FR3043185B1 - Methode pour ameliorer l'efficacite thermique d'un four de reformage - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une méthode pour augmenter l'efficacité thermique d'un four - pour le reformage de méthane à la vapeur ou pour d'autres procédés comprenant des réactions endothermiques du type craquage à la vapeur de charges hydrocarbonées - comprenant une chambre de combustion munie de brûleurs et des tubes de reformage, par augmentation du transfert de chaleur aux tubes de reformage et donc augmentation de l'apport de chaleur au mélange à reformer, ladite méthode comprenant : - une étape a) de détermination du meilleur profil d'émissivité des parois du four en vue de rendre maximal le rendement thermique du four avec a1) définition des contraintes à respecter, parmi lesquelles au moins la température maximale des tubes, la température du gaz produit en sortie des tubes, le taux de conversion, puis a2) définition des différents profils qui seront évalués, puis a3) évaluation des performances des profils d'émissivité définis dans l'étape a2) et identification du meilleur profil d'émissivité en fonction des contraintes définies dans l'étape a1), - une étape b) de modification de l'émissivité des parois en application des résultats de l'étape a) de sorte à augmenter le transfert de chaleur aux tubes tout en respectant l'ensemble de contraintes définies lors de l'étape a1), en particulier en préservant la durée de vie des tubes. L'invention concerne aussi un four du type précité présentant une efficacité thermique améliorée.

Description

L’invention concerne une méthode pour augmenter l’efficacité thermique d’un four -pour le reformage de méthane à la vapeur ou pour d’autres procédés comprenant des réactions endothermiques du type craquage à la vapeur de charges hydrocarbonées - comprenant une chambre de combustion munie de brûleurs et des tubes de reformage, par augmentation du transfert de chaleur aux tubes de reformage et donc augmentation de l’apport de chaleur au mélange à reformer, l’invention concerne aussi un four du type précité présentant une efficacité thermique améliorée. L’invention sera par la suite décrite dans le cas d’un reformage de méthane à la vapeur pour produire du gaz de synthèse.
Un procédé de reformage de méthane à la vapeur est mis en oeuvre dans une unité de reformage dont l’élément principal est un reformeur à la vapeur comprenant de manière usuelle au moins une chambre de combustion et une chambre de convection. La chambre de combustion comprend des brûleurs et des réacteurs tubulaires (ou tubes), remplis de catalyseurs et aptes à être traversés par un mélange gazeux de vapeur et d'hydrocarbures légers, la charge d’hydrocarbures à reformer étant le plus souvent du gaz naturel. A l’intérieur de chacun des tubes se produit un ensemble de réactions dont la principale est la réaction de reformage du méthane à la vapeur : CH4 + H20 -> C02 +3H2. Fortement endothermique, elle nécessite un apport d’énergie thermique important extérieur au tube. L’apport de chaleur est pour une part importante fourni par les brûleurs qui équipent la chambre de combustion. Les fumées issues de la combustion sont évacuées via la chambre de convection. En fonction de la géométrie des chambres de combustion, le positionnement des brûleurs varie. Dans certaines configurations, les brûleurs sont disposés sur les parois du four de manière à transférer la chaleur de leur combustion aux tubes installés dans la chambre de combustion par rayonnement des parois chauffées par les flammes. Selon d’autres configurations de four, les brûleurs peuvent être installés au plafond du four (top fired en langue anglaise) ou bien en bas du four (bottom fired) ou aussi en terrasse (terrace fired).
Afin d’augmenter l’émissivité des parois du four - et donc l’efficacité du chauffage, celles-ci peuvent être munies de revêtements réfractaires à émissivité élevée, ceci pouvant être réalisé pour tous les types de fourSMR.
Les tubes de reformage sont conçus pour avoir une durée de vie longue, typiquement ils sont conçus pour une durée de vie prévue de 100 000 heures de fonctionnement dans des conditions dites de fonctionnement normal.
Dans un souci de maximisation à la fois de l’efficacité thermique des unités de reformage et du taux de conversion du gaz naturel, il est souhaitable d’avoir des températures de gaz de synthèse (aussi appelé syngas) élevées en sortie des tubes; cependant, des températures plus élevées que celles préconisées dans le cadre d’un fonctionnement normal des tubes accélèrent leur vieillissement et réduisent donc leur durée de vie. La durée de vie d’un tube peut ainsi être réduite de moitié si sa température d’utilisation dépasse de 10°C à 20°C la température de fonctionnement maximale pour laquelle il a été conçu, aussi connue selon l’acronyme anglais MOT (en anglais Maximal Operating Température).
Ceci met en évidence deux objectifs contradictoires: un premier objectif de maximisation de l’efficacité du four et un second de préservation de la durée de vie des tubes.
Concilier ces deux objectifs nécessite des compromis et donne lieu à d’importantes contraintes lors des opérations de reformage.
Afin d’augmenter le rendement d’un four SMR, des solutions de l’art antérieur proposent d’augmenter l’émissivité des parois du four en les enduisant sur leur totalité - les parois des tubes présents à l’intérieur du four ne sont pas comprises - avec une peinture présentant une émissivité élevée ; ceci aura pour effet d’augmenter de 1 à 5% son efficacité, selon les conditions régnant dans le dit four.
Or, lorsqu’on considère le comportement d’un tube dans un four en fonctionnement -par « un tube », il faut comprendre un quelconque des tubes placés dans le four - ce comportement n’est pas uniforme sur toute sa longueur, et cette particularité s’observe quelque soit le tube considéré présent dans la chambre de combustion. En effet, la partie amont d’un tube en fonctionnement - définie selon le sens d'introduction du mélange des réactifs (hydrocarbures et vapeur) - est plus froide que la partie aval, la température d’introduction du mélange des réactifs étant plus basse que la température souhaitée des produits en sortie. Dans la partie amont des tubes, la réaction de reformage va consommer une part importante de la chaleur qui est fournie, ce qui va tendre à limiter leur température. Par contre, dans la partie aval des tubes, la majeure partie des réactifs a été consommée et la chaleur fournie n’est de ce fait pas ou peu consommée, que ce soit par la réaction ou par les réactifs ; une part plus importante de la chaleur dans cette partie aval est donc consommée pour chauffer les parois des tubes. C’est un facteur de risque de surchauffe locale des parois des tubes.
En augmentant l’émissivité de l’ensemble des parois du four à l’intérieur de la chambre de combustion ainsi que l’enseigne l’art antérieur on améliore les performances du four, mais en l’augmentant uniformément sur toute la hauteur du four comme l’enseigne l’art antérieur, on accentue en même temps le risque de voir la température des tubes augmenter excessivement en certains points des tubes appelés « points chauds », provoquant ainsi un vieillissement prématuré des tubes, voire même la rupture de certains d’entre eux.
Ainsi donc il y a un besoin d’amélioration des solutions de l’art antérieur qui permettrait d’augmenter l’efficacité globale du four tout en prévenant la détérioration des tubes.
Le but de l’invention est donc de trouver une solution permettant d’augmenter l’efficacité du four tout en écartant le risque d’une surchauffe excessive au niveau des points chauds des tubes prévenant ainsi les risques de détérioration des tubes. C’est à concilier ces deux objectifs opposés que s’attache l’invention.
Plus précisément, il est donc souhaitable de pouvoir : maximiser le transfert de chaleur vers l’intérieur des tubes au niveau de la partie plus froide de ceux-ci ; ne pas augmenter et si besoin réduire le transfert de chaleur dans la partie où circule une plus grande quantité de gaz de synthèse chaud et où la réaction endothermique de reformage est sensiblement achevée de sorte à éviter de dépasser localement le seuil de température admissible ; réduire les points chauds sur les tubes ; mieux cibler les besoins en chaleur, et donc les surfaces à traiter, de sorte à diminuer le temps de retour sur investissement lié à l’installation du revêtement sur les parois dans le four.
La présente invention vise donc à proposer une solution qui améliore l’efficacité du chauffage d’un four SMR tout en réduisant les points chauds des tubes de reformage dans lesquels circule le mélange réactionnel de sorte à maintenir les températures maximales des tubes en dessous du seuil de température admissible, la solution consistant à moduler l’énergie qui sera reçue par les tubes.
Pour cela, contrairement à la solution de l’art antérieur qui applique uniformément un revêtement à forte émissivité sur la totalité des parois du four accroissant ainsi l’efficacité du four, mais aussi la surchauffe des tubes installés dans le four là où la consommation de chaleur est plus faible et donc un risque accru de générer des points chauds sur les tubes, l’invention propose de n’augmenter l’émissivité des parois du four que là où elle peut être augmentée sans risque de surchauffe des tubes, c'est-à-dire sur des parties judicieusement sélectionnées des parois du four et non sur l’ensemble des parois considérées. L’émissivité d’une paroi est une propriété de surface toujours comprise entre 0 et 1. Elle est généralement spécifiée par le fabricant ; elle peut aussi être mesurée sur un échantillon de paroi en laboratoire. Les réfractaires des parois d’un four SMR ont dans leur majorité une émissivité d’origine inférieure à 0,5 et souvent autour de 0,3. Un revêtement à haute valeur émissive a une émissivité de l’ordre de 0,9.
On cherchera surtout à augmenter l’émissivité des parois du four (tubes non compris) dans les endroits où la température des tubes a encore de la marge par rapport à la MOT. L’émissivité des tubes SMR est quant à elle déjà comprise entre 0.8 et 0.9 dès l’origine, donc du même ordre qu’un revêtement à haute émissivité ; il n’y a donc pas de gain à attendre en terme d’augmentation de transfert thermique de la mise en place d’un revêtement à plus haute émissivité sur des tubes. L’invention concerne ainsi une méthode pour augmenter l’efficacité thermique d’un four comprenant une chambre de combustion munie de brûleurs et de tubes remplis de catalyseur et disposés dans la chambre de combustion pour être traversés par un mélange gazeux d’hydrocarbures avec au moins de la vapeur d’eau, ledit mélange étant introduit dans les tubes à une extrémité, le gaz produit étant récupéré à l’extrémité opposée des tubes, les brûleurs étant disposés de manière à transférer la chaleur de la combustion au mélange d’hydrocarbures et de vapeur à travers la paroi des tubes par augmentation du transfert de chaleur aux tubes, caractérisée en ce qu’elle comprend : une étape a) de détermination du meilleur profil d’émissivité des parois du four en vue de rendre maximal le rendement thermique du four comprenant : o une étape a1) dans laquelle on définit des contraintes à respecter, parmi lesquelles au moins la température maximale des tubes, la température du gaz produit en sortie des tubes, le taux de conversion, o une étape a2) dans laquelle on définit les différents profils qui seront évalués lors de l’étape a3), o une étape a3) dans laquelle on évalue les performances des profils d’émissivité définis dans l’étape al) et on en déduit le meilleur profil d’émissivité - aussi dit profil optimal d’émissivité - en fonction des contraintes définies dans l’étape a1), une étape b) de modification de l’émissivité des parois en application des résultats de l’étape a) de sorte à augmenter le transfert de chaleur aux tubes tout en respectant l’ensemble de contraintes définies lors de l’étape a1), en particulier en préservant la durée de vie des tubes.
Le profil d’émissivité selon l’invention se définit comme un ensemble de couples de données (émissivité, donnée de localisation). La donnée de localisation a pour fonction d’identifier sans ambiguïté l’élément de paroi auquel on applique le revêtement. Le profil regroupe les couples de données pour l’ensemble des parois du four.
Adapter l’émissivité des parois du four de sorte à augmenter l’efficacité thermique du four permettra ainsi d’augmenter la quantité de chaleur transmise au mélange réactionnel en respectant un ensemble de contraintes que l’on impose, pour améliorer l’efficacité thermique, pour préserver la durée de vie des tubes, mais aussi pour assurer par exemple un temps de retour sur investissement choisi. Ainsi, lors de l’étape a1, on fixe les grandeurs à suivre et les contraintes à respecter.
Parmi les contraintes imposées, on trouvera au minimum des contraintes que l’on appellera obligatoires, elles correspondent aux données de fonctionnement du four qui doivent être préservées ; dans le cas d’un reformage de méthane, il s’agira au moins des contraintes 1 à 3 ci-après : 1 - la température maximale des tubes ; elle doit rester obligatoirement inférieure à la MOT; 2 - la température du gaz produit en sortie des tubes ; elle doit rester sensiblement constante ; 3 - le taux de conversion du méthane; il doit être au moins égal à celui du cas de base.
Pour pouvoir choisir le profil d’émissivité optimal, appelé aussi profil optimal, il faudra aussi définir le but à atteindre, c'est-à-dire l’amélioration recherchée ; c’est le sens de la contrainte 4 ci-après : 4 - l’amélioration de l’efficacité thermique recherchée ; il pourra s’agir soit d’une réduction de la puissance de chauffe pour une production constante ou d’une augmentation de production pour une puissance de chauffe inchangée ; une valeur minimale d’amélioration pourra être fixée.
En plus des contraintes 1 à 3 et du but (contrainte 4) à atteindre en terme d’amélioration de l’efficacité, le profil optimal selon l’invention pourra aussi définir d’autres contraintes à respecter; c’est ainsi qu’on définira en général la contrainte 5 ci-après: 5 - le temps de retour sur investissement ; lié notamment au coût de la mise en place du revêtement, il devra être contrôlé. Une durée limite de retour sur investissement pourra être fixée.
Le profil d’émissivité optimal selon l’invention étant déterminé pour les parois du four, l’étape b) de l’invention qui consiste à approcher ce profil par application de peinture ou d’enduit à émissivité modifiée conformément au profil optimal peut être mise en oeuvre.
La méthode selon l’invention présentera avantageusement tout ou partie des caractéristiques ci-après : les profils d’émissivité sont définis à partir des surfaces de parois auxquelles on associe des émissivités, de sorte à former des couples de données (émissivité, surfaces). Ainsi qu’indiqué ci-avant, un profil d’émissivité selon l’invention est constitué d’une pluralité de couples de données : émissivité, donnée de localisation. A chaque surface localisée - partie d’une paroi du four - on associe une émissivité, formant ainsi autant de couples de données ; les surfaces sont délimitées sur les parois à traiter et on peut choisir de faire varier l’émissivité entre 0.1 et 0.9. Compte tenu de la géométrie des fours, la donnée de localisation représentant la surface pourra souvent être simplement une dimension verticale, étant entendu que dans ce cas les dimensions horizontales sont identiques pour toutes les surfaces ; à partir de ces couples de données (surfaces, émissivités), on évalue par simulation numérique un certain nombre de grandeurs représentatives des performances des différents profils d’émissivité ; avantageusement, ces grandeurs représentatives des performances des profils d’émissivité sont calculées à l’aide d’un logiciel de type 1D basé sur des bilans de masse et d’énergie appliqués sur le four. La validité de cette approche a été vérifiée par l’utilisation d’un logiciel de ce type développé en interne appelé SMR1D ; on peut prévoir de faire varier l’émissivité des parois des tubes en plus de celles des parois du four. Intervenir sur l’émissivité des parois de tubes - plus précisément, diminuer localement l’émissivité des parois de tubes là où il y a risque de dépassement de la MOT - peut permettre d’accroître les performances globales du four sans risquer de diminuer la durée de vie des tubes.
Lors de l’étape b), le profil d’émissivité optimal selon l’invention identifié lors de l’étape a) est avantageusement reproduit par application de peinture(s) ou d’enduit(s) à émissivité modifiée appropriée.
Ainsi que mentionné ci-avant, on peut prévoir de faire varier l’émissivité des parois des tubes en plus de celles des parois du four ; on peut aussi définir des surfaces à modifier plus ou moins nombreuses, voire complexes, utiliser un nombre de revêtements d’émissivités différentes plus ou moins important.
Cependant, le travail de simulation sera d'autant plus complexe et long que les profils à tester seront complexes et/ou nombreux. Par ailleurs, il faudra tenir compte aussi des difficultés et des risques d’erreurs lors de la mise en place des peintures et/ ou des revêtements. L’introduction du temps de retour sur investissement parmi les contraintes à respecter incitera aussi à limiter la complexité du profil à reproduire. Ces considérations pourront donc inciter l’homme du métier à limiter le nombre et la complexité des profils d’émissivité à évaluer.
Selon un autre aspect de l’invention, celle-ci concerne un four pour mettre en œuvre un procédé endothermique comprenant une chambre de combustion munie de brûleurs et de tubes de reformage remplis de catalyseur et disposés dans la chambre de combustion pour être traversés par un mélange d’hydrocarbures gazeux avec au moins de la vapeur d’eau, ledit mélange étant introduit dans les tubes à une extrémité, le gaz produit étant récupéré à l’autre extrémité, les brûleurs étant disposés de manière à transférer la chaleur de la combustion au mélange d’hydrocarbures et de vapeur à travers la paroi des tubes, caractérisé en ce que les parois internes de la chambre de combustion du four présentent une émissivité modifiée localement et sélectivement selon la région du four par augmentation de l’émissivité desdites parois dans les parties du four où la température des tubes est la plus basse de sorte à augmenter localement les flux thermiques reçus par les tubes afin d’augmenter le transfert de chaleur aux tubes.
Le four selon l’invention présentera avantageusement tout ou partie des caractéristiques ci-après : l’émissivité des parois du four peut-être en outre abaissée dans la zone du four où la température des tubes est la plus élevée ; pour limiter la montée en température des parties des tubes proches de la MOT, on peut aussi mettre un revêtement à faible émissivité de manière sélective sur des parties de tubes particulièrement chaudes pour diminuer la température des tubes localement de sorte à la garder en dessous de la MOT, c’est ainsi que avantageusement, les tubes eux-mêmes présentent en outre une émissivité sélectivement abaissée là où ils sont très chauds et risquent de dépasser le seuil de température admissible ; les émissivités sont modifiées par application de peinture(s) ou d’enduit(s) à émissivité(s) modifiée(s) appropriée(s). L’invention sera mieux comprise à l’aide de l’exemple ci-après de mise en œuvre de l’invention et de la figure unique qui l’accompagne.
Donné à titre illustratif, l’exemple a pour but de valider la méthode en montrant l’amélioration apportée à l’efficacité thermique d’un four SMR par une modification calculée de l’émissivité des parois du four (cas S3 ci-après) par rapport à l’installation d’origine (cas S1 de référence) et par rapport à un four à émissivité améliorée selon l’art antérieur (cas S2).
La figure présente un logigramme illustrant le déroulement de l’étape a) aboutissant à la détermination du profil d’émissivité optimal en application de l’invention.
Le four considéré lors de cette simulation est un four de reformage à la vapeur (SMR) présentant les caractéristiques suivantes: dimensions du four : Hauteur = 13m ; Longueur = 31 m ; Largeur = 2m ; nombre de tubes et disposition: 115 tubes disposés verticalement en une rangée unique au milieu de la largeur du four ; le diamètre externe des tubes est de 0.136m, le diamètre interne des tubes est de 0.106m, la hauteur des tubes est de 13m ; la distance entre les axes des tubes est de 0.25m ; le four est du type chauffé latéralement par des brûleurs (side fired en langue anglaise) ; ceux-ci sont placés de façon symétrique de part et d’autre des tubes sur les parois du four.
Afin d’illustrer l’impact d’un changement sélectif d’émissivité de parois à l’intérieur d’un four de reformage de méthane à la vapeur, l’exemple présente les résultats d’une étude par simulation numérique réalisée avec un logiciel de simulation de type 1D (logiciel interne SMR1D), s’appuyant sur des bilans de masse, d’énergie et de quantité de mouvement.
Lors de la réalisation de la 1ère étape (étape a) de détermination du profil optimal selon l’invention, chaque profil d’émissivité défini se voit soumis à une simulation numérique via le logiciel SMR1D de sorte à mettre en évidence le profil optimal parmi les profils testés (étape a2). Le but recherché est l’augmentation du rendement thermique du four SMR tout en diminuant la température maximale des tubes (pour augmenter leur durée de vie) et en limitant le temps de retour sur investissement par rapport à la mise en place d’un revêtement uniforme sur l’ensemble des parois du four (la solution de l’art antérieur).
Il est à noter que le choix d’un logiciel de simulation 1D pour la mise en oeuvre de l’invention a été validé en comparant des résultats de simulation obtenus à partir du logiciel SMR1D avec des mesures faites sur plusieurs fours SMR, mais aussi avec des résultats de simulation obtenus à partir d’un logiciel de type 3D.
Cette étape a) qui définit le modèle de profil d’émissivité à reproduire (profil d’émissivité optimal) est l’étape essentielle dans la réalisation de l’invention puisque c’est ce « profil optimal » qui sera reproduit lors de l’étape b) ; l’amélioration du rendement thermique du reformage et le respect de l’intégrité des tubes en dépendent. L’étape b) de la méthode qui vise à reproduire le profil optimal par application de peinture (ou d’enduit) à émissivité conforme aux modèle de l’étape a), sur les surfaces désignées dans l’étape a) - avec pour résultat des changements ciblés, localisés et sélectifs de l’émissivité des parois à l’intérieur du four SMR et des performances accrues tout en préservant l’intégrité des tubes - n’est pas décrite dans le cadre de cet exemple.
Ainsi qu’indiqué ci-avant, trois simulations avec logiciel de type 1D ont donc été réalisées sur des cas référencés S1, S2 et S3 pour le four pris comme exemple.
Le cas S1 correspond au cas de référence, c'est-à-dire à la situation classique, dans laquelle les parois internes du four présentent une émissivité uniforme de 0.24 - valeur d’émissivité uniforme usuelle pour des parois de four SMR - tandis que les tubes présentent une émissivité unique de 0.86 (valeur d’émissivité usuelle des tubes fournis par un constructeur). Aucune modification n’a été apportée à ces conditions standards pour S1.
Le cas S2 correspond à une solution conforme à l’amélioration selon l’art antérieur, c'est-à-dire qu’on a appliqué un revêtement à haute émissivité uniforme sur l’ensemble des parois du four, l’émissivité des parois du four est de 0.9 au lieu de 0.24. Il n’y a pas de revêtement sur les tubes, ce qui signifie que l’émissivité des tubes ne change pas et reste égale à 0.86. La puissance de chauffe du four a été abaissée afin de maintenir une température de sortie de gaz de synthèse constante par rapport au cas de référence S1.
Pour le cas S3 on prévoit - toujours pour le même four - une modification de l’émissivité des parois en accroissant l’émissivité des parties supérieures des parois du four, là où les températures de tube sont plus faibles. Plus exactement, deux catégories de surfaces sont définies pour l’ensemble du périmètre du four. On affecte à la première catégorie de surfaces, correspondant à la moitié supérieure du four, soit sur une hauteur de 6.5m à partir du haut du four une émissivité de 0.9. On affecte aux surfaces restantes (moitié basse du four sur une hauteur de 6.5m) une émissivité de 0.24 (c'est-à-dire qu’on conserve l’émissivité d’origine des parois du four).
Conformément à l’invention, le profil optimal d’émissivité du four sera le meilleur parmi ces trois profils. Rappelons que dans cet exemple, il s’agit simplement d’illustrer l’invention ; afin d’optimiser les performances d’un four modifié selon l’invention, des propositions de profils plus élaborés peuvent être faites avec un plus grand nombre de surfaces, et/ou un plus grand nombre de revêtements d’émissivité différentes, et/ou des découpages de surfaces différents, pouvant inclure aussi des modifications de l’émissivité de portions de parois des tubes...
Le logiciel 1D utilisé pour la détermination du profil optimal d’émissivité est un outil conforme aux logiciels 1D standard utilisés par l’homme du métier ; cet outil se base sur les bilans de masse et d’énergie appliqués sur la chambre de combustion du four avec un couplage aux mêmes bilans (masse et énergie) à l’intérieur des tubes SMR. L’objectif de ces calculs est de trouver le profil offrant le rendement thermique du four le plus important, avec un coût faible de mise en place du revêtement, de sorte à respecter un temps de retour sur investissement le plus faible possible (et/ ou un temps maximum admissible est fixé) tout en respectant : 1 - la température maximale des tubes - qui doit rester en dessous de la MOT, température seuil connue (MOT = en anglais Maximal Operating Température) ; 2 - la température de sortie des tubes des gaz de synthèse qui doit rester sensiblement constante ; 3 - le taux de conversion du méthane qui doit rester supérieur ou égal à la valeur du cas de référence S1 ; 4 - la production de four qui doit dans le contexte de l’exemple rester constante (ou bien la puissance de chauffe du four est maintenue et la production augmentée).
La figure unique annexée présente un logigramme illustrant le déroulement de l’étape a) ; son application à l’exemple est présentée ci-après. E1 rassemble les données (surfaces, émissivités) des 3 profils Pi (i variant de 1 à 3) qui seront testés lors de l’étape a) et pour lesquels seront réalisées les trois simulations Si; ces profils sont caractérisés par les surfaces sur lesquelles un revêtement est mis en place et l’émissivité qui leur est attribuée.
Dans l’exemple présenté, ces profils sont au nombre de 3 (correspondant aux 3 simulations), les parois modifiées sont celles du four - l’émissivité des tubes n’a pas été modifiée - et les surfaces sont identifiées par la hauteur dans le four mesurée à partir du haut du four. Seules deux catégories de surfaces sont définies (les mêmes surfaces pour les 3 profils): la partie supérieure (HS) correspond à la moitié supérieure du four, soit 6.5m : de 0 à 6.5m mesurés à partir du haut du four ; la moitié inférieure (Hl), de 6.5m à 13m mesurés à partir du haut du four. Deux valeurs d’émissivité différentes sont utilisées : 0.24 qui est l’émissivité d’origine du four (EO), et 0.9 qui est l’émissivité majorée (EM). Les trois profils peuvent être représentés de la manière suivante :Cas 1: P1 (HS+HI, EO) ; Cas 2 : P2 (HS+HI,EM) et Cas 3 : P3 (HS, EM ; Hl, EO).
Les différents éléments constituant le logigramme de la figure unique sont repris et développés ci-dessous:
En E1, on définit et on stocke les différents profils (surfaces identifiées par la hauteur, émissivités) qui feront l’objet des calculs et tests développés ci-après pour chaque cas simulés S1, S2, S3.
En E2, on calcule avec le modèle de simulation SMR1D la température maximale des tubes, la consommation de gaz naturel adaptée pour la consigne de température de gaz de synthèse, la production du four et le rendement thermique du four ;
En E3, on vérifie si la température maximale des tubes est inférieure à la MOT et si le rendement thermique du four est supérieur au rendement du cas de référence (sans revêtement) ; on vérifie aussi si la température de sortie des tubes des gaz de synthèse reste constante, si le taux de conversion du méthane est supérieur ou au moins égal à la valeur du cas de référence (S1) et si la consommation de GN a diminué - à production du four constante -(on pourrait alternativement choisir la puissance de chauffe du four inchangée et dans ce cas la production augmentée) ; si les conditions sont vérifiées, on passe à E4, sinon on retourne en E1 pour traiter le cas i+1.
En E4, dans le cas où les conditions de E3 sont vérifiées, on calcule les gains de productivité apportés par la réduction de la consommation de GN pour une production donnée -ou l’augmentation de production pour une consommation de gaz naturel inchangée - ;
En E5, on calcule le Temps de Retour sur Investissement (TRI) pour l’installation de revêtements à émissivité modifiée pour le cas étudié.
En E6, on compare le TRI et les gains de productivité aux limites fixées ;
En E7, dans le cas où les conditions de 6 sont vérifiées, le profil testé est « optimal », sinon on teste un nouveau profil.
Remarque : il se peut qu’aucun des profils testés ne réponde aux exigences, il revient alors à l’homme du métier de décider s’il définit ou non de nouveaux profils à tester ; il se peut aussi que un ou plusieurs profils restent à tester après qu’un profil optimal ait été trouvé, il revient là aussi à l’homme du métier de décider s’il teste aussi ces profils pour trouver le cas échéant une meilleure solution ou s’il se satisfait de ce profil.
Dans cet 'exemple, dans le cas 3, seule l’émissivité de la partie haute du four a été modifiée, ce qui permet une amélioration notable des performances du four par rapport au cas standard (cas 1) pour un coût plus faible que l’art antérieur (cas 2); la puissance totale entrant au niveau des brûleurs a été changée pour les simulations S2 et S3 de sorte à garder pratiquement constant le pourcentage de conversion du méthane en sortie du four (et donc la production d’hydrogène). Il est important de signaler que l’exemple n’évalue que 3 profils, le cas 3 est le meilleur de ces 3 profils, c’est à dire meilleur que l’art antérieur. Il est donné ici à titre d’exemple pour illustrer la méthode d’optimisation selon l’invention.
Les résultats obtenus lors des trois simulations avec le logiciel 1D sont rassemblés dans le tableau suivant :
Dans le tableau ci-dessus sont rassemblés les résultats obtenus pour les trois cas étudiés par les 3 simulations numériques correspondantes : S1, S2 et S3 réalisées avec le logiciel 1D. Rappelons que le premier cas (référence) représente le cas où aucune paroi du four ou des tubes n’a été modifiée par rapport à l’émissivité de base, donc pas de revêtement particulier, sur aucune paroi. Le deuxième cas (simulation S2) correspond à une augmentation de l’émissivité de l’ensemble des parois du four (revêtement à haute émissivité sur l’ensemble des parois du four, selon la solution connue de l’art antérieur). Le troisième cas (simulation S3) représente un exemple d’optimisation dans lequel seule la moitié haute des parois du four a un revêtement à haute émissivité. Ce cas représente une amélioration par rapport au cas de l’art antérieur (cas 2). En effet, S3 montre que la température maximale des tubes est plus faible de 2°C par rapport aux calculs de S2 avec un rendement thermique du four qui quoique légèrement plus faible reste sensiblement équivalent et satisfaisant. Le coût de l’installation du
revêtement est moitié moindre pour le cas 3 que pour le cas 2, par conséquent le temps de retour sur investissement est deux fois plus court.
Les résultats calculés lors de ces simulations numériques montrent que comme enseigné par l’invention, une augmentation ciblée locale de l’émissivité des parois du four (de 0.24 à 0.9) dans la zone présentant un fort besoin de chaleur - ici la moitié supérieure du four (cas 3) - permet d’augmenter sensiblement le rendement thermique global du four (+4.82%) par rapport au cas de référence 1 tout en ayant un temps de retour sur investissement plus faible par rapport au cas 2 (art antérieur) et avec une température maximale des tubes plus faible par rapport au cas de référence 1 mais aussi par rapport au cas de l’art antérieur 2 donc une durée de vie des tubes augmentée par rapport aux cas 1 et 2. L’objectif de maintien du taux de conversion du méthane est atteint de façon satisfaisante puisqu’un taux de conversion sensiblement constant du méthane (-0.3%) est obtenu pour une puissance entrante dans les brûleurs plus basse de 5%. Cette diminution de la puissance entrante permet de diminuer la température maximale des tubes de 3°C. En modifiant aussi l’émissivité des parois du four en partie basse et/ou celle des tubes, des améliorations plus importantes des performances du four pourraient être obtenues, moyennant cependant un coût plus important. L’application de la solution de l’invention permet ainsi, à l’aide de la simulation de déterminer pour un four donné des profils d’émissivité optimisés. Les zones dont l’émissivité est à modifier sont identifiées et les modifications peuvent être apportées, que ce soit lors de la construction ou pendant les périodes de maintenance.
Il est important que les zones d’intervention soient bien définies, afin d’augmenter le rendement du four tout en réduisant les points chauds.
Une solution selon l’invention est de couvrir les parois du four et éventuellement celles des tubes avec une peinture ou un enduit qui augmente l’émissivité de ces parois (cette solution est utilisée en particulier lorsqu’on interviendra pendant une période de maintenance sur un four et/ou des tubes ayant déjà fonctionné) ou bien on peut aussi choisir d’utiliser selon les endroits des réfractaires dont l’émissivité d’origine est élevée, et dans d’autres endroits, et dès la conception du four des réfractaires dont l’émissivité est faible ; on peut aussi choisir des réfractaires et des tubes dont l’émissivité est plus élevée à cet endroit (cette solution est utilisée lorsqu’on la met en œuvre lors de la construction du four, s’agissant des parois du four ou lors du changement de tubes, lorsque la solution concerne ces derniers).
On augmente alors les flux thermiques envoyés sur les tubes aux endroits où leur température est notablement en deçà de leur température de conception et par contre on les réduit là où on risque d’atteindre ou dépasser la température maximale des tubes. L’invention a été présentée ci-dessus dans le cadre d’une modification d’un four de reformage existant ; la méthode de l’invention s’appliquera de même dans le cadre d’une première implantation pour laquelle on souhaitera optimiser l’émissivité des parois à l’intérieur d’un four.
Par ailleurs, l’invention a été décrite dans le cadre d’un reformage à la vapeur, mais ainsi que rappelé, elle s’applique de la même manière à des procédés comprenant des réactions endothermiques, notamment du type craquage à la vapeur de charges hydrocarbonées.
Parmi les avantages de l’invention par rapport aux solutions existantes, on citera pour rappel: la réduction de ΓΟΡΕΧ en diminuant la consommation d’énergie et en augmentant la durée de vie des tubes grâce à la diminution de l’apport de chaleur au niveau des points chauds, ainsi que la diminution du coût de l’installation du revêtement en particulier lorsque seules des parties choisies des parois dans le four sont traitées sélectivement, contrairement aux solutions de l’art antérieur.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS
    1. Méthode pour augmenter l’efficacité thermique d’un four comprenant une chambre de-combustion munie de brûleurs et de tubes remplis de catalyseur et disposés dans la chambre de combustion pour être traversés par un mélange gazeux d’hydrocarbures avec au moins de la vapeur d’eau, ledit mélange étant introduit dans les tubes à une extrémité, ie gaz produit étant récupéré à l'extrémité opposée des tubes, les brûleurs étant disposés de manière à transférer la chaleur de la combustion au mélange d’hydrocarbures et de vapeur à travers la paroi des tubes par augmentation du transfert de chaieur aux tubes, caractérisée en ce qu’eiie comprend : une étape a) de détermination du meilleur profil d'émissivité des parois du four en vue de rendre maximai le rendement thermique du four comprenant : o une étape a1) dans laquelle on définit des contraintes à respecter, parmi lesquelles au moins la température maximale des tubes, la température du gaz produit en sortie des tubes, le taux de conversion, o une étape a2) dans laquelle on définit les différents profils qui seront évalués lors de l’étape a3), o une étape a3) dans laquelle on évalue les performances des profils d’émissivité définis dans l’étape a2) et on en déduit le meilleur profil d’émissivité - aussi dit profil optimal d’émissivité - en fonction des contraintes définies dans l’étape a1). une étape b) de modification de l’émissivité des parois en application des résultats de l’étape a) de sorte à augmenter le transfert de chaieur aux tubes tout en respectant l'ensemble de contraintes définies lors de l'étape ai), en particulier en préservant la durée de vie des tubes.
  2. 2. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle les profils d’émissivité sont définis à partir des surfaces de parois auxquelles on associe des émissivités, de sorte à former des couples de données (émissivité, surfaces).
  3. 3. Méthode selon la revendication 2 dans laquelle à partir de ces couples de données (surfaces, émissivités), on évalue par simulation numérique un certain nombre de grandeurs représentatives des performances des différents profils d’émissivité.
  4. 4. Méthode selon la revendication 3 dans laquelle ces grandeurs représentatives des performances des profils d'émissivité sont calcuiées à l'aide d’un logiciel de type 1D basé sur des bilans de masse et d’énergie appliqués sur ie four. δ. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4 dans iaquelie on prévoit de faire varier i’èmissivité des parois des tubes en plus de celles des parois du four, δ. Méthode seion l'une des revendications précédentes dans laquelle lors de l'étape b), le profil d’émissivité optimal seion l’invention est approché par application de peinture(s) ou d'enduiîCs) à émissivité modifiée appropriée.
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