dans la zone d’amorçage 1 jusqu’à une valeur d4 dans la zone de stabilité 4 entre la pointe de l’électrode 13 et l’extrémité de l’électrode 15.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 5A et 5B, deux configurations d’un étage de dissociation d’un système de transformation de gaz selon l’invention, dans lesquelles le flux gazeux est transverse au dispositif d’électrodes.
Dans une première configuration particulière de l’étage de dissociation 50A d’un réacteur disposé horizontalement, illustrée par la figure 5A sur laquelle les traits en pointillé délimitent la zone de flux, le flux gazeux 55 A s’écoule perpendiculairement au plan horizontal du dispositif d’électrodes 53,57. La zone d’amorçage 1 est située hors écoulement du flux 55 A et est donc protégée de ce flux. Lors de la décharge en zone 1, chaque étincelle peut faire basculer l’écoulement induit, soit vers la gauche, soit vers la droite. La fréquence des impulsions étant élevée (de l’ordre de 1000 impulsions par seconde) , il suffît d’attendre l’étincelle qui permet l’écoulement vers la droite (au sens de vers le dispositif d’électrodes 53,57), pour qu’il y ait un amorçage correct. On peut aussi prévoir une petite dérivation du flux pour entraîner le plasma vers le dispositif d’électrodes 53,57. Cet écoulement induit va permettre de placer le plasma en zone de début de propagation 2 dans le flux 55 A, puis le plasma va lentement se déplacer sur la zone de propagation 3 jusqu’à la zone de stabilité 4.
Dans une seconde configuration particulière de l’étage de dissociation 50B d’un réacteur disposé horizontalement, illustrée par la figure 5B, le flux gazeux 55B s’écoule perpendiculairement au plan vertical du dispositif d’électrodes 53,57.
Plusieurs profils de la zone de propagation peuvent être envisagés comme l’illustre la figure 8. L’efficacité du profil dépend du rapport dl/d4 et du nombre p (lié au régime non-diffusif) qui sont choisis en fonction de la fréquence et de la température.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 9 à 11, des modes de réalisation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention, permettant de résoudre le problème de la réinjection des gaz produits dans le plasma tel que schématiquement illustré en figure 9.
Pour réaliser le contrôle de l’écoulement gazeux dans le réacteur , le système de production de gaz selon l’invention comprend ainsi : deux électrodes 13,15 en regard l’une de l’autre, comme représenté en figure 10, définissant une zone inter-électrode dans laquelle est créé un champ électrique entre les deux électrodes pour produire une décharge plasma génératrice d’une onde de choc, ci-après dite décharge isochore ;
- une zone réactive dans laquelle on favorise un champ réduit élevé à l’une des deux électrodes, par utilisation d’une électrode à effet de pointe, avec une augmentation de la température, par un mécanisme de chauffage inclus dans l’électrode 13 et par la réduction de mécanismes de refroidissement autour de l’électrode.
L’onde de choc est passivement créée par les décharges isochores.
On va maintenant décrire des profils géométriques possibles pour les zones d’amorçage, de propagation et de stabilisation au sein d’un réacteur à plasma pulsé d’un système de transformation d’un mélange de gaz selon l’invention.
Il est tout d’abord important de noter qu’un modèle de propagation idéal unidimensionnel (1D) est un profil droit formant un angle a avec la direction de propagation, l’angle a idéal dépendant de la fréquence des pulsations et de la température atteinte. Mais l’amorçage à son début doit jouer sur l’effet de pointe, alors que pour stabiliser en fin de processus, il faut réduire l’espace inter-électrode. Un profil théorique idéal [amorçage + propagation + stabilisation] serait donc une combinaison d'une pointe et de deux lignes brisées. Comme un tel profil théorique est en pratique difficile à usiner, un profil utilisant les mêmes tangentes que ce profil idéal a été utilisé.
Dans ce contexte, trois géométries de cathode prévues pour assurer un contrôle de l’écoulement sont représentées sur la figure 11, avec pour objectif de satisfaire les contraintes suivantes : ne pas bloquer la direction de l’écoulement, prévoir une pièce de cathode remplaçable, et être facilement usinable.
Dans une première géométrie (11.1), la cathode 15.1 a la forme d’une pointe à l’extrémité de la tige 25. Dans une seconde géométrie (11.2), la cathode 15.2 à une forme de disque ajouré disposé dans la partie de plus petit diamètre de la zone de refroidissement rapide. Dans une seconde géométrie (11.3), la cathode 15.3 a une géométrie complexe s’étendant depuis la zone d’amorçage jusqu’à la zone de stabilité. Ces cathodes 15.2 ou 15.3 peuvent être réalisées en matériau Tungstène en utilisant des machines de prototypage additif. Dans un mode de fonctionnement préféré, le plasma pulsé générant une onde de choc est généré par des impulsions Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP), avec une tension de 10 kV et une fréquence de répétition dans une gamme de 5 à 500 kHz, préférentiellement entre 10 et 100 kHz.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 12 et 13, un exemple de réalisation d’un système pour générer des signaux de tension qui sont appliqués aux électrodes du réacteur plasma d’un système de production de gaz selon l’invention. Les signaux de tension résultent d’une combinaison de signaux haute tensions de forme variable pour la production de décharges plasma, de façon à exciter différents modes d’énergie d’une molécule pour obtenir un effet chimique désirable.
Dans le système de génération de signaux 30, on combine ainsi un signal de très haute tension (> 130 Td) sur des temps courts (0-20 ns), dit impulsion courte, pour ioniser le gaz avec un signal de haute tension (50 - 100 Td) sur des temps longs (0-1 s), dit impulsion longue pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnels. L’impulsion longue est générée par un module générateur d’impulsion longue 31 , et l’impulsion courte est générée par un module NRP 32. Les deux signaux sont combinés avec un module de mixage 33. Le système de génération 30 comprend :
- un module DC 31 générant une impulsion haute tension de durée 0 - ls, ci-après dit impulsion longue, pourvue d’une adaptation d’impédance, - un module NRP 32 générant une impulsion haute tension de durée 0 - 20 ns, ci- après dit impulsion courte, pourvue d’une adaptation d’impédance,
- un module 33 de mixage entre impulsion courte et impulsion longue, des sondes de tension 34 délivrant des informations relatives aux signaux effectivement appliqués sur les électrodes du réacteur 10.
Le module générateur d’impulsion longue 31 est équipé d’une protection réalisée par un filtre passe-bas de premier ordre, tandis que le module générateur d’impulsion courte 32 est équipé d’une protection réalisée par un filtre passe-haut de deuxième ordre.
Le module générateur d’impulsion courte 32 fournit un champ électrique réduit > 100 Td et de durée 0 - 20 ns, tandis que le module générateur d’impulsion longue 31 fournit un champ électrique réduit de 50 - 100 Td et de durée 0 - ls.
Le système générateur de signaux 30 est défini pour que le champ électrique réduit de l’impulsion longue soit en dessous du seuil d’ionisation. Le plasma est en régime sous- critique.
A partir de calculs cinétiques, on obtient ; champ E/N optimal : 50 Td soit 4 kV/cm à une température de 900 K et 3 kV/cm à une température de 1200 K.
Plages cibles : tension [1 - 4 kV], et [0.5 - 30 A]
Dans un premier exemple, le générateur d’impulsion longue 31 est un générateur DC de tension 3 kV et de courant maximal 1 A, et le générateur d’impulsion courte 32 est un générateur haute tension NRP de tension 10 kV. Le circuit NRP est protégé du DC et le circuit DC est protégé du NRP.
Dans un autre exemple, le générateur d’impulsion courte 32 est un générateur nanoseconde d’impulsion 10 ns, et le générateur d’impulsion longue 31 est un générateur pulsé d’impulsions 1 ps.
La présente invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits et de nombreux autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. En particulier, la technique de réamorçage exposée dans la présente invention pourrait aussi être mise en œuvre dans un système de combustion assistée par plasma ou pour des scramjets (statoréacteur à combustion supersonique). REFERENCES
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour produire des gaz à partir d’un mélange de gaz, comprenant : une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé (10), une étape de dissociation dudit mélange gazeux, mettant en œuvre des décharges isochores entre une première électrode (15) longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée (13) en regard de ladite première électrode (15), une étape pour évacuer les gaz réactifs produits à partir de ladite étape de dissociation, vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés, caractérisé en ce que ladite première électrode (15) et lesdites une ou plusieurs autres électrodes définissent un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter électrode variable et composé d’une zone d’amorçage (1) et de deux autres zones, et en ce que ladite étape de dissociation comprend, dans le cas où le plasma produit dans ledit réacteur (10) serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur (10), une étape pour procurer un réamorçage passif dudit plasma, ladite étape de réamorçage passif étant réalisée dans la zone d’amorçage (1, AMO) procurant une zone protégée dudit flux continu de gaz (5) et présentant une distance inter-électrode permettant un allumage du plasma à l’abri dudit flux continu de gaz (5).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de réamorçage passif du plasma comprend en outre, en sortie de la zone d’amorçage (1, AMO), une entrée dudit plasma dans une zone de propagation (2 et 3, PRO) présentant une distance inter électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma, puis dans une zone d’opération stable (4, STA) agencée pour créer un champ électrique et présentant une distance inter-électrode (d4) inférieure à la distance dans ladite zone de propagation (PRO).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que des décharges isochores produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre électrode de polarité opposée génèrent une onde de choc contribuant à contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’étape de dissociation comprend en outre une production d’une onde de choc asymétrique créée par une décharge plasma entre les deux électrodes, pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le contrôle de direction comprend une augmentation d’un champ électrique réduit à l’une des deux électrodes (13,15).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un chauffage inclus dans l’une des électrodes (13,15), pour produire une asymétrie du champ électrique réduit.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de dissociation comprend en outre une étape pour générer un signal de haute tension supérieure à 10 kV pour commander der décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension supérieure à 130 Td sur des temps courts inférieurs à 20 ns pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension compris entre 50 et 100 Td sur des temps longs inférieurs à ls pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités.
8. Système (S) pour transformer un gaz, mettant en œuvre le procédé de production selon Tune quelconque des revendications précédentes, comprenant : un réacteur à plasma pulsé (10), des moyens (21) pour inj ecter un mélange gazeux dans ledit réacteur à plasma pulsé (10), de façon à procurer un écoulement gazeux entrant sensiblement continu dans ledit réacteur à plasma pulsé (10), un étage de dissociation (DI) comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux entrant, une première électrode (15) longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée (13), en regard de ladite première électrode, ladite première électrode (15) et lesdites une ou plusieurs autres électrodes (i) définissant un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter-électrode variable, et (ii) étant agencées pour soumettre ledit écoulement gazeux à des décharges isochores de façon à produire des gaz réactifs,
- une interface pour évacuer les gaz réactifs produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé comprend une zone protégée de l’écoulement gazeux, dite zone d’amorçage (1), dont la distance inter-électrode (di) permet un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur plasma (10).
9. Système (S) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé
(10) comprend en outre :
- une zone de distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma , dite zone de propagation (2,3), et une zone de distance inter-électrode (cU) inférieure à la distance dans ladite zone de propagation, dite zone d’opération stable (4), agencée pour créer un champ électrique E.
10. Système (S) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les décharges isochores produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée génèrent une onde de choc contribuant à contrôler la direction des gaz réactifs.
11. Système (S) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première électrode présente un effet de pointe agencé pour générer dans la zone d’opération stable (STA) un champ électrique réduit plus important que celui généré dans la zone d’amorçage (AMO) ou dans la zone de propagation (PRO).
12. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est sensiblement parallèle à la direction de l’écoulement gazeux .
13. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est sensiblement transverse à la direction de l’écoulement gazeux.
14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l’écoulement gazeux (55 A) est perpendiculaire à un plan sensiblement horizontal traversant les électrodes (53,57).
15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l’écoulement gazeux (55 B) est perpendiculaire à un plan sensiblement vertical traversant les électrodes (53,57).
16. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma, lesdits moyens de contrôle de direction comprenant des moyens pour augmenter le champ électrique réduit à l’une des deux électrodes.
17. Système (S) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens pour augmenter le champ électrique réduit mettent en œuvre une électrode à effet de pointe.
18. Système (S) selon l’une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que les moyens pour augmenter le champ électrique réduit mettent en œuvre un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes.
19. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 18, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens (30) pour générer un signal de haute tension supérieure à 10 kV pour commander des décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension supérieure à 130 Td sur des temps courts inférieurs à 20 ns pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension comprise entre 50 et 100 Td sur des temps longs inférieures à ls pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités.
20. Utilisation du système (S) selon Tune quelconque des revendications 8 à 19, pour produire du dihydrogène gazeux à partir de mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures, comprenant une injection desdits mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte de dihydrogène gazeux en sortie dudit réacteur à plasma pulsé
21. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les décharges isochores comprennent des décharges à impulsions nanosecondes répétitives (NRP).
22. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 20 ou 21, caractérisé en ce que l’interface d’évacuation des gaz réactifs comprend :
- un étage (FQ) de refroidissement rapide desdits gaz réactifs,
- un étage (SE) pour séparer le dihydrogène gazeux et le monoxyde de carbone produits à l’issue du refroidissement desdits gaz réactifs.
23. Utilisation du système selon l’une quelconque des revendications 8 à 19, pour produire de l’oxygène à partir de dioxyde de carbone, comprenant une injection de dioxyde de carbone en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte d’oxygène en sortie dudit réacteur à plasma pulsé.
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