FR2970766A1 - Reformeur de combustible pour dispositif de combustion de moteur a turbine a gaz et procede de reformage - Google Patents

Abstract

Reformeur (60) destiné à servir dans un moteur à turbine à gaz, comprenant un noyau (62) contenant une composition catalytique (65) et un canal d'entrée pour un mélange de combustibles, de l'air et de la vapeur. Un canal de sortie (66) transporte le courant de reformat, contenant des hydrocarbures reformés et ayant subi un craquage thermique et de grandes quantités d'hydrogène en vue d'une combinaison avec l'apport principal destiné au dispositif de combustion. La chaleur supplémentaire est transférée (et thermiquement intégrée) à l'aide d'un ou de plusieurs dispositifs d'échange de chaleur (72, 77) pour un premier et/ou un second courants auxiliaires de combustibles qui subissent un craquage thermique et une vaporisation avant de se combiner avec le reformat.

Description

B11-6103FR 1 Reformeur de combustible pour dispositif de combustion de moteur à turbine à gaz et procédé de reformage

La présente invention concerne les systèmes de combustion et, plus particulièrement, un système de combustion pour moteur à turbine à gaz utilisant un reformeur de combustible et l'intégration thermique de chaleur générée pendant le processus de reformage afin de produire un combustible hydrocarboné à émissions réduites et rendement amélioré, qui constitue un supplément d'alimentation d'un dispositif de combustion de la turbine à gaz. Les moteurs à turbine à gaz comportent ordinairement une section compresseur, une section de combustion et au moins une turbine qui tourne afin de produire de l'électricité. Les gaz refoulés par le compresseur alimentent directement la section de combustion dans laquelle un combustible hydrocarbure est injecté, mélangé et brûlé. Les gaz de combustion sont ensuite acheminés jusqu'à et à travers un ou plusieurs étages de la turbine qui extrait de l'énergie de rotation des gaz de combustion. Afin de parvenir à un rendement maximal, les systèmes de combustion des turbines à gaz doivent fonctionner avec toutes sortes de compositions, pressions, températures différentes du combustible et divers rapports de mélange combustible/air, de préférence avec la possibilité d'utiliser des combustibles liquides ou gazeux ou une combinaison des deux (ce qu'on appelle des systèmes à "double combustible"). Cependant, de nombreux hydrocarbures potentiellement utilisables comme combustibles dans des dispositifs de combustion de turbines à gaz contiennent des polluants indésirables et/ou des dérivés d'autres processus qui tendent à inhiber la combustion et/ou à réduire la capacité et le rendement du système de turbine à gaz. De nombreux combustibles potentiels posent également des problèmes de lutte contre la pollution de l'environnement, en particulier la formation de NOX indésirables entrant dans leur composition.

C'est pourquoi divers modèles antérieurs de dispositifs de combustion ont été essayés, avec une réussite limitée, pour maintenir de hauts niveaux de performances des moteurs à turbine à gaz en utilisant des compositions de combustibles liquides tout en parvenant à des niveaux d'émissions acceptables, en particulier des quantités de NOX et de CO résultant de la combustion. La plupart des dispositifs de combustion de turbines à gaz aptes à parvenir à de faibles émissions de NOX (que l'on qualifiera de "à bas NOX par voie sèche" (DLN)) nécessitent un mélange pauvre pour combustion en prémélange contenant un combustible hydrocarboné de faible poids moléculaire et une quantité excédentaire d'air afin de combattre et de limiter la production de NO,,. Ordinairement, de tels dispositifs de combustion utilisent un mélange de gaz naturel comprimé composé de 90 à 98% en volume de méthane (CH4) avec des quantités plus petites de COz, Oz, Nz et une petite fraction d'hydrocarbures à chaînes courtes tels que l'éthane, l'éthylène et l'acétylène. Ces mélanges plus pauvres ont tendance à brûler à une température plus basse que celle des dispositifs de combustion à flamme à diffusion classiques, produisant ainsi de plus faibles quantités de polluants, dont les oxydes d'azote.

De nombreux essais ont été menés dans le passé pour faire fonctionner des dispositifs de combustion à l'aide d'autre chose que du gaz naturel, notamment des combustibles hydrocarbonés liquides tels que le fioul et le carburant diesel, seuls ou en combinaison avec d'autres combustibles gazeux. Pour produire une flamme à l'aide d'un combustible pauvre, en prémélange et prévaporisé et au moyen de combustibles liquides, le combustible doit tout d'abord être vaporisé et, si possible, reformé sous la forme de gaz plus combustible et à meilleur rendement thermique, pouvant être mélangé à de l'air afin de créer des vapeurs combustibles acceptables avant l'inflammation dans le dispositif de combustion. Même alors, l'utilisation de combustibles hydrocarbonés liquides à poids moléculaire plus élevé en combinaison avec d'autres éléments combustibles gazeux (dont des hydrocarbures aliphatiques à poids moléculaire plus bas) se sont révélés problématiques.

Une solution reconnue pour utiliser des combustibles de poids moléculaire plus élevé implique le reformage des combustibles, en particulier les huiles lourdes ou le naphta, afin d'obtenir des hydrocarbures plus légers. Cependant, les processus de reformage connus s'accompagnent de problèmes complexes et coûteux de régulation du processus, dont des pertes potentielles de rendement thermique. Par exemple, les modèles de turbines à gaz qui utilisent du fioul comme constituant du combustible sont sujets, à haute température, à une corrosion due à des impuretés qui ne peuvent pas facilement être reformées sous la forme de combustibles plus utilisables. De ce fait, la plupart des moteurs à turbine à gaz utilisant des combustibles liquides fonctionnent soit au gaz naturel liquide (GNL) ou avec des huiles très légères qui peuvent facilement être réduites en hydrocarbures à plus faible poids moléculaire et/ou peuvent être vaporisées efficacement. Les procédés de conversion connus comprennent le reformage catalytique à la vapeur, le reformage catalytique autothermique, l'oxydation catalytique partielle et l'oxydation non catalytique partielle, chacun d'eux ayant des avantages et des inconvénients et produisant divers rapports d'hydrogène et de monoxyde de carbone ("gaz de synthèse").

Même si les produits de réaction de systèmes de catalyseurs connus (en particulier l'hydrogène) sont très souhaitables comme constituants de combustibles, ils risquent potentiellement d'occasionner de gros dégâts sur les pièces d'un dispositif de combustion en raison des hautes températures des gaz résultant de la réaction catalytique. Ainsi, les températures des produits reformés dépassent souvent le seuil admissible pour les matières servant à former les tubes de la turbine à gaz. Ainsi, afin de permettre au courant chaud de reformat d'alimenter directement le dispositif de combustion, il faut utiliser pour les tubes situés en aval, des matières réfractaires pour le transfert des fluides, ce qui accroît notablement les coûts des matières des systèmes. De plus, le reformeur catalytique doit être refroidi d'une manière ou d'une autre afin d'empêcher la surchauffe et l'endommagement de pièces du reformeur, ce qui, même avec des échangeurs de chaleur classiques, rend le système beaucoup plus complexe et coûteux. Etant donné les températures élevées liées aux processus de reformage existants, l'utilisation de systèmes de catalyseurs de reformage de combustibles pour produire davantage d'hydrogène à utiliser dans des moteurs à turbine à gaz a été très limitée. Les systèmes de catalyseurs selon la technique antérieure ne constituent tout simplement pas un procédé acceptable pour reformer les liquides et/ou les constituants des combustibles gazeux les plus lourds tout en limitant et utilisant efficacement la chaleur de la réaction exothermique générée par l'opération de reformage. Ainsi, il reste divers problèmes de rendement thermique avec les systèmes selon la technique antérieure. Par exemple, le brevet US n° 3 796 547 décrit un dispositif d'échange de chaleur utilisant un catalyseur exothermique logé dans une cuve cylindrique fermée, un ou plusieurs échangeurs de chaleur étant intégrés dans le lit catalytique pour contribuer à limiter le dégagement de chaleur par la réaction catalytique du courant d'alimentation, l'agent de refroidissement (ordinairement de l'eau) étant introduit depuis une source extérieure, puis évacué des échangeurs de chaleur. Ce brevet n'envisage ni n'explique l'utilisation du courant traité pour refroidir les constituants reformés ou autrement entretenir un processus thermiquement intégré. Le brevet US n° 6 444 179 décrit un reformeur "autothermique" du type pour pile à combustible servant à convertir un combustible et à produire de l'hydrogène libre par une réaction catalytique utilisant de la vapeur surchauffée. Le reformeur pour pile à combustible comporte une cuve fermée sous pression munie d'un premier et d'un second distributeurs de réactif constitués chacun d'une pluralité de tubes de mélange conçus de façon que la chaleur générée du fait de la réaction catalytique puisse servir à produire la vapeur surchauffée utilisée dans la réaction. Ce brevet n'envisage pas d'utiliser la chaleur supplémentaire pour traiter la source de combustibles. Le brevet US n° 6 083 425 décrit un procédé classique pour convertir un combustible hydrocarboné en hydrogène et en dioxyde de carbone dans un "reformeur" en utilisant un apport de gaz riche en oxygène et de la vapeur introduite dans une zone de réaction d'oxydation partielle contenant un catalyseur de reformage. Ce brevet n'envisage pas d'utiliser le courant de combustible traité pour refroidir les constituants reformés. La demande de brevet US n° 2005/0072 137 décrit un processus pour traiter une huile lourde en mélangeant l'huile avec de l'eau "supercritique" à haute température et haute pression et un agent oxydant pour oxyder du vanadium, puis en séparant l'oxyde de vanadium ainsi créé. Là encore, ce brevet n'utilise pas l'intégration thermique de la chaleur produite par le catalyseur. Le brevet US n° 5 113 478 décrit un vaporiseur de combustible liquide utilisant une bougie de préchauffage disposée dans un corps tubulaire dans lequel le combustible liquide est vaporisé par suite du rayonnement de chaleur depuis la chambre de combustion et des ailettes "de réception de chaleur" situées à l'extérieur de l'élément tubulaire lorsque la température de la chambre de combustion dépasse certains seuils.

Ainsi, on a grandement besoin d'un système de reformage capable de produire de grandes quantités d'hydrogène libre tout en utilisant efficacement la chaleur de la réaction exothermique pour traiter des constituants sous forme de liquides et/ou de "gaz résiduaires" afin de les rendre chimiquement et thermiquement exploitables comme constituants supplémentaires de combustible. La présente invention propose un nouveau modèle de reformeur destiné à servir dans un moteur à turbine à gaz conçu pour traiter au moins deux et éventuellement trois apports supplémentaires de combustible dans un dispositif de combustion dans le but d'améliorer les propriétés chimiques et physiques de l'apport combiné dans le dispositif de combustion. Dans des exemples illustrés ci-après, le reformeur comporte un logement pour un coeur de reformeur qui contient une composition catalytique pour processus d'oxydation catalytique partielle ("CPDX") et une pluralité de passages d'écoulement radiaux ou axiaux. Le reformeur comporte également un canal d'entrée servant à acheminer jusque dans le coeur du reformeur un premier mélange combustible, de l'air et éventuellement de la vapeur (de préférence surchauffée). Un canal de sortie achemine le courant de reformat produit, qui contient des hydrocarbures reformés et soumis à un craquage thermique, ainsi que de grandes quantités d'hydrogène libre produites par le coeur du reformeur. Comme la réaction CPDX est fortement exothermique, la chaleur supplémentaire générée par le reformeur peut être transférée, via un ou plusieurs dispositifs d'échange de chaleur, dans un premier ou un second courants de combustibles auxiliaires pour turbine à gaz (contenant des gaz et/ou des combustibles liquides) qui subissent un craquage thermique et une vaporisation avant que l'un des courants supplémentaires ou les deux ne se combinent avec le reformat d'origine contenant de l'hydrogène. Ensuite, les courants combinés sont acheminés jusqu'au dispositif de combustion du moteur à turbine à gaz afin d'améliorer ses performances et de réduire les émissions indésirables. Un exemple de forme de réalisation comporte un ou plusieurs atomiseurs pour traiter le premier courant auxiliaire de combustible, ainsi qu'un poste de refroidissement secondaire pour l'apport de combustibles en amont des atomiseurs. L'invention couvre également un système complet de moteur à turbine à gaz (dont un dispositif de combustion) capable d'utiliser le combustible enrichi en hydrogène et reformé, ainsi qu'un procédé correspondant pour reformer un ou plusieurs courants de combustibles hydrocarbonés à l'aide du nouveau modèle de reformeur dans le but d'améliorer les performances globales du moteur à turbine à gaz. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique d'un exemple de moteur à turbine à gaz du type utile lors de la mise en oeuvre de la présente invention ; 2970766 s - la figure 2 est un schéma de principe illustrant les étapes de base du processus, selon la technique antérieure qui utilise un apport pauvre, prévaporisé en prémélange pour le dispositif de combustion ; 5 - la figure 3 est une illustration schématique d'un de réalisation selon l'invention (représentant les principaux équipements) d'un processus de reformage de combustibles multiples en prémélange alimentant un dispositif de combustion d'un moteur à turbine à gaz ; 10 - la figure 4 est une vue latérale en coupe d'un exemple de réalisation du reformeur servant à produire un courant d'hydrocarbures reformés riches en hydrogène, alimentant le dispositif de combustion selon l'invention ; - la figure 5 est une vue latérale en coupe, représentée en 15 perspective, du reformeur illustré sur la figure 4 ; - la figure 6 est une vue latérale en coupe représentant une autre forme de réalisation possible de l'invention avec un apport de combustibles multiples injecté directement dans et à travers un lit catalytique CPDX à alignement axial, ainsi qu'une ou plusieurs 20 buses d'injection pour injecter un constituant gazeux supplémentaire de combustible pour turbine dans le courant de reformat chaud immédiatement en aval du lit catalytique ; - la figure 7 est une vue latérale en coupe représentant encore une autre forme possible de réalisation de l'invention, 25 utilisant encore une injection directe de combustible dans et à travers un lit catalytique à alignement axial et une ou plusieurs buses d'injection de combustible auxiliaire, mais l'injection ayant lieu plus loin en aval du lit catalytique, dans le courant de reformat chaud ; - la figure 8 est une vue latérale en coupe représentant encore une autre forme possible de réalisation de l'invention utilisant une injection directe de combustible dans et à travers un lit catalytique à écoulement axial, l'injection par une ou plusieurs buses d'injection de combustible auxiliaire ayant lieu au voisinage immédiat du lit catalytique ; et - la figure 9 est une vue latérale en coupe représentant encore une autre forme de réalisation possible de l'invention, utilisant à nouveau l'injection directe de combustible à travers un lit catalytique à écoulement radial (plutôt qu'à écoulement axial) selon une configuration similaire à celle illustrée sur la figure 4, l'injection du combustible auxiliaire dans le courant de reformat chaud ayant lieu à la sortie ou près de la sortie du lit catalytique. La présente invention propose un nouveau reformeur de combustible destiné à servir dans un moteur à turbine à gaz dans lequel le reformeur réalise une intégration thermique de la chaleur générée pendant l'étape de reformage catalytique tout en améliorant la qualité du courant de combustible reformé, qui est ensuite combiné avec le courant principal de combustible alimentant le dispositif de combustion. Le reformeur est à même de produire un combustible entièrement vaporisé ou, selon une autre possibilité, un constituant de combustible destiné à servir dans un dispositif de combustion à double combustible utilisant un apport combiné (et reformé) de liquide et de gaz.

I1 a été constaté que le rendement d'un dispositif de combustion utilisant des combustibles liquides et/ou gazeux, seuls ou en combinaison, peut être fortement amélioré à l'aide d'un processus CPDX de la manière décrite ici afin d'accroître la quantité d'hydrogène libre présente dans le mélange d'air et de combustible fourni au dispositif de combustion, ce qui tend à son tour à améliorer la stabilité de la combustion et le fonctionnement sous charge réduite du débit tout en réduisant la quantité d'émissions indésirables. Dans un exemple illustré, l'invention utilise un processus d'oxydation catalytique partielle (CPDX) pour reformer une partie du combustible fournie au dispositif de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Comme la réaction dans le processus CPDX est de nature fortement exothermique, la source de combustible hydrocarboné et un gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air, sont combinés et mis au contact du catalyseur à des températures élevées afin de produire un produit de réaction contenant de fortes concentrations d'hydrogène et de constituants hydrocarbonés reformés (craqués). Ainsi, le reformeur convertit un mélange auxiliaire d'air et de combustible (composé ordinairement de gaz naturel et de constituants hydrocarbonés gazeux plus lourds) sous la forme d'un combustible supplémentaire riche en hydrogène en mettant le mélange auxiliaire de combustible au contact d'un catalyseur, ce qui provoque une réaction exothermique qui produit de l'hydrogène libre et/ou un produit de réaction analogue à un gaz de synthèse (ordinairement riche en hydrogène avec en outre du dioxyde de carbone et de l'azote libre n'ayant pas réagi). La production d'hydrogène libre et/ou d'un produit analogue à un gaz de synthèse sert à améliorer le rendement du dispositif de combustion et de la turbine du fait des avantages d'ordre thermique et environnemental inhérents à l'utilisation d'hydrogène et d'hydrocarbures aliphatiques à chaînes de poids moléculaire plus faible comme sources de combustible. A la différence de systèmes selon la technique antérieure, dont ceux évoqués plus haut, la chaleur produite pendant l'étape de reformage sert à vaporiser (et potentiellement craquer) un ou plusieurs apports séparés de combustible liquide (résiduaire) principalement composés d'huiles de haut poids moléculaire ou, selon une autre possibilité, des combustibles gazeux de haut poids moléculaire contenant des quantités de constituants hydrocarbonés plus lourds tels que des composés aliphatiques à chaînes plus longues. La source de combustible auxiliaire combiné qui en résulte améliore le fonctionnement global du dispositif de combustion en créant, dans le combustible final du dispositif de combustion, des conditions de fonctionnement plus "pauvres" qu'il ne serait possible autrement. Les combustibles reformés traités selon l'invention comprennent presque n'importe quel combustible gazeux hydrocarboné, dont des mélanges de combustibles liquides hydrocarbonés tels que le fioul, l'essence et les huiles de haut poids moléculaire moyen.

De plus, les produits de réaction du catalyseur de reformage sont refoulés à une température très supérieure en raison de la réaction exothermique utilisant un catalyseur CPDX. La chaleur supplémentaire produite pendant la réaction permet de réaliser une intégration thermique de la totalité du système de reformage en chauffant (et de préférence en vaporisant et/ou craquant) les constituants hydrocarbonés de poids moléculaire élevé dans les courants séparés d'alimentation en liquides « perdus » ou « résiduaires » et/ou en gaz. La réaction de reformage catalytique aboutit également à un fort enrichissement en hydrogène de l'alimentation du dispositif de combustion une fois que les produits de reformage sont combinés avec la source de combustible principal. Dans des exemples de formes de réalisation de l'invention, environ 80 à 90% du combustible fourni au dispositif de combustion sont constitués par une source de combustible principal, ordinairement un mélange de combustible gazeux et d'air. Les 10 à 20% restants sont constitués par trois courants de combustibles supplémentaires participant directement au reformage, à savoir un premier courant de combustible reformé traité avec le catalyseur (produisant de l'hydrogène libre et des composés aliphatiques à chaînes de poids moléculaire le plus bas), et deux courants de combustibles auxiliaires qui comprennent un ou plusieurs constituants de combustibles liquides "résiduaires", dont éventuellement des huiles lourdes. Les deux courants de combustibles auxiliaires subissent des transformations physiques et chimiques (dont un certain craquage thermique des constituants les plus lourds) tout en servant d'agent de refroidissement pour le reformat. En effet, la chaleur exothermique produite pendant le reformage sert à vaporiser et/ou craquer thermiquement les constituants les plus lourds des combustibles gazeux et liquides des deux courants. Le second courant de combustible auxiliaire peut même servir d'agent de refroidissement optionnel pour les produits de réaction à haute température quittant le reformeur. Les trois courants de combustibles (le combustible principal reformé et les premier et second courants de combustibles auxiliaires) se réunissent pour former un apport final pour le dispositif de combustion, qui est nettement plus riche en hydrogène et en composés aliphatiques de bas poids moléculaire.

La présente invention propose ainsi un modèle perfectionné de reformeur de gaz et un procédé correspondant pour refroidir, c'est-à-dire intégrer thermiquement, le courant de produits de réaction produit par le reformeur. A la différence des systèmes selon la technique antérieure, le reformeur refroidi utilise une partie d'un courant de combustible moins intéressant pour refroidir le réacteur, y compris la cuve sous pression contenant le reformeur. Ainsi, des parties du courant sont dirigées au-dessus, autour et au voisinage immédiat du réacteur pour refroidir les organes du réacteur, en évitant de ce fait un endommagement du reformeur de combustible et de tubes en aval par suite d'une surchauffe. Par conséquent, un avantage de l'invention concerne l'utilisation de combustibles supplémentaires du type « perdu » ou "résiduaire" pour refroidir à un niveau acceptable le reformat chauffé produit par le réacteur de façon que le mélange résultant de la combinaison du combustible et du reformat puisse être acheminé vers l'aval dans des tubes en matière moins coûteuse, résistant à des températures plus basses. De plus, à la sortie du dispositif de combustion, les quantités accrues d'hydrogène améliorent la stabilité de la flamme pendant le fonctionnement à faibles émissions de NO,,, ce qui permet de réduire les émissions et d'augmenter la limite de fonctionnement sous faible charge. Le modèle de reformeur de combustible en ligne permet également de surveiller et de réguler avec précision la réactivité du combustible, ce qui aboutit à une plus grande souplesse et une plus grande efficacité du combustible. Dans une forme de réalisation optionnelle, de la vapeur (saturée ou surchauffée, selon la composition de l'apport de combustibles dans le reformeur) est directement introduite dans le reformeur pour faciliter la réaction catalytique. De la vapeur peut également être incluse comme apport séparé dans le réacteur en aval du reformeur afin d'assurer une meilleure régulation de température du reformat. Dans une autre forme de réalisation, un courant de diluant tels que de l'azote ou du dioxyde de carbone est dirigé jusque dans ou autour du reformeur pour un refroidissement supplémentaire du réacteur et du courant de reformat.

Considérant les figures, la figure 1 est un schéma de principe d'un exemple de moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre le procédé et le dispositif de reformage selon l'invention. Le moteur 10 à turbine à gaz comporte un compresseur 12, une pluralité de dispositifs de combustion formant un dispositif de combustion 11 et une turbine à gaz 16. Le compresseur 12 et la turbine à gaz 16 sont accouplés l'un avec l'autre par un arbre rotatif 15 (qui peut être constitué par un arbre d'un seul tenant ou par une pluralité de segments d'arbre). Pendant la marche, le compresseur 12 fournit de l'air comprimé au dispositif de combustion 11 tandis qu'une source 13 de combustible principal fournit le courant de combustible primaire au dispositif de combustion 11. L'air et le combustible sont mélangés et brûlés, les gaz de combustion chauds passant directement du dispositif de combustion 11 à la turbine à gaz 16 dans laquelle de l'énergie est extraite des gaz de combustion afin de produire un travail. Selon une première forme de réalisation de l'invention, le reformeur (représenté en 14 par des traits discontinus) est placé en amont du dispositif de combustion 11. Comme indiqué, un objectif principal du reformeur consiste à créer un courant d'apport riche en hydrogène destiné au dispositif de combustion (ce qui améliore la qualité et le rendement globaux de l'apport combiné de combustibles dans le dispositif de combustion et réduit les émissions indésirables), tout en employant l'intégration thermique pour traiter un second courant de combustible auxiliaire. La figure 2 est un schéma de principe illustrant les étapes de base du processus utilisé dans des systèmes selon la technique antérieure qui reposent sur un apport de combustible prémélangé dans le dispositif de combustion, mais sans intégration thermique ni modification des constituants de base du combustible. Ordinairement, un combustible liquide 20 est fourni à un ou plusieurs dispositifs d'échange de chaleur, comme illustré en 22. La température du combustible liquide est ensuite accrue à l'aide d'un agent chauffant 23, de préférence aboutissant à un courant de combustible vaporisé qui est combiné avec un courant 24 de gaz porteur inerte. Un combustible gazeux supplémentaire pauvre, en prémélange, prévaporisé 25 est ajouté au mélange déjà vaporisé et le mélange de combustibles combinés qui en résulte est introduit dans un dispositif de combustion classique 26, ce qui donne une combustion et des sous-produits de combustion 27 relativement "propres". Le processus selon la technique antérieure selon la figure 2, en particulier l'utilisation d'un apport de gaz pauvre, prévaporisé, prémélangé ("LPP"), ne comporte pas deux aspects importants de l'invention, à savoir (1) la conversion des constituants les plus lourds du combustible gazeux en hydrogène libre, et (2) l'utilisation de la chaleur exothermique produite pendant la réaction pour prétraiter les constituants des combustibles liquides supplémentaires, dont des combustibles qualifiés de « perdus » ou "résiduaires" ayant des valeurs calorifiques plus basses. En revanche, une grande quantité de chaleur supplémentaire provenant d'une source extérieure doit être ajoutée afin de vaporiser les constituants liquides dans les systèmes selon la figure 1. La technique antérieure illustrée sur la figure nécessite également d'ordinaire l'utilisation d'un gaz inerte comme fluide porteur séparé, une fonction assurée par l'invention à l'aide de l'alimentation elle-même du reformeur. La figure 3 est un schéma de principe illustrant les principales étapes du processus et les principaux équipements pour un exemple de processus (indiqué de façon globale en 30) pour le reformage d'un apport de combustibles multiples en prémélange dans un dispositif de combustion d'un moteur ) turbine à gaz selon une première forme de réalisation de l'invention. Le reformeur 31 (qui, de préférence, est à même de traiter un gaz, un liquide ou une combinaison d'apports de combustibles liquides et gazeux) est disposé en amont de la section de combustion désigné par le repère 58, c'est-à-dire en amont d'un distributeur (non représenté) de combustible afin de reformer au moins une partie du combustible principal du dispositif de combustion pour produire un reformat riche en hydrogène.

Comme illustré par la figure 3, le combustible fourni au reformeur 31 est éventuellement composé d'un ou de plusieurs hydrocarbures gazeux 33, seuls ou en combinaison avec un apport optionnel 34 de combustible liquide, c'est-à-dire un combustible liquide composé nominalement de constituants de combustible à haut poids moléculaire moyen. L'apport alimentant le reformeur contient également un apport optionnel de vapeur 35, de nature saturée ou surchauffée, selon les constituants chimiques présents dans la source de combustibles auxiliaires reformée. L'utilisation de vapeur dans certains cas contribue à modifier le gaz de synthèse produit et à ajuster le rapport hydrogène/monoxyde de carbone produit par le reformeur. Le combustible primaire fourni au reformeur contient également de l'air ambiant 37 (servant de fluide porteur) ainsi qu'un second apport optionnel de vapeur 38 (là encore saturée ou surchauffée) qui sert à favoriser la réaction de reformage de certains constituants du combustible envoyés au coeur du reformeur. Les deux courants d'apports mélangés sont représentés sur la figure 3, sous la forme d'apports combinés 32 et 36 pour le reformeur. L'apport de combustibles 55 constituant un produit final du reformat très chaud, résultant de la réaction catalytique exothermique au coeur du reformeur contient de grandes quantités d'hydrogène libre. Le contenu calorifique supplémentaire de l'apport consolidé de combustibles 55 constitué par le produit final peut servir à traiter un courant séparé de combustible auxiliaire, comme décrit plus en détail ci-après. La figure 3 illustre l'utilisation d'un premier courant 40 de gaz auxiliaires constitué par un combustible gazeux 41 ainsi qu'un courant de diluant 42 (par exemple, de l'azote ou de l'eau) et un apport de combustible liquide 43, ordinairement constitué d'hydrocarbures de poids moléculaire le plus haut en comparaison des courants 32 et 36 d'apports primaires pour le reformeur. Ce premier courant 40 de combustibles auxiliaires subit une étape de traitement thermique à l'aide de la chaleur exothermique de réaction produite au coeur du reformeur. Nominalement, la chaleur supplémentaire produite pendant la réaction, suffira pour vaporiser l'apport liquide 43. La chaleur supplémentaire produite par la réaction peut ainsi servir à chauffer (et potentiellement craquer) des parties du premier courant 40 de combustibles auxiliaires en différents endroits sur le pourtour du coeur 31 du reformeur.

La figure 3 illustre également l'utilisation d'un second courant optionnel 50 de combustible auxiliaire constitué par un combustible hydrocarboné liquide supplémentaire 51 et éventuellement des huiles plus lourdes 52 qui viennent faire partie de l'apport final alimentant le dispositif de combustion. Un second courant 50 de combustible auxiliaire utilise de même une partie de la chaleur exothermique produite dans le coeur du reformeur du fait de la réaction catalytique. De préférence, la chaleur exothermique résultant de la réaction dans le reformeur suffira pour vaporiser les deux apports liquides 50 et 40 qui sont ensuite combinés sous la forme d'un apport consolidé de produit final combustible 55.

Le second courant 50 de combustible auxiliaire, sur la figure 3, refroidit le côté enveloppe du reformeur, en réduisant la température du reformat tout en vaporisant les constituants du combustible liquide. Ce qui est important, c'est qu'une partie de l'apport issu des premier et second combustibles auxiliaires peut être par nature de "qualité inférieure", contenant même, par exemple, des constituants du type haut fourneau à valeur calorifique relativement basse. Ces combustibles plus difficiles à brûler trouvent néanmoins leur utilité comme constituants de combustibles lorsqu'ils sont vaporisés et combinés avec l'hydrogène libre résultant du processus de reformage. Dans la forme de réalisation de la figure 3, l'apport initial reformé (maintenant enrichi avec de l'hydrogène supplémentaire), ainsi que les premier et second courants 40 et 50 de combustibles auxiliaires, sont combinés pour former un apport consolidé de combustible pour le dispositif de combustion. L'apport 55 de combustibles vaporisés, combinés et reformés subit des opérations classiques 56 de purification du combustible afin d'éliminer les éventuelles huiles combustibles lourdes résiduelles indésirables.

L'apport final de combustible 57 enrichi en hydrocarbures et en hydrogène est ensuite fourni au dispositif de combustion 58, ce qui produit des émissions de gaz usés (oxydés) 59. La figure 4 est une vue latérale en coupe d'un exemple de reformeur selon l'invention (désigné globalement par le repère 60), servant à produire, pour un dispositif de combustion, un courant d'apport ou d'alimentation d'hydrocarbures reformés riche en hydrogène et, en même temps, intégrer thermiquement la chaleur produite par le reformage. Comme indiqué plus haut, le premier apport 61 de combustibles fourni au reformeur peut comprendre un mélange de gaz combustibles (tels que le gaz naturel), ainsi qu'un ou plusieurs constituants optionnels de combustible liquide ou courants de gaz inerte. L'apport gazeux fourni au reformeur contient de l'air, du monoxyde de carbone et éventuellement de la vapeur (de préférence surchauffée) qui participent à la réaction catalytique (par exemple en utilisant le processus CPDX) afin de produire de l'hydrogène libre et de grandes quantités de chaleur en raison de la nature exothermique de la réaction. De l'azote et d'autres diluants peuvent être utilisés pour maîtriser les vitesses de réaction pendant les modes de fonctionnement transitoires ou autres modes instables.

La totalité de l'apport non reformé fourni au coeur du reformeur sort ensuite du coeur 62 du reformeur à travers le lit catalytique, comme représenté, et, par l'ouverture 82 de refoulement du reformeur, débouche dans les équipements en aval raccordés au reformeur par l'intermédiaire d'une bride de montage 80.

En fonctionnement, l'apport 61 alimentant le reformeur entre sous haute pression dans le coeur 62 du reformeur, puis dans et à travers une pluralité d'ouvertures radiales équidistantes dans le lit catalytique 85, lesquelles, dans la forme de réalisation illustrée, sont espacées de manière linéaire en entourant le coeur 62 du reformeur. Le coeur 62 du reformeur, la pluralité d'ouvertures 63 et 64 d'injection de combustible et le lit catalytique 65 définissent conjointement un ensemble de coeur de reformeur. Le nombre et l'espacement des ouvertures 63 et 64 d'injection de combustible dans le lit catalytique 65 peuvent varier, selon le type de catalyseur employé, ainsi que les caractéristiques d'écoulement et la composition de l'apport alimentant le reformeur. Par exemple, une série d'ouvertures à espacement linéaire à différents emplacements radiaux autour de l'axe du noyau du reformeur pourraient être utilisées afin d'assurer que le flux entrant dans le lit catalytique et traversant celui-ci reste uniforme et présente une chute de pression acceptable pendant la traversée du lit catalytique. Les produits reformés de la réaction catalytique (dont de grandes quantités d'hydrogène libre) ainsi obtenus sortent du lit catalytique 65 entourant le coeur du reformeur et pénètrent dans le canal 77 de reformat puis rejoignent une zone de regroupement de produits reformés, définissant un canal de sortie 66 juste en aval du noyau du reformeur. Le combustible reformé combiné, contenant de l'hydrogène et un combustible vaporisé, ainsi qu'un second courant 79 de combustibles (décrit plus loin) ayant subi un traitement thermique, se combinent comme illustré par les flèches de direction d'écoulement de la figure 4 afin de créer un mélange combiné de combustibles reformés vaporisés entrant dans le canal 81 de reformat puis dans un canal élargi défini par une gorge évasée 67.

Le courant combiné de combustibles à la sortie du reformeur 82 rejoint directement l'apport principal alimentant le dispositif de combustion via la bride de montage 80. Comme décrit plus haut à propos de la figure 3, ce flux combiné peut subir un second échange de chaleur pour encore refroidir l'apport de gaz combinés avant d'atteindre le dispositif de combustion. La figure 4 représente également un exemple d'une pluralité de postes d'atomisation, illustrés par des atomiseurs sous pression 69 et 70, qui atomisent (vaporisent) un premier apport 68 de combustibles auxiliaires de turbine à gaz alimentant le système.

Comme indiqué plus haut, le courant atomisé qui en résulte, désigné par le repère 71, utilise la chaleur exothermique produite pendant le reformage catalytique dans le coeur du reformeur pour vaporiser des constituants liquides de l'apport pulvérisé et soumettre à un craquage thermique au moins une partie des constituants hydrocarbonés de haut poids moléculaire présents dans le courant atomisé. Le processus d'atomisation contribue également à empêcher la formation de dépôts de métaux lourds et l'encrassement dû aux hautes températures du combustible dans ou à proximité du reformeur. Les constituants des combustibles auxiliaires fournis aux atomiseurs représentés sur la figure 4 peuvent comprendre divers combustibles gazeux, des diluants (ou de l'eau) et des combustibles hydrocarbonés liquides. Dans certaines conditions, les constituants 58 des combustibles auxiliaires peuvent être légèrement refroidis et leur pression peut être accrue avant leur atomisation par les atomiseurs sous pression 69 et 70. Dans la forme de réalisation de la figure 4, le refroidissement peut être effectué à l'aide d'une chemise d'eau représentée, avec une entrée 73 et une sortie 74 d'eau de refroidissement. Si nécessaire, des gaz porteurs supplémentaires (tels que de l'azote) peuvent également être utilisés pour faciliter le transport du courant atomisé depuis le tube de transport 72 de combustibles auxiliaires jusque dans le mélange de combustible principal reformé (le gaz porteur est désigné par le repère 75 et la pluralité d'orifices d'entrée de gaz porteur au voisinage immédiat des atomiseurs et plus loin en aval sont indiqués par le repère 78). La figure 4 montre également comment, le CH4, le combustible et l'air ambiant sont fournis simultanément au reformeur et pénètrent d'une manière radiale dans et à travers le lit catalytique 65. La chaleur produite par la réaction catalytique exothermique dans le reformeur amène les parois du tube de transport 72 de combustibles auxiliaires (ainsi que la totalité de l'espace annulaire défini par le tube de transport de combustibles) à devenir très chaudes, ce qui permet à la chaleur conductrice et rayonnante produite par la réaction, de vaporiser et/ou de craquer thermiquement au moins certains constituants hydrocarbonés de haut poids moléculaire dans le courant liquide à atomiser. Le courant vaporisé/craqué ainsi que les produits reformés d'origine (dont l'hydrogène) sont ensuite combinés, dans la partie aval du reformeur, dans le canal 81 de reformat.

Selon une autre possibilité, une petite quantité de combustible liquide peut être injectée directement dans le courant chaud du reformeur (plutôt que dans le tube de transport de combustibles auxiliaires). Les deux procédés d'injection peuvent être employés avec l'invention, selon le type et les propriétés physiques du combustible liquide. Il a été également constaté que, normalement, un reformage "résiduel" et un craquage thermique supplémentaires se produisent en aval du lit catalytique 65 dans le canal de reformat lui-même du fait du courant de reformat riche en hydrogène désormais à une température plus élevée.

Comme indiqué plus haut en référence à la figure 3, le dispositif et le procédé de reformage de la figure 4 comprennent un apport optionnel séparé de vapeur (saturée ou surchauffée, en fonction des constituants subissant un reformage) fourni au reformeur. La quantité et les caractéristiques thermiques de l'apport de vapeur dépendent partiellement des constituants chimiques de la source de combustibles auxiliaires à reformer. La vapeur contribue également à réguler la réaction de reformage avec au moins une certaine oxydation partielle de certains composés hydrocarbonés du courant de combustibles.

Comme la réaction catalytique CPDX de base qui a lieu dans le reformeur est de nature fortement exothermique, la chaleur de réaction doit être maîtrisée afin d'éviter un endommagement du catalyseur et d'assurer que, avec le temps, la réaction aboutit à une production maximale d'hydrogène libre. Un certain nombre de catalyseurs acceptables sont connus pour réaliser la réaction de CPDX voulue et comprennent ordinairement les métaux antérieurs tels que le platine ou le rhodium ou d'autres métaux nobles placés sur une structure de support adéquate pour faciliter leur utilisation dans une chambre de réaction catalytique confinée disposée entre les courants d'entrée et de sortie. Le catalyseur spécifique choisi pour l'opération de reformage (dont divers catalyseurs de CPDX) dépendra en partie des conditions exactes de fonctionnement en amont du dispositif de combustion, de la composition des apports, etc.

Dans le dispositif et le processus de la figure 4, les apports fournis au reformeur sont nominalement constitués de constituants gazeux ou d'une combinaison de constituants gazeux et liquides, dont le gaz naturel, le méthane, le naphta, le butane, le propane, le diesel, le kérosène, le carburant aviation, du carburant dérivé du charbon, du biocarburant, des charges d'hydrocarbures oxygénés et des mélanges de ceux-ci. Les constituants gazeux préférés contiennent moins "d'impuretés" (par exemple, des composés non hydrocarbonés) que les combustibles liquides qui contiennent souvent des composés soufrés ou d'autres composés minéraux qui ont tendance à inhiber la réaction de reformage catalytique. L'invention peut être utilisée dans des installations à "double combustible", à savoir avec des apports liquides et gazeux. Le gaz à reformer peut également avoir une composition très variable, de très "pure" (composition semblable au gaz naturel et à l'hydrogène libre) à "sale" avec des hydrocarbures à chaînes plus longues. De préférence, le gaz aura une concentration d'hydrogène relativement faible, car la présence d'hydrogène libre tend à réduire le rendement global de l'opération de reformage, c'est-à-dire que la réaction de reformage elle-même produit de l'hydrogène libre comme produit principal. On a constaté que la proportion d'apport d'huiles lourdes dans le système en comparaison du mélange de CH4 combustible et d'air à "reformer" doit être d'environ 10 à 20% en poids. De plus, le reformeur de combustible et le combustible principal destiné au dispositif de combustion peuvent comprendre les mêmes constituants de combustibles ou des constituants différents, ce qui permet au système de fonctionner en mode de cocombustion. La figure 5 est une vue latérale en coupe, prise en perspective, du reformeur illustré sur la figure 4. Pour faciliter la consultation de la figure, les mêmes repères que ceux indiqués plus haut en référence à la figure 4 sont utilisés pour la vue en perspective de la figure 5. Les figures 6 à 9 représentent d'autres formes de réalisation possibles de la présente invention, mais dans ce cas le combustible auxiliaire est injecté directement dans le reformat (à un emplacement situé au voisinage immédiat du lit catalytique à CPDX ou en aval du canal principal de reformat) au lieu d'un système qui combine le combustible de turbine à gaz avec un apport de gaz porteur séparé, de la manière décrite plus haut en référence aux figures 3, 4 et 5. La figure 6 représente également le combustible injecté axialement dans le lit catalytique, puis traversant le lit et sortant dans la direction axiale sous la forme d'un courant de reformat chaud. Pour faciliter la consultation des figures et la comparaison avec la figure 4, les éléments identiques dans la forme de réalisation de la figure 6 ont été désignés par les mêmes repères que ceux utilisés sur la figure 4. Comme dans la réalisation de la figure 4, le premier apport de combustible non reformé fourni au reformeur, indiqué globalement par le repère 61 sur la figure 6, comporte ordinairement un mélange de gaz combustibles (tels que du gaz naturel), ainsi qu'un ou plusieurs constituants de combustibles liquides. L'apport 61 de combustibles non reformés peut également comprendre de l'air, du monoxyde de carbone et éventuellement de la vapeur (de préférence surchauffée) qui participent à la réaction catalytique (par exemple, à l'aide du processus CPDX) afin de produire de l'hydrogène libre et de grandes quantités de chaleur du fait de la nature exothermique de la réaction catalytique. Comme illustré par la figure 6, l'apport non reformé entre directement dans le lit catalytique 90 et traverse celui-ci suivant un mode d'écoulement axial (à la différence de l'apport à écoulement radial représenté sur la figure 4) et, ainsi, entre directement dans le lit catalytique et traverse directement celui-ci. Le reformat qui en résulte entre dans la zone de regroupement 91 de produits reformés et dans le canal de reformat principal 81.

En fonctionnement, l'apport 61 de combustibles non reformés entre, sous pression, directement dans et traverse directement la pluralité d'ouvertures équidistantes d'injection de combustible présentes dans la chambre catalytique 90 alignées axialement autour du coeur du reformeur. Comme dans la forme de réalisation de la figure 4, le nombre et l'espacement des ouvertures d'injection de combustible peuvent varier dans le lit catalytique, en fonction du type de catalyseurs CPDX employé et des caractéristiques d'écoulement et de la composition de l'apport fourni au reformeur. Les produits reformés résultant de la réaction catalytique (dont l'hydrogène libre) sortent du lit catalytique 90 pour entrer dans la zone de regroupement 91 de produits reformés et finalement dans le canal de reformat principal 81. La figure 6 illustre également l'utilisation d'une pluralité de postes d'atomisation, constitués par les atomiseurs 92 sous pression, qui atomisent (vaporisent) un second apport de combustibles 68 qui est directement introduit dans la zone de regroupement 91 de produits reformés par l'intermédiaire des atomiseurs 92. Comme indiqué plus haut, le courant atomisé obtenu utilise la chaleur exothermique produite pendant le reformage catalytique pour vaporiser des constituants liquides présents dans le jet et craquer thermiquement au moins une partie des constituants hydrocarbonés de poids moléculaire le plus élevé présents dans le courant atomisé. Le second apport 68 de combustibles de turbine à gaz fourni aux atomiseurs peut comprendre divers combustibles gazeux, des diluants (voire de l'eau) ainsi que des combustibles hydrocarbonés liquides. Les produits reformés de la réaction catalytique, contenant de l'hydrogène et du combustible vaporisé, se combinent ensuite comme représenté avec du combustible atomisé dans la zone de regroupement 91 afin de créer un mélange de combustibles reformés vaporisés combinés, qui sort du reformeur, en 82, pour entrer directement dans le flux d'alimentation ou d'apport principal destiné au dispositif de combustion via la bride de montage 80. Comme dans la forme de réalisation de la figure 4, le second apport de combustibles 68 peut avoir à être légèrement refroidi et sa pression peut avoir à être accrue avant son atomisation par les atomiseurs 92 sous pression. Le refroidissement s'effectue à l'aide de la chemise d'eau de la manière représentée, avec une entrée 73 et une sortie 74 d'eau de refroidissement.

Bien que la forme de réalisation illustrée sur la figure 6 envisage d'envoyer le combustible auxiliaire directement dans le reformeur sans apports supplémentaires, la figure 6 illustre également (sous la forme d'un trait discontinu) l'utilisation potentielle d'au moins une certaine quantité de gaz porteur supplémentaire (tel que de l'azote, du COz, de la vapeur, des gaz d'échappement recyclés appauvris en oxygène ou un combustible gazeux supplémentaire) afin de faciliter le transport du courant atomisé depuis l'atomiseur 92 sous pression jusque dans le mélange principal de combustibles reformés à travers le petit espace annulaire 93 entre chaque buse d'atomisation et le canal de reformat ou par l'intermédiaire du gaz porteur optionnel 75 et des orifices correspondants 78 d'entrée de gaz porteur (représentés sous la forme de traits discontinus). Le gaz porteur peut également entrer par de petits espaces annulaires 93.

La figure 7 représente une vue latérale en coupe d'une autre forme de réalisation possible de l'invention, utilisant là encore une injection directe de combustibles dans et à travers un lit catalytique 90 à alignement axial, au moyen d'un ou de plusieurs injecteurs et atomiseurs de combustibles. A la différence de la forme de réalisation illustrée sur la figure 6, l'injection du combustible se produit plus loin en aval du lit catalytique à CPDX et directement dans le courant de reformat chaud. Là encore, pour faciliter la consultation, les éléments identiques dans la forme de réalisation illustrés sur la figure 7 ont été désignés avec les mêmes repères que ceux utilisés sur la figure 6. De plus, comme dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 6, l'apport principal 61 de combustibles non reformés dans le reformeur entre directement dans le lit catalytique 90 et traverse directement celui-ci suivant un mode d'écoulement axial (plutôt que radial) et sort du lit catalytique pour entrer dans la zone de regroupement 91 de produits reformés. Les produits reformés descendent ensuite par le canal principal 81 de reformat et sortent par la sortie 82 du reformeur, reliés aux éléments du dispositif de combustion en aval par l'intermédiaire de la bride de montage 80.

En fonctionnement, l'apport fourni au reformeur sous haute pression entre dans le coeur du reformeur et traverse directement celui-ci pour atteindre la pluralité d'ouvertures de la chambre catalytique 90, représentées sous la forme d'ouvertures équidistantes à alignement axial autour du noyau du reformeur.

La forme de réalisation illustrée sur la figure 7 comprend elle aussi une pluralité d'atomiseurs de combustible liquide, représentés par des atomiseurs 100 sous pression qui servent à vaporiser le combustible restant 68 de la turbine à gaz. Le combustible vaporisé rejoint directement la zone de regroupement 91 de produits reformés, comme représenté. Comme indiqué plus haut, la chaleur exothermique produite pendant le reformage catalytique vaporise les constituants liquides présents dans le courant atomisé 105 et réalise un craquage thermique d'au moins une partie des constituants hydrocarbonés de poids moléculaire le plus élevé présents dans le courant atomisé. De plus, comme dans le cas d'autres formes de réalisation expliquées plus haut, le reformat présent dans la zone de regroupement 91 de produits reformés sert de fluide porteur ayant une valeur calorifique suffisante pour vaporiser les éventuels constituants résiduels de combustible liquide faisant partie d'un apport combiné fourni au moteur à turbine à gaz. Le combustible reformé combiné contenant de l'hydrogène, le combustible vaporisé supplémentaire et l'éventuel combustible atomisé restant se combinent ensuite pour former le mélange de combustibles sortant du reformeur pour rejoindre directement l'apport principal fourni au dispositif de combustion. Comme dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 6, le combustible supplémentaire (auxiliaire) 68 de la turbine à gaz peut nécessiter un refroidissement et une augmentation de pression avant d'être atomisé par les atomiseurs sous pression 100. Là encore, le refroidissement peut s'effectuer à l'aide d'une chemise d'eau 102 présentée, avec une entrée 73 et une sortie 74 d'eau de refroidissement. Comme dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 6, la figure 7 envisage également la possibilité de fournir directement le reste de combustible 68 de turbine à gaz au reformeur sans nécessiter un apport supplémentaire de gaz. Cependant, la figure 7 illustre également (sous la forme de traits discontinus) l'utilisation optionnelle d'un gaz porteur supplémentaire 75 pour faciliter le transport du courant atomisé jusque dans le mélange principal de combustibles reformés à travers le petit espace annulaire entre chaque injecteur et le canal principal 81 de reformat ou par l'intermédiaire d'orifices optionnels d'entrée de gaz porteur (représentés eux aussi sous la forme de traits discontinus) au niveau du repère 78.

Dans encore une autre forme de réalisation possible, la figure 8 est une vue latérale en coupe illustrant l'utilisation de l'injection directe de combustible dans et à travers un lit catalytique 90 à écoulement axial, l'injection par un ou plusieurs injecteurs 95 de combustibles auxiliaires s'effectuant à proximité immédiate du lit catalytique 90. Pour faciliter la consultation de la figure, les éléments identiques dans la forme de réalisation illustrée par la figure 8 ont été désignés par les mêmes repères que ceux utilisés sur les figures 6 et 7. La forme de réalisation illustrée sur la figure 8 diffère de la figure 7 par un aspect essentiel, à savoir l'emplacement des injecteurs pour le combustible supplémentaire 70 de turbine à gaz, qui est injecté dans la zone de regroupement 91 de produits reformés, c'est-à-dire au voisinage immédiat du lit catalytique 90, dans le petit espace annulaire entre le lit et la paroi du reformeur. La figure 8 illustre également (sous la forme de traits discontinus) l'utilisation éventuelle, si nécessaire, du gaz porteur 75 pour faciliter le transport du courant atomisé jusque dans le mélange principal de combustibles reformés, via les orifices optionnels d'entrée 78 de gaz porteur. Enfin, la figure 9 est une vue latérale en coupe représentant encore une autre forme possible de réalisation de l'invention, utilisant cette fois une injection directe de combustible à l'aide d'un agencement de lit catalytique à écoulement radial semblable à celui illustré sur la figure 4, l'injection dans le courant de reformat chaud s'effectuant à la sortie ou près de la sortie du lit catalytique 90. La forme de réalisation illustrée sur la figure 9 diffère des formes de réalisation illustrées sur les figures 6, 7 et 8 en ce qu'elle utilise des apports radiaux et non axiaux, de combustibles dans et à travers le lit catalytique 90, là encore avec injection directe du reste du combustible 68 de turbine à gaz par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs injecteurs 92 de combustible. Toutes les figures ci-dessus illustrent le fait que l'utilisation d'un reformeur de combustible selon l'invention, associée à un fonctionnement classique au gaz naturel, provoquent une nette amélioration de la qualité finale du combustible utilisé dans le dispositif de combustion tout en réussissant encore à réduire les émissions de NOX et d'autres sous-produits de combustion indésirables. Le nouveau procédé et le nouveau modèle de reformeur ont également pour effet une intégration thermique du fait de l'amélioration du rendement thermique en produisant davantage d'énergie pour vaporiser et/ou faire subir un craquage thermique aux constituants des combustibles à l'aide des dispositifs d'échange de chaleur décrits plus haut.

Liste des repères 12 Compresseur 11 Dispositif de combustion 16 Turbine à gaz 15 Arbre rotatif 13 Source principale de combustible 14 Reformeur 20 Combustible liquide 22 Dispositifs d'échange de chaleur 23 Agent de chauffage 24 Courant de gaz porteur inerte 25 Gaz combustible pauvre en prémélange, prévaporisé 26 Dispositif de combustion 27 Sous-produits de combustion 30 Principales étapes et principaux équipements du processus 31 Reformeur 33 Gaz hydrocarbonés 34 Apport de combustible liquide 35 Apport de vapeur 37 Air ambiant 38 Apport de vapeur 32 36 Courants d'apports 54 Produit final 53 Echangeur de chaleur 40 Courant auxiliaire de gaz 41 Combustible gazeux 42 Courant de diluant 43 Apport de combustible liquide 44 Poste d'échange de chaleur 45 Courant auxiliaire chauffé 50 Second courant auxiliaire de gaz 51 Combustible hydrocarboné liquide supplémentaire 52 Huiles lourdes 53 Poste d'échange de chaleur 54 Produit du reformeur 40, 50 Premier et second courants auxiliaires de combustibles 55 Apport de combustible final 56 Opération de purification du combustible 57 Apport de combustible enrichi en hydrogène 58 Dispositif de combustion 59 Emissions gazeuses 60 Reformeur 61 Apport fourni au reformeur 81 Canal de reformat 62 Coeur du reformeur 65 Lit catalytique 63, 64 Ouvertures d'injection de combustible 77 Canal annulaire de reformat 66 Zone de regroupement de produits reformés 79 Premier courant auxiliaire de combustible 81 Canal de reformat 67 Gorge évasée 82 Reformeur 80 Bride de montage 69, 70 Atomiseurs sous pression 71 Courant atomisé en 71 73 Entrée d'eau de refroidissement 74 Sortie d'eau de refroidissement 72 Tuyau de transport de combustible auxiliaire 75 Gaz porteur 78 Orifices d'entrée de gaz porteur

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz, conçu pour traiter un mélange de combustibles destiné à un dispositif de combustion (58) d'un moteur à turbine à gaz, comportant : un logement de reformeur ; un coeur (62) de reformeur disposé à l'intérieur dudit logement de reformeur, contenant un catalyseur (65) et une pluralité de passages d'écoulement (63, 64) ; un canal d'entrée servant à acheminer un mélange de combustibles destiné au reformeur et un courant contenant de l'oxygène jusque dans ledit noyau (62) de reformeur ; un canal de sortie (66) pour un courant de reformat (55) contenant des hydrocarbures reformés et de l'hydrogène libre issus dudit coeur (62) de reformeur ; un apport de combustible (61) de turbine à gaz dans ledit logement du reformeur ; et des moyens d'échange de chaleur (72, 77) dimensionnés pour chauffer et faire subir un craquage thermique audit apport de combustible de turbine à gaz à l'aide de la chaleur produite par la réaction exothermique dudit mélange de combustibles destiné au reformeur avec ledit catalyseur (65).
2. 2. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel ledit mélange de combustibles comprend un combustible gazeux (41) et/ou un combustible hydrocarboné liquide (43) et/ou un courant de diluants (42) et/ou du dioxyde de carbone et/ou de l'azote.
3. 3. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 1, comportant en outre un apport de combustible supplémentaire (50) de turbine à gaz en aval dudit reformeur (60) et en amont dudit dispositif de combustion (58).
4. 4. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 1, comportant en outre un apport de vapeur (35, 38) dans ledit noyau (62) de reformeur.
5. 5. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 3, dans lequel ledit apport de combustibles supplémentaires (40, 50) de turbine à gaz comprend un combustible gazeux (41) et/ou un combustible hydrocarboné liquide (43, 51) et/ou un courant de diluant (42) et/ou du dioxyde de carbone et/ou de l'azote et/ou de l'eau.
6. 6. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel ledit catalyseur (65) est apte à reformer ledit mélange (61) de combustibles destiné au reformeur par l'intermédiaire de ladite réaction exothermique afin de produire de l'hydrogène libre.
7. 7. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 2, dans lequel ledit second apport (50) de combustibles auxiliaires de turbine à gaz comprend un combustible liquide (51) et des huiles hydrocarbonées (52) de haut poids moléculaire.
8. 8. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 1, comportant en outre une pluralité d'atomiseurs sous pression (69, 70) conçus pour atomiser ledit apport (40) de combustibles supplémentaires de turbine à gaz en amont desdits moyens d'échange de chaleur (72, 77).
9. 9. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 8, comportant en outre un poste secondaire de refroidissement (73, 74) conçu pour refroidir ledit apport de combustibles supplémentaires de turbine à gaz en amont desdits atomiseurs sous pression (69, 70).
10. 10. Reformeur (60) pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 1, dans lequel ledit courant de reformat (55) sert de fluide porteur à valeur calorifique suffisante pour vaporiser des constituants résiduels de combustibles liquides faisant partie d'un apport combiné fourni audit moteur (16) à turbine à gaz.
11. 11. Système (30) pour moteur à turbine à gaz utilisant un combustible enrichi en hydrogène et reformé, comportant : un compresseur (12) ; un ou plusieurs dispositifs de combustion (11) accouplés avec un arbre rotatif (15) et conçus pour acheminer des gaz chauds jusqu'audit moteur (16) à turbine à gaz ; une source principale de combustible pour les dispositifs de combustion (11) ; un reformeur (14) en amont des dispositifs de combustion (11), dimensionné pour recevoir une source de combustibles et comprenant un coeur (62) de reformeur disposé à l'intérieur d'un logement et contenant une composition catalytique (65) ; un canal d'entrée servant à acheminer un mélange (61) de combustibles destiné au reformeur et un courant contenant de l'oxygène jusque dans ledit coeur (62) du reformeur ; un canal de sortie (66) pour transporter un courant de reformat (55) contenant des hydrocarbures reformés et de l'hydrogène libre issus dudit coeur (62) de reformeur ; un apport de combustible (61) de turbine à gaz envoyé dans ledit logement du reformeur ; et un dispositif d'échange de chaleur (72, 77) dimensionné de façon à transférer dans ledit apport de combustible (61) de turbine à gaz la chaleur produite par ladite composition catalytique (65).
12. 12. Système pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 11, dans lequel ledit reformeur (14) reçoit en outre un ou plusieurs apports supplémentaires de combustibles (40, 50) de turbine à gaz en amont dudit dispositif de combustion (11).
13. 13. Système pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 11, dans lequel ledit reformeur (14) comporte en outre des moyens d'échange de chaleur (72, 77) dimensionnés pour faire subir un craquage thermique et vaporiser ledit apport de combustibles de turbine à gaz à l'aide de la chaleur produite par la réaction dudit mélange (61) de combustibles destiné au reformeur avec ladite composition catalytique (65).
14. 14. Système pour moteur (16) à turbine à gaz selon la revendication 11, dans lequel ledit apport auxiliaire de combustibles (50) de turbine à gaz comprend un combustible gazeux (41) et/ou un combustible hydrocarboné liquide (51) et/ou un courant de diluants (42) et/ou du dioxyde de carbone et/ou de l'azote et/ou de l'eau.
15. 15. Procédé pour le reformage d'un combustible hydrocarboné (51) pour un moteur (16) à turbine à gaz, comportant les étapes suivantes : envoi, dans un coeur (62) de reformeur contenant un catalyseur (65), d'un combustible destiné au reformeur, comprenant un mélange de gaz hydrocarbonés (33) et un courant contenant de l'oxygène ; traversée dudit catalyseur (65) par ledit mélange de gaz hydrocarbonés (33) et du courant contenant de l'oxygène afin de produire de l'hydrogène libre et de la chaleur résultant d'une réaction exothermique ; formation d'un courant chaud de reformat (55) contenant de l'hydrogène libre en aval dudit catalyseur (65) ; transfert, vers un apport de combustibles (57) de turbine à gaz, d'une partie de la chaleur produite pendant ladite réaction exothermique, afin de former un apport supplémentaire de combustibles ; et combinaison dudit reformat et dudit apport supplémentaire de combustibles en un point en amont du dispositif de combustion (58) dudit moteur (16) à turbine à gaz.