WO2006106259A1 - Dispositif generateur d ' hydrogene a partir d ' hydrocarbure , d ' eau et d ' oxygene comprenant une enceinte de reaction et d ' echanges thermiques - Google Patents

Dispositif generateur d ' hydrogene a partir d ' hydrocarbure , d ' eau et d ' oxygene comprenant une enceinte de reaction et d ' echanges thermiques Download PDF

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reaction
hydrocarbon
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Jean-Christophe Hoguet
Samuel Lecoq
Jean Calvez
Marc Quemeneur
Lionel Jodet
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N Ghy
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Definitions

  • the invention relates to a device generating hydrogen from oxygen, water and a gaseous or liquid hydrocarbon.
  • It relates more particularly to a reforming device for generating hydrogen.
  • Hydrogen is known to be the gas used to fuel fuel cells that are high efficiency electricity generators. The widespread use of fuel cells should contribute to
  • Hydrogen is natural gas (mainly consisting of methane, but also ethane or propane), in a catalytic steam reforming reactor. But hydrogen can also be produced from other hydrocarbons, including petroleum cuts such as diesel, naphtha, kerosene,
  • gasoline, liquefied petroleum gas (propane, butane), and bio-fuels such as biogas, vegetable oils or their esters, ethanol or methanol, by adapting the temperature conditions and the catalysts to the hydrocarbon and the process which may be steam reforming, partial oxidation or steam reforming autothermal.
  • Hydrogen is usually produced in two stages. During a first stage called “reforming", the carbon of the hydrocarbon combines with the oxygen of the water to mainly supply carbon monoxide CO and release hydrogen. Then, in a second step, CO monoxide is further combined with water to provide CO 2 dioxide and hydrogen H 2 .
  • the reforming process that produces CO + H 2 is an endothermic reaction, ie a reaction to which heat must be added.
  • an exothermic reaction is used which consists of the combustion of a fraction of the flow of the hydrocarbon with an oxygenated flow.
  • a fraction of the hydrocarbon is a fuel for providing heat and the hydrocarbon fraction is the main reagent that will supply the hydrogen. It is therefore understood that the fraction of hydrocarbon burned must be minimized in order to maximize the fraction of reformed hydrocarbon.
  • the reforming gases are produced at high temperatures and the heat they contain can be recovered to preheat the fluids entering the reaction chamber, or reagents, namely water, hydrocarbon and oxygen flux (which can be oxygen from air or pure oxygen, or a mixture).
  • reagents namely water, hydrocarbon and oxygen flux (which can be oxygen from air or pure oxygen, or a mixture).
  • the reforming reaction is carried out with hot reactants, which makes it possible to reduce the burned hydrocarbon fraction.
  • An object of the invention is to provide a device for minimizing heat losses to the external environment and thus to improve the efficiency of the hydrogen generator. Another aim is to reduce the volume of the hydrogen generating device by assembling the different steps in the same enclosure in particular to facilitate its mechanical integration. Yet another object is to limit or eliminate hot fluid or reagent connections between the different modules or steps of the hydrogen generation process.
  • the reforming device is intended to produce hydrogen from hydrocarbon, especially gas oil, water and oxygen. It can also work from other hydrocarbons mentioned above such as kerosene, naphtha, gasoline, liquefied petroleum gas, natural gas and biofuels such as vegetable oils or their esters, ethanol . It can also be adapted to use air or another oxygenated stream instead of pure oxygen. It comprises: a reaction chamber in which the reactive fluids are introduced to carry out a reforming reaction which produces hydrogen and carbon oxides from the reactants, this reaction being carried out at high temperature,
  • reaction chamber so as to recover, at least in part, the heat lost by the reaction chamber, so as to preheat the mixture circulating in the first zone, the reagent (s) being in direct contact with the walls of this first zone to achieve heat exchange,
  • a second substantially cylindrical zone surrounding the first zone and in which water circulates in order to preheat and vaporize it, the water being in direct contact with the walls of this second zone, the separation between the first and the second zone; zone being such that the water circulating in the second zone recovers heat lost by the first zone in order to preheat the water, and - means for mixing the water of the second zone with the hydrocarbon before introducing the mixture in the form of steam in the first zone, the assembly being such that the inner face of the outer wall of the device, which is constituted by the inner face of the outer wall of the second zone, in contact with the water, is at a temperature substantially lower than the temperature of the reaction chamber.
  • the temperature of the reaction chamber which is of the order of 800 to 1400 ° C., depending on the hydrocarbons, where the reforming is carried out, is surrounded by the first zone in which a mixture of steam of water and hydrocarbon whose temperature is of the order of 500 to 900 0 C, the heat of this mixture of fluids being provided by the reaction chamber and this first zone is itself surrounded by the second zone at a temperature for example of the order of 27O 0 C when the pressure in the device is of the order of 55 bars.
  • the device can be adapted for operation at other pressures, in the range of 1 to 100 bar.
  • the reaction chamber is thermally insulated from the outside by the envelopes that constitute the two zones and the internal face of the outer wall is at a temperature of about 270 ° C., ie at a temperature of very much lower than that of the reaction. There is very little heat loss and energy efficiency is optimized. In these circumstances, the choice of the constituent materials of this outer wall, which must generally withstand the pressure, is easier than if the outer wall was at a temperature of the same order of magnitude as the temperature of the reaction chamber or the first zone.
  • the reaction chamber comprises two parts, the first of which is the seat of the reaction and the second constitutes a channel for discharging the products of the reaction, these two parts being such that the heat exchange between the second part of the reaction chamber the reaction chamber, the closest to the outlet of the products of the reaction, and the first zone is substantially larger than the heat exchange between the first part of the reaction chamber and the first zone.
  • the evacuation channel is of substantially rectilinear configuration and the products circulate in only one direction in this evacuation channel.
  • the evacuation is done quickly and easily. Due to the configuration of the device, the realization is easy and inexpensive.
  • the reliability of the device is important since there is no transverse wall subjected to too much heat flow. In particular, there is no coil, no bundle of tubes, or fin immersed in the flow of hot products.
  • the mechanical stresses are minimized, in particular because the temperature is more homogeneous and, on average, lower. Because of this lower temperature, corrosion is minimized. As a result, the service life is increased.
  • the device comprises a third zone inside the second part of the reaction chamber, this third zone being intended to recover by heat exchange of the heat of this second part of the reaction chamber, in order to preheat reagents or fluids circulating in this third zone, the wall separating the reactants or fluids, on the one hand, and the products of the reaction at high temperature, on the other hand, being substantially cylindrical and smooth.
  • This third zone comprises, in one embodiment: - means for overheating the water vapor,
  • the hydrocarbon is gaseous and the third zone comprises:
  • means for overheating the mixture of water vapor and gaseous hydrocarbon optionally, means for overheating the mixture of water vapor and gaseous hydrocarbon.
  • the device comprises: means for creating fine liquid hydrocarbon droplets,
  • annular space for example in one of the zones, comprising means for ensuring a helical circulation of the fluid, in order to to homogenize the temperature of the walls and the fluid flowing in this annular space, these helical circulation means being furthermore arranged to perform a spacer function between the walls of this annular space.
  • the annular space constitutes a heat exchange space, arranged so that the pitch of the helical circulation is such that heat exchange is optimized.
  • the reaction chamber comprises a combustion part in which combustion takes place for which the temperature is substantially greater than the temperature in the rest of the reaction chamber, this part having a substantially cylindrical shape, and the device has:
  • the assembly being such that the mixture of water vapor and hydrocarbon injected in a substantially tangential manner constitutes a thermal protection of the cylindrical wall of the combustion part, the combustion occurring in the vicinity of the axis and the protection being achieved by forming a gas shield protecting the wall against the heat produced by both convection and radiation.
  • this embodiment can also be used independently of the other provisions of the invention. In particular, it can be used independently of the structure of the reaction chamber device surrounded by two annular zones.
  • the device comprises at one end, to which end the reaction chamber and the first, second and third zones, a block comprising:
  • the reactive fluids are introduced into the different zones and into the reaction chamber at a pressure substantially greater than atmospheric pressure.
  • the second zone may be delimited by, on the one hand, a pressure-resistant outer wall and, on the other hand, an inner wall which is integral with this outer wall.
  • FIG. 1 is a diagram of part of a reforming device according to the invention
  • FIG. 2 is a diagram of a part of the device shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram of another part of the reforming device according to the invention
  • FIG. 4 is a diagram showing the assembly of FIG. parts of the device shown in Figures 1 and 3.
  • the device 10 shown in FIG. 1 comprises a central part or core constituting the reaction chamber 12, or the reformer itself, its temperature being suitable for the reforming of diesel fuel, between 1000 and 1400.degree. C, and this core is surrounded by a first annular zone 14 in which circulates a water + gas oil mixture at a temperature of 400 to 900 ° C. (typically 700 ° C.) which recovers the heat lost by the reformer 12.
  • the first annular zone 14 is itself surrounded by a second annular zone 16 constituting a preheater and water vaporizer. Since the pressure prevailing in the device is, in the example, 55 bar, the temperature of the water vaporizer is 27O 0 C, ie the boiling temperature of the water at this pressure of 55.degree. bars.
  • the vaporizer 16 recovers the heat transferred by the water + gas oil mixture in the first annular zone 14.
  • the outer wall 18 of the device is at a temperature of 27O 0 C, which allows the selection of a metal resistant to the moderate temperature of the casing and the high pressure in the device.
  • the device has a generally cylindrical shape of axis 20 shown vertically in the figure.
  • the reaction chamber 12 has in its upper part a combustion chamber 22 of smaller diameter than that of the chamber 12.
  • the reaction chamber or reformer 12 comprises two parts 24 and 26.
  • the first part 24 is carried out the reforming reaction at an elevated temperature of 1000 to 1400 0 C in the embodiment of the device shown here.
  • This portion 24 contains in its upper part the combustion chamber 22.
  • the second portion 26 of the chamber 12 is mainly a part of evacuation of the reaction products, the reforming gases, and heat exchange with the reactive fluids to preheat before entering the chamber 12.
  • the height of the part 26 is optimized so that heat exchange is sufficient; in the embodiment presented here, it is greater than that of the zone 24.
  • the reforming gases have thus been cooled to a temperature of the order of 350 to 45O 0 C.
  • the outer cylindrical wall 30 of the upper part 24 of the chamber 12 has mainly a function of thermal insulation while the cylindrical wall 32 of the lower part 26 of the chamber 12 has mainly the function of heat exchange with the annular zone 14 .
  • the wall 34 separating the annular zones 14 and 16 has mainly a function of heat exchange between these zones.
  • the wall 34 is integral with the outer wall 18.
  • the second annular zone 16, furthest from the axis 20, has at its lower part openings 36 receiving water at ambient temperature, ie approximately 25 ° C. and in the upper part, this zone 16 has openings 20 evacuation 38 of steam, the water being vaporized in this zone 16 at the temperature of 27O 0 C.
  • the vaporization is obtained by the heat recovered from the zone 14.
  • the water vapor leaving the zone 16 is introduced into a central zone 40 occupying substantially the height of the lower part 26 of the chamber 12.
  • This central zone constitutes a third heat recovery zone.
  • This third zone itself has an outer annular zone 42 in which the water vapor, introduced in the lower part at 270 ° C., is superheated to reach the upper part of the temperature of 500 to 700 ° C.
  • the superheating of the steam water is obtained through the external exchange wall 46 of the zone 40 which is in contact with the reforming gases.
  • a rod 50 for introducing the diesel fuel constituted by a tube of diameter substantially smaller than that of the tube 48.
  • the rod 50 is made of thermally insulating material of in order to prevent heating and coking of the gas oil circulating in the tube 48.
  • This cane has at its upper end 54 a nozzle which sprays fine droplets the diesel introduced in the lower part.
  • the diesel fuel comes into contact with the superheated steam. It vaporizes almost immediately. If droplets of diesel fuel are not vaporized by mixing with the superheated steam, they are vaporized by contact with the concave wall 56 of the upper portion 44 of the zone 40.
  • the volume of this upper portion 44 of the central zone 40 thus forms the mixer / evaporator. This volume is minimized by the evaporation of the residual gas oil against the wall 56.
  • the production of the water + gas oil mixture in the upper part 44 of the zone 40 avoids the coking, that is to say the cracking of the diesel fuel and the production of carbon particles in the form of soot which could foul the various pipes or annular areas.
  • the mixture of steam water + diesel which is thus in the upper part 44 of the zone 40 has a temperature of 400 to 55O 0 C. It is then evacuated by the annular zone between the tube 50 and the tube 48.
  • the cylindrical wall 48 itself constitutes a heat exchange wall with the annular zone 42, in which the steam circulates. water. The heat exchanges thus make it possible to start the overheating of the water + diesel mixture.
  • the water + gas oil mixture is then introduced into the lower part of the first annular zone 14 surrounding the reaction chamber to be finally introduced in the upper part into the combustion chamber 22.
  • the mixture When the mixture rises in the annular zone 14, it is heated by heat exchange with the wall 32 and the wall 30 at a temperature of 600 to 900 ° C. (typically 700 ° C.).
  • a temperature of 600 to 900 ° C. typically 700 ° C.
  • the heating of the water + gas oil mixture is carried out mainly thanks to the wall 32 of the portion 26.
  • the heating continues but to a lesser degree because the wall 30, while being mainly insulating, however allows a little heat.
  • the water + gas oil mixture comes to a temperature of 700 ° C. typically.
  • Pure oxygen is introduced into the combustion chamber 22 via one or more pipes 62 in the direction of the axis 20.
  • This (these) channel (s) 62 is (are) slightly inclined (s) in the direction of the axis 20 so as to generate a flow of gas around this axis.
  • a retractable nozzle 66 for the introduction of diesel fuel at the start of operation of the device.
  • a retractable spark plug 68 whose end is in the chamber 22. This arrangement allows to start the assembly by achieving a combustion diesel fuel to produce the heat necessary for the temperature rise of walls of the different areas of the device. Then, as has been seen above, it is the very operation of the device that produces the heat for preheating the fluids introduced into the chamber 12.
  • the almost tangential arrival of the water + gas oil mixture creates a film in the vicinity of the wall 72 of the combustion chamber 22, whereas the oxygen is injected in the direction of the axis of the chamber in an insufficient quantity to burn all the hydrocarbon.
  • the combustion takes place substantially along the axis 20 of the combustion chamber and not near the walls. Under these conditions, this wall 72 is isolated with respect to the flame.
  • the wall 72 is at a temperature substantially lower than that resulting from the combustion.
  • the combustion is carried out at a temperature of the order of 2500 ° C. to 3000 ° C. and the walls 72 are at a temperature of the order of 1000 to 1600 ° C.
  • This protection of the wall 72 is also enhanced by the fact that the water vapor absorbs the radiation of the flame. In other words, the wall 72 is protected from the heat of combustion both for the transferable heat by convection and for heat transferable by radiation.
  • a rib arranged in a helix having the reference 74 in the annular space 14 and the reference 76 in the annular space 42.
  • the helical rib 74 in the annular zone 14 is integral with the exchange wall 32 while the rib helical 76 in the annular zone 42 is integral with the tube 48.
  • the hydraulic diameter is equal to 4S / P, S being the gas passage section and P the perimeter corresponding to this section S.
  • the passage section is delimited by the two walls of each ring and the pitch of the helix.
  • the helical rib increases the rate of passage of gases, which further improves the heat exchange in the annular zone where the rib.
  • the exchange wall 32 is almost at the temperature prevailing in the annular space 14.
  • the exchange coefficient on the side of the reaction chamber which is devoid of helical rib, is lower.
  • the wall is brought to a temperature close to that of the circulating fluid on the side where the heat exchange coefficients are the highest.
  • the helical ribs also have the advantage of allowing a better circumferential homogenization of the temperature around the axis 20 because the gases do not flow in a single generator but circulate all around the axis. As a result, there is no deformation that would be due to circumferential temperature differences or circumferential flow differences.
  • the helical ribs constitute spacers between the cylindrical walls, for example between the wall 32 and the wall 34 for the annular zone 14, which increases the rigidity and keeps the distance between the facing walls constant and thus still prevents deformations. axial or circumferential and heterogeneities circumferences of temperature and flow that would result.
  • the helical ribs can be made from a round profile (solid or hollow) with a diameter greater than the annular space.
  • This round profile is welded to one of the walls and the opposite portion is truncated, for example by machining, so that the profile can be housed in the annular space.
  • Tight machining and welding of the profile to the walls would introduce strong thermomechanical stresses. The machining is thus such that it leaves a sufficient clearance between the truncated crown of the rib and the opposite wall (to which the profile is not welded) to absorb the differential thermal expansions. This game induces a leakage flow for the gas.
  • the laminar nature of the leakage flow in this very small space also contributes significantly to the heating of the gas, which limits the negative effect of this part of the flow whose path is not helical.
  • the helical rib is made by machining the wall in which a helical groove is formed. The channel is then closed by point-to-point welding of the complementary wall.
  • the embodiment in which the wall is machined is more particularly advantageous for rib heights of 0.5 to 1.5 mm whereas a realization using a profile is preferable for rib heights of 1.5. at 4 mm.
  • the outer wall 46 of the zone 40 that is to say the wall ensuring the heat exchange between the reaction chamber and the superheated steam, is metallic on the inner side. On the outer side, i.e. the side in contact with the reaction chamber, it is coated with conductive refractory ceramic so that this wall is protected against the effect of hot reforming gases.
  • the wall 32 of the second part of the reforming chamber is, on the outer side, metal and on the inner side, that is to say on the side of the reaction chamber, it is protected by a refractory ceramic conductive .
  • This member 100 ensures the distribution and sealing of the fluids between the different zones, the reaction chamber and the external environment. It also ensures the attachment of exchangers. In addition, it is arranged to allow the disassembly of the device 10. It also ensures the evacuation of gases from the reforming chamber.
  • the lower disk 102 is intended to carry the water vapor from the outlet 38 of the annular zone 16 to the zone 42 of the portion 40 of the device.
  • the purpose of the intermediate disk 104 is to channel the water + gas oil mixture from the annular space between the tube 48 and the rod 50 towards the annular zone 14.
  • the upper disk 106 is intended for collecting the reforming gas for its evacuation to the outside.
  • the three discs are crossed by the tube (rod) 50 of diesel injection.
  • the disc 102 is secured to the tube 48 constituting the inner wall of the zone 42.
  • the outer wall 46 of the portion 40 is carried by the disc 104.
  • the disc 106 is secured to the wall 32, that is to say the inner wall of the annular space 14 for preheating the water + gas oil mixture.
  • FIG. 4 shows an overall view of the lower part of the device 10 which comprises, in addition to the member 100, a base flange 120 which presents in its part upper housing 122 for the member 100.
  • This flange 120 is fixed to a flange 124 welded to the outer wall 18 at its upper part.
  • the flange 120, the flange 124 and the wall 18 are such that they make it possible to withstand the significant pressure prevailing in the device 10.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) générateur d'hydrogène à partir d'un hydrocarbure liquide ou gazeux, notamment du gazole, d'oxygène et d'eau. Il comprend : - une chambre de réaction (12) dans laquelle sont introduits les 5 fluides réactifs pour réaliser une réaction de reformage qui produit de l'hydrogène et des oxydes de carbone à partir des réactifs, cette réaction étant réalisée à haute température, - une première zone (14) sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction et dans laquelle circule un mélange de vapeur d'eau et 10 d'hydrocarbure à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de la chambre de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction, de façon à préchauffer le mélange circulant dans la première zone, le ou les réactif(s) étant en contact direct avec les parois (30, 32) 15 de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques, - une seconde zone (16) sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule de l'eau afin de la vaporiser, l'eau étant en contact direct avec les parois (18, 34) de cette seconde zone, la séparation (34) entre la première et la seconde zone étant telle que l'eau 20 circulant dans la seconde zone récupère de la chaleur de la première zone afin de préchauffer l'eau, et - des moyens pour mélanger l'eau de la seconde zone à l'hydrocarbure avant d'introduire le mélange sous forme de vapeur dans la première zone.

Description

DISPOSITIF GENERATEUR D ' HYDROGENE A PARTIR D ' HYDROCARBURE , D ' EAU ET D ' OXYGENE COMPRENANT UNE ENCEINTE DE REACTION ET D ' ECHANGES THERMIQUES
L' invention est relative à un dispositif générateur d'hydrogène à partir d'oxygène, d'eau et d'un hydrocarbure gazeux ou liquide.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de 5 reformage pour générer de l'hydrogène.
On sait que l'hydrogène est le gaz utilisé pour l'alimentation des piles à combustibles qui constituent des générateurs d'électricité de rendement élevé. La généralisation de l'utilisation des piles à combustibles devrait contribuer à
10 réduire l'effet de serre.
La génération d'hydrogène nécessaire aux piles à combustible ou à d'autres applications industrielles peut être obtenue en faisant réagir un hydrocarbure et de l'eau.
L'hydrocarbure, le plus souvent utilisé pour produire de
15 l'hydrogène, est le gaz naturel (principalement constitué de méthane, mais aussi d'éthane ou propane), dans un réacteur de vaporeformage catalytique. Mais de l'hydrogène peut également être produit à partir d'autres hydrocarbures, notamment des coupes pétrolières telles que du gazole, le naphta, le kérosène,
20 l'essence, le gaz de pétrole liquéfié (propane, butane), et des bio combustibles tels que les biogaz, les huiles végétales ou leurs esters, l'éthanol ou le méthanol, en adaptant les conditions de température et les catalyseurs à l'hydrocarbure et au procédé qui peut être un vaporeformage, une oxydation partielle ou encore un vaporeformage autotherme.
L' hydrogène est produit en général en deux étapes . Au cours d'une première étape appelée « reformage », le carbone de l'hydrocarbure se combine avec l'oxygène de l'eau pour fournir principalement le monoxyde de carbone CO et dégager de l'hydrogène. Ensuite, au cours d'une seconde étape, le monoxyde CO est encore combiné avec l'eau pour fournir le dioxyde CO2 et de l'hydrogène H2.
L' opération de reformage qui produit CO + H2 est une réaction endothermique, c'est-à-dire une réaction à laquelle il faut apporter de la chaleur. A cet effet, on utilise une réaction exothermique qui est constituée par la combustion d'une fraction du flux de l'hydrocarbure avec un flux oxygéné. Ainsi, une fraction de l'hydrocarbure constitue un combustible pour apporter de la chaleur et la fraction complémentaire de l'hydrocarbure constitue le réactif principal qui va fournir l'hydrogène. On comprend donc qu'il faut minimiser la fraction d'hydrocarbure brûlée pour maximiser la fraction d'hydrocarbure reformée .
Les gaz de reformage sont produits à haute température et la chaleur qu'ils contiennent peut être récupérée pour préchauffer les fluides entrant dans la chambre de réaction, ou réactifs, à savoir l'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné (qui peut être l'oxygène de l'air ou de l'oxygène pur, ou un mélange) . Ainsi, la réaction de reformage est effectuée avec des réactifs chauds, ce qui permet de diminuer la fraction d'hydrocarbure brûlé.
Un but de l'invention est de fournir un dispositif permettant de minimiser les pertes thermiques vers l'environnement extérieur et donc d'améliorer le rendement du générateur d'hydrogène. Un autre but est de réduire le volume du dispositif générateur d'hydrogène en rassemblant les différentes étapes dans une même enceinte afin notamment de faciliter son intégration mécanique. Un autre but encore est de limiter ou supprimer les connections de fluides ou réactifs chauds entre les différents modules ou étapes du procédé de génération d'hydrogène
(préchauffage de l'eau, évaporation, surchauffe, préchauffage du flux oxygéné, préchauffage de l'hydrocarbure, mélange et réaction chimique, refroidissement des gaz de reformage...) , diminuant ainsi les pertes thermiques et les problèmes thermomécaniques des liaisons chaudes entre plusieurs enceintes sous pression.
Le dispositif de reformage conforme à l'invention est destiné à produire de l'hydrogène à partir d'hydrocarbure, notamment du gazole, d'eau et d'oxygène. Il peut également fonctionner à partir d'autres hydrocarbures mentionnés ci-dessus tels que le kérosène, le naphta, l'essence, le gaz de pétrole liquéfié, le gaz naturel et des biocombustibles tels que les huiles végétales ou leurs esters, l'éthanol. Il peut également être adapté pour utiliser de l'air ou un autre flux oxygéné à la place de l'oxygène pur. Il comprend : une chambre de réaction dans laquelle sont introduits les fluides réactifs pour réaliser une réaction de reformage qui produit de l'hydrogène et des oxydes de carbone à partir des réactifs, cette réaction étant réalisée à haute température,
- une première zone sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction et dans laquelle circule un mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de la chambre de réaction de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction, de façon à préchauffer le mélange circulant dans la première zone, le ou les réactif (s) étant en contact direct avec les parois de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques,
- une seconde zone sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule de l'eau afin de la préchauffer et de la vaporiser, l'eau étant en contact direct avec les parois de cette seconde zone, la séparation entre la première et la seconde zone étant telle que l'eau circulant dans la seconde zone récupère de la chaleur perdue par la première zone afin de préchauffer l'eau, et - des moyens pour mélanger l'eau de la seconde zone à l'hydrocarbure avant d'introduire le mélange sous forme de vapeur dans la première zone, l'ensemble étant tel que la face interne de la paroi externe du dispositif, qui est constituée par la face interne de la paroi externe de la seconde zone, en contact avec l'eau, soit à une température sensiblement inférieure à la température de la chambre de réaction.
Ainsi, la température de la chambre de réaction qui est de l'ordre de 800 à 1 4000C, selon les hydrocarbures, là où s'effectue le reformage, est entourée par la première zone dans laquelle circule un mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure dont la température est de l'ordre de 500 à 9000C, la chaleur de ce mélange de fluides étant apportée par la chambre de réaction et cette première zone est entourée elle-même par la seconde zone à une température par exemple de l'ordre de 27O0C quand la pression dans le dispositif est de l'ordre de 55 bars. Toutefois, le dispositif peut être adapté pour un fonctionnement à d'autres pressions, dans la plage de 1 à 100 bars.
La chambre de réaction est thermiquement isolée de l'extérieur par les enveloppes que constituent les deux zones et la face interne de la paroi extérieure est à une température de l'ordre de 27O0C, c'est-à-dire à une température très nettement inférieure à celle de la réaction. Il n'y a que très peu de pertes thermiques et le rendement énergétique est optimisé. Dans ces conditions, le choix des matériaux constitutifs de cette paroi externe, qui doit en général résister à la pression, est plus aisé que si la paroi externe était à une température du même ordre de grandeur que la température de la chambre de réaction ou encore de la première zone. Dans une réalisation, la chambre de réaction comporte deux parties dont la première est le siège de la réaction et la seconde constitue un canal d' évacuation des produits de la réaction, ces deux parties étant telles que l'échange thermique entre la seconde partie de la chambre de réaction, la plus proche de la sortie des produits de la réaction, et la première zone est sensiblement plus important que l'échange thermique entre la première partie de la chambre de réaction et la première zone.
De préférence, dans cette réalisation, le canal d'évacuation est de configuration sensiblement rectiligne et les produits ne circulent que dans un seul sens dans ce canal d'évacuation. Ainsi, il n'y a pas d'obstacle à l'évacuation et de cette manière, l'évacuation s'effectue de façon rapide et simple. Du fait de la configuration du dispositif, la réalisation est aisée et peu onéreuse. De plus, la fiabilité du dispositif est importante puisqu'il n'existe pas de paroi transversale soumise à un flux de chaleur trop important. En particulier, il n'existe pas de serpentin, ni de faisceau de tubes, ni d'ailette immergé dans l'écoulement des produits chauds. Ainsi, les contraintes mécaniques sont minimisées, en particulier parce que la température est plus homogène et, en moyenne, plus basse. Du fait de cette température plus basse, la corrosion est minimisée. En conséquence, la durée de vie est augmentée . De préférence, dans ce cas, le dispositif comporte une troisième zone à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer par échange thermique de la chaleur de cette seconde partie de la chambre de réaction, afin de préchauffer des réactifs ou des fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de la réaction à haute température, d'autre part, étant sensiblement cylindrique et lisse. Cette troisième zone comporte, dans une réalisation : - des moyens pour surchauffer la vapeur d'eau,
- des moyens pour vaporiser un hydrocarbure liquide et le mélanger à la vapeur d'eau, et
- éventuellement, des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d' eau et d' hydrocarbure . En variante, l'hydrocarbure est gazeux et la troisième zone comporte :
- des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la surchauffer,
- des moyens pour mélanger l'hydrocarbure gazeux avec la vapeur d'eau, et
- éventuellement, des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure gazeux.
Dans une réalisation, le dispositif comprend : des moyens pour créer de fines gouttelettes d'hydrocarbure liquide,
- des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec de la vapeur d' eau, la température de la vapeur d' eau permettant la vaporisation d'une fraction au moins des gouttelettes, et
- une surface chaude, notamment chauffée par échange thermique avec la chambre de réaction, à une température suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non vaporisées par mélange avec la vapeur d' eau,
- les moyens de création de gouttelettes projetant ces dernières vers la surface chaude. Ainsi, on obtient un moyen de vaporisation rapide de l'hydrocarbure qui évite la cokéfaction, c'est-à-dire le craquage de l'hydrocarbure avec production de suie. Ce moyen peut d'ailleurs être utilisé indépendamment de la structure du dispositif de génération d'hydrogène faisant l'objet de la présente demande. Cette disposition de l'invention permet d'accorder le débit de liquide avec le débit de vapeur. En particulier, on s'assure que l'intégralité de l'hydrocarbure liquide introduit est vaporisée de façon quasi-instantanée. La pulvérisation en gouttelettes permet de maximiser la surface d'échange du liquide avec l'environnement gazeux chaud et contribue au résultat d'égalité entre les débits instantanés de liquide introduit et de liquide vaporisé.
Selon encore une autre disposition de l'invention, qui peut s'utiliser indépendamment des dispositions exposées ci- dessus, on prévoit un espace annulaire, par exemple dans l'une des zones, comportant des moyens pour assurer une circulation hélicoïdale du fluide, afin d'homogénéiser la température des parois et du fluide circulant dans cet espace annulaire, ces moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour réaliser une fonction d' entretoise entre les parois de cet espace annulaire.
De préférence, dans ce cas, l'espace annulaire constitue un espace d'échange thermique, agencé pour que le pas de la circulation hélicoïdale soit tel que les échanges thermiques soient optimisés .
Selon une réalisation, la chambre de réaction comporte une partie de combustion dans laquelle s'effectue une combustion pour laquelle la température est sensiblement supérieure à la température dans le reste de la chambre de réaction, cette partie ayant une forme sensiblement cylindrique, et le dispositif comporte :
- des moyens pour injecter dans la partie de combustion le mélange de vapeur d' eau et d' hydrocarbure de façon sensiblement tangentielle le long des parois, et
- des moyens pour injecter l'oxygène en direction de l'axe de la partie de combustion,
- l'ensemble étant tel que le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure injecté de façon sensiblement tangentielle constitue une protection thermique de la paroi cylindrique de la partie de combustion, la combustion se produisant au voisinage de l'axe et la protection étant réalisée par constitution d'un écran de gaz protégeant la paroi contre la chaleur produite tant par convection que par rayonnement . On notera que cette réalisation peut aussi être utilisée indépendamment des autres dispositions de l'invention. En particulier, elle peut être utilisée indépendamment de la structure du dispositif à chambre de réaction entourée par deux zones annulaires . Dans une réalisation, le dispositif comprend à une extrémité, à laquelle aboutissent la chambre de réaction et les première, seconde et troisième zones, un bloc comportant :
- des moyens pour canaliser les fluides et assurer les connexions des zones entre elles ou avec l'environnement externe,
- des moyens pour fixer certaines des parois séparant les différentes zones et la chambre de réaction et assurer l'étanchéité entre ces zones, la chambre de réaction et l'environnement extérieur, et - des moyens pour permettre le démontage d' au moins certaines desdites parois .
De préférence, les fluides réactifs sont introduits dans les différentes zones et dans la chambre de réaction à une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas, la seconde zone peut être délimitée par, d'une part, une paroi extérieure résistant à la pression et, d'autre part, une paroi intérieure qui est solidaire de cette paroi extérieure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma d'une partie d'un dispositif de reformage conforme à l'invention, la figure 2 est un schéma d'une partie du dispositif montré sur la figure 1, la figure 3 est un schéma d'une autre partie du dispositif de reformage selon l'invention, et la figure 4 est un schéma montrant l'assemblage des parties du dispositif montrées sur les figures 1 et 3.
On va maintenant décrire en relation avec les figures un mode de réalisation d'un dispositif générateur d'hydrogène (ou reformeur) . Ce dispositif produit un mélange principalement de H2 et de CO, contenant également CO2 et H2O qui est introduit dans un autre dispositif (non montré) qui produit encore de l'hydrogène à partir de l'action de H2O sur le CO pour le transformer en CO2. Conformément à l'invention, le dispositif 10 représenté sur la figure 1 comporte une partie centrale ou cœur constituant la chambre de réaction 12, ou le reformeur lui-même, sa température étant adaptée au reformage du gazole, entre 1 000 et 1 4000C, et ce cœur est entouré par une première zone annulaire 14 dans lequel circule un mélange eau + gazole à une température de 400 à 9000C (typiquement 7000C) qui récupère la chaleur perdue par le reformeur 12.
La première zone annulaire 14 est elle-même entourée par une seconde zone annulaire 16 constituant un préchauffeur et vaporiseur d'eau. La pression régnant dans le dispositif étant, dans l'exemple, de 55 bars, la température du vaporisateur d'eau est 27O0C, c'est-à-dire la température d'ébullition de l'eau à cette pression de 55 bars. Le vaporisateur 16 récupère la chaleur cédée par le mélange eau + gazole dans la première zone annulaire 14.
Ainsi, la paroi extérieure 18 du dispositif est à une température de 27O0C, ce qui permet la sélection d'un métal résistant à la température modérée de l'enveloppe et à la pression élevée régnant dans le dispositif. Le dispositif présente une forme générale cylindrique d'axe 20 représenté verticalement sur la figure.
La chambre de réaction 12 comporte dans sa partie haute une chambre de combustion 22 de diamètre plus réduit que celui de la chambre 12.
La chambre de réaction ou reformeur 12 comporte deux parties 24 et 26. Dans la première partie 24 s'effectue la réaction de reformage à une température élevée, de 1000 à 1 4000C dans la réalisation du dispositif présentée ici. Cette partie 24 contient dans sa partie supérieure la chambre de combustion 22.
La seconde partie 26 de la chambre 12 constitue principalement une partie d'évacuation des produits de réaction, les gaz de reformage, et d'échanges thermiques avec les fluides réactifs à préchauffer avant leur entrée dans la chambre 12. La hauteur de la partie 26 est optimisée pour que les échanges thermiques soient suffisants ; dans la réalisation présentée ici, elle est supérieure à celle de la zone 24. En partie inférieure, les gaz de reformage ont ainsi été refroidis à une température de l'ordre de 350 à 45O0C.
La paroi cylindrique externe 30 de la partie supérieure 24 de la chambre 12 a principalement une fonction d' isolation thermique tandis que la paroi cylindrique 32 de la partie inférieure 26 de la chambre 12 a principalement pour fonction l'échange thermique avec la zone annulaire 14.
La paroi 34 séparant les zones annulaires 14 et 16 a principalement une fonction d' échange thermique entre ces zones . La paroi 34 est solidaire de la paroi extérieure 18.
La seconde zone annulaire 16, la plus éloignée de l'axe 20, présente à sa partie inférieure des ouvertures 36 recevant de l'eau à la température ambiante, soit 250C environ et en partie supérieure, cette zone 16 présente des ouvertures d'évacuation 38 de vapeur, l'eau s' étant vaporisée dans cette zone 16 à la température de 27O0C. La vaporisation est obtenue par la chaleur récupérée de la zone 14. La vapeur d'eau sortant de la zone 16 est introduite dans une zone centrale 40 occupant sensiblement la hauteur de la partie inférieure 26 de la chambre 12. Cette zone centrale constitue une troisième zone de récupération de chaleur. Cette troisième zone comporte elle-même une zone annulaire externe 42 dans laquelle la vapeur d'eau, introduite en partie inférieure à 27O0C, est surchauffée pour atteindre en partie supérieure la température de 500 à 7000C. La surchauffe de la vapeur d'eau est obtenue grâce à la paroi échangeuse externe 46 de la zone 40 qui est en contact avec les gaz de reformage.
A l'intérieur de la paroi cylindrique interne 48 de la zone annulaire 42, se trouve une canne 50 d'introduction du gazole constituée par un tube de diamètre sensiblement inférieur à celui du tube 48. La canne 50 est constituée de matériau thermiquement isolant de façon à éviter l' échauffement et la cokéfaction du gazole qui circule dans le tube 48.
Cette canne présente à son extrémité supérieure 54 un gicleur qui pulvérise en fines gouttelettes le gazole introduit en partie inférieure. Ainsi, le gazole entre en contact avec la vapeur d'eau surchauffée. Il se vaporise quasi-immédiatement. Si des gouttelettes de gazole ne sont pas vaporisées par mélange avec la vapeur d'eau surchauffée, elles le sont par contact avec la paroi concave 56 de la partie supérieure 44 de la zone 40. Le volume de cette partie supérieure 44 de la zone centrale 40 forme donc le mélangeur/évaporateur. Ce volume est minimisé grâce à l'évaporation du gazole résiduel contre la paroi 56.
La réalisation du mélange eau + gazole dans la partie supérieure 44 de la zone 40 évite la cokéfaction, c'est-à-dire le craquage du gazole et la production de particules de carbone sous forme de suie qui risquerait d'encrasser les diverses canalisations ou zones annulaires .
Le mélange de vapeur eau + gazole qui se présente ainsi en partie supérieure 44 de la zone 40 a une température de 400 à 55O0C. Il est ensuite évacué par la zone annulaire entre le tube 50 et le tube 48. La paroi cylindrique 48 constitue elle-même une paroi d'échange thermique avec la zone annulaire 42, dans laquelle circule la vapeur d'eau. Les échanges thermiques permettent ainsi de démarrer la surchauffe du mélange eau+gazole .
Le mélange eau + gazole est ensuite introduit en partie inférieure de la première zone annulaire 14 entourant la chambre de réaction pour être finalement introduit en partie supérieure dans la chambre de combustion 22.
Lorsque le mélange remonte dans la zone annulaire 14, il se réchauffe par échange thermique avec la paroi 32 et la paroi 30 à une température de 600 à 9000C (typiquement 7000C) . Bien entendu, l'échauffement du mélange eau + gazole s'effectue principalement grâce à la paroi 32 de la partie 26. Toutefois, autour de la paroi 30, l'échauffement continue mais à un degré moindre car la paroi 30, tout en étant principalement isolante, laisse cependant passer un peu de chaleur.
Dans la chambre de combustion, le mélange eau + gazole entre à une température de 7000C typiquement.
De l'oxygène pur est introduit dans la chambre de combustion 22 par l'intermédiaire d'une ou plusieurs canalisations 62 en direction de l'axe 20. Cette (ces) canalisation (s) 62 est (sont) légèrement inclinée (s) en direction de l'axe 20 de façon à générer un écoulement de gaz autour de cet axe.
Egalement en partie supérieure du dispositif 10, au- dessus de la chambre de combustion 22, on prévoit un gicleur rétractable 66 pour l'introduction de gazole au démarrage du fonctionnement du dispositif. Dans la partie supérieure du dispositif 10, au voisinage de l'axe 20, on prévoit aussi une bougie d'allumage rétractable 68 dont l'extrémité se trouve dans la chambre 22. Cette disposition permet de faire démarrer l'ensemble en réalisant une combustion du gazole afin de produire la chaleur nécessaire à la montée en température des parois des différentes zones du dispositif. Ensuite, comme on l'a vu plus haut, c'est le fonctionnement même du dispositif qui produit la chaleur permettant de préchauffer les fluides introduits dans la chambre 12. Entre la partie supérieure de la zone annulaire 14, dans laquelle circule le mélange eau + gazole, et la chambre de combustion 22, on prévoit des canalisations 70i, IO2, ... orientées de façon telle (figure 2) que ce mélange eau + gazole circule le long des parois circonférentiellement autour de l'axe 20. Autrement dit, les canalisations 70i, 7O2, etc. n'ont pas une direction radiale mais une direction proche d'une direction tangentielle .
Ainsi, l'arrivée quasi tangentielle du mélange eau + gazole crée un film au voisinage de la paroi 72 de la chambre de combustion 22, tandis que l'oxygène est injecté en direction de l'axe de la chambre en quantité insuffisante pour brûler tout l'hydrocarbure. Il en résulte que la combustion s'effectue pratiquement selon l'axe 20 de la chambre de combustion et non au voisinage des parois. Dans ces conditions, cette paroi 72 est isolée par rapport à la flamme. En conséquence, la paroi 72 est à une température sensiblement inférieure à celle résultant de la combustion. En effet, la combustion s'effectue à une température de l'ordre de 2 5000C à 3 0000C et les parois 72 sont à une température de l'ordre de 1000 à 1 6000C. Cette protection de la paroi 72 est aussi renforcée par le fait que la vapeur d' eau absorbe le rayonnement de la flamme. Autrement dit, la paroi 72 est protégée de la chaleur de la combustion tant pour la chaleur transférable par convection que pour la chaleur transférable par rayonnement. Dans l'espace annulaire 14 ainsi que dans l'espace annulaire 42, on prévoit une nervure arrangée en hélice ayant la référence 74 dans l'espace annulaire 14 et la référence 76 dans l'espace annulaire 42.
La nervure hélicoïdale 74 dans la zone annulaire 14 est solidaire de la paroi d'échange 32 tandis que la nervure hélicoïdale 76 dans la zone annulaire 42 est solidaire du tube 48.
Ces nervures hélicoïdales permettent d'augmenter les échanges thermiques. En effet, on sait que les échanges thermiques sont d'autant plus efficaces que le diamètre hydraulique est petit. Le diamètre hydraulique est égal à 4S/P, S étant la section de passage du gaz et P le périmètre correspondant à cette section S. La section de passage est délimitée par les deux parois de chaque anneau et le pas de l'hélice. Ainsi, un choix convenable de la distance entre les parois en regard et du pas de l'hélice permet de minimiser le diamètre hydraulique.
En outre, la nervure hélicoïdale permet d'augmenter la vitesse de passage des gaz, ce qui améliore encore l'échange thermique dans la zone annulaire où se trouve la nervure.
Ainsi, la paroi d'échange 32 est quasiment à la température régnant dans l'espace annulaire 14. En effet, le coefficient d'échange du côté de la chambre de réaction, qui est dépourvue de nervure hélicoïdale, est moins élevé. Autrement dit, la paroi est portée à une température proche de celle du fluide circulant du côté où les coefficients d' échanges thermiques sont les plus élevés .
Les nervures hélicoïdales présentent aussi l'avantage de permettre une meilleure homogénéisation circonférentielle de la température autour de l'axe 20 car les gaz ne s'écoulent pas selon une seule génératrice mais circulent tout autour de l'axe. Il en résulte qu'il n'y a pas de déformation qui serait due à des différences de températures circonférentielles ou des différences de débit circonférentielles . Enfin, les nervures hélicoïdales constituent des entretoises entre les parois cylindriques, par exemple entre la paroi 32 et la paroi 34 pour la zone annulaire 14, ce qui augmente la rigidité et maintient constante la distance entre les parois en regard et évite donc encore les déformations axiales ou circonférentielles et les hétérogénéités circonférentielles de température et de débit qui en résulteraient.
Les nervures hélicoïdales peuvent être réalisées à partir d'un profil rond (plein ou creux) d'un diamètre supérieur à l'espace annulaire. Ce profil rond est soudé à l'une des parois et la partie opposée est tronquée, par exemple par usinage, pour que le profil puisse être logé dans l'espace annulaire. Il faut cependant prendre en compte les dilatations thermiques différentielles entre les deux parois . Un usinage serré et un soudage du profil aux parois introduirait des contraintes thermomécaniques fortes. L'usinage est donc tel qu'il laisse un jeu suffisant entre le sommet tronqué de la nervure et la paroi opposée (à laquelle n'est pas soudé le profil) pour absorber les dilatations thermiques différentielles. Ce jeu induit un écoulement de fuite pour le gaz. Mais le caractère laminaire de l'écoulement de fuite dans cet espace très réduit contribue aussi significativement à l'échauffement du gaz, ce qui limite l'effet négatif de cette partie de l'écoulement dont le parcours n'est pas hélicoïdal. En variante, la nervure hélicoïdale est réalisée par l'usinage de la paroi dans laquelle on forme donc une rainure hélicoïdale. Le canal est alors fermé par soudage point par point de la paroi complémentaire.
La réalisation dans laquelle on usine la paroi est plus particulièrement avantageuse pour des hauteurs de nervures de 0,5 à 1,5 mm alors qu'une réalisation à l'aide d'un profil est préférable pour des hauteurs de nervures de 1,5 à 4 mm.
La paroi externe 46 de la zone 40, c'est-à-dire la paroi assurant l'échange thermique entre la chambre de réaction et la vapeur d'eau surchauffée, est métallique du côté interne. Du côté externe, c'est-à-dire du côté en contact avec la chambre de réaction, elle est revêtue de céramique réfractaire conductrice afin que cette paroi soit protégée contre l'effet des gaz de reformage chauds . De même, la paroi 32 de la seconde partie de la chambre de reformage est, du côté extérieur, métallique et du côté intérieur, c'est-à-dire du côté de la chambre de réaction, elle est protégée par une céramique réfractaire conductrice. On va maintenant décrire en relation avec la figure 3 l'organe qui se trouve à la base du dispositif 10.
Cet organe 100 assure la distribution et l'étanchéité des fluides entre les différentes zones, la chambre de réaction et l'environnement externe. Il assure aussi la fixation des échangeurs. En outre, il est agencé pour permettre le démontage du dispositif 10. Il assure aussi l'évacuation des gaz de la chambre de reformage.
Dans la réalisation présentée sur la figure 3, on prévoit trois disques dont chacun est affecté à un fluide particulier.
Ainsi, le disque inférieur 102 a pour but de mener la vapeur d'eau issue de la sortie 38 de la zone annulaire 16 vers la zone 42 de la partie 40 du dispositif.
Le disque intermédiaire 104 a pour but de canaliser le mélange eau + gazole depuis l'espace annulaire entre le tube 48 et la canne 50 vers la zone annulaire 14.
Le disque supérieur 106 est destiné à la collecte du gaz de reformage pour son évacuation vers l'extérieur.
Les trois disques sont traversés par le tube (canne) 50 d'injection de gazole.
Par ailleurs (figure 4) , le disque 102 est solidaire du tube 48 constituant la paroi interne de la zone 42. Par contre, la paroi externe 46 de la partie 40 est portée par le disque 104. Le disque 106 est solidaire de la paroi 32, c'est-à- dire la paroi interne de l'espace annulaire 14 servant à préchauffer le mélange eau + gazole.
On a représenté sur la figure 4 une vue d'ensemble de la partie inférieure du dispositif 10 qui comprend, outre l'organe 100, une bride de base 120 qui présente à sa partie supérieure un logement 122 pour l'organe 100. Cette bride 120 est fixée à une contre bride 124 soudée à la paroi externe 18 à sa partie supérieure. Bien entendu, la bride 120, la contre bride 124 et la paroi 18 sont telles qu'elles permettent de résister à la pression importante régnant dans le dispositif 10.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) générateur d'hydrogène à partir d'un hydrocarbure liquide ou gazeux, notamment du gazole, d'oxygène et d'eau comprenant : une chambre de réaction (12) dans laquelle sont introduits les fluides réactifs pour réaliser une réaction de reformage qui produit de l'hydrogène et des oxydes de carbone à partir des réactifs, cette réaction étant réalisée à haute température,
- une première zone (14) sensiblement cylindrique entourant la chambre de réaction et dans laquelle circule un mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure à introduire dans la chambre de réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone étant séparée de la chambre de réaction de façon à récupérer, au moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction, de façon à préchauffer le mélange circulant dans la première zone, le ou les réactif (s) étant en contact direct avec les parois (30, 32) de cette première zone pour réaliser des échanges thermiques,
- une seconde zone (16) sensiblement cylindrique entourant la première zone et dans laquelle circule de l'eau afin de la préchauffer et de la vaporiser, l'eau étant en contact direct avec les parois (18, 34) de cette seconde zone, la séparation (34) entre la première et la seconde zone étant telle que l'eau circulant dans la seconde zone récupère de la chaleur de la première zone afin de préchauffer l'eau, et
- des moyens pour mélanger l'eau de la seconde zone à l'hydrocarbure avant d'introduire le mélange sous forme de vapeur dans la première zone, l'ensemble étant tel que la face interne de la paroi externe (18) du dispositif, qui est constituée par la face interne de la paroi externe de la seconde zone, en contact avec l'eau, soit à une température sensiblement inférieure à la température de la chambre de réaction.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la chambre de réaction comporte deux parties dont la première (24) est le siège de la réaction et la seconde (26) constitue un canal d'évacuation des produits de la réaction, ces deux parties étant telles que l'échange thermique entre la seconde partie de la chambre de réaction, la plus proche de la sortie des produits de la réaction, et la première zone est sensiblement plus important que l'échange thermique entre la première partie de la chambre de réaction et la première zone.
3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le canal d'évacuation est de configuration sensiblement rectiligne, les produits ne circulant que dans un seul sens dans ce canal d'évacuation.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3 comportant une troisième zone (40) à l'intérieur de la seconde partie de la chambre de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer de la chaleur de cette seconde partie de la chambre de réaction, afin de préchauffer des réactifs ou des fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi (46) séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de la réaction à haute température, d'autre part, étant sensiblement cylindrique et lisse.
5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel la troisième zone comporte :
- des moyens pour surchauffer la vapeur d'eau,
- des moyens pour vaporiser de l'hydrocarbure liquide et le mélanger à la vapeur d' eau, et - de préférence des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d' eau et d' hydrocarbure .
6. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel l'hydrocarbure est gazeux et la troisième zone comporte :
- des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la surchauffer, - des moyens pour mélanger de l'hydrocarbure gazeux avec la vapeur d'eau, et
- de préférence des moyens pour surchauffer le mélange de vapeur d' eau et d' hydrocarbure gazeux .
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant : des moyens (54) pour créer de fines gouttelettes d'hydrocarbure liquide,
- des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec de la vapeur d'eau, la température de la vapeur d'eau permettant la vaporisation d'au moins une fraction des gouttelettes, et
- une surface chaude (56) , notamment chauffée par échange thermique avec la chambre de réaction, à une température suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non vaporisées par mélange avec la vapeur d'eau, les moyens de création des gouttelettes projetant celles-ci vers la surface chaude.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant un espace annulaire, par exemple dans l'une des zones, comportant des moyens (74, 76) pour assurer une circulation hélicoïdale de fluide destiné à être introduit dans la chambre de réaction afin d'homogénéiser la température dans cet espace annulaire, ces moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour réaliser une fonction d' entretoise entre les parois de cet espace annulaire et une fonction d' échange thermique dans la zone annulaire où se trouvent les moyens de circulation hélicoïdale.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre de réaction comporte une partie de combustion (22) dans laquelle s'effectue une combustion pour laquelle la température est sensiblement supérieure à la température dans le reste de la chambre de réaction, cette partie ayant une forme sensiblement cylindrique, et dans lequel le dispositif comporte : - des moyens (70i, 7O2) pour injecter dans la partie de combustion le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure de façon sensiblement tangentielle le long des parois, et
- des moyens (62) pour injecter l'oxygène en direction de l'axe de la partie de combustion, l'ensemble étant tel que le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure injecté de façon sensiblement tangentielle constitue une protection thermique de la paroi cylindrique (72) de la partie de combustion, la combustion se produisant au voisinage de l'axe (20) du dispositif et la protection étant réalisée par constitution d'un écran de gaz protégeant la paroi contre la chaleur produite tant par convection que par rayonnement .
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant à une extrémité, à laquelle aboutissent la chambre de réaction et au moins les première et seconde zones, un bloc comportant :
- des moyens (102, 104, 106) pour canaliser les fluides et assurer les connexions des zones entre elles et avec l'environnement extérieur, - des moyens pour fixer certaines des parois séparant les différentes zones et la chambre de réaction et assurer l'étanchéité entre ces zones, la chambre de réaction et l'environnement extérieur, et
- des moyens pour permettre le démontage d' au moins certaines desdites parois.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel les fluides réactifs sont introduits dans les différentes zones et la chambre de réaction à une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique.
12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel la seconde zone est délimitée par, d'une part, une paroi extérieure (18) résistant à la pression et, d'autre part, une paroi (34) qui est solidaire de cette paroi extérieure.
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