WO2009010681A2 - Procede de regulation du debit de gaz combustible lors de la phase de demarrage d'un four de reformage - Google Patents

Procede de regulation du debit de gaz combustible lors de la phase de demarrage d'un four de reformage Download PDF

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François Fuentes
Alain Caillaud
Lian-Ming Sun
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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a method of regulating the flow of fuel gas sent to the steam reformer furnace burners for controlling the flow of fuel gas supplying the burners on said furnace.
  • SMR Steam reforming
  • synthesis gas a mixture composed mainly of hydrogen and carbon monoxide from a gaseous feed of reactants consisting essentially of hydrocarbons and carbon monoxide. water vapor which react together in a catalytic tubular reactor.
  • This technology one of the most used for the production of hydrogen in particular, is based on the catalytic reactions at high temperature (800-950 ° C) of light hydrocarbons with water vapor. Highly endothermic, these reactions require heat input.
  • This heat is usually provided by the combustion of a fuel with air using burners located in a radiant furnace in which the reforming tubes are arranged.
  • the fumes from the combustion flow outside the tubes in the furnace and provide the reactants, by radiation and convection, the heat required for reforming.
  • the reformers we are considering here are steam reformers of usual geometry.
  • the furnaces have a number of burners arranged in rows on side walls in the case of so-called “sidefired” SMRs and so-called “terrace wall” SMRs, or at the oven vault in the case of SMRs known as “terrace walls”. top-fired “; more rarely, the burners are placed in the floor of the oven in the case of "bottom-fired”. In all cases, the burners are relatively spaced relative to each other.
  • One of the difficulties of the implementation of this technology is the control of the equilibrium between heat supply and demand, ie the balance between the quantities of heat generated by the combustion and the quantities of heat. heat demanded by endothermic reactions. However, this balance is essential to maintain tube temperatures below the recommended maximum temperatures (commonly known as design temperatures), otherwise the materials constituting said tubes can become fragile or even crack, causing incidents and unexpected stops.
  • the temperature control of the tubes is particularly delicate during the start-up phases (whether cold or hot). In fact, during these start-up phases, the feed gas is not introduced into the tubes, only an inert gas is circulated therein, the heat consumption is therefore low (due to the absence of endothermic reactions in the atmosphere). inside the tubes during these phases).
  • the burners are often able to operate with a wide variety of fuels.
  • this will especially be purge gas from the cold box (for the production of CO) and / or offgaz from the purification unit H 2 by adsorption by Pressure swing modulation (PSA), as well as the source of hydrocarbons (often natural gas) for the supplement.
  • PSA Pressure swing modulation
  • the entire heating system including among others the design
  • a fuel gas consisting mainly of recycled gas (including offgaz from PSA, typically 90%) and hydrocarbons (natural gas for example).
  • the different burners are equipped with individual ignition systems; those who participate in the startup are distributed in the oven so that the provided heat is evenly distributed over the entire oven, so as to minimize hot spots. For the same reason, ignition sequences are also defined for these burners.
  • excess air is here defined as the percentage of combustion air in excess of the air necessary to ensure the stoichiometry of the combustion reaction. Sufficient excess air guarantees lower flame temperatures and thus reduces the risk of overheating of the tubes.
  • the airflow also has the role of limiting the risk of explosion by keeping the atmosphere of the furnace below 25% of the low explosive limit (Low explosivity limit in English or LEL), and this even if the flames of some burners are blown. This air flow is distributed over all the burners, whether they are lit or not.
  • the flow of the combustible gas is injected into the furnace through the burnt burner ports.
  • the orifices being fixed, this flow rate is solely dependent on the pressure of said gas in the supply pipe upstream of the burners.
  • Fuels generated during reforming are not available at startup.
  • the only fuels available usually the gaseous filler (natural gas, naphtha, light hydrocarbon mixture, etc.), are of high calorific value.
  • the gaseous filler Natural gas, naphtha, light hydrocarbon mixture, etc.
  • the gas flow must therefore be all the lower as its heating value is important; the fuel gas pressure in the supply pipe located upstream of the burners must therefore be lower too.
  • the nominal operating conditions are as follows:
  • the relative pressure of combustible gas, in the supply pipe upstream of the burners is 200mbar
  • the air flow rate corresponds to 100% of the nominal flow
  • the heat released is 100%.
  • relative pressure means the pressure measured with respect to the atmospheric pressure ... All the pressures expressed in the remainder of this text will be relative pressures, except explicit mention. If we replace, all the other conditions being identical, the fuel mixture (90/10) above with a gas consisting of 100% natural gas, it will significantly reduce the fuel flow to the burners. As the heating value of natural gas is generally at least 3 times higher than that of the PSA offgaz, the fuel flow must be reduced by at least 3 and the pressure should be reduced to 20mbar (the flow circulating in the burners being proportional at the root of the pressure difference).
  • the air flow rate to be sent is fixed (generally 50% of the nominal flow rate for the reasons mentioned above).
  • a limited number of burners are turned on to heat the entire oven and tubes.
  • burner curves In order to determine the fuel gas pressure adapted during the start-up phase, those skilled in the art have curves called burner curves in English language. They allow to link together the two quantities released heat (heat release) and fuel gas pressure; they are specific to each type of fuel.
  • those skilled in the art apply certain known rules, including that of limiting the starting power to a value less than a maximum starting power, so as not to damage the reforming tubes. It is generally accepted that this maximum power is 30% of the nominal power. In practice, we will rather set a power of 25%.
  • the rated power would correspond to a natural gas pressure of 22 mbar.
  • a curve of the burners such as the curve reproduced in FIG. 1 shows that the natural gas pressure corresponding to the maximum starting power (30% of the nominal power) is 2 mbar. The reading of the curve indicates that the natural gas pressure upstream of the burners during the start-up phase must not exceed 2 mbar.
  • This upstream limit pressure is lower as the calorific value of the fuel is high.
  • the synthesis gas production facilities generally have several separate circuits for supplying the burners with combustible gas.
  • Each of the circuits is dimensioned according to the nature of the fuel gas or fuel gas mixture it conveys.
  • the object of the present invention is therefore to provide a simpler, more compact and more economical alternative solution to the problem of overheating of the tubes. Reforming when starting the furnace of the SMR, the solution consisting in ensuring, during this start-up, the supply to the burners in operation, of a fuel gas of sufficiently low calorific value, suitable for supplying said burners at the start of operation. SMR oven.
  • the invention thus relates to a method for regulating the flow rate of a fuel gas I intended to supply the burners of a steam reformer reforming furnace during a start-up phase of said furnace, comprising the steps of a) supplying a collector with a gaseous flow of said fuel gas I, b) feeding of said collector with an inert gas stream II, c) production at the outlet of the collector of a gas stream III consisting of the fuel gas mixture I and the inert gas II, d) supply of the lit burners of the reforming furnace in the gaseous mixture III from step c), via a distribution assembly of the gaseous mixture III to the burners on
  • the fuel gas I may be of the natural gas, butane, propane or naphtha type alone or as a mixture.
  • the inert gas II can be an inert gas, of the nitrogen type, but it is also possible to use a gas with a low calorific value.
  • low calorific value is meant a heating value substantially lower than that of the gas I.
  • the inert gas II is nitrogen.
  • the fuel gas I is natural gas.
  • the flow of the gas mixture III feeding the burners of the furnace is at a pressure at least equal to 3 - 5 mbar.
  • said flow of the gaseous mixture III supplying the burners of the furnace has a partial pressure of fuel gas I such that the heat released by the combustion of the fuel mixture III with the air supplying said burners is of the order of 25-30% of the nominal heat.
  • the flow ratio of the injected II gas / injected fuel gas flow I is between 0.5 and 1.
  • FIG. 2 illustrates the principle of the injection of nitrogen into a gas manifold located on the fuel supply circuit of the burners.
  • a stream of natural gas I and a stream of nitrogen II supply via lines 1 and 2 respectively, a common gas manifold 3 for the production of a combustible gas mixture III;
  • the mixture III is fed via the feed pipe 4 to the burners 5 of the SMR furnace. Only a part of the burners 5 is lit. Only these ignited burners are fed with combustible mixture III.
  • the start of the SMR furnace is carried out with a constant air flow and equal to 50% of the nominal flow rate.
  • This air flow is distributed in all burners 5, whether on or off. Natural gas flow through burning burners should be minimized to ensure a high excess of air combustion.
  • This flow rate is proportional to the square root of the difference between the upstream pressure and the (relative) pressure in the furnace combustion chamber. This being considered constant (of the order of -1 mbar), it is therefore determined by the pressure measured upstream of the burners.
  • heating power of 25% of the nominal power during startup. Since the heating power is proportional to the flow rate of the fuel gas, this means that the flow rate of the fuel gas must be reduced by a factor of four as well.
  • the minimum value of the pressure which can in practice be stabilized is 3-5mbar, which, as shown in the curve of figure 1, corresponds for natural gas to a power of 40-50% of the nominal power at each burner and can therefore be an unacceptable value for the preservation of the reforming tubes.
  • the nitrogen injection according to the invention makes it possible to overcome these difficulties.
  • the following table shows the results obtained with different ratios of natural gas and nitrogen rates [the pressure of the mixture III (natural gas + nitrogen) as well as the air flow are fixed constant].
  • the nitrogen circuit is available in most reforming plants (primarily for start-up and shutdown), little modification will be required for the implementation of the present invention; the quantities of nitrogen involved are also low, generally of the order of 500 to 2500 Nm3 / h for plants whose size ranges from 20 000 to 100 000 Nm3 / h of hydrogen.
  • the additional operating cost therefore remains very marginal, especially considering the indirect gains obtained thanks to improved operational reliability.
  • the nitrogen injection also offers other advantages, among which: the supply of inert gas with respect to the combustion makes it possible to increase the overall flow rate through the burners, thus helping to better regulate their operation and thus to obtain more stable flames, this makes it possible to substantially reduce the risk of deterioration of the tubes by unstable flames; the pressure of the mixture (fuel + nitrogen) III in the feed pipe may be greater, which facilitates its regulation and allows a better distribution of the flows between the burners, thus contributing to improving the thermal uniformity in the furnace; Since the proportion of combustible gas in the overall flow is lower for each burner, more burners can be ignited to reach a given heating power, which also contributes to improving the thermal uniformity in the furnace.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de régulation du débit d'un gaz combustible I destiné à alimenter les brûleurs allumés d'un four de reformage d'un reformeur à la vapeur lors d'une phase de démarrage du dit four, procédé dans lequel on alimente lesdits brûleurs allumés en un mélange III constitué à partir du gaz combustible I et d'un gaz inerte II présent sur le site.

Description

PROCÉDÉ DE RÉGULATION DU DÉBIT DE GAZ COMBUSTIBLE LORS DE LA PHASE DE DÉMARRAGE D'UN FOUR DE REFORMAGE
La présente invention concerne un procédé de régulation du débit de gaz combustible envoyé aux brûleurs du four de reformage d'un reformeur à la vapeur permettant de contrôler le débit de gaz combustible alimentant les brûleurs allumés dudit four.
Le reformage à la vapeur (en langue anglaise steam méthane reforming ou SMR) permet de produire du gaz de synthèse, mélange composé principalement d'hydrogène et de monoxyde de carbone à partir d'une charge gazeuse de réactants constituée essentiellement d'hydrocarbures et de vapeur d'eau qui réagissent ensemble dans un réacteur tubulaire catalytique. Cette technologie, une des plus utilisées pour la production d'hydrogène notamment, est basée sur les réactions catalytiques à haute température (800-950°C) des hydrocarbures légers avec la vapeur d'eau. Fortement endothermiques, ces réactions nécessitent un apport de chaleur.
Cette chaleur est habituellement fournie par la combustion d'un combustible avec de l'air à l'aide de brûleurs situés dans un four radiant dans lequel sont disposés les tubes de reformage. Les fumées provenant de la combustion circulent à l'extérieur des tubes disposés dans le four et apportent aux réactants, par rayonnement et convection, la chaleur nécessaire au reformage.
Les reformeurs que nous considérons ici sont des reformeurs à la vapeur de géométrie usuelle. Les fours comportent un certain nombre de brûleurs disposés en rangées sur des parois latérales dans le cas des SMR dits « side- fired » et des SMR dits « terrace wall », ou au niveau de la voûte du four dans le cas des SMR dits « top-fired » ; plus rarement , les brûleurs sont placés dans le plancher du four dans le cas des « bottom-fired ». Dans tous les cas, les brûleurs sont relativement espacés les uns par rapport aux autres. Une des difficultés de la mise en œuvre de cette technologie est le contrôle de l'équilibre entre l'offre et la demande de chaleur, c'est à dire de l'équilibre entre les quantités de chaleur générées par la combustion et les quantités de chaleur demandées par les réactions endothermiques. Or cet équilibre est essentiel pour maintenir les températures des tubes en dessous des températures maximales recommandées (communément appelées températures de design), faute de quoi, les matériaux constituant les dits tubes peuvent se fragiliser voire se fissurer, provoquant des incidents et des arrêts imprévus.
La maîtrise des températures des tubes est particulièrement délicate pendant les phases de démarrage (que ce soit à froid ou à chaud). En effet, durant ces phases de démarrage, le gaz de charge n'est pas introduit dans les tubes, on y fait uniquement circuler un gaz inerte, la consommation de chaleur est donc faible (en raison de l'absence des réactions endothermiques à l'intérieur des tubes pendant ces phases).
Par ailleurs, les brûleurs sont souvent aptes à pouvoir fonctionner avec une grande variété de combustibles. Dans le cas des unités de production H2/CO, il s'agira notamment des gaz de purge, provenant de la boîte froide (pour la production de CO), et/ou offgaz de l'unité de purification H2 par adsorption par modulation de pression (pressure swing adsorption en langue anglaise, ou PSA), ainsi que la source d'hydrocarbures (souvent du gaz naturel) pour le complément. On peut aussi utiliser du gaz de synthèse voire de l'hydrogène lorsqu'il est excédentaire par rapport à la demande. L'ensemble du système de chauffage, incluant entre autres la conception
(le design en langue anglaise) des brûleurs, l'instrumentation, est généralement conçu pour être adapté à la marche nominale de l'unité de production. Cela inclut de fonctionner avec:
- l'ensemble (ou dans certains cas la pus grande partie) des brûleurs allumés, et
- un gaz combustible constitué majoritairement de gaz recyclé (notamment offgaz en provenance du PSA, typiquement 90%) et d'hydrocarbures (gaz naturel par exemple).
Cependant, lors du démarrage d'un four de SMR, et donc en l'absence de réactions endothermiques, seule une partie de brûleurs est allumée pour chauffer les tubes de reformage et l'ensemble du four, ceci afin de limiter la puissance de chauffe. Dans ces brûleurs circulent un débit de gaz combustible et un débit d'air.
Les différents brûleurs sont munis de systèmes d'allumage individuels ; ceux qui participent au démarrage sont répartis dans le four de telle sorte que la chaleur fournie soit régulièrement répartie sur l'ensemble du four, de façon à limiter au maximum les points chauds. Pour cette même raison, on définit aussi des séquences d'allumages pour ces brûleurs.
Le débit d'air alimentant ces brûleurs doit être tel qu'il maintient un excès d'air suffisant, « l'excès d'air » est ici défini comme étant le pourcentage d'air de combustion en excès par rapport à l'air nécessaire pour assurer la stœchiométrie de la réaction de combustion. Un excès d'air suffisant garantit des températures de flammes moins élevées et diminue ainsi le risque de surchauffe des tubes. Le flux d'air a aussi pour rôle de limiter le risque d'explosion en gardant l'atmosphère du four en dessous des 25% de la limite basse d'explosivité (Low explosivity limit en langue anglaise ou LEL), et ceci même si les flammes de certains brûleurs sont soufflées. Ce flux d'air est réparti sur l'ensemble des brûleurs, qu'ils soient allumés ou non.
Le débit du gaz combustible est injecté dans le four à travers les orifices des brûleurs allumés. Les orifices étant fixes, ce débit est uniquement dépendant de la pression dudit gaz dans la tuyauterie d'alimentation en amont des brûleurs.
Les combustibles générés lors du reformage (c'est à dire essentiellement les gaz de purge) ne sont pas disponibles au démarrage. Les seuls combustibles disponibles, en général la charge gazeuse (gaz naturel, naphta, mélange d'hydrocarbures légers, etc.), sont à fort pouvoir calorifique. Pour fournir 100 % de la chaleur nominale (c'est à dire 100 % de la chaleur nécessaire pour le fonctionnement de l'installation en marche nominale), il faudra une quantité de gaz moindre. Le débit de gaz devra donc être d'autant plus faible que son pouvoir calorifique (heating value) est important; la pression du gaz combustible dans la tuyauterie d'alimentation située en amont des brûleurs devra donc être plus faible elle aussi.
Ceci peut être illustré via le cas théorique suivant, non limitatif : Soit une installation dont les brûleurs sont normalement alimentés par un mélange de gaz combustible constitué de 90% de gaz résiduaire de PSA et de 10 % de gaz naturel (GN) alimentés par un collecteur commun.
Les conditions du fonctionnement nominal sont les suivantes :
|a pression relative en gaz combustible, dans la tuyauterie d'alimentation en amont des brûleurs est de 200mbar, le débit d'air envoyé correspond à 100% du débit nominal, la chaleur libérée (heat release) est de 100%.
Remarque : par pression relative, on entend la pression mesurée par rapport à la pression atmosphérique... Toutes les pressions exprimées dans la suite de ce texte seront des pressions relatives, sauf mention explicite. Si on remplace, toutes les autres conditions étant identiques par ailleurs, le mélange combustible (90/10) ci-dessus par un gaz constitué de 100% de gaz naturel, il faudra, considérablement réduire le débit de combustible alimentant les brûleurs. Le pouvoir calorifique du gaz naturel étant généralement au moins 3 fois supérieur à celui de l'offgaz de PSA, le débit de combustible devra être réduit au moins par 3 et la pression devra être ramenée à 20mbar (le débit circulant dans les brûleurs étant proportionnel à la racine de la différence de pression).
En phase de démarrage, on fixe le débit d'air à envoyer (en général 50% du débit nominal pour les raisons évoquées ci-dessus). On allume un nombre limité de brûleurs pour chauffer l'ensemble du four et des tubes. Afin de déterminer la pression de gaz combustible adaptée lors la phase de démarrage, l'homme du métier dispose de courbes appelées « courbes des brûleurs » (burner curves en langue anglaise). Elles permettent de relier entre elles les deux grandeurs chaleur libérée (heat release) et pression de gaz combustible ; elles sont spécifiques à chaque type de combustible. Pour utiliser ces courbes, l'homme du métier applique certaines règles admises connues, dont celle consistant à limiter la puissance de démarrage à une valeur inférieure à une puissance de démarrage maximale, afin de ne pas endommager les tubes de reformage. Il est couramment admis que cette puissance maximale est de 30% de la puissance nominale. En pratique, on se fixera plutôt une puissance de 25%.
Pour faciliter la compréhension, considérons le cas suivant dans lequel la puissance nominale correspondrait à une pression de gaz naturel de 22 mbar. Une courbe des brûleurs telle que la courbe reproduite sur la figure 1 montre que la pression de gaz naturel correspondant à la puissance maximale de démarrage (30% de la puissance nominale) est de 2 mbar. La lecture de la courbe indique alors que la pression de gaz naturel en amont des brûleurs lors de la phase de démarrage ne doit pas excéder 2 mbars.
Cette pression amont limite est d'autant plus faible que le pouvoir calorifique du combustible est fort. Cependant, il est en pratique extrêmement difficile de réguler des pressions de gaz combustible en amont suffisamment faibles. En effet, ainsi que décrit ci- dessus, l'ensemble du système de chauffage, et donc d'alimentation en combustible est conçu par rapport à la marche nominale; le système n'est pas apte à délivrer un gaz combustible à une pression suffisamment basse pour être conforme aux conditions exigées pour un démarrage satisfaisant.
Aussi, faute de pouvoir diminuer autant que nécessaire le débit de gaz combustible, les brûleurs allumés lors de la phase de démarrage fonctionnent souvent dans des conditions qui se rapprochent des conditions nominales. Les conséquences en sont notamment une augmentation de la chaleur, moins d'air en excès et donc un refroidissement moindre. Les températures de flamme sont alors extrêmement élevées, les risques de surchauffe des tubes de reformage sont ainsi considérablement accrus.
Il est clair par ailleurs que l'utilisation de gaz combustibles à pouvoir calorifique encore plus élevé que le gaz naturel (butane, naphta par exemple) tend à augmenter encore le risque de surchauffe.
Afin de s'affranchir de ce problème, les installations de production de gaz de synthèse disposent généralement de plusieurs circuits séparés pour alimenter les brûleurs en gaz combustible. Chacun des circuits est dimensionné en fonction de la nature du gaz combustible ou du mélange de gaz combustible qu'il achemine.
Cette solution conduit à une multiplication des circuits et des accessoires associés, tels que vannes d'isolation individuelles des brûleurs Le but de la présente invention est donc d'apporter une solution alternative plus simple, plus compacte et plus économique au problème de surchauffe des tubes de reformage lors de démarrage du four du SMR, la solution consistant à assurer, lors de ce démarrage, la fourniture aux brûleurs en marche, d'un gaz combustible de pouvoir calorifique suffisamment faible , adapté pour l'alimentation desdits brûleurs lors du démarrage du four du SMR. L'invention concerne ainsi un procédé de régulation du débit d'un gaz combustible I destiné à alimenter les brûleurs allumés d'un four de reformage d'un reformeur à la vapeur lors d'une phase de démarrage dudit four, comprenant les étapes de : a) alimentation d'un collecteur par un flux gazeux dudit gaz combustible I, b) alimentation dudit collecteur par un flux de gaz inerte II, c) production en sortie du collecteur d'un flux de gaz III constitué du mélange gaz combustible I et du gaz inerte II, d) alimentation des brûleurs allumés du four de reformage en le mélange gazeux III issu de l'étape c), via un ensemble de distribution du mélange gazeux III vers les brûleurs allumés
Le gaz combustible I, peut être du type gaz naturel, butane, propane, naphta seul ou en mélange.
Le gaz inerte II peut être un gaz inerte, du type azote, mais on peut aussi utiliser un gaz à faible pouvoir calorifique. Par faible pouvoir calorifique, on entend un pouvoir calorifique sensiblement plus faible que celui du gaz I. De manière avantageuse, le gaz inerte II est de l'azote. Selon un cas particulier, le gaz combustible I est du gaz naturel. De manière avantageuse, le flux du mélange gazeux III alimentant les brûleurs allumés du four est à une pression au moins égale à 3 - 5 mbar. De préférence, le dit flux du mélange gazeux III alimentant les brûleurs allumés du four a une pression partielle en gaz combustible I telle que la chaleur libérée par la combustion du mélange combustible III avec l'air alimentant les dits brûleurs est de l'ordre de 25-30% de la chaleur nominale. De manière avantageuse, le ratio débit du gaz inerte II injecté/débit de gaz combustible I est compris entre 0.5 et 1.
L'invention sera mieux comprise au vu de l'exemple ci-dessous, accompagné de la figure 2 qui illustre le principe de l'injection d'azote dans un collecteur de gaz situé sur le circuit d'alimentation en combustible des brûleurs. Ainsi, selon la figure 2, un flux de gaz naturel I et un flux d'azote II alimentent via, respectivement les canalisations 1 et 2, un collecteur commun de gaz 3 pour la production d'un mélange gazeux combustible III ; Le mélange III est acheminé, via la tuyauterie d'alimentation 4 jusqu'aux brûleurs 5 du four SMR. Seule une partie des brûleurs 5 est allumée. Seuls ces brûleurs allumés sont alimentés en mélange combustible III.
Le démarrage du four de SMR est effectué avec un débit d'air constant et égal à 50% du débit nominal. Ce débit d'air est réparti dans tous les brûleurs 5, allumés ou pas. Le débit de gaz naturel à travers les brûleurs allumés doit être minimisé pour assurer une combustion à fort excès en air. Ce débit est proportionnel à la racine carrée de la différence entre la pression amont et la pression (relative) dans la chambre de combustion du four. Celle-ci étant considérée comme constante (de l'ordre de -1 mbar), il est donc déterminé par la pression mesurée en amont des brûleurs.
Conformément à la pratique généralement reconnue, on souhaite lors du démarrage appliquer une puissance de chauffage de 25 % de la puissance nominale. La puissance de chauffage étant proportionnelle au débit du gaz combustible, cela signifie donc qu'il faut diminuer le débit du gaz combustible d'un facteur quatre aussi.
Le débit du gaz étant proportionnel à la racine carrée de la pression, pour diviser le débit par quatre, il faut diviser la pression par seize. Or, ainsi qu'il a été rappelé ci-dessus, dès lors que l'on remplace, toutes les autres conditions étant identiques par ailleurs, le mélange combustible classique constitué de 90% de résiduaire de PSA et de 10 % de gaz naturel (GN) par un gaz constitué de 100% de gaz naturel, il faut, en fonctionnement normal (c'est-à-dire pour une puissance de chauffe de 100%), réduire la pression du gaz naturel à 20mbar. Lors de la phase de démarrage, la pression de gaz naturel alimentant les brûleurs devra donc être ramenée à 20/16 mbar, soit 1 ,25 mbar.
Il est difficile, industriellement de réguler des flux de gaz combustible suffisamment faibles dans la tuyauterie d'alimentation des brûleurs; la valeur minimale de la pression pouvant être, dans la pratique, stabilisée est de 3-5mbar, ce qui, ainsi que le montre la courbe de la figure 1 correspond pour le gaz naturel à une puissance de 40-50% de la puissance nominale au niveau de chaque brûleur et peut donc constituer une valeur inacceptable pour la préservation des tubes de reformage. L'injection d'azote selon l'invention permet de surmonter ces difficultés. Le tableau suivant montre les résultats obtenus avec différents ratios de débits de gaz naturel et d'azote [la pression du mélange III (gaz naturel + azote) ainsi que le débit d'air sont fixés constants].
Figure imgf000010_0001
Ainsi, avec un ratio de N2/GN de 50/50, la quantité de combustible est réduite de plus de la moitié.
Le circuit d'azote étant disponible dans la plupart des usines de reformage (essentiellement pour assurer les démarrages et les arrêts), il faudra peu de modifications pour la mise en œuvre de la présente invention ; les quantités d'azote mises en jeu sont par ailleurs faibles, généralement de l'ordre de 500 à 2 500 Nm3/h pour des usines dont la taille va de 20 000 à 100 000 Nm3/h d'hydrogène. Le surcoût opératoire reste donc très marginal, d'autant plus si on considère les gains indirects obtenus grâce à une fiabilité de fonctionnement améliorée.
Par mise en œuvre du procédé tel que précédemment décrit, on peut ainsi réduire le débit de gaz combustible I injecté, mais l'injection d'azote offre également d'autres avantages, parmi lesquels : l'apport de gaz inerte au regard de la combustion permet d'augmenter le débit global à travers les brûleurs, contribuant ainsi à mieux régler leur fonctionnement et donc à obtenir des flammes plus stables, ceci permet de diminuer sensiblement le risque de détérioration des tubes par des flammes instables ; la pression du mélange (combustible + azote) III dans la tuyauterie d'alimentation peut être plus importante, ce qui facilite sa régulation et permet une meilleure distribution des flux entre les brûleurs, contribuant ainsi à améliorer l'uniformité thermique dans le four ; La part du gaz combustible dans le flux global étant plus faible pour chaque brûleur, on pourra allumer plus de brûleurs pour atteindre une puissance de chauffage donnée, ce qui contribue également à améliorer l'uniformité thermique dans le four.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de régulation du débit d'un gaz combustible I destiné à alimenter les brûleurs allumés d'un four de reformage d'un reformeur à la vapeur lors d'une phase de démarrage dudit four, comprenant les étapes de : a) alimentation d'un collecteur par un flux gazeux dudit gaz combustible I, b) alimentation dudit collecteur par un flux de gaz inerte II, c) production en sortie du collecteur d'un flux de gaz III constitué du mélange gaz combustible I et gaz II, d) alimentation des brûleurs allumés du four de reformage en le mélange III issu de l'étape c) via un ensemble de distribution du mélange gazeux III vers les brûleurs allumés.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz combustible I alimentant l'étape a) est choisi parmi le gaz naturel, le butane, le propane, le naphta seuls ou en mélange.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le gaz inerte II alimentant l'étape a) est l'azote gazeux.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le flux de gaz III alimentant les brûleurs allumés du four a une pression totale au moins égale à 3-5 mbar.
5. Procédé selon l'une de revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de gaz III alimentant les brûleurs allumés du four a une pression partielle en gaz combustible I telle que la chaleur libérée lors de la combustion dudit mélange combustible III avec l'air alimentant les dits brûleurs est de l'ordre de 25 % de la chaleur nominale.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le ratio débit de gaz inerte II injecté/débit de gaz combustible I est compris entre 0.5 et 1.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2984297B1 (fr) * 2011-12-14 2014-08-08 Air Liquide Procede pour une production de gaz de synthese avec conservation du transfert d'energie par les fumees
US9243564B2 (en) 2012-09-04 2016-01-26 General Electric Company Systems and methods for removing impurities from heavy fuel oil
US9272905B2 (en) 2014-02-27 2016-03-01 Honeywell International, Inc. Method for optimizing down fired reforming furnaces
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05147901A (ja) * 1991-11-29 1993-06-15 Toshiba Corp 燃料改質器
US6296814B1 (en) * 1998-11-10 2001-10-02 International Fuel Cells, L.L.C. Hydrocarbon fuel gas reformer assembly for a fuel cell power plant
JP2001302207A (ja) * 2000-04-17 2001-10-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素発生装置の起動方法
WO2002040396A1 (fr) * 2000-11-17 2002-05-23 Davy Process Technology Limited Procede de fonctionnement d'un fourneau
WO2002098789A1 (fr) * 2001-06-06 2002-12-12 Davy Process Technology Limited Four et reformage a la vapeur

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05147901A (ja) * 1991-11-29 1993-06-15 Toshiba Corp 燃料改質器
US6296814B1 (en) * 1998-11-10 2001-10-02 International Fuel Cells, L.L.C. Hydrocarbon fuel gas reformer assembly for a fuel cell power plant
JP2001302207A (ja) * 2000-04-17 2001-10-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素発生装置の起動方法
WO2002040396A1 (fr) * 2000-11-17 2002-05-23 Davy Process Technology Limited Procede de fonctionnement d'un fourneau
WO2002098789A1 (fr) * 2001-06-06 2002-12-12 Davy Process Technology Limited Four et reformage a la vapeur

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