FR3032956A1 - Controle de temperature dans un four de reformage a la vapeur par regulation de la puissance thermique entrante - Google Patents
Controle de temperature dans un four de reformage a la vapeur par regulation de la puissance thermique entrante Download PDFInfo
- Publication number
- FR3032956A1 FR3032956A1 FR1551602A FR1551602A FR3032956A1 FR 3032956 A1 FR3032956 A1 FR 3032956A1 FR 1551602 A FR1551602 A FR 1551602A FR 1551602 A FR1551602 A FR 1551602A FR 3032956 A1 FR3032956 A1 FR 3032956A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- waste gas
- gas
- natural gas
- composition
- flow rate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 title description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 107
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 claims abstract description 89
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 47
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 26
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000001991 steam methane reforming Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 23
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 15
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
- C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
- C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
- C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/08—Methods of heating or cooling
- C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
- C01B2203/0816—Heating by flames
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/08—Methods of heating or cooling
- C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
- C01B2203/0827—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel at least part of the fuel being a recycle stream
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/1205—Composition of the feed
- C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/1235—Hydrocarbons
- C01B2203/1241—Natural gas or methane
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/16—Controlling the process
- C01B2203/1695—Adjusting the feed of the combustion
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Feeding And Controlling Fuel (AREA)
Abstract
L'invention concerne un procédé de production de gaz de synthèse dans un four de reformage de méthane à la vapeur en faisant circuler un mélange de gaz naturel et de vapeur dans des tubes remplis de catalyseurs placés verticalement dans le four de reformage pour produire en sortie des tubes un mélange contenant majoritairement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, appelé gaz de synthèse ; les tubes sont chauffés via des brûleurs utilisant comme combustible un mélange de gaz naturel et de gaz résiduaire, ce dernier provenant d'un ou plusieurs procédés source et présentant des variations de composition en relation avec le fonctionnement d'au moins un procédé source, selon l'invention la puissance thermique entrant dans le four pour un taux de production donné est maintenue stable par l'ajustement en temps réel du débit du gaz naturel ainsi que du débit d'air de combustion pour compenser les variations de la puissance thermique fournie par le gaz résiduaire utilisé comme combustible, résultant desdites variations de composition en relation avec le fonctionnement du au moins un procédé source.
Description
1 L'invention concerne un procédé de production de gaz de synthèse dans un four de reformage de méthane à la vapeur, selon lequel on fait circuler un mélange de méthane (sous la forme de gaz naturel GN) et de vapeur dans des tubes remplis de catalyseurs, placés dans ledit four de reformage pour produire un mélange contenant majoritairement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone - appelé gaz de synthèse -. On chauffe les tubes via des brûleurs utilisant comme combustible pour l'alimentation des brûleurs un mélange de gaz naturel, généralement prélevé sur le gaz alimentant le reformage, et de gaz résiduaire. Ledit gaz résiduaire est en fait souvent un mélange de gaz résiduaires ; ainsi, provenant d'un ou plusieurs procédés source, il présente des variations de composition en relation avec le fonctionnement d'au moins un de ces procédés source. Le reformage à la vapeur est un procédé couramment utilisé pour la production de mélanges H2/C0 à partir d'hydrocarbures légers, en général du méthane, et de vapeur d'eau. Le reformage de méthane à la vapeur est conduit dans un four de reformage aussi connu sous l'acronyme anglais SMR (« Steam Methane Reformer ») ; la source de méthane la plus fréquente est le gaz naturel (GN).
Plusieurs réactions prennent place à l'intérieur des tubes, mais la réaction majoritaire est la réaction : CH4 + H2O CO + 3H2 qui est une réaction fortement endothermique. L'apport nécessaire de chaleur aux tubes s'effectue principalement par un chauffage externe à l'aide de brûleurs utilisant le plus souvent comme combustible un mélange de gaz naturel (GN) et de gaz résiduaire. Dans le cadre d'une production d'hydrogène, ce gaz résiduaire (ou « off-gas » en langue anglaise) provient notamment de la purification par adsorption à modulation de pression (Pressure Swing Adsorption ou PSA en langue anglaise) de l'hydrogène contenu dans le gaz de synthèse. Selon les cas, d'autres gaz résiduaires susceptibles d'être utilisés en tant que combustibles peuvent être disponibles sur site ou à proximité; ces gaz résiduaires pouvant être issus de différents procédés source sont rassemblés ; le gaz résiduaire résultant de la réunion de ces différents gaz résiduaires formant alors « le gaz résiduaire » selon l'invention, qui alimentera les brûleurs. On désignera dans la suite de la description ce gaz résiduaire, somme des différents gaz résiduaires utilisés, sous le terme gaz résiduaire, ou sous l'acronyme anglais OG. Alors que la composition du gaz résiduaire OG alimentant les brûleurs fluctue souvent en fonction de l'état du fonctionnement du (ou des) procédé(s) source, les systèmes de régulation de température des fours SMR, tels qu'ils opèrent actuellement, attribuent des valeurs constantes tant au pouvoir calorifique du gaz résiduaire qu'à la quantité d'air nécessaire pour le faire brûler, pour un taux de production donné (soit en d'autres termes pour un débit d'hydrogène produit à partir d'un débit de gaz GN alimentant le reformeur donné). Cette absence de prise en compte des fluctuations de composition du gaz résiduaire (les fluctuations de débit sont en général mesurées par un débitmètre qui est toujours installé sur la conduite de gaz résiduaire) est une simplification abusive qui a pour conséquence de faire varier la puissance thermique entrant effectivement dans le four, ce qui conduit donc à une variation de la température des tubes à l'intérieur du four. Or, dans un souci d'efficacité, ces tubes fonctionnent à des niveaux de température très proches de leur limite de tenue mécanique, ce qui implique qu'on a besoin pour un bon fonctionnement de four - en termes d'efficacité et de sécurité - d'une bonne régulation de température des tubes à l'intérieur du four, alors qu'en réalité la variation de composition des gaz résiduaires constituant le gaz résiduaire OG fait qu'on est inévitablement soumis à une variation de la puissance thermique que ce dernier apporte au four.
3032956 2 Il existe donc un besoin de bonne régulation de la puissance thermique entrante dans le four SMR pour un taux de production donné. Selon la solution de la pratique actuelle, le système de régulation de température dans un four SMR considère le pouvoir calorifique des gaz résiduaires constituant le gaz OG comme une 5 constante, de même que la quantité d'air nécessaire pour les faire brûler. Afin de s'assurer du bon fonctionnement du four, des mesures de températures y sont effectuées, et lorsque des variations de température sont constatées, elles sont compensées par des variations du débit de GN qui est utilisé en tant que combustible complémentaire pour le chauffage du four. Ainsi donc, le système de régulation actuel est conçu pour réagir à une variation de température constatée dans le four par une 10 variation du débit de GN. C'est une régulation qui réagit à des variations de températures constatées, liées à des variations de composition d'un ou plusieurs gaz résiduaires participant au gaz OG, mais seulement après un temps de retard, et peut-être de façon inappropriée car la composition du gaz OG peut avoir de nouveau changée. Cette solution de la pratique actuelle n'est donc pas satisfaisante car elle conduit - pour les tubes du four SMR - à des variations de température de grande amplitude.
15 La présente invention vise à résoudre ce problème de sorte à améliorer la régulation de la température dans le four de SMR, en s'appuyant pour cela sur une connaissance en continu de la chaleur apportée par la part de combustible constituée par les gaz résiduaires utilisés, rassemblés pour former le gaz résiduaire OG. La connaissance de la chaleur apportée par le gaz résiduaire OG nécessite de connaitre le pouvoir calorifique de ce même gaz qui peut être mesuré directement en 20 continu ou déterminé à partir des mesures en continu de la composition du gaz résiduaire OG et de son débit. La connaissance à chaque moment de la chaleur apportée par le gaz OG s'accompagnera de l'adaptation en direct du débit de gaz naturel et du débit d'air de combustion de sorte à maintenir l'apport de chaleur au four et donc la température dans le four pour une production d'hydrogène donnée.
25 L'invention permettra ainsi d'anticiper des variations d'apport de chaleur et donc d'anticiper les variations de température des tubes dans le four SMR et de les prévenir en ajustant les débits de gaz naturel et d'air de sorte à maintenir constant l'apport de chaleur, ceci pour une production donnée. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de production de gaz de synthèse dans un four de reformage de méthane à la vapeur, procédé dans lequel on fait circuler un mélange 30 de méthane - généralement sous la forme de gaz naturel GN - et de vapeur, dans des tubes d'acier remplis de catalyseurs placés dans le four de reformage, pour produire un mélange contenant majoritairement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, appelé gaz de synthèse, et dans lequel on chauffe les tubes via des brûleurs utilisant comme combustible un mélange de gaz naturel et de gaz résiduaire, ce dernier provenant d'un ou plusieurs procédé(s) source et présentant des variations 35 de composition en relation avec le fonctionnement d'au moins un procédé source, caractérisé en ce que la puissance thermique entrant dans le four pour un taux de production donné est maintenue sensiblement constante par l'ajustement en temps réel du débit du gaz naturel - utilisé en tant que combustible - ainsi que du débit d'air de combustion pour compenser les variations de la puissance thermique fournie par le gaz résiduaire utilisé comme combustible, résultant desdites variations de 40 composition en relation avec le fonctionnement du au moins un procédé source . L'invention permet ainsi de compenser des variations de la puissance thermique fournie par le gaz résiduaire utilisé comme combustible lorsqu'elles résultent - au moins pour partie - de variations dans la composition dudit gaz résiduaire utilisé comme combustible.
3032956 3 L'invention est particulièrement adaptée au cas où tout ou partie du gaz de synthèse est utilisé pour produire de l'hydrogène, en particulier par adsorption à modulation de pression d'hydrogène contenu dans le gaz de synthèse, le procédé de purification d'H2 constituant alors avantageusement un procédé source selon l'invention.
5 Selon une variante préférée, l'ajustement en temps réel du débit de gaz naturel et du débit d'air de combustion en compensation des variations de composition du gaz résiduaire comprend les étapes de : - mesure en continu de la composition du gaz résiduaire alimentant les brûleurs, - mesure en continu du débit du gaz résiduaire 10 - détermination en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire alimentant les brûleurs, - détermination de l'ajustement nécessaire du débit de gaz naturel pour compenser la variation du pouvoir calorifique du gaz résiduaire, - détermination de l'ajustement nécessaire du débit d'air nécessaire pour assurer la combustion du gaz résiduaire et du gaz naturel, 15 - ajustement en continu des débits de gaz naturel et d'air aux valeurs ainsi déterminées. Le procédé de l'invention vise ainsi à acquérir en continu la connaissance de la quantité de chaleur apportée par le gaz résiduaire à partir de mesures de grandeurs appropriées, puis à en déduire le complément de chaleur qui doit être apporté par le gaz naturel pour compléter l'apport de chaleur au four nécessaire pour garder constante la puissance thermique totale entrante dans le four 20 SMR pour un taux de production donné, ainsi que l'ajustement à opérer au niveau du débit d'air afin d'assurer la combustion du gaz résiduaire et du gaz naturel entrant ; grâce à ces ajustements des débits, il sera possible de garder constante la température dans le four, évitant ainsi les risques de surchauffe et de détérioration des tubes. Le procédé de l'invention s'appuie donc en particulier sur la connaissance à tout moment de 25 la quantité de chaleur apportée par le gaz résiduaire envoyé aux brûleurs du four SMR. Soit Pop la puissance entrante dans le four SMR en provenance du gaz résiduaire OG, elle s'exprime en KW par la formule (I) ci-après: POG = VoG LHVoG où LHVoG est le pouvoir calorifique inférieur du gaz résiduaire OG (acronyme de l'expression en 30 langue anglaise équivalente « Low Heating Value of the offgas ») et Vos est le débit normal (à 0°C, latm) du gaz résiduaire en Nm3/h. Selon un mode de réalisation de l'invention, la détermination en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire alimentant les brûleurs OG peut être réalisée par mesure directe par échantillonnage.
35 Cette variante permet de mesurer directement le pouvoir calorifique du gaz résiduaire à l'aide d'un appareil qui brûle une faible quantité de ce gaz et qui analyse certaines propriétés des fumées. Par contre, cet appareil ne participera pas à la détermination de la quantité d'air nécessaire pour la combustion complète de ce gaz ni à celle de sa masse volumique qui devront être déterminées indépendamment 40 Selon un mode alternatif, la détermination en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire alimentant les brûleurs OG peut être réalisée à partir de la mesure de la composition du gaz résiduaire et de la connaissance des pouvoirs calorifiques inférieurs LHV, en kWh/Nm3 de chacun des 3032956 4 gaz i (ces données sont connues dans la littérature) constituant le gaz résiduaire d'après la formule (II) ci-après: LHVoG =IX LLIV, i=1 avec: 5 - x, : fraction molaire du composant i ; - N : nombre de constituants présents dans le gaz résiduaire, combustibles et non combustibles ; et LHVi =0 pour les constituants non combustibles. Soit Ptot la puissance nécessaire pour chauffer le four pour une charge de four donnée, et PGN la puissance fournie par le gaz naturel, on a l'égalité PAN = Ptot POG, 10 et considérant que PGN = VGN LHVGN , on en déduit que le débit TGN de gaz naturel nécessaire pour compenser les fluctuations de composition du gaz résiduaire alimentant les brûleurs, est déterminé par la formule (III) ci-après: Pt, - VOG LHVoG GN LHVGN Pour pouvoir appliquer cette invention, il faut aussi mesurer ou connaître en continu le débit du gaz 15 résiduaire. Ce débit est souvent mesuré avec un débitmètre ou déduit à partir de bilans de masse sur l'ensemble de l'unité SMR. L'intérêt de mesurer la composition du gaz résiduaire au lieu de mesurer directement le pouvoir calorifique est que cette mesure permet d'une part de calculer son pouvoir calorifique et d'autre part de calculer la quantité d'air nécessaire pour le faire brûler mais aussi sa masse volumique 20 qui seront dans tous les cas nécessaires pour déduire le débit massique à partir d'une mesure de débit volumique. La détermination de la composition du gaz résiduaire sera en effet dans tous les cas indispensable pour déterminer le débit d'air nécessaire pour faire brûler le gaz résiduaire OG à sa composition réelle du moment puisque la variation de la composition du gaz résiduaire induit une 25 variation du débit d'air nécessaire à sa combustion; en même temps, le gaz naturel, dont la composition est connue et stable, mais dont - en application du procédé de l'invention - le débit varie de sorte à maintenir la puissance totale constante, requiert lui aussi un débit d'air variable pour sa combustion. Considérant le gaz résiduaire OG, le débit d'air normal nécessaire pour brûler ce gaz 30 résiduaire est égal à la somme des débits d'air normaux nécessaires pour brûler chaque composant i combustible selon la formule (IV) ci-après: n Vair OG IPair i i =1 i=1 rvi Où n est le nombre de constituants combustibles dans le gaz résiduaire, ri est le rapport du débit normal V,. du composant combustible i dans le gaz résiduaire OG sur le débit normal d'air 35 nécessaire pour le faire brûler Vair i selon la formule (V) ci-après: I Vair air 3032956 5 Pour chaque composant combustible présent dans le gaz OG, le rapport ry, est connu et disponible dans la littérature. Remarque : Il est à noter que la formule écrite ci-avant ne s'applique qu'aux n composants combustibles. Cette formule de calcul du débit d'air normal pour brûler le gaz résiduaire ne prend en 5 compte que ceux des composants qui sont des combustibles puisque Tall, n'a pas de sens pour un composé non combustible ; cependant, même si la formule ci-avant ne s'applique pas aux composants non combustibles présents dans le gaz résiduaire (pour lesquels de manière évidente le débit d'air normal de combustion est nul), il est tout aussi évident que certaines déterminations de grandeurs doivent bien sûr prendre en compte ces composants non combustibles (fractions molaires 10 par exemple, débit du gaz résiduaire notamment). Les gaz résiduaires du PSA forment l'essentiel du gaz résiduaire OG, d'autres résiduaires issus du traitement du gaz de synthèse peuvent suivant les cas s'y ajouter ; ces gaz résiduaires ont pour constituants combustibles principaux le méthane, l'hydrogène, le monoxyde de carbone. D'autres gaz résiduaires peuvent aussi être utilisés qui proviennent d'autres installations sur site ou à proximité 15 - notamment des gaz résiduaires de raffineries qui contiendront des constituants gazeux combustibles autres que ceux cités ci-avant. Le gaz résiduaire OG contiendra aussi des constituants non combustibles, notamment du dioxyde de carbone, mais aussi suivant les cas de l'azote et/ou d'autres composés. En introduisant dans la formule (IV) de calcul du débit normal d'air nécessaire pour brûler le 20 gaz résiduaire, la fraction molaire x, de chaque composant combustible, on obtient pour le débit normal d'air nécessaire à la combustion la relation (VI) suivante : n Vair OG = ."1 VOG = VOG xirvi =1 i =1 r vl On en déduit la relation (VII) suivante qui donne pour le rapport rvoc relatif au gaz résiduaire 25 OG : _ VOG _ 1 n Vair OG x- i =1 r v A titre d'exemple, le tableau ci-dessous rassemble le pouvoir calorifique inférieur LHV, et le rapport rvi des principaux composants combustibles de gaz résiduaires issu du traitement d'un gaz de synthèse.
30 Composant Pouvoir calorifique inférieur (kWh/Nm3) rvi CH4 9.96 0.105 H2 2.986 0.42 CO 3.513 0.42 rvOG 3032956 6 Tableau 1: Pouvoir calorifique inférieur et rapport du débit combustible sur débit d'air pour les trois principaux composants combustibles des gaz résiduaires dans un procédé de traitement de gaz de synthèse. Dans la majorité des cas, le débit du gaz résiduaire est mesuré par un débitmètre volumique 5 (vortex, à diaphragme,...) ; on mesure en général une vitesse moyenne de l'écoulement et on déduit ensuite le débit massique. Pour cela, il faut connaître la masse volumique du gaz résiduaire pop , soit la somme des masses volumiques p, de chaque composant i pondérée par la fraction molaire x, de ce composant selon la relation (VIII) suivante : Poo IX1p1dans laquelle sont bien évidemment pris en compte - conformément à la i=1 10 remarque ci-avant - l'ensemble des N constituants du gaz résiduaire, les n composants combustibles et les N-n composants non combustibles. Ainsi, la mesure de la composition du gaz résiduaire est une mesure de grandeur essentielle pour l'invention ; elle permet de calculer la masse volumique souvent nécessaire pour la connaissance du débit ainsi que le pouvoir calorifique inférieur et la quantité d'air nécessaire pour 15 faire brûler ce résiduaire OG. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est décrit ci-après, de façon non limitative, en regard de la figure unique annexée qui est une représentation schématique montrant l'intégration des moyens de mesure dans la boucle de contrôle de la température dans un four SMR de reformage de méthane à la vapeur selon l'invention.
20 Le four SMR 1 est alimenté par le gaz de charge 2 et produit le gaz de synthèse 3. Les brûleurs du four - non représentés - sont alimentés par deux débits de gaz combustible : un débit de gaz naturel 4 et un débit de gaz résiduaire 5 et par un débit d'air de combustion 6. Les gaz de combustion 7 sont évacués du four. Le gaz résiduaire 5 - identifié aussi en tant que gaz OG dans la description - peut être issu d'un procédé source unique (généralement un procédé de purification 25 d'hydrogène par PSA) ou provenir de plusieurs procédés source. Il contiendra en général au moins les composants combustibles suivants : du méthane, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ; il contiendra aussi le plus souvent les composants non combustibles suivants : du dioxyde de carbone et souvent de l'azote mais en quantité moindre. D'autres composants tant combustibles que non combustibles peuvent être présents en fonction des procédés source qui les génèrent, ils seront 30 automatiquement identifiés et quantifiés par les organes de mesure installés en ligne sur le circuit du gaz résiduaire. Les débits des gaz 4, 5, 6 sont mesurés respectivement par des débitmètres 8, 9, 10 au niveau des canalisations d'amenée de ces gaz - en amont des moyens d'ajustement des débits de gaz naturel 12 et d'air 13 selon l'invention.
35 Les mesures de la composition du gaz résiduaire réalisées sont pour la simplification du schéma regroupées en 11 ; ces mesures sont classiques et connues de l'homme du métier. Pour la mesure de composition, on utilise par exemple des analyseurs en infrarouge pour mesurer les espèces comme CH4, CO, CO2. Un catharomètre (basé sur la mesure de la conductivité thermique) peut être utilisé pour mesurer la concentration en H2. La concentration en N2 est déduite à partir des 40 autres mesures. On peut aussi utiliser un chromatographe mais son temps de réponse (1 à 5 mn) est nettement plus long que celui des analyseurs infrarouge (1s). Les ajustements de débits nécessaires 3032956 7 en application du procédé de l'invention y sont calculés à partir des mesures réalisées et des paramètres connus. Les débits de gaz naturel et d'air de combustion sont ajustés en réponse, via respectivement les vannes de régulation 12 et 13. En effet, pour une alimentation en gaz de charge 2 donnée, la puissance totale Ptot nécessaire 5 pour chauffer le four est constante. Ainsi qu'on a montré ci-avant dans la description, à partir de la mesure en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire 5 on peut calculer automatiquement le débit de gaz naturel nécessaire pour chauffer le four selon la relation (III) : LHVOG GN LHVGN où : 10 - Protest une donnée du procédé de reformage; - LHVGN est le pouvoir calorifique inférieur du gaz naturel ; - VOG résulte de mesures effectuées, comme décrit ci-avant ; - LHVOG est mesuré ou déterminé à partir de la formule (II). Le débit d'air 6 nécessaire pour faire brûler le mélange gaz naturel 4 et gaz résiduaire 5 est 15 calculé d'après la formule (IX) suivante : Vair tot air GN Vair OG GN VOG rvGN rvOG où : - rvGN représente le rapport débit gaz naturel sur débit d'air nécessaire pour le brûler. Ce rapport est constant et connu à partir du moment où on considère que la composition du gaz naturel 20 varie très faiblement autour d'une valeur moyenne ; - rvoG est obtenu à partir de la relation (VII) tel que décrit ci-avant; - VOG résulte de mesures effectuées, comme décrit ci-avant. Le débit gaz naturel et celui de l'air sont ainsi ajustés en continu en fonction de la variation de la composition du gaz résiduaire - mesurée aussi en 11. Ceci permettra de réduire la consommation 25 de gaz naturel et d'améliorer la stabilité et le rendement thermique du four.
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Procédé de production de gaz de synthèse dans un four de reformage de méthane à la vapeur, procédé dans lequel : - on fait circuler un mélange de méthane - généralement sous la forme de gaz naturel GN - et de vapeur dans des tubes remplis de catalyseurs placés dans le four de reformage, pour produire un mélange contenant majoritairement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, appelé gaz de synthèse, - on chauffe les tubes via des brûleurs utilisant comme combustible un mélange de gaz naturel et de gaz résiduaire, ce dernier provenant d'un ou plusieurs procédés source et présentant des variations de composition en relation avec le fonctionnement d'au moins un procédé source, caractérisé en ce que la puissance thermique entrant dans le four pour un taux de production donné est maintenue stable par l'ajustement en temps réel du débit du gaz naturel ainsi que du débit d'air de combustion pour compenser les variations de la puissance thermique fournie par le gaz résiduaire utilisé comme combustible, résultant desdites variations de composition en relation avec le fonctionnement du au moins un procédé source.
- 2 Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout ou partie du gaz de synthèse est utilisé pour produire de l'hydrogène, et dans lequel un procédé source est un procédé de purification par adsorption à modulation de pression d'hydrogène contenu dans le gaz de synthèse.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel l'ajustement en temps réel du débit de gaz naturel et du débit d'air de combustion en compensation des variations de composition du gaz résiduaire comprend les étapes de : - mesure en continu de la composition du gaz résiduaire alimentant les brûleurs, - mesure en continu du débit dudit gaz résiduaire - détermination en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire alimentant les brûleurs, - détermination de l'ajustement nécessaire du débit de gaz naturel pour compenser la variation du pouvoir calorifique du gaz résiduaire, - détermination de l'ajustement nécessaire du débit d'air pour assurer la combustion du gaz résiduaire et du gaz naturel, - ajustement en continu des débits de gaz naturel et d'air aux valeurs ainsi déterminées
- 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la détermination en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire alimentant les brûleurs est réalisée par mesure directe par échantillonnage.
- 5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la détermination en continu du pouvoir calorifique du gaz résiduaire alimentant les brûleurs OG est réalisée à partir de la mesure de la composition du gaz résiduaire et de la connaissance des pouvoirs calorifiques inférieurs LHV, en k\A/h/Nm3de chacun des gaz i constituant le gaz résiduaire d'après la formule (II): 3032956 9 LHV oG =lx; LHT7; i=1 dans laquelle - x, est la fraction molaire du composant i ; - LHV, est le pouvoir calorifique inférieur en kWh/Nm3 de chacun des gaz i constituant le gaz résiduaire 5 (donnée disponible dans la littérature, avec LHVi = 0 pour les constituants non combustibles ; - N est le nombre de constituants présents dans le gaz résiduaire, combustibles et non combustibles.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1551602A FR3032956B1 (fr) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Controle de temperature dans un four de reformage a la vapeur par regulation de la puissance thermique entrante |
| PCT/FR2016/050409 WO2016135407A1 (fr) | 2015-02-25 | 2016-02-23 | Contrôle de température dans un four de reformage a la vapeur par régulation de la puissance thermique entrante |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1551602A FR3032956B1 (fr) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Controle de temperature dans un four de reformage a la vapeur par regulation de la puissance thermique entrante |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3032956A1 true FR3032956A1 (fr) | 2016-08-26 |
| FR3032956B1 FR3032956B1 (fr) | 2017-02-24 |
Family
ID=52829193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1551602A Active FR3032956B1 (fr) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Controle de temperature dans un four de reformage a la vapeur par regulation de la puissance thermique entrante |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3032956B1 (fr) |
| WO (1) | WO2016135407A1 (fr) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4115862A (en) * | 1977-06-20 | 1978-09-19 | Phillips Petroleum Company | Process control method and apparatus |
| US4187542A (en) * | 1978-05-18 | 1980-02-05 | Phillips Petroleum Company | Process control method and apparatus |
| US4473490A (en) * | 1983-03-30 | 1984-09-25 | Phillips Petroleum Company | Control of a reforming furnace |
| US20020150800A1 (en) * | 2000-08-25 | 2002-10-17 | Tomonori Asou | Hydrogen generator |
| US20120078408A1 (en) * | 2010-09-29 | 2012-03-29 | L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Advanced Control System For Steam Hydrocarbon Reforming Furnaces |
-
2015
- 2015-02-25 FR FR1551602A patent/FR3032956B1/fr active Active
-
2016
- 2016-02-23 WO PCT/FR2016/050409 patent/WO2016135407A1/fr active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4115862A (en) * | 1977-06-20 | 1978-09-19 | Phillips Petroleum Company | Process control method and apparatus |
| US4187542A (en) * | 1978-05-18 | 1980-02-05 | Phillips Petroleum Company | Process control method and apparatus |
| US4473490A (en) * | 1983-03-30 | 1984-09-25 | Phillips Petroleum Company | Control of a reforming furnace |
| US20020150800A1 (en) * | 2000-08-25 | 2002-10-17 | Tomonori Asou | Hydrogen generator |
| US20120078408A1 (en) * | 2010-09-29 | 2012-03-29 | L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Advanced Control System For Steam Hydrocarbon Reforming Furnaces |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3032956B1 (fr) | 2017-02-24 |
| WO2016135407A1 (fr) | 2016-09-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FR2970510A1 (fr) | Regulation de combustion avec recirculation des gaz d'echappement dans des conditions stoechiometriques | |
| EP3563152B1 (fr) | Procede d'estimation d'une caracteristique de combustion d'un gaz contenant du dihydrogene | |
| FR2965586A1 (fr) | Procede et dispositif de demarrage de turbine a gaz | |
| CN107367442A (zh) | 一种利用干熄炉气体放散量测定烧损量的方法 | |
| US20110289843A1 (en) | High temperature equalized pressure (htep) reactor | |
| FR3032956A1 (fr) | Controle de temperature dans un four de reformage a la vapeur par regulation de la puissance thermique entrante | |
| US20090277089A1 (en) | Method and apparatus for controlling gasifier efficiency | |
| FR3064718A1 (fr) | Dispositif et procede de controle de gaz combustible | |
| EP0661499B1 (fr) | Réglage en temps réel d'un brûleur à gaz de caractéristiques variables, notamment pour four de réchauffage métallurgique | |
| CA2705601A1 (fr) | Procede de delivrance de melanges de gaz pour un analyseur | |
| FR2918656A1 (fr) | Procede de regulation du debit de gaz combustible lors de la phase de demarrage d'un four de reformage. | |
| EP1450932A2 (fr) | Installation de production d'hydrogene et procedes pour la mise en oeuvre de cette installation | |
| FR2507615A1 (fr) | Procede de production de melanges gazeux par oxydation partielle | |
| WO2006117336A1 (fr) | Procede de fusion d'une charge ferreuse | |
| EP1335789A1 (fr) | Procede d'oxydation partielle d'un flux de gaz comprenant du sulfure d'hydrogene et de l'ammoniac | |
| FR2486204A1 (fr) | Procede pour le reglage de la puissance thermique d'une installation alimentee avec du gaz naturel ayant un pouvoir calorifique variable, et appareil approprie pour cette application | |
| JP4162938B2 (ja) | 水素製造プラント制御装置および水素製造装置ならびに水素製造方法 | |
| EP0864953B1 (fr) | Installation de surveillance d'un appareil de génération d'atmosphère | |
| EP0088717B1 (fr) | Procédé pour optimiser le fonctionnement d'un four | |
| JP3708428B2 (ja) | 水素発生装置 | |
| EP1128146B1 (fr) | Procédé de réglage de la teneur en vapeur d'eau dans un four à haute température | |
| JP2012082791A (ja) | 発電システムに用いるガス混合装置 | |
| EP1174387A1 (fr) | Procédé de production d'une atmosphère CO/H2/N2 par oxydation d'un hydrocarbure gazeux, et installation pour sa mise en oeuvre | |
| FR2502300A2 (fr) | Procede et dispositif pour accroitre le rendement d'appareils a combustion et diminuer leur corrosion | |
| FR2918295A1 (fr) | Procede d'oxydation d'un gaz comprenant de l'ammoniac et dispositif pour sa mise en oeuvre |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20160826 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 7 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 8 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 9 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 10 |