WO2003040029A1 - Method for hydrogen production by catalytic decomposition of hydrocarbons, method and installation for electric power production using same - Google Patents

Method for hydrogen production by catalytic decomposition of hydrocarbons, method and installation for electric power production using same Download PDF

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WO2003040029A1
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Cyrille Millet
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Carlos Marquez-Alvarez
Yves Schuurman
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Definitions

  • a process which does not have these drawbacks is known from document FR-2-790 750. It is of the type in which a gas rich in hydrogen is produced, by catalytic decomposition of at least one hydrocarbon present in an initial gas, the decomposition being '' carried out using a catalytic system comprising a support and a catalyst carried by this support, this process comprising at least the steps in which: a) the initial gas is brought into contact with the catalytic system, and b) regenerates the catalytic system using a regenerating gas containing oxygen.
  • the method according to the invention is intended to be implemented to produce a gas rich in hydrogen by catalytic decomposition at least one hydrocarbon present in an initial gas.
  • the hydrocarbon is methane CH 4 .
  • the reactor is sequentially fed by the initial gas, which is a mixture of methane and pure helium, followed by a neutral gas, namely pure helium 'and finally by the regenerating gas, consisting of a mixture of oxygen and pure helium.
  • the initial gas which is a mixture of methane and pure helium
  • a neutral gas namely pure helium 'and finally by the regenerating gas, consisting of a mixture of oxygen and pure helium.
  • the catalytic reactor 2 with a fixed bed, contains grains of a catalytic system comprising platinum on a cerine support as described above. As for the fuel cell, it is of the proton exchange membrane type. By means of valves 8 and 11, the catalytic reactor 2 is supplied alternately with natural gas and then with air, which is used to implement the catalytic decomposition process which has been previously described in detail.
  • Natural gas GN does not only contain hydrocarbons. In particular, it also contains nitrogen which would constantly accumulate in the loop over the cycles if the purge P did not exist. Also, the flow rate evacuated by this purge P is regulated as a function of the nitrogen content present in the gas mixture at the outlet of the hydrogen cell 5.

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Abstract

The invention concerns a method for producing hydrogen comprising at least steps which consist in: a) contacting an initial gas and a catalytic system, so as to prepare a hydrogen-rich gas, by catalytic decomposition of at least a hydrocarbon present in the initial gas, b) generating the catalytic system using an oxygen-containing regenerating gas. The catalytic system comprises a catalyst and a support capable of storing and restoring at least oxygen and oxycarbon species, and bearing the catalyst. Said method can be advantageously used in combination with a fuel cell (5), in a process and an installation for electric power production.

Description

Procédé de production d' hydrogène par décomposition catalytique d' hydrocarbures, procédé et installation de production d' énergie électrique en comportant application Process for the production of hydrogen by catalytic decomposition of hydrocarbons, process and installation for the production of electrical energy, comprising application
La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'un gaz riche en hydrogène, par décomposition catalytique d' au moins un hydrocarbure présent dans un gaz initial, ainsi qu'un procédé et une installation dans lesquels ce procédé d'élaboration d'un gaz riche eh hydrogène est mis en œuvre afin de produire de l'énergie électrique.The present invention relates to a process for the preparation of a gas rich in hydrogen, by catalytic decomposition of at least one hydrocarbon present in an initial gas, as well as to a process and an installation in which this process for the preparation of a gas rich in hydrogen is used to produce electrical energy.
Divers procédés, comme le reformage du méthane à la vapeur, sont actuellement utilisés industriellement pour produire de l'hydrogène à partir d'un gaz qui contient au moins un hydrocarbure, tel que le gaz naturel. Ces procédés, adaptés aux productions en grande quantité, sont lourds. En d'autres termes, les installations pour leur mise en œuvre représentent des investissements conséquents, requièrent un personnel important et qualifié pour leur maintenance et leur conduite, consomment beaucoup d'énergie et comprennent des équipements auxiliaires pour produire par exemple de la vapeur ou de l'air comprimé.Various processes, such as steam methane reforming, are currently used industrially to produce hydrogen from a gas which contains at least one hydrocarbon, such as natural gas. These processes, suitable for mass production, are cumbersome. In other words, the installations for their implementation represent substantial investments, require significant and qualified personnel for their maintenance and their operation, consume a lot of energy and include auxiliary equipment to produce for example steam or compressed air.
Un procédé ne présentant pas ces inconvénients est connu du document FR-2-790 750. Il est du type dans lequel on élabore un gaz riche un hydrogène, par décomposition catalytique d' au moins un hydrocarbure présent dans un gaz initial, la décomposition étant' effectuée à l'aide d'un système catalytique comprenant un support et un catalyseur porté par ce support, ce procédé comportant au moins les étapes dans lesquelles : a) on met en contact le gaz initial et le système catalytique, et b) on régénère le système catalytique à l'aide d'un gaz régénérant contenant de l'oxygène.A process which does not have these drawbacks is known from document FR-2-790 750. It is of the type in which a gas rich in hydrogen is produced, by catalytic decomposition of at least one hydrocarbon present in an initial gas, the decomposition being '' carried out using a catalytic system comprising a support and a catalyst carried by this support, this process comprising at least the steps in which: a) the initial gas is brought into contact with the catalytic system, and b) regenerates the catalytic system using a regenerating gas containing oxygen.
Dans ce dernier procédé, le catalyseur est formé par de la poudre de nickel associée à un support en oxyde de silicium Si02. Lors de la décomposition catalytique des molécules d'hydrocarbure, de l'hydrogène est libéré, tandis que les atomes de carbone initialement présents dans les molécules d'hydrocarbure se regroupent sous forme de « nanotubes » ou « nanofilaments » à l'intérieur du support. L'amenuisement progressif du rendement de cette réaction de décomposition conduit à la nécessité d'effectuer une régénération du catalyseur, par exemple au moyen d'un balayage à l'air.In the latter process, the catalyst is formed by nickel powder associated with a support made of silicon oxide Si0 2 . During the catalytic decomposition of the hydrocarbon molecules, hydrogen is released, while that the carbon atoms initially present in the hydrocarbon molecules are grouped together in the form of “nanotubes” or “nanofilaments” inside the support. The gradual reduction in the yield of this decomposition reaction leads to the need to carry out a regeneration of the catalyst, for example by means of an air sweep.
Pour plus de précisions sur les mécanismes qui entrent alors en jeux, on se reportera notamment aux documents suivants :For more details on the mechanisms which then come into play, we will refer in particular to the following documents:
- l'article de ZHA G et Al. paru dans « APPLIED CATALYSIS A », 1998, volume 167, pages 161 à 172 ;- the article by ZHA G et Al. published in "APPLIED CATALYSIS A", 1998, volume 167, pages 161 to 172;
- l'article de MURADOV paru dans « ENERGY AND FUELS », 1998, volume 12, pages 41 à 48 ; - l'article de CHEN et Al. paru dans la revue- the article by MURADOV published in “ENERGY AND FUELS”, 1998, volume 12, pages 41 to 48; - the article by CHEN et Al. published in the review
« CARBON », 1997, volume 35, pages 1495 à 1501 ; l'article de POIRIER et Al. paru dans « INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY », 1997, volume"CARBON", 1997, volume 35, pages 1495 to 1501; the article by POIRIER et Al. published in “INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY”, 1997, volume
22, pages 429 à 433 ; ou encore " .- l'article de STEINBERG paru dans « INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY », 1998, volume22, pages 429 to 433; or even " .- the article by STEINBERG published in" INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY ", 1998, volume
23, pages 419 à 425.23, pages 419 to 425.
La poursuite des expérimentations dans cette voie a toutefois montré que malgré les phases de régénération, le support est encrassé par de la suie après plusieurs cycles, ce qui n'est pas satisfaisant dans le cas d'une exploitation industrielle.The continuation of experiments in this way has however shown that despite the regeneration phases, the support is clogged with soot after several cycles, which is not satisfactory in the case of industrial exploitation.
L'invention a donc pour but de remédier à l'encrassement rapide du support par de la suie. A cet effet l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que le support du catalyseur est apte à stocker et restituer au -moins de l'oxygène et des espèces oxycarbonées. L'invention a également pour objet un procédé de production d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il inclut le procédé d'élaboration tel que défini ci-dessus, ainsi que des étapes dans lesquelles : c) on récupère le gaz riche en hydrogène, et d) on alimente une pile à combustible de manière essentiellement directe avec le gaz riche en hydrogêne.The invention therefore aims to remedy the rapid fouling of the support with soot. To this end the invention relates to a process of the aforementioned type, characterized in that the support of the catalyst is capable of storing and restoring at least oxygen and oxycarbonaceous species. The subject of the invention is also a process for producing electrical energy, characterized in that it includes the preparation process as defined above, as well as stages in which: c) the gas rich in is recovered hydrogen, and d) a fuel cell is supplied essentially directly with the hydrogen-rich gas.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de ce procédé de production d'énergie électrique : - avant l'étape d) , on fait passer ce gaz riche en hydrogène dans une recharge d'un piège prévu pour éliminer d'éventuelles impuretés néfastes à la pile, dont des traces éventuelles de monoxyde de carbone ;According to other advantageous characteristics of this method of producing electrical energy: - before step d), this hydrogen-rich gas is passed through a refill of a trap intended to eliminate any harmful impurities in the cell , including possible traces of carbon monoxide;
- la pile à combustible est du type à membrane à échange de protons ;- the fuel cell is of the proton exchange membrane type;
- il comporte des étapes dans lesquelles : e) on récupère un gaz résiduaire produit lors de l'étape d) et contenant une partie non décomposée de l'hydrocarbure présent dans le gaz initial, et f) on soumet ce gaz résiduaire au procédé, tel que défini ci-dessus, d'élaboration d'un gaz riche en hydrogène ;it comprises stages in which: e) a waste gas produced during stage d) is recovered and containing an undecomposed part of the hydrocarbon present in the initial gas, and f) this waste gas is subjected to the process, as defined above, for the production of a gas rich in hydrogen;
- avant l'étape d) , on refroidit le gaz riche en hydrogène . De plus l'invention a pour objet une installation de production d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comporte :- Before step d), the hydrogen-rich gas is cooled. Furthermore, the subject of the invention is an installation for producing electrical energy, characterized in that it comprises:
- un réacteur catalytique prévu pour la mise en œuvre du procédé, tel que défini ci-dessus, d'élaboration d'un gaz riche en hydrogène, ce réacteur catalytique renfermant un système catalytique qui comporte un support et un catalyseur porté par ce support, ledit support étant apte à stocker et restituer au moins de l'oxygène et des espèces oxycarbonées, et une pile à combustible, placée en aval du réacteur catalytique.a catalytic reactor intended for the implementation of the process, as defined above, for the production of a gas rich in hydrogen, this catalytic reactor containing a catalytic system which comprises a support and a catalyst carried by this support, said support being capable of storing and restoring at least oxygen and carbon-containing species, and a fuel cell, placed downstream of the catalytic reactor.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de cette installation : - elle comporte un piège à recharge, qui est prévu pour éliminer d'éventuelles impuretés néfastes à la piles, dont des traces éventuelles de monoxyde de carbone, et qui est placé entre le réacteur catalytique et la pile à combustible ; - elle comporte une canalisation de retour, reliant un point en aval de la pile à combustible à un point en amont du réacteur catalytique ;According to other advantageous characteristics of this installation: - it includes a recharging trap, which is intended to remove possible harmful impurities in the batteries, including possible traces of carbon monoxide, and which is placed between the catalytic reactor and the fuel cell; - It includes a return line, connecting a point downstream of the fuel cell to a point upstream of the catalytic reactor;
- la canalisation de retour est pourvue de moyens pour entraîner le gaz résiduaire vers le point en amont du réacteur catalytique ;- The return line is provided with means for driving the waste gas to the point upstream of the catalytic reactor;
- elle comporte une purge se raccordant sur une portion de l'installation comprenant la canalisation de retour et reliant la pile audit point en amont du réacteur catalytique ; - elle comporte des moyens de refroidissement du gaz riche en hydrogène, ces moyens de refroidissement étant placés entre le réacteur catalytique et la pile à combustible.- It includes a drain connecting to a portion of the installation comprising the return pipe and connecting the cell to said point upstream of the catalytic reactor; - It includes means for cooling the hydrogen-rich gas, these cooling means being placed between the catalytic reactor and the fuel cell.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique annexée qui représente une installation, conforme à l'invention, de production d'énergie électrique.The invention will be clearly understood on reading the description which follows, given solely by way of example and made with reference to the single appended figure which represents an installation, according to the invention, for producing electrical energy. .
Le procédé selon l'invention est destiné à être mis en œuvre pour produire un gaz riche en hydrogêne par décomposάtion catalytique d'au moins un hydrocarbure présent dans un gaz initial .The method according to the invention is intended to be implemented to produce a gas rich in hydrogen by catalytic decomposition at least one hydrocarbon present in an initial gas.
Par hydrocarbure, on entend tout hydrocarbure, sous forme de gaz dans les conditions mises en œuvres pour le procédé selon l'invention, ou tout mélange d'hydrocarbures. Les hydrocarbures préférés sont le méthane, l'éthane, le propane et le butane. Bien entendu tout autre hydrocarbure connu et pouvant être catalytiquement transformé majoritairement en carbone et en hydrogène peut être utilisé dans la présente invention. Le gaz initial dans lequel sont présents le ou les hydrocarbures peut être un gaz pur ou un mélange tel que le gaz naturel ou le gaz de pétrole liquéfié (GPL) . Le procédé considéré comprend deux principales étapes. Dans la première étape, la décomposition d'au moins une partie de l'hydrocarbure résulte de la mise en contact du gaz initial avec un système catalytique comprenant un support et un catalyseur porté par ce support . La décomposition de l'hydrocarbure libère de l'hydrogène qui s'échappe sous forme gazeuse H2 et du carbone qui est stocké par le support d'une manière qui sera précisée par la suite .By hydrocarbon is meant any hydrocarbon, in the form of gas under the conditions implemented for the process according to the invention, or any mixture of hydrocarbons. The preferred hydrocarbons are methane, ethane, propane and butane. Of course, any other known hydrocarbon which can be catalytically converted mainly into carbon and hydrogen can be used in the present invention. The initial gas in which the hydrocarbon (s) are present may be a pure gas or a mixture such as natural gas or liquefied petroleum gas (LPG). The process considered comprises two main steps. In the first step, the decomposition of at least part of the hydrocarbon results from the contacting of the initial gas with a catalytic system comprising a support and a catalyst carried by this support. The decomposition of the hydrocarbon releases hydrogen which escapes in gaseous form H 2 and carbon which is stored by the support in a manner which will be specified later.
Lors de la deuxième étape du procédé, on régénère le support, c'est-à-dire qu'on le débarrasse du carbone qui s'y est . accumulé, par réaction avec un gaz régénérant comprenant .avantageusement de l'oxygène, mais pouvant comprendre d'autres oxydants tels que du dioxyde de carbone et de l'eau. Par exemple, cette étape de régénération peut être réalisée par balayage du support avec un courant d'oxygène pur, ou plus simplement avec de l'air, ou bien encore avec tout autre gaz comprenant de 1 ' oxygène . L'oxygène du gaz régénérant réagit avec le carbone présent sur le support pour former du dioxyde de carbone sous forme gazeuse C02.During the second step of the process, the support is regenerated, that is to say that it gets rid of the carbon which is there . accumulated, by reaction with a regenerating gas comprising . advantageously oxygen, but which may include other oxidants such as carbon dioxide and water. For example, this regeneration step can be carried out by sweeping the support with a stream of pure oxygen, or more simply with air, or alternatively with any other gas comprising oxygen. The oxygen of the regenerating gas reacts with the carbon present on the support to form carbon dioxide in gaseous form C0 2 .
Selon l'invention, le support .du catalyseur est un oxyde apte à stocker et restituer au moins de l'oxygène et/ou des espèces oxycarbonnées . Grâce à une spectroscopie infrarouge à réflexion diffuse mise en œuvre pour déterminer la nature des espèces chimiques se formant à la surface du système catalytique et pour suivre les évolutions de ces espèces, il a été observé qu'avec un tel support, les carbones des hydrocarbures au moins en partie déshydrogénés lors de la décomposition catalytique sont ensuite stockés par oxydation partielle, en se combinant avec les oxygènes de support, et non en formant des nanotubes ou nanofilaments de carbone. En effet, à la surface du support, on a constaté la présence d'espèces oxycarbonées C0X adsorbées et d'espèces hydro-oxycarbonées HyCOx adsorbées .According to the invention, the support of the catalyst is an oxide capable of storing and restoring at least oxygen and / or oxy-carbon species. Thanks to a diffuse reflection infrared spectroscopy implemented for determine the nature of the chemical species forming on the surface of the catalytic system and to follow the evolution of these species, it has been observed that with such a support, the carbons of the hydrocarbons at least partially dehydrogenated during the catalytic decomposition are then stored by partial oxidation, by combining with the supporting oxygen, and not by forming carbon nanotubes or nanofilaments. In fact, on the surface of the support, the presence of adsorbed oxycarbon C0 X species and of adsorbed hydro-oxycarbon species H y CO x has been observed.
Les essais ont montré que grâce au mécanisme qui vient d'être mentionné, le support ne s'encrasse pas, ni ne se désactive après plusieurs cycles, conformément au but que l'invention entend atteindre.Tests have shown that, thanks to the mechanism which has just been mentioned, the support does not clog up, nor does it deactivate after several cycles, in accordance with the aim which the invention intends to achieve.
Ils ont en outre montré que toujours grâce à ce mécanisme, il était possible de produire, tant lors de la première étape que de la deuxième étape du procédé, des gaz dépourvus ou presque de monoxyde de carbone, ce qui représente un avantage considérable notamment lorsque l'hydrogène produit est destiné à faire fonctionner une pile à membrane à échange de protons.They also showed that still using this mechanism, it was possible to produce, both in the first stage and in the second stage of the process, gases devoid of almost carbon monoxide, which represents a considerable advantage especially when the hydrogen produced is intended to operate a proton exchange membrane cell.
Le système catalytique peut se présenter sous toutes formes connues pour ce type de réaction. Pour une mise en œuvre industrielle du procédé, il sera de préférence sous la forme de grains formant un ou plusieurs lits fluidisés ou fixes, à l'intérieur d'un réacteur catalytique totalement ou partiellement rempli. Ce réacteur peut également contenir un matériau inerte par exemple sous forme de billes de céramique qui supportent ou retiennent entre elles une ou plusieurs couches de grains de système catalytique.The catalytic system can be in any form known for this type of reaction. For an industrial implementation of the process, it will preferably be in the form of grains forming one or more fluidized or fixed beds, inside a catalytic reactor totally or partially filled. This reactor can also contain an inert material, for example in the form of ceramic balls which support or retain between them one or more layers of grains of catalytic system.
Le matériau du support est avantageusement poreux. De manière surprenante, il a été mis en évidence que les supports à . base d'oxydes de terres rares sont tout à fait appropriés pour la présente invention, par leur capacité à stocker et à restituer au moins de l'oxygène et des espèces oxycarbonnées, les terres rares pouvant changer de valence. Ainsi les oxydes de terres rares qui peuvent être utilisés dans l'élaboration du support du système catalytique sont par exemple choisis parmi les oxydes des éléments du groupe des lanthanides. On citera de préférence les oxydes de lanthane, de cérium, d'ytterbium et de manière plus générale les oxydes de valence variable de la famille des lanthanides. De très bons résultats ont été obtenus avec le dioxyde de cérium, encore appelé cérine Ce02. Il va de soi cependant que tout support apte à stocker et à restituer au moins de l'oxygène et des espèces oxycarbonées convient pour le procédé de l'invention, le but étant essentiellement que le support ne favorise pas la formation de nanotubes ou nanofila ents de carbone.The support material is advantageously porous. Surprisingly, it has been highlighted that the supports to . based on rare earth oxides are entirely suitable for the present invention, by their capacity to store and restore at least oxygen and oxy-carbon species, the rare earths being able to change valence. Thus the rare earth oxides which can be used in the preparation of the support for the catalytic system are for example chosen from the oxides of elements from the lanthanide group. Mention will preferably be made of the lanthanum, cerium and ytterbium oxides and, more generally, the oxides of variable valence from the lanthanide family. Very good results have been obtained with cerium dioxide, also called cerine Ce02. It goes without saying, however, that any support capable of storing and restoring at least oxygen and oxycarbon species is suitable for the process of the invention, the aim being essentially that the support does not promote the formation of nanotubes or nanofila ents of carbon.
Choisi parmi les métaux du groupe VIII et les combinaisons de ces métaux, le catalyseur peut par exemple être du nickel Ni ou, de préférence, un platinoïde, c'est- à-dire un métal faisant partie à la fois des métaux nobles et du groupe VIII. L'emploi de l'un des platinoïdes que sont le ruthénium (Ru) , le rhodium (Rh) , le palladium (Pd) , l'osmiun (Os), l'iridium (Ir) et le platine (Pt) présente l'avantage de se traduire par un abaissement de la température d'activation de la décomposition catalytique de l'hydrocarbure. De préférence, le catalyseur est du platine. L'utilisation de mélanges et/ou d'alliages de métaux comprenant au moins un métal précité peuvent également convenir pour le procédé de la présente invention. Chosen from the group VIII metals and combinations of these metals, the catalyst may for example be nickel Ni or, preferably, a platinoid, that is to say a metal which is part of both the noble metals and the group VIII. The use of one of the platinoids which are ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmiun (Os), iridium (Ir) and platinum (Pt) presents l 'advantage of resulting in a lowering of the activation temperature of the catalytic decomposition of the hydrocarbon. Preferably, the catalyst is platinum. The use of mixtures and / or alloys of metals comprising at least one aforementioned metal may also be suitable for the process of the present invention.
De préférence, grâce à l'emploi d'un catalyseur choisi parmi les métaux nobles, la décomposition catalytique est effectuée à une température inférieure à 600 °C, avantageusement inférieure à 500°C, par exemple de l'ordre de 400 °C, dès lors que l'on souhaite produire un gaz riche en hydrogène qui soit sensiblement exempt de monoxyde de carbone. En effet, il s'agit alors de trouver le meilleur compromis possible : une élévation de la température au- delà de la température d'activation de la décomposition catalytique favorise cette dernière, tandis que le relargage de monoxyde de carbone par le support est inhibé par une température suffisamment basse. Toujours lorsque l'on souhaite empêcher un relargage de monoxyde de carbone, l'étape de décomposition catalytique de l'hydrocarbure est effectuée à une pression comprise avantageusement entre la pression atmosphérique et 20 bars, de préférence entre 2 bars et 12 bars, par exemple de l'ordre de 3 bars.Preferably, thanks to the use of a catalyst chosen from noble metals, the catalytic decomposition is carried out at a temperature below 600 ° C., advantageously less than 500 ° C, for example of the order of 400 ° C, when it is desired to produce a gas rich in hydrogen which is substantially free of carbon monoxide. Indeed, it is then a question of finding the best possible compromise: a rise in temperature beyond the activation temperature of the catalytic decomposition promotes the latter, while the release of carbon monoxide by the support is inhibited by a sufficiently low temperature. Still when it is desired to prevent a release of carbon monoxide, the step of catalytic decomposition of the hydrocarbon is carried out at a pressure advantageously between atmospheric pressure and 20 bars, preferably between 2 bars and 12 bars, for example of the order of 3 bars.
L'étape de régénération du support de préférence à l'air est effectuée à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique et à une température comprise entre 300°C et 600°C. On va maintenant décrire un exemple de mise en œuvreThe stage of regeneration of the support, preferably in air, is carried out at a pressure slightly higher than atmospheric pressure and at a temperature between 300 ° C and 600 ° C. We will now describe an example of implementation
_du procédé selon l'invention. Dans cet exemple, 1 ' hydrocarbure est du méthane CH4._the process according to the invention. In this example, the hydrocarbon is methane CH 4 .
Le support est constitué d'oxyde de cérium poreux, de grande surface spécifique (344 m2g_1) , tandis que le catalyseur est du platine, à raison de 1,1 g pour 100 g de système catalytique.The support consists of porous cerium oxide, with a large specific surface (344 m 2 g _1 ), while the catalyst is platinum, at a rate of 1.1 g per 100 g of catalytic system.
Ce système catalytique se présente sous la forme de grains. Il est préparé par imprégnation avec une solution aqueuse de Pt (OH) 2 (NH3) 4. Une calcination à l'aide d'hélium chauffé à 650°C suit et permet de décomposer les carbonates de surface. Le tout est ensuite réduit à l'état de boulettes, puis broyé et enfin passé dans des tamis de manière à ne conserver que les grains dont la taille est comprise entre 0,2 mm et 0,3 mm. Ces grains sont placés à l'intérieur d'un réacteur, dans lequel est injecté de l'hydrogène à 400°C, pendant deux heures, pour réduire les précurseurs en platine métallique.This catalytic system is in the form of grains. It is prepared by impregnation with an aqueous solution of Pt (OH) 2 (NH 3 ) 4 . Calcination using helium heated to 650 ° C. follows and allows the surface carbonates to be decomposed. The whole is then reduced to the state of pellets, then ground and finally passed through sieves so as to keep only the grains whose size is between 0.2 mm and 0.3 mm. These grains are placed at inside a reactor, into which hydrogen is injected at 400 ° C, for two hours, to reduce the precursors to metallic platinum.
La chambre intérieure du réacteur catalytique est cylindrique. Les grains du système catalytique y forment un lit fixe destiné à être traversé par un écoulement axial.The interior chamber of the catalytic reactor is cylindrical. The grains of the catalytic system form there a fixed bed intended to be traversed by an axial flow.
Lors des tests, on fait varier la longueur du lit catalytique, fixée à 0,5 mm et 15 mm, le diamètre intérieur de la chambre du réacteur, fixé à 4 mm et 10 mm, la quantité du système catalytique employé, fixée à 50 mg et à 250 mg, la vitesse volumique horaire du gaz initial, fixée à 16 000 h-1 et 79 800 h-1. Le réacteur est placé dans un four dont la température est régulée soit autour de 400°C, soit autour de 450°C. Les durées des séquences successives d'alimentation du réacteur sont de l'ordre de la dizaine de secondes. A chaque cycle, de 6.1019 à 1,4.1021 molécules de méthane par gramme de système catalytique sont introduites . Pour l'ensemble des tests, l'étape de décomposition catalytique est menée -à une pression de l'ordre de 1 bars, tandis que l'étape de régénération a été effectuée à une pression de l'ordre de 1 bars.During the tests, the length of the catalytic bed, fixed at 0.5 mm and 15 mm, the internal diameter of the reactor chamber, fixed at 4 mm and 10 mm, the quantity of the catalytic system used, fixed at 50, is varied. mg and 250 mg, the hourly volume velocity of the initial gas, fixed at 16,000 h -1 and 79,800 h -1 . The reactor is placed in an oven, the temperature of which is regulated either around 400 ° C. or around 450 ° C. The durations of the successive power supply sequences of the reactor are of the order of ten seconds. At each cycle, from 6.10 19 to 1.4.10 21 molecules of methane per gram of catalytic system are introduced. For all of the tests, the catalytic decomposition step is carried out at a pressure of the order of 1 bar, while the regeneration step was carried out at a pressure of the order of 1 bar.
Lors d'un cycle, le réacteur est successivement alimenté par le gaz initial, qui est un mélange de méthane et d'hélium pur, puis par un gaz neutre, à savoir de l'hélium pur, 'et enfin par le gaz régénérant, constitué d'un mélange d'oxygène et d'hélium pur.During a cycle, the reactor is sequentially fed by the initial gas, which is a mixture of methane and pure helium, followed by a neutral gas, namely pure helium 'and finally by the regenerating gas, consisting of a mixture of oxygen and pure helium.
Les résultats des différents tests menés sont regroupés dans le tableau suivant :The results of the various tests carried out are grouped in the following table:
T WH Q CH4 Q d' o2 Xe t q3H2 d q d T WH Q CH 4 Q d 'o 2 X e t q3H2 d q d
( ° C) (h"1) (μmol) (μmol ) ( %) ( % ) ( %)(° C) (h "1 ) (μmol) (μmol) (%) (%) (%)
400 79800a 9 . 0 204 88 . 0 19 . 0 100400 79 800 a 9. 0 204 88. 0 19. 0 100
- 79800a 9 . 5 102 82 . 0 23 . 0 100- 79800 a 9. 5 102 82. 0 23. 0 100
- 79800a 21 102 44 . 0 64 . 0 100 79800" 20 81 37.0 44.5 100 798001 118 81 10.5 64.5 100 79800* 117 27 10.5 62.5 100 16000 111 81 41.0 41.5 100- 79800 a 21 102 44. 0 64. 0 100 79800 "20 81 37.0 44.5 100 79 800 1 118 81 10.5 64.5 100 79 800 * 117 27 10.5 62.5 100 16 000 111 81 41.0 41.5 100
16000" 112 107 41.0 44.0 10016000 "112 107 41.0 44.0 100
450 16000" 87 81 54.0 44.0 99.9450 16000 "87 81 54.0 44.0 99.9
16000" 59 81 72.0 36.0 99.916000 "59 81 72.0 36.0 99.9
T = températureT = temperature
WH = vitesse volumique horaireWH = hourly volume speed
Q = quantité introduite dans le réacteur lors d'un cycle a Diamètre intérieur de la chambre du réacteur = 10 mm. Diamètre intérieur de la chambre du réacteur = 4 mm.Q = quantity introduced into the reactor during a cycle a Internal diameter of the reactor chamber = 10 mm. Inside diameter of the reactor chamber = 4 mm.
Xe Taux de conversion du méthaneX e Methane conversion rate
Sd Sélectivités de l'hydrogène et du dioxyde de carbone.S d Selectivities of hydrogen and carbon dioxide.
Pour chacun des tests présentés dans le tableau ci- dessus, le taux de sélectivité du monoxyde de carbone est inférieur à 0,1%. Ce monoxyde de carbone est donc pratiquement absent des gaz en sortie du réacteur, ou se trouve à l'état de traces infinitésimales dans ces gaz (quelques ppm) .For each of the tests presented in the table above, the selectivity rate for carbon monoxide is less than 0.1%. This carbon monoxide is therefore practically absent from the gases leaving the reactor, or is found in trace amounts in these gases (a few ppm).
L'analyse de surface par spectroscopie infrarouge à réflexion diffuse (DRIFT) montre que des espèces carbonate correspondant respectivement aux bandes d'absorption infrarouge égales à 1460 cm"1, 1380cm"1, 1070 cm"1, et des formiates correspondant respectivement aux bandes d'absorption infrarouge égales à 1560 cm"1, 1300 cm etSurface analysis by diffuse reflection infrared spectroscopy (DRIFT) shows that carbonate species corresponding respectively to infrared absorption bands equal to 1460 cm "1 , 1380cm " 1 , 1070 cm "1 , and formates corresponding respectively to bands infrared absorption equal to 1560 cm "1 , 1300 cm and
2850 cm"1 se forment à la surface du système catalytique, sur le support de cérine partiellement réduit, lors de l'étape de décomposition catalytique du méthane. Ces espèces sont stables dans une atmosphère inerte. Lors de l'étape de régénération à 400°C ou 450 °C selon le test, elles réagissent avec l'oxygène pour produire du dioxyde de carbone C02 et de 1 ' eau H20. La figure unique représente une installation conforme à l'invention et prévue pour produire de l'énergie électrique à partir de gaz naturel GN. Cette installation comporte une canalisation principale 1 qui relie successivement un réacteur catalytique 2 placé en tête, un refroidisseur 3 disposé en aval de ce réacteur 2, un piège à recharge 4 placé en aval du refroidisseur 3 et une pile à combustible 5, placée en sortie.2850 cm "1 are formed on the surface of the catalytic system, on the partially reduced cerine support, during the catalytic decomposition step of methane. These species are stable in an inert atmosphere. During the regeneration step at 400 ° C or 450 ° C depending on the test, they react with oxygen to produce carbon dioxide C0 2 and water H 2 0. The single figure shows an installation according to the invention and intended to produce electrical energy from natural gas GN. This installation comprises a main pipe 1 which successively connects a catalytic reactor 2 placed at the head, a cooler 3 disposed downstream of this reactor 2, a recharging trap 4 placed downstream of the cooler 3 and a fuel cell 5, placed at the outlet .
Une canalisation de retour 6, reliant un point en aval de la pile à combustible 5 à un point en amont du réacteur catalytique 2, est pourvue d'une soufflante 7 prévue pour entraîner le fluide présent dans cette canalisation de retour 6 vers 1 ' entrée du réacteur 2.A return line 6, connecting a point downstream of the fuel cell 5 to a point upstream of the catalytic reactor 2, is provided with a blower 7 designed to entrain the fluid present in this return line 6 to the inlet of reactor 2.
Une purge P est prévue en aval de la pile à combustible 5. Dans l'exemple représenté, elle est constituée par l'extrémité aval de la canalisation principale 1.A purge P is provided downstream of the fuel cell 5. In the example shown, it consists of the downstream end of the main pipe 1.
En amont du réacteur 2, la canalisation principale 1 est raccordée à une source en gaz naturel comprimé GN. Elle est pourvue d'une vanne 8 et d'une vanne 9 respectivement disposées en entrée et en sortie du réacteur 2.Upstream of reactor 2, the main pipeline 1 is connected to a source of compressed natural gas GN. It is provided with a valve 8 and a valve 9 respectively arranged at the inlet and at the outlet of the reactor 2.
Une canalisation 10 d'amenée d'un fluide régénérant, à savoir de l'air, est pourvue d'une vanne 11 et se raccorde sur la canalisation principale 1, entre la vanne 8 et le réacteur 2. Une canalisation 12 d'évacuation des. gaz résultant de la régénération du réacteur 2 par l'air est pourvue d'une vanne 13 et se raccorde sur la canalisation principale 1, entre le réacteur 2 et la vanne 9.A pipe 10 for supplying a regenerating fluid, namely air, is provided with a valve 11 and is connected to the main pipe 1, between the valve 8 and the reactor 2. A pipe 12 for evacuation of. gas resulting from the regeneration of reactor 2 by air is provided with a valve 13 and is connected to the main pipe 1, between the reactor 2 and the valve 9.
Le réacteur catalytique 2, à lit fixe, renferme des grains d'un système catalytique comprenant du platine sur un support de cérine comme décrit précédemment. Quant à la pile à combustible, elle est du type à membrane à échange de protons . Au moyen des vannes 8 et 11, on alimente alternativement en gaz naturel puis en air le réacteur catalytique 2, lequel est employé pour mettre en œuvre le procédé de décomposition catalytique qui a été précédemment décrit en détail . Les vannes 9 et 13 sont employées pour alternativement diriger le gaz riche en hydrogène produit lors de l'étape de décomposition catalytique du méthane, dans le refroidisseur 3, et le gaz résultant de la régénération du réacteur 2, dans la canalisation d'évacuation 12. Le gaz riche en hydrogène, qui sort du réacteur 2 à une température de l'ordre de 400°C, est refroidi à l'aide du refroidisseur 3 à 90°C, température à laquelle il ne peut pas endommager la pile à combustible 5. Comme toute pile à membrane à échange de proton, la pile 5 ne doit pas être alimentée avec un gaz contenant du monoxyde de carbone, sans quoi elle se détériore. Or, le procédé mis en œuvre dans le réacteur 2 présente l'avantage de produire un gaz à la fois riche en hydrogène et exempt ou presque de monoxyde de carbone. Aussi, dans l'installation représentée, il est tiré parti de cet avantage, puisque le réacteur 2 alimente de manière essentiellement directe la pile 5 qui fournit de ce fait de l'énergie électrique en consommant de l'hydrogène.The catalytic reactor 2, with a fixed bed, contains grains of a catalytic system comprising platinum on a cerine support as described above. As for the fuel cell, it is of the proton exchange membrane type. By means of valves 8 and 11, the catalytic reactor 2 is supplied alternately with natural gas and then with air, which is used to implement the catalytic decomposition process which has been previously described in detail. Valves 9 and 13 are used to alternately direct the hydrogen-rich gas produced during the catalytic decomposition step of methane, in the cooler 3, and the gas resulting from the regeneration of reactor 2, in the evacuation pipe 12 The hydrogen-rich gas, which leaves the reactor 2 at a temperature of the order of 400 ° C., is cooled using the cooler 3 to 90 ° C., a temperature at which it cannot damage the fuel cell 5. Like any proton exchange membrane cell, cell 5 must not be supplied with a gas containing carbon monoxide, otherwise it will deteriorate. However, the process implemented in reactor 2 has the advantage of producing a gas which is both rich in hydrogen and free or almost free of carbon monoxide. Also, in the installation shown, this advantage is taken advantage of, since the reactor 2 feeds essentially directly the cell 5 which thereby supplies electrical energy by consuming hydrogen.
Au sens où on l'entend ici, l'expression « de manière essentiellement directe » signifie que le gaz riche en hydrogène qui sort du réacteur 2 ne subit pas un traitement de purification lourd, tel qu'un procédé de purification par variation cyclique de pression. En effet, l'élément référencé 4 est un simple piège à recharge, qui est prévu pour éliminer d'éventuelles traces infinitésimales de monoxyde de carbone, mais qui n'est pas destiné à en éliminer d'importantes quantités. Il est également destiné à retenir d'éventuelles autres impuretés néfastes à la pile 5, comme du souffre. En variante, lorsque les conditions de mise en œuvre du procédé de décomposition catalytique sont telles que le gaz riche en hydrogène est produit en étant pratiquement exempt d'impuretés néfastes à la pile, le piège 4 est ôté, et le gaz riche en hydrogène, aussitôt produit par le réacteur 2, est introduit directement dans la pile 5.In the sense understood here, the expression "essentially directly" means that the hydrogen-rich gas which leaves the reactor 2 does not undergo a heavy purification treatment, such as a purification process by cyclic variation of pressure. Indeed, the element referenced 4 is a simple refill trap, which is intended to eliminate possible infinitesimal traces of carbon monoxide, but which is not intended to eliminate large quantities of it. It is also intended to retain any other impurities harmful to the cell 5, such as sulfur. As a variant, when the conditions for implementing the catalytic decomposition process are such that the hydrogen-rich gas is produced while being practically free of impurities harmful to the cell, the trap 4 is removed, and the hydrogen-rich gas, immediately produced by the reactor 2, is introduced directly into the stack 5.
Dans le réacteur 2, une fraction du méthane présent dans le gaz naturel n'est pas décomposé. Elle fait donc parti des constituants du gaz riche en hydrogène et, de ce fait, passe dans la pile 5, sans que cela nuise au bon fonctionnement de celle-ci. Dans le but de réduire autant que faire se peut la part de méthane non décomposé et la part d'hydrogène non consommé qui s'échappent de l'installation représentée, l'essentiel du gaz s 'échappant de la pile 5 est réinjecté, à l'aide de la canalisation de retour 6 et de la soufflante 7, en amont du réacteur 2, afin d'être recyclé.In reactor 2, a fraction of the methane present in natural gas is not broken down. It therefore forms part of the constituents of the hydrogen-rich gas and, therefore, passes into the cell 5, without this affecting the proper functioning of the latter. In order to reduce as much as possible the share of non-decomposed methane and the share of unconsumed hydrogen which escape from the installation shown, most of the gas escaping from the cell 5 is reinjected, at using the return pipe 6 and the fan 7, upstream of the reactor 2, in order to be recycled.
Le gaz naturel GN ne contient pas que des hydrocarbures. Notamment, il comporte également de l'azote qui s'accumulerait sans cesse dans la boucle au fil des cycles si la purge P n'existait pas. Aussi, le débit évacué par cette purge P est régulé en fonction du taux d'azote présent dans le mélange gazeux en sortie de la pile à hydrogène 5. Natural gas GN does not only contain hydrocarbons. In particular, it also contains nitrogen which would constantly accumulate in the loop over the cycles if the purge P did not exist. Also, the flow rate evacuated by this purge P is regulated as a function of the nitrogen content present in the gas mixture at the outlet of the hydrogen cell 5.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'élaboration d'un gaz riche en hydrogène, par décomposition catalytique d'au moins un hydrocarbure présent dans un gaz initial, la décomposition étant effectuée à l'aide d'un système catalytique comprenant un support et un catalyseur porté par ce support, ce procédé comportant au moins les étapes dans lesquelles : a) on met en contact le gaz initial et le système catalytique, et b) on régénère le système catalytique à l'aide d'un gaz régénérant contenant de l'oxygène, caractérisé en ce que le support du catalyseur est apte à stocker et restituer au moins de l'oxygène et des espèces oxycarbonées.1. Process for the preparation of a gas rich in hydrogen, by catalytic decomposition of at least one hydrocarbon present in an initial gas, the decomposition being carried out using a catalytic system comprising a support and a catalyst carried by this support, this process comprising at least the steps in which: a) the initial gas is brought into contact with the catalytic system, and b) the catalytic system is regenerated using a regenerating gas containing oxygen, characterized in that the catalyst support is able to store and restore at least oxygen and oxycarbon species.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support est réalisé dans un matériau comprenant un oxyde de terre rare .2. Method according to claim 1, characterized in that said support is made of a material comprising a rare earth oxide.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'oxyde de terre rare est un oxyde de cérium.3. Method according to claim 2, characterized in that the rare earth oxide is a cerium oxide.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit support est poreux.4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said support is porous.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur comporte un matériau choisi parmi les métaux du groupe VIII, de préférence parmi les platinoïdes.5. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalyst comprises a material chosen from metals from group VIII, preferably from platinoids.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur comporte du platine.6. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalyst comprises platinum.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue l'étape a) à une température inférieure à 600 °C, de préférence de l'ordre de 400 °C. 7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that step a) is carried out at a temperature below 600 ° C, preferably of the order of 400 ° C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue l'étape a) à une pression comprise entre 1 et 20 bars.8. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that step a) is carried out at a pressure between 1 and 20 bars.
9. Procédé de production d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il inclut le procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi que des étapes dans lesquelles : c) on récupère le gaz riche en hydrogène, et d) on alimente une pile à combustible (5) de manière essentiellement directe avec le gaz riche en hydrogène .9. A method of producing electrical energy, characterized in that it includes the preparation method according to any one of the preceding claims, as well as stages in which: c) the gas rich in hydrogen is recovered, and d ) a fuel cell (5) is supplied essentially directly with the hydrogen-rich gas.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'avant l'étape d) , on fait passer ce gaz riche en hydrogène dans une recharge d'un piège (4) prévu pour éliminer d'éventuelles impuretés néfastes à la pile (5), dont des traces éventuelles de monoxyde de carbone.10. Method according to claim 9, characterized in that before step d), this hydrogen-rich gas is passed through a refill of a trap (4) intended to remove possible impurities harmful to the battery ( 5), including possible traces of carbon monoxide.
11. Procédé selon la revend!catipn 9 ou 10, caractérisé en ce que la pile à combustible (5) est du type à membrane à échange de protons . 11. A method according to reseller! Catipn 9 or 10, characterized in that the fuel cell (5) is of the proton exchange membrane type.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications12. Method according to any one of claims
9 à 11, caractérisé en -ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles : e) on récupère un gaz résiduaire produit lors de l'étape d) et contenant une partie non décomposée de l'hydrocarbure présent dans le gaz initial, et f) on soumet ce gaz résiduaire au procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.9 to 11, characterized in that it comprises stages in which: e) a residual gas produced during stage d) is recovered and containing an undecomposed part of the hydrocarbon present in the initial gas, and f ) this waste gas is subjected to the process according to any one of claims 1 to 8.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'avant l'étape d) , on refroidit le gaz riche en hydrogène.13. Method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that before step d), the hydrogen-rich gas is cooled.
14. Installation de production d'énergie électrique à partir d'un gaz initial contenant au moins un hydrocarbure, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un réacteur catalytique (2) prévu pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconques - des revendications 1 à 8, ce réacteur catalytique (2) renfermant un système catalytique qui comporte un support et un catalyseur porté par ce support, ledit support étant apte à stocker et restituer au moins de l'oxygène et des espèces oxycarbonées, et14. Installation for producing electrical energy from an initial gas containing at least one hydrocarbon, characterized in that it comprises: - a catalytic reactor (2) provided for the implementation of the method according to any one of claims 1 to 8, this catalytic reactor (2) containing a catalytic system which comprises a support and a catalyst carried by this support, said support being capable of storing and restoring at least oxygen and carbon-containing species, and
- une pile à combustible (5) , placée en aval du réacteur catalytique (2) . - a fuel cell (5), placed downstream of the catalytic reactor (2).
15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte un piège à recharge15. Installation according to claim 14, characterized in that it comprises a refill trap
(4), qui est prévu pour éliminer d'éventuelles impuretés néfastes à la pile (5) , dont des traces éventuelles de monoxyde de carbone, et qui est 'placé entre le réacteur catalytique (2) et la pile à combustible (5) .(4), which is intended to remove possible impurities harmful to the cell (5), including possible traces of carbon monoxide, and which is' placed between the catalytic reactor (2) and the fuel cell (5) .
16. Installation selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisée en ce qu'elle comporte une canalisation de retour (6) , reliant un point en aval de la pile à combustible (5) à un point en amont du réacteur catalytique (2) .16. Installation according to one of claims 14 or 15, characterized in that it comprises a return line (6), connecting a point downstream of the fuel cell (5) to a point upstream of the catalytic reactor ( 2).
17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que la canalisation de retour (6) est pourvue de moyens (7) pour entraîner le gaz résiduaire vers le point en amont du réacteur catalytique (2) . , 17. Installation according to claim 16, characterized in that the return pipe (6) is provided with means (7) for driving the waste gas towards the point upstream of the catalytic reactor (2). ,
18. Installation selon la revendication 16 ou 17, caractérisée en ce qu'elle comporte une purge (P) se raccordant sur une portion de l'installation comprenant la canalisation de retour (6) et reliant la pile (5) audit point en amont du réacteur catalytique (2) . 19 Installation selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (3) de refroidissement du gaz riche en hydrogène, ces moyens de refroidissement (3) étant placés entre le réacteur catalytique (2) et la pile à combustible (5) . 18. Installation according to claim 16 or 17, characterized in that it comprises a drain (P) connecting to a portion of the installation comprising the return pipe (6) and connecting the stack (5) to said point upstream of the catalytic reactor (2). 19 Installation according to any one of claims 14 to 18, characterized in that it comprises means (3) for cooling the hydrogen-rich gas, these cooling means (3) being placed between the catalytic reactor (2) and the fuel cell (5).
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