FR3110461A1 - Procédé et système pour transformer un mélange de gaz par plasmas pulsés - Google Patents

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Abstract

Procédé pour transformer un mélange gazeux en mélange gazeux à plus haute valeur ajoutée, comprenant une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé, une étape de dissociation mettant en œuvre des décharges pulsées générant une onde de choc entre deux électrodes, produisant des gaz, une étape pour évacuer les gaz produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés. L’étape de dissociation étant en outre agencée pour procurer un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par le flux continu de gaz dans ledit réacteur. Voir Figure 1

Description

Procédé et système pour transformer un mélange de gaz par plasmas pulsés
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention appartient au domaine des dispositifs de production de gaz, et en particulier de reformage pour la production de produits à plus haute valeur ajoutée
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les décharges plasmas présentent une alternative électrophysique à la transformation de mélanges gazeux en des mélanges gazeux à plus haute valeur ajoutée par des approches thermiques (pyrolyse), thermocatalytiques (réactions de reformage), ou électrochimiques (électrolyse).
Le documentUS 6,395,197 B1divulgue un procédé et système de production d'hydrogène et de carbone élémentaire à partir du gaz naturel et d'autres hydrocarbures. De l'hydrogène diatomique et des hydrocarbures insaturés sont produits comme gaz de réacteur dans un réacteur plasma à trempe rapide. Pendant la trempe rapide, les hydrocarbures insaturés sont encore décomposés en réchauffant les gaz du réacteur. D'autres gaz peuvent être ajoutés à différentes étapes du processus pour former un produit final souhaité et empêcher les réactions de retour. Le produit est un combustible hydrogène et du carbone élémentaire qui peut être utilisé sous forme de poudre comme produit de base pour plusieurs procédés industriels.
Le documentUS 5,409,784divulgue un système plasmatron-pile à combustible destiné à générer de l’électricité, dans lequel le plasmatron reçoit un carburant hydrocarboné et reforme le combustible hydrocarboné pour produire un gaz riche en hydrogène.
L’utilisation d’impulsions permet de produire des plasmas avec une densité d’espèces réactives équivalente tout en réduisant l’échauffement par rapport à des plasmas non pulsés. L’efficacité énergétique du procédé en est améliorée.
Dans le cas où ces procédés mettent en œuvre des décharges plasma dans des flux de gaz à vitesse élevée, le temps de résidence du gaz peut devenir comparable ou inférieur aux temps caractéristiques d’ionisation. Dans ce cas, la réaction chimique peut ne pas se produire, et le plasma peut ne pas s’amorcer.
On connait déjà des systèmes actifs pour amorcer le plasma, qui permettent d’augmenter le champ électrique au-dessus de la valeur de claquage. Ces systèmes actifs peuvent mettre en œuvre une augmentation de la tension appliquée aux électrodes, une diminution de la pression du gaz, une augmentation de la température du gaz, ou une diminution de la distance inter-électrode par un système mécanique mobile.
Ces systèmes actifs présentés ci-dessus présentent des limitations industrielles. Ils ne sont pas adaptés à des plasmas générés par des impulsions, ce qui ne permet pas de bénéficier de leur efficacité énergétique avantageuse. En effet, la diminution de la pression et l’augmentation de la température nécessitent une interruption du procédé. L’augmentation de la tension nécessite un surdimensionnement du générateur de tension (coût supplémentaire). La présence de pièces mobiles induit des surcoûts de maintenance et d’étanchéité. Par ailleurs les systèmes à rétroaction exigent des capteurs, donc des systèmes de mesure (mesure électrique, mesure optique) et un circuit de traitement pour la rétroaction.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un système de transformation de gaz par plasmas pulsés qui permettent une meilleure continuité opérationnelle et des coûts de maintenance moindres que les procédés et systèmes actuels.
Cet objectif est atteint avec un procédé pour transformer un mélange gazeux en mélange gazeux à plus haute valeur ajoutée:
- une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé,
- une étape de dissociation mettant en œuvre des décharges pulsées générant une onde de choc, produisant des gaz à plus haute valeur ajoutée.
- une étape pour évacuer les gaz produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés,
ladite étape de dissociation étant en outre agencée pour procurer un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par le flux continu de gaz dans ledit réacteur.
La technique de réamorçage mise en œuvre dans le système/procédé selon l’invention est passive et donc fiable.
Il est à noter que cette configuration du réacteur de dissociation pourrait aussi être mise en œuvre dans des chambres de combustion assistée par plasma pour lesquelles le contrôle de la zone réactive dans des milieux à fort écoulement peut constituer un vrai problème.
L’étape de réamorçage passif du plasma peut être avantageusement réalisée dans une zone d’amorçage protégée de l’écoulement gazeux et présentant une distance inter-électrode permettant un allumage du plasma, ledit plasma entrant ensuite dans une zone de propagation présentant une distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3), dans la direction de propagation du plasma (càd de (1) vers (4)), puis dans une zone d’opération stable (4) agencée pour créer un champ électrique adéquat et présentant une distance inter-électrode inférieure à la distance dans ladite zone de propagation (3).
Le passage de la zone (1) à la zone (2) puis (3) est obtenu en utilisant avantageusement l’écoulement induit par des décharges produisant une onde de choc, dites décharges isochores.
Dans un mode préféré de mise en œuvre du procédé selon l’invention, les ondes de choc sont obtenues par des décharges nanosecondes répétitives pulsées, produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée ou neutre.
Un autre problème résolu dans le procédé de transformation de gaz selon l’invention est celui de la nécessité de contrôler l’écoulement gazeux au sein du réacteur plasma.
L’écoulement de gaz entrant (écoulement global) est transformé par passage dans une zone réactive (une réaction transforme les entrants en produits) qui génère son propre écoulement (écoulement induit). Si les produits de la réaction sont convectés en amont de l’écoulement global, ils peuvent être retransformés à nouveau dans la zone réactive, et le rendement énergétique chute.
Dans le procédé selon l’invention, la direction de l’écoulement des gaz produits par la décharge est contrôlée par une onde de choc asymétrique créée par une décharge plasma pulsée entre deux électrodes. L’onde de choc provoquée par la décharge pulsée et l’expansion hydrodynamique associée ont fait l’objet de plusieurs travaux scientifiques [1] [2] [3]. La nouveauté du procédé selon l’invention réside dans la stabilité du contrôle de l’écoulement obtenu.
On rappelle que l’amorçage d’un plasma est piloté par le champ électrique réduit E/N, où E est le champ électrique et N le nombre de molécules par unité de volume. E/N est exprimé en Townsend (1 Td = 10-17V.cm2)
L’hydrodynamique générée par une onde de choc peut prendre deux formes :
- un régime diffusif
- un régime non diffusif, avec présence d’une éjection des gaz chauds produits par la décharge.
Dans l’invention, le régime doit être non diffusif. La théorie de Dumitrache [5] permet d’établir un critère pour obtenir un régime non diffusif, qui dépend du nombre adimensionné π :
π tel que > 60
où E est l’énergie déposée sous forme thermique dans le plasma, d la distance inter-électrode, R le rayon de la décharge, P la pression du gaz.
En régime non diffusif, la décharge crée une onde de choc qui peut être modélisée par une onde de choc cylindrique centrée sur l’axe inter-électrode, et deux ondes de choc sphériques sensiblement centrées devant chacune des électrodes. Dans des conditions initiales axisymétriques, les ondes de choc sphériques diffusent avec la même vitesse et les gaz chauds sont éjectés selon un tore. Dans des conditions initiales non symétriques, une des deux ondes de choc est plus rapide et les gaz chauds sont éjectés du côté de l’onde de choc la plus rapide.
La vitesse de propagation d’une onde de choc est proportionnelle au gradient de pression. Dans une décharge isochore (dépôt d’énergie << temps hydrodynamiques), le gradient de pression est proportionnel au gradient de température à la fin de la décharge. Dans les décharges isochores, l’augmentation de température est due à la prédissociation d’états électroniques excités (échauffement ultrarapide).
L’excitation d’états électroniques augmente avec le champ électrique réduit E/N. Par conséquent, si l’une des deux électrodes est initialement plus chaude, le champ électrique réduit sera supérieur. Par conséquent, l’excitation donc la prédissociation sera supérieure. Par conséquent, la température dans la décharge sera supérieure, donc la pression, donc l’onde de choc sera plus rapide à cette électrode. Par conséquent, les gaz chauds seront éjectés du côté de l’électrode chaude. L’électrode restera chaude, d’où la stabilité.
Dans un exemple particulier de mise en œuvre de l’invention, le chauffage de l’une des électrodes est produit directement par l’impact des ions sur ladite électrode et par la réduction de la diffusion thermique. Le chauffage d’une des deux électrodes peut être augmenté en choisissant pour cette électrode un matériau à faible diffusivité thermique
Pour comprendre les mécanismes contrôlant l’écoulement induit par une seule décharge nanoseconde générée entre une paire d'électrodes et conduisant à la formation des deux régimes hydrodynamiques observés, on pourra utilement se référer au document [6].
Pour comprendre l’impact de la recirculation des flux de gaz sur l'évolution temporelle des espèces et la température des gaz au voisinage de la zone de décharge générant une onde de choc, on pourra utilement se référer au document [7].
Pour une étude numérique de la dynamique des fluides induite par les plasmas produits par deux impulsions laser pour l’inflammation de mélanges combustibles, on pourra utilement se référer au document [8].
Dans le procédé, la géométrie et les propriétés thermophysiques des électrodes sont contrôlées pour générer l’écoulement induit et pour diriger par convection les gaz sortants en dehors de la zone réactive et en aval de l’écoulement global.
Une approche novatrice est également proposée pour la génération des signaux de tension appliqués aux électrodes du réacteur plasma mettant en œuvre le procédé de transformation de gaz selon l’invention.
En effet, il est connu que les plasmas sont caractérisés par le champ électrique réduit (E/N) appliqué dans la décharge (exprimé en Townsend : Td). Différents types de plasma (micro-ondes, nanosecondes, DBD, etc.) correspondent à différentes plages de champs électriques réduits. Chaque gamme de champ électrique réduit correspond à un mode d’excitation différent de la molécule.
La dissociation de molécules (CO2, Hydrocarbures) par plasma requiert à la fois de générer une densité suffisante d’électrons et d’exciter ces électrons aux énergies de vibration des molécules.
La production d’électrons est obtenue par ionisation à des champs électriques forts (> 130 Td). La vibration des molécules est obtenue pour des champs électriques intermédiaires (50 – 100 Td).
Il s’agit ainsi de combiner de manière efficace différents signaux pour obtenir une forte ionisation suivie d’une vibration des molécules par combinaison d’un pulse électrique de champ réduit > 130 Td suivi d’un pulse électrique de champ intermédiaire (50 – 100 Td).
L’étape de dissociation peut en outre comprendre une étape pour générer un signal haute tension de commande de décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension sur des temps courts pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension sur des temps moyens pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnels.
Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un système pour transformer un mélange gazeux, mettant en œuvre le procédé de production selon l’invention, comprenant :
- des moyens pour injecter un mélange gazeux dans ledit réacteur à plasma pulsé,
- un étage de dissociation comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux, ledit écoulement gazeux étant soumis à des décharges pulsées générant une onde de choc, produisant des gaz réactifs,
- un étage pour évacuer les gaz produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés
caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour procurer un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par le flux continu de gaz dans ledit réacteur.
Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un système pour produire du dihydrogène gazeux à partir d’hydrocarbure ou de mélange gazeux contenant des hydrocarbures, mettant en œuvre le procédé de production selon l’invention, comprenant :
- des moyens pour injecter un hydrocarbure sous forme gazeuse et de l’eau dans un réacteur à plasma pulsé, de façon à procurer un écoulement gazeux sensiblement continu dans ledit réacteur à plasma pulsé,
- un étage de dissociation comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux, ledit écoulement gazeux étant soumis à des décharges pulsées générant une onde de choc, produisant des gaz réactifs,
- un étage pour évacuer les gaz produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés
caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour procurer un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par le flux continu de gaz dans ledit réacteur.
Le réacteur à plasma pulsé peut avantageusement comprendre :
- une première électrode longiligne d’une polarité donnée.
- une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée, en regard de ladite première électrode, définissant un espace inter-électrode composé de trois zones et caractérisé par une distance inter-électrode variable :
- une zone de recirculation protégée de l’écoulement gazeux, dite zone d’amorçage, dont la distance inter-électrode permet l’allumage du plasma en présence dudit écoulement gazeux,
- une zone de distance inter-électrode croissante dans le sens dudit écoulement, dite zone de propagation, et
- une zone de distance inter-électrode inférieure à la distance dans ladite zone de propagation, dite zone d’opération stable, agencée pour y créer un champ électrique.
La zone d’opération stable est agencée pour y générer un champ électrique réduit plus important que celui généré dans la zone d’amorçage ou dans la zone de propagation une fois la température d’opération atteinte.
La zone d’opération stable peut être sensiblement parallèle à la direction de l’écoulement gazeux global, ou bien sensiblement transverse à la direction de l’écoulement gazeux global.
Dans cette configuration transverse, l’écoulement gazeux global peut être soit perpendiculaire à un plan sensiblement horizontal traversant les électrodes, soit perpendiculaire à un plan sensiblement vertical traversant les électrodes.
Dans une version particulière de l’invention, le système de production peut en outre comprendre des moyens pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma, mettant en œuvre une onde de choc asymétrique créée par la décharge plasma entre les deux électrodes. Ces moyens de contrôle de direction peuvent avantageusement comprendre des moyens pour augmenter le champ électrique réduit à l’une des deux électrodes, ces moyens d’augmentation de champ pouvant par exemple mettre en œuvre une électrode à effet de pointe ainsi qu’un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes.
Le système de production selon l’invention peut en outre comprendre des moyens pour générer un signal haute tension de commande des décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension sur des temps courts pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension sur des temps moyens pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités.
Le système de production selon l’invention peut être avantageusement mis en œuvre pour la production de dihydrogène gazeux H2à partir de mélanges d’hydrocarbures et de dioxyde de carbone CO2ou à partir d’hydrocarbures.
On peut aussi utiliser le système de production selon l’invention pour produire du dioxygène O2à partir de dioxyde de carbone CO2.
DESCRIPTION DES FIGURES
On comprendra mieux l’invention à la lumière de la description illustrée par les figures ci-après :
- la est un schéma synoptique d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ;
- la est une vue en coupe d’un exemple de réalisation d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ;
- la est une vue agrandie de la , illustrant des composants essentiels du système ;
- la est une vue en coupe partielle d’un exemple de réalisation d’un étage de dissociation au sein d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ;
- la est une vue en coupe partielle d’une première configuration de l’étage de dissociation, dans laquelle la zone stable est transverse à l’écoulement gazeux ;
- la est une vue en coupe partielle d’une seconde configuration de l’étage de dissociation, dans laquelle la zone stable est transverse à l’écoulement gazeux ;
- la illustre les localisations respectives des zones d’amorçage, de propagation et de stabilité au sein d’un étage de dissociation ;
- la est une vue en coupe agrandie d’un étage de dissociation, représentant des distances inter-électrodes caractéristiques ;
- la illustre trois exemples de profils caractéristiques procurant des variations de distance inter-électrodes au sein d’un étage de dissociation ;
- la illustre schématiquement un phénomène de réinjection de gaz chauds dans le plasma au sein d’un réacteur ;
- la est une vue en coupe partielle d’un étage de dissociation configuré pour éviter ce phénomène de réinjection ;
- la illustre trois exemples de réalisation d’électrodes axiales adaptées pour éviter ce phénomène de réinjection ;
- la est un schéma synoptique d’un dispositif de génération d’un signal mixte d’alimentation des électrodes d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ; et
- la est un schéma électrique d’un exemple pratique de réalisation du dispositif générateur de la .
DESCRIPTION D’EXEMPLES DE REALISATION DE L’INVENTION
Un système S de production de gaz dihydrogène selon l’invention comprend, en référence aux figures 1 et 2, un étage de dissociation DI recevant en entrée un flux gazeux tel qu’un mélange de méthane CH4et de gaz carbonique CO2, un étage de refroidissement ultrarapide FQ (« Fast Quenching »), suivi d’un étage de séparation SE du gaz dihydrogène H2 et du gaz monoxyde de carbone CO.
A titre d’exemple pratique, le flux gazeux traité par ce système de production peut être d’environ 0,2 m3/h soit ̴3,5 litres/mn.
On peut prévoir pour la stœchiométrie des intrants gazeux CO2 :CH4, un rapport 50:50 à 30:70 correspondant à un mélange de type biogaz ; et 0:100 pour le méthane pur.
On va maintenant décrire, en référence à la , un exemple pratique de réalisation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention.
L’étage de dissociation 10 comprend une structure 12, de forme cylindrique et réalisée dans un alliage inox/alu, comportant une entrée 21 pour un flux gazeux (CH4, CO2) entrant et définissant une première chambre 20 contenant une première électrode 13 faisant fonction d’anode en vis-à-vis d’une seconde électrode 15 faisant fonction de cathode disposée au milieu d’un orifice 26 de sortie de la première chambre 20. Cette cathode peut être réalisée en tungstène. L’étage de dissociation 10 est en outre pourvu d’un connecteur 11 qui contient un câble d’alimentation de l’électrode 13. La structure 12 contient un bloc isolant 14 disposé pour éviter toute survenue d’un arc électrique du fait de l’alimentation à haute tension de l’électrode 13.
L’orifice de sortie 26 permet aux gaz dissociés de pénétrer dans la zone de refroidissement FQ constituée d’une seconde chambre 27 définie par une structure 23 de forme extérieure cylindrique et de forme intérieure 18 conique procurant une augmentation continue du diamètre intérieur d’écoulement depuis l’orifice 26 jusqu’à la sortie de la zone de refroidissement FQ.
En référence aux figures 2 et 3, le troisième étage SE du système de production de gaz dihydrogène 1 comporte une structure cylindrique 24 couplée mécaniquement à la sortie de l’étage de refroidissement FQ et un conduit d’évacuation radial 22. La chambre de séparation 19 à l’intérieur de la structure 24 est traversée axialement par une tige 25 d’alimentation électrique comportant à son extrémité l’électrode 15 s’étendant dans la chambre de dissociation 20.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 8, des exemples pratiques de réalisation de l’étage de dissociation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention.
Cet étage de dissociation comprend une anode 13 présentant une forme effilée et pointue à son extrémité et une cathode 15, en vis-à-vis de l’anode 13, présentant une extrémité sensiblement arrondie et électriquement reliée à la paroi interne de la chambre de dissociation.
En référence aux figures 4 et 6, trois zones caractéristiques peuvent être identifiées au sein de l’étage de dissociation : une zone dite d’amorçage 1,AMO correspondant à une distance inter-électrode minimale, une zone de début de propagation 2 où le plasma se trouve juste après l’amorçage et dans laquelle la distance inter-électrodes est croissante dans la direction de propagation du plasma , puis une zone de propagation 3,PRO, dans laquelle la distance inter-électrodes est décroissante, suivie d’une zone de stabilité 4,STA située entre la pointe de l’anode 13 et l’extrémité de la cathode 15.
Le bloc isolant 14 disposé en amont de la zone d’amorçage 1 a deux fonctions : il empêche la survenue d’un arc électrique et il crée cette zone 1 protégée du flux dans laquelle l’amorçage va se faire.
Comme l’illustre la , la distance inter-électrodes est variable, croissante puis décroissante, allant d’une valeur d1 minimale dans la zone d’amorçage 1 jusqu’à une valeur d4 dans la zone de stabilité 4 entre la pointe de l’électrode 13 et l’extrémité de l’électrode 15.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 5A et 5B, deux configurations d’un étage de dissociation d’un système de transformation de gaz selon l’invention, dans lesquelles le flux gazeux est transverse au dispositif d’électrodes.
Dans une première configuration particulière de l’étage de dissociation 50A, illustrée par la sur laquelle les traits en pointillé délimitent la zone de flux , le flux gazeux 55A s’écoule perpendiculairement au plan horizontal du dispositif d’électrodes 53,57. La zone d’amorçage 1 est située hors écoulement du flux 55A et est donc protégée de ce flux. Lors de la décharge en zone 1, chaque étincelle peut faire basculer l’écoulement induit, soit vers la gauche, soit vers la droite. La fréquence des impulsions étant élevée (de l’ordre de 1000 impulsions par seconde) , il suffit d’attendre l’étincelle qui permet l’écoulement vers la droite (au sens de vers le dispositif d’électrodes 53,57), pour qu’il y ait un amorçage correct. On peut aussi prévoir une petite dérivation du flux pour entraîner le plasma vers le dispositif d’électrodes 53,57. Cet écoulement induit va permettre de placer le plasma en zone de début de propagation 2 dans le flux 55A, puis le plasma va lentement se déplacer sur la zone de propagation 3 jusqu’à la zone de stabilité 4.
Dans une seconde configuration particulière de l’étage de dissociation 50B illustrée par la , le flux gazeux 55B s’écoule perpendiculairement au plan vertical du dispositif d’électrodes 53,57.
Plusieurs profils de la zone de propagation peuvent être envisagés comme l’illustre la . L’efficacité du profil dépend du rapport d1/d4 et du nombre π (lié au régime non-diffusif) qui sont choisis en fonction de la fréquence et de la température.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 9 à 112, des modes de réalisation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention, permettant de résoudre le problème de la réinjection des gaz produits dans le plasma.
Pour réaliser le contrôle de l’écoulement gazeux dans le réacteur, le système de production de gaz selon l’invention comprend ainsi :
  • deux électrodes (13 et 15) en regard l’une de l’autre, définissant une zone inter-électrode dans laquelle est créé un champ électrique entre les deux électrodes pour produire une décharge plasma génératrice d’une onde de choc, ci-après ditedécharge isochore
  • une zone réactive dans laquelle on favorise un champ réduit élevé à l’une des deux électrodes, par utilisation d’une électrode effet de pointe, avec une augmentation de la température, par un mécanisme de chauffage inclus dans l’électrode (13) et par la réduction de mécanismes de refroidissement autour de l’électrode.
On va maintenant décrire des profils géométriques possibles pour les zones d’amorçage, de propagation et de stabilisation au sein d’un réacteur à plasma pulsé d’un système de transformation d’un mélange de gaz selon l’invention.
Il est tout d’abord important de noter qu’un modèle de propagation idéal unidimensionnel (1D) est un profil droit formant un angle α avec la direction de propagation, l’angle α idéal dépendant de la fréquence des pulsations et de la température atteinte. Mais l’amorçage à son début doit jouer sur l’effet de pointe, alors que pour stabiliser en fin de processus, il faut réduire l’espace inter-électrode.
Un profil théorique idéal [amorçage + propagation + stabilisation] serait donc une combinaison d'une pointe et de deux lignes brisées. Comme un tel profil théorique est en pratique difficile à usiner, un profil utilisant les mêmes tangentes que ce profil idéal a été utilisé.
Dans ce contexte, trois géométries de cathode prévues pour assurer un contrôle de l’écoulement sont représentées sur la , avec pour objectif de satisfaire les contraintes suivantes : ne pas bloquer la direction de l’écoulement, prévoir une pièce de cathode remplaçable, et être facilement usinable.
Dans une première géométrie (11.1), la cathode 15.1 a la forme d’une pointe à l’extrémité de la tige 25. Dans une seconde géométrie (11.2), la cathode 15.2 à une forme de disque ajouré disposé dans la partie de plus petit diamètre de la zone de refroidissement rapide. Dans une seconde géométrie (11.3), la cathode 15.3 a une géométrie complexe s’étendant depuis la zone d’amorçage jusqu’à la zone de stabilité. Ces cathodes 15.2 ou 15.3 peuvent être réalisées en matériau Tungstène en utilisant des machines de prototypage additif.
Dans un mode de fonctionnement préféré, le plasma pulsé générant une onde de choc sera généré par des impulsions Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP), avec une tension de 10 kV et une fréquence de répétition dans une gamme de 5 à 500 kHz, préférentiellement entre 10 et 100 kHz.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 12 et 13, un exemple de réalisation d’un système pour générer des signaux de tension qui sont appliqués aux électrodes du réacteur plasma d’un système de production de gaz selon l’invention. Les signaux de tension résultent d’une combinaison de signaux haute tensions de forme variable pour la production de décharges plasma, de façon à exciter différents modes d’énergie d’une molécule pour obtenir un effet chimique désirable.
Dans le système de génération de signaux 30, on combine ainsi un signal de très haute tension (> 130 Td) sur des temps courts (0-20 ns), ditimpulsion courte, pour ioniser le gaz avec un signal de haute tension (50 – 100 Td) sur des temps longs (0-1 s), ditimpulsion longuepour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnels. L’impulsion longue est générée par un module générateur d’impulsion longue 31, et l’impulsion courte est générée par un module NRP 32. Les deux signaux sont combinés avec un module de mixage 33.
Le système de génération 30 comprend :
  • un module DC 31 générant une impulsion haute tension de durée 0 – 1s, ci-après ditimpulsion longue, pourvue d’une adaptation d’impédance,
  • un module NRP 32 générant une impulsion haute tension de durée 0 – 20 ns, ci-après ditimpulsion courte, pourvue d’une adaptation d’impédance,
  • un module 33 de mixage entre impulsion courte et impulsion longue (4).
  • Des sondes de tension 34 délivrant des informations relatives aux signaux effectivement appliqués sur les électrodes du réacteur 10.
Le module générateur d’impulsion longue 31 est équipé d’une protection réalisée par un filtre passe-bas de premier ordre, tandis que le module générateur d’impulsion courte 32 est équipé d’une protection réalisée par un filtre passe-haut de deuxième ordre.
Le module générateur d’impulsion courte 32 fournit un champ électrique réduit > 100 Td et de durée 0 – 20 ns, tandis que le module générateur d’impulsion longue 31 fournit un champ électrique réduit de 50 – 100 Td et de durée 0 – 1s.
Le système générateur de signaux 30 est défini pour que le champ électrique réduit de l’impulsion longue soit en dessous du seuil d’ionisation. Le plasma est en régime sous-critique.
A partir de calculs cinétiques, on obtient ;
  • champ E/N optimal : 50 Td soit 4 kV/cm à une température de 900 K et 3 kV/cm à une température de 1200 K.
  • Plages cibles : tension [1 – 4 kV], et [0.5 – 30 A].
Dans un premier exemple, le générateur d’impulsion longue 31 est un générateur DC de tension 3 kV et de courant maximal 1 A, et le générateur d’impulsion courte 32 est un générateur haute tension NRP de tension 10 kV. Le circuit NRP est protégé du DC et le circuit DC est protégé du NRP.
Dans un autre exemple, le générateur d’impulsion courte 32 est un générateur nanoseconde d’impulsion 10 ns, et le générateur d’impulsion longue 31 est un générateur pulsé d’impulsions 1 µs.
La présente invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits et de nombreux autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. En particulier, la technique de réamorçage exposée dans la présente invention pourrait aussi être mise en œuvre dans un système de combustion assistée par plasma ou pour des scramjets (statoréacteur à combustion supersonique).
REFERENCES
[1] « Experimental study of the hydrodynamic expansion following a nanosecond repetitively pulsed discharge in air » (2011) Da A. Xu , Deanna A. Lacoste , Diane L. Rusterholtz , Paul-Quentin Elias , Gabi D. Stancu et Christophe O. Laux.
[2] « Simulation of the hydrodynamic expansion following a nanosecond pulsed spark discharge in air at atmospheric pressure » (2013) Fabien Tholin et Anne Bourdon
[3] Hydrodynamic Regimes Induced by Nanosecond Pulsed Discharges in Air: Mechanism of Vorticity Generation, (2019) Ciprian Dumitrache 1 , Arnaud Gallant , Nicolas Minesi , Sergey Stepanyan , Gabi D Stancu et Christophe O Laux
[4] Dumitrache, C.; Yalin, A.P. Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Plasma; In 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting; American Institute of Aeronautics and Astronautics: Reston, Virginia, 2018, 10.2514/6.2018-0689.
[5] Dumitrache, C.; Galant, A.; Minesi, N.; Stepanyan, S.; Stancu, G.-D.; Laux, C.O. Hydrodynamic regimes in NRP discharges (in preparation). Journal of Physics D: Applied Physics 2019.
[6] Two Regime Cooling in Flow Induced by a Spark Discharge. Bhavini Singh, Lalit K. Rajendran, Pavlos P. Vlachos, and Sally P. M. Bane. Phys. Rev. Fluids 5, 014501 – Published 14 January 2020
[7] A 3-D DNS and experimental study of the effect of the recirculating flow pattern inside a reactive kernel produced by nanosecond plasma discharges in a methane-air mixture Maria Castela , Sergey Stepanyan (2017).
[8] Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Laser Plasma, Ciprian Dumitrache , Azer Yalin (2018).
[9] Mao et al 2018, “Numerical modeling of ignition enhancement of CH4/O2/He mixtures using a hybrid repetitive nanosecond and DC discharge”, doi/ 10.1016/j.proci.2018.05.106

Claims (23)

  1. Procédé pour transformer un mélange de gaz, comprenant :
    • une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé (10),
    • une étape de dissociation mettant en œuvre des décharges isochores entre deux électrodes (13,15), et des gaz produits à partir du mélange gazeux entrant,
    • une étape pour évacuer les gaz produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés,
    ladite étape de dissociation comprenant, dans le cas où le plasma produit dans ledit réacteur (10) serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur (10), une étape pour procurer un réamorçage passif dudit plasma, ladite étape de réamorçage passif étant réalisée dans une zone d’amorçage (1, AMO) procurant une zone protégée de l’écoulement gazeux (5) et présentant une distance inter-électrode (d2) permettant un allumage du plasma à l’abri dudit écoulement gazeux (5).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de réamorçage passif du plasma comprend en outre, en sortie de la zone d’amorçage (1, AMO), une entrée dudit plasma dans une zone de propagation (2 et 3, PRO) présentant une distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma, puis dans une zone d’opération stable (4, STA) agencée pour créer un champ électrique et présentant une distance inter-électrode (d4) inférieure à la distance dans ladite zone de propagation (PRO).
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les décharges pulsées produites entre la première électrode de polarité donnée (13) et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée (15) sont commandées pour générer une onde de choc dans la zone d’amorçage (1, AMO).
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de dissociation comprend en outre un contrôle de la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma, ce contrôle de direction mettant en œuvre une onde de choc asymétrique créée par une décharge plasma entre les deux électrodes.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le contrôle de direction comprend une augmentation du champ électrique réduit à l’une des deux électrodes (13,15).
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’asymétrie du champ électrique réduit est produite par un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes (13,15).
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de dissociation comprend en outre une étape pour générer un signal haute tension de commande de décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension sur des temps courts pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension sur des temps longs pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnels.
  8. Système (S) pour transformer un gaz, mettant en œuvre le procédé de production selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant :
    • des moyens (21) pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé (10), de façon à procurer un écoulement gazeux entrant sensiblement continu dans ledit réacteur à plasma pulsé (10),
    • un étage de dissociation (DI) comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux entrant, ledit écoulement gazeux étant soumis à des décharges isochores entre deux électrodes (13,15), de façon à produire des gaz réactifs,
    • une interface pour évacuer les gaz réactifs vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés.
    caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé comprend une zone protégée de l’écoulement gazeux, dite zone d’amorçage (1), dont la distance inter-électrode (d1) permet l’allumage du plasma de façon à procurer un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par le flux continu de gaz dans ledit réacteur plasma (10).
  9. Système (S) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé (10) comprend en outre :
    • une première électrode (15) longiligne d’une polarité donnée,
    • une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée (13), en regard de ladite première électrode, définissant un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter-électrode variable et composé de la zone d’amorçage (1) et de deux autres zones et :
      • une zone de distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma , dite zone de propagation (2,3), et
      • une zone de distance inter-électrode (d4) inférieure à la distance dans ladite zone de propagation, dite zone d’opération stable (4), agencée pour créer un champ électrique E.
  10. Système (S) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les décharges pulsées produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée sont commandées pour générer une onde de choc par des décharges isochores dans la zone d’amorçage (AMO).
  11. Système (S) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est agencée pour y générer un champ électrique réduit plus important que celui généré dans la zone d’amorçage (AMO) ou dans la zone de propagation (PRO).
  12. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est sensiblement parallèle à la direction de l’écoulement gazeux global.
  13. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est sensiblement transverse à la direction de l’écoulement gazeux global.
  14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l’écoulement gazeux global (55A) est perpendiculaire à un plan sensiblement horizontal traversant les électrodes (53,57).
  15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l’écoulement gazeux global (55B) est perpendiculaire à un plan sensiblement vertical traversant les électrodes (53,57).
  16. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma,
    lesdits moyens de contrôle de direction comprenant des moyens pour augmenter le champ électrique réduit à l’une des deux électrodes.
  17. Système (S) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens pour augmenter le champ électrique réduit mettent en œuvre une électrode à effet de pointe.
  18. Système (S) selon l’une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que les moyens pour augmenter le champ électrique réduit mettent en œuvre un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes.
  19. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 18, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens (30) pour générer un signal haute tension de commande des décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension sur des temps courts pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension sur des temps longs pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnels.
  20. Utilisation du système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 19, pour produire du dihydrogène gazeux à partir de mélanges hydrocarbures et CO2 ou d’hydrocarbures.
  21. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les décharges isochores comprennent des décharges à impulsions nanosecondes répétitives (NRP).
  22. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 20 ou 21, caractérisé en ce que l’interface d’évacuation des gaz réactifs comprend :
    • un étage (FQ) de refroidissement rapide desdits gaz réactifs,
    • un étage (SE) pour séparer le dihydrogène gazeux et le monoxyde de carbone produits à l’issue du refroidissement desdits gaz réactifs.
  23. Utilisation du système selon l’une quelconque des revendications 8 à 19, pour produire de l’oxygène à partir de dioxyde de carbone.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5409784A (en) 1993-07-09 1995-04-25 Massachusetts Institute Of Technology Plasmatron-fuel cell system for generating electricity
US6395197B1 (en) 1999-12-21 2002-05-28 Bechtel Bwxt Idaho Llc Hydrogen and elemental carbon production from natural gas and other hydrocarbons
WO2010037237A1 (fr) * 2008-10-03 2010-04-08 Atlantic Hydrogen Inc. Appareil et procédé pour réaliser des réactions fondées sur un plasma
WO2013078880A1 (fr) * 2011-12-01 2013-06-06 National Institute Of Clean-And-Low-Carbon Energy Système réacteur à plasma à plusieurs étages renfermant des cathodes creuses pour le craquage de matière carbonée
CN109663555A (zh) * 2019-01-27 2019-04-23 浙江大学 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5409784A (en) 1993-07-09 1995-04-25 Massachusetts Institute Of Technology Plasmatron-fuel cell system for generating electricity
US6395197B1 (en) 1999-12-21 2002-05-28 Bechtel Bwxt Idaho Llc Hydrogen and elemental carbon production from natural gas and other hydrocarbons
WO2010037237A1 (fr) * 2008-10-03 2010-04-08 Atlantic Hydrogen Inc. Appareil et procédé pour réaliser des réactions fondées sur un plasma
WO2013078880A1 (fr) * 2011-12-01 2013-06-06 National Institute Of Clean-And-Low-Carbon Energy Système réacteur à plasma à plusieurs étages renfermant des cathodes creuses pour le craquage de matière carbonée
CN109663555A (zh) * 2019-01-27 2019-04-23 浙江大学 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BHAVINI SINGHLALIT K. RAJENDRANPAVLOS P. VLACHOSSALLY P. M. BANE: "Two Regime Cooling in Flow Induced by a Spark Discharge", PHYS. REV. FLUIDS, vol. 5, 14 January 2020 (2020-01-14), pages 014501
CIPRIAN DUMITRACHE 1ARNAUD GALLANTNICOLAS MINESISERGEY STEPANYANGABI D STANCUCHRISTOPHE O LAUX, HYDRODYNAMIC REGIMES INDUCED BY NANOSECOND PULSED DISCHARGES IN AIR: MECHANISM OF VORTICITY GENERATION, 2019
CIPRIAN DUMITRACHEAZER YALIN, NUMERICAL MODELING OF THE HYDRODYNAMICS INDUCED BY DUAL-PULSE LASER PLASMA, 2018
DA A. XUDEANNA A. LACOSTEDIANE L. RUSTERHOLTZPAUL-QUENTIN ELIASGABI D. STANCUCHRISTOPHE O. LAUX, EXPÉRIMENTAL STUDY OF THE HYDRODYNAMIC EXPANSION FOLLOWING A NANOSECOND RE-PETITIVELY PULSED DISCHARGE IN AIR, 2011
DUMITRACHE, C.GALANT, A.MINESI, N.STEPANYAN, S.STANCU, G.-D.LAUX, C.O.: "Hydrodynamic regimes in NRP discharges (in preparation", JOURNAL OF PHYSICS D: APPLIED PHYSICS, 2019
DUMITRACHE, C.YALIN, A.P.: "2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting", 2018, AMERICAN INSTITUTE OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, article "Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Plasma"
FABIEN THOLINANNE BOURDON, SIMULATION OF THE HYDRODYNAMIC EXPANSION FOLLOWING A NANOSECOND PULSED SPARK DISCHARGE IN AIR AT ATMOSPHERIC PRESSURE, 2013
MAO ET AL., NUMERICAL MODELING OF IGNITION ENHANCEMENT OF CH4/02/HE MIXTURES USING A HYBRID REPETITIVE NANOSECOND AND DC DISCHARGE, 2018
SERGEY STEPANYAN, A 3-D DNS AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECT OF THE RECIRCULATING FLOW PATTERN INSIDE A REACTIVE KERNEL PRODUCED BY NANOSECOND PLASMA DISCHARGES IN A METHANE-AIR MIXTURE MARIA CASTELA, 2017

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