FR2873306A1 - Electrical generator, useful for the combustion of a liquid and/or gaseous fuel, comprises a tangential injection of a combustive gas in a chamber of combustive-fuel - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif électrique d'assistance à laThe present invention relates to an electrical device for assisting the
combustion totale ou partielle de carburants liquides et/ou gazeux. L'assistance électrique se fait sous la forme d'une décharge mobile de haute tension. Le dispositif est destiné à initier et à entretenir la combustion totale d'un carburant ou à assister une oxydation partielle du carburant pour total or partial combustion of liquid and / or gaseous fuels. Electrical assistance is in the form of a mobile high voltage discharge. The device is intended to initiate and maintain the total combustion of a fuel or assist a partial oxidation of fuel for
produire le gaz de synthèse.produce synthesis gas.
L'idée de mélanger une flamme et une décharge électrique est apparue au XIXème siècle quand A. VOLTA et M. FARADAY étudiaient la conductivité électrique de flammes. Cette idée sera mise en application dans plusieurs brevets comme celui de R. SCHNABEL (1909) en Allemagne pour surchauffer des flammes, celui de G.T. SOUTHGATE (1926) aux USA pour souder ou pour chauffer des fours métallurgiques, ou celui de A. RAVA (1926-35) aux USA pour augmenter la température des flammes. Pour pouvoir injecter de plus en plus d'énergie électrique dans les flammes, B. KARLOVITZ propose une série de brevets USA (1961-68) qui sont basés sur un ajout de sels alcalins. Dopant ainsi une flamme de méthane de 10 kW, cela permet d'ajouter 5 kW en la surchauffant de 500 C par une décharge de haute tension 2 kV. Entre 1960 et 1968 M. DENIS propose en France un électrobrûleur de 1 MW mais sans aucune addition pour préionisation de la flamme. En 1980 B.G. DJJACHKOV (URSS) propose l'utilisation des électrobrûleurs dans le domaine de la métallurgie pour pré-cracker le méthane ou un gasoil en évitant l'addition de sels. En 1982 EDF et la société STEIN- HEURTEY redécouvrent les anciens travaux de M. DENIS et font ensuite breveter (FR2577304 en 1985 et FR2647186 en 1989) un électrobrûleur de 1 MW de puissance thermique à laquelle on ajoute 250 kW de puissance électrique (à 700 Ampères) ; un tel courant fort entre deux électrodes d'un arc électrique demande cependant un circuit très fragile d'eau de refroidissement de ces électrodes. En 1985 les mêmes sociétés limitent la puissance de leur électrobrûleur à 70-100 kW thermiques auxquels ils ajoutent 20-50 kW électriques ce qui permet d'éviter le refroidissement des électrodes. En 1984 la société BERTIN dépose un brevet FR2564334 sur un électrobrûleur triphasé de hautes températures. Pour éviter l'érosion des électrodes et la formation des oxydes d'azote, on y propose d'engendrer des arcs électriques dans une chambre remplie d'un gaz combustible. La configuration de la chambre est telle qu'une accélération du combustible s'effectue par un convergent puis une stabilisation de la flamme par un divergent dans lequel est injecté de l'air. The idea of mixing a flame and an electric shock appeared in the 19th century when A. VOLTA and M. FARADAY were studying the electrical conductivity of flames. This idea will be applied in several patents such as that of R. SCHNABEL (1909) in Germany to overheat flames, that of GT SOUTHGATE (1926) in the USA for welding or for heating metallurgical furnaces, or that of A. RAVA ( 1926-35) in the USA to increase the temperature of the flames. To be able to inject more and more electrical energy into the flames, B. KARLOVITZ proposes a series of US patents (1961-68) which are based on an addition of alkaline salts. Thus, with a 10 kW methane flame, it allows to add 5 kW by superheating 500 C by a high voltage discharge of 2 kV. Between 1960 and 1968 Mr. DENIS proposes in France an electroburner of 1 MW but without any addition for preionization of the flame. In 1980 B.G. DJJACHKOV (USSR) proposed the use of electroburriers in the field of metallurgy to pre-crack methane or a gas oil avoiding the addition of salts. In 1982 EDF and the company STEIN-HEURTEY rediscover the old works of Mr. DENIS and then patent (FR2577304 in 1985 and FR2647186 in 1989) a 1 MW electric burner of thermal power to which we add 250 kW of electric power (to 700 Amperes); such a strong current between two electrodes of an electric arc however requires a very fragile circuit cooling water of these electrodes. In 1985 the same companies limit the power of their electric burner to 70-100 kW thermal they add 20-50 kW electric which avoids the cooling of the electrodes. In 1984 the company BERTIN filed a patent FR2564334 on a three-phase high temperature electroburrier. To avoid erosion of the electrodes and the formation of nitrogen oxides, it is proposed to generate arcing in a chamber filled with a combustible gas. The configuration of the chamber is such that a fuel acceleration is effected by a convergent and a stabilization of the flame by a divergent in which is injected air.
En 1988 H. LESUEUR, A. CZERNICHOWSKI et J. CHAPELLE brevettent un dispositif de génération de plasmas par formation d'arcs électriques glissants entre deux ou plusieurs électrodes sous forme d'un couteau (FR2639172). Les arcs se déplacent à la suite de la forte poussée longitudinale du gaz injecté le long des électrodes. Un tel dispositif, appelé ensuite "GlidArc-l", trouve de multiples applications. Une de ces applications consiste à entretenir l'oxydation partielle d'hydrocarbures légers pour produire le gaz de synthèse (syngaz, un mélange contenant principalement H2 et CO). Elle a été décrite par A. CZERNICHOWSKI et P. CZERNICHOWSKI dans FR2768424 en 1997. In 1988 H. LESUEUR, A. CZERNICHOWSKI and J. CHAPELLE patented a device for generating plasmas by forming sliding electric arcs between two or more electrodes in the form of a knife (FR2639172). The arcs move as a result of the strong longitudinal thrust of the gas injected along the electrodes. Such a device, hereinafter called "GlidArc-1", finds multiple applications. One of these applications is to maintain the partial oxidation of light hydrocarbons to produce synthesis gas (syngas, a mixture containing mainly H2 and CO). It has been described by A. CZERNICHOWSKI and P. CZERNICHOWSKI in FR2768424 in 1997.
Un autre dispositif, appelé "GlidArc-Il", a été proposé en faisant tourner une électrode centrale sous la forme d'un disque au milieu de plusieurs électrodes immobiles plates. On obtient ainsi des arcs glissants dans un gaz quasi stagnant. Un tel dispositif a été proposé en 1998 par A. CZERNICHOWSKI et P. CZERNICHOWSKI pour convertir une matière carbonée, voir FR2786409. Another device, called "GlidArc-II", has been proposed by rotating a central electrode in the form of a disk in the middle of several flat immobile electrodes. Sliding arcs are thus obtained in an almost stagnant gas. Such a device was proposed in 1998 by A. CZERNICHOWSKI and P. CZERNICHOWSKI to convert a carbonaceous material, see FR2786409.
Ces dernières années ont vu une forte demande en Hydrogène ou en gaz de synthèse pour diverses applications, par exemple pour alimenter des Piles à Combustibles (PAC). Ces piles sont de plus en plus demandées pour diverses applications comme en voiture, camion, bateaux, avion, maison, etc. Tout le système de préparation d'un carburant gazeux pour alimenter ces piles à partir d'un carburant facilement accessible (propane, butane, essence, gasoil, etc.) doit alors suivre une miniaturisation, présenter une robustesse et être capable de fonctionner des milliers d'heures. In recent years, there has been a high demand for Hydrogen or synthesis gas for various applications, for example to feed Fuel Cells (PAC). These batteries are more and more in demand for various applications such as cars, trucks, boats, aircraft, homes, etc. The entire system for preparing a gaseous fuel to feed these batteries from an easily accessible fuel (propane, butane, gasoline, diesel, etc.) must then follow a miniaturization, be robust and be able to operate thousands hours.
Lors de nos travaux sur le reformage de diverses matières carbonées, nous nous sommes aperçus de quelques difficultés d'exploitation des dispositifs GlidArc-1 et II pour convertir des matières carbonées. Deux points nous préoccupaient particulièrement: É Les GlidArc- I et/ou Il ne peuvent pas être réduits en taille, surtout au niveau du diamètre de la zone de plasma où sont logées les électrodes ce qui limite la miniaturisation de ces dispositifs; É Lors d'un fonctionnement prolongé en présence d'une matière carbonée, on observe une lente déposition de suies ou de graphite sur les connecteurs diélectriques amenant une haute tension aux électrodes, ce qui mène à des court-circuits électriques gênants. Pour s'affranchir de ces problèmes, nous avons développé un nouveau générateur de décharges mobiles, l'objet de la présente invention. In our work on the reforming of various carbonaceous materials, we have discovered some difficulties in using GlidArc-1 and II devices to convert carbonaceous materials. Two points were of particular concern to us: GlidArc-I and / or Il can not be reduced in size, especially in the diameter of the plasma zone where the electrodes are housed, which limits the miniaturization of these devices; During prolonged operation in the presence of a carbonaceous material, a slow deposition of soot or graphite is observed on the dielectric connectors bringing a high voltage to the electrodes, which leads to troublesome electrical short circuits. To overcome these problems, we have developed a new mobile discharge generator, the object of the present invention.
DISPOSITIFDEVICE
Le dispositif est présenté schématiquement (et de façon simplifiée) sur la Fig. 1. Ce schéma illustre l'invention mais ne représente évidemment qu'un exemple non limitatif de la réalisation d'un futur dispositif industriel. Le corps /1/ métallique du dispositif a une symétrie axiale. II est mis à la masse (terre) et il est lié en même temps à l'un des deux pôles électriques d'une alimentation de haute tension alternative (5 Hz kHz, 3 - 15 kV, < 5 A). Ce corps /1/ est en contact électrique avec un insert métallique conique convergent-divergent /2/, également de symétrie axiale. L'insert constitue ainsi une électrode au potentiel zéro. Un bâton (une tige) métallique /3/ se trouvant sur l'axe de symétrie du dispositif constitue l'autre électrode, celle de haute tension. Cette électrode /3/ est isolée électriquement par rapport au reste du dispositif /1/ à l'aide d'une pièce diélectrique 14/ appelée également "bougie". Le corps /1/, l'électrode /3/ et la bougie /4/ sont assemblés de façon étanche. Un tube /5/ est placé de façon tangentielle par rapport à la partie supérieure du dispositif /1/. Le tube débouche dans la chambre /6/ de comburant qui est réservée pour un flux de gaz appelé "A"de caractère oxydant, par exemple l'air, l'air enrichi en oxygène, l'oxygène pur ou de qualité technique, tous ces gaz pouvant être mélangés avec de la vapeur d'eau. La principale propriété du gaz A entrant dans la chambre /6/ est qu'il ne doit porter aucun corps conducteur électrique ou aucun corps pouvant se décomposer thermiquement ou sous l'influence d'une décharge électrique en donnant, comme produit, une substance conductrice (non-diélectrique). Sont donc exclus dans le flux de gaz A, à titre d'exemple, toutes les vapeurs ou poussières métalliques, la suie, la poussière de carbone ou de graphite, les brouillards, vapeurs ou poussières de sels minéraux, les composés organiques, métallo-organiques, etc. Le flux de comburant entrant tangentiellement ne peut sortir de la chambre /6/ que par une gorge /7/ traversée symétriquement (par rapport à l'axe du dispositif) par l'électrode /3/. A la suite de son introduction tangentielle le fluide A est mis en rotation rapide autour de l'axe de la chambre /6/ et en même temps le fluide avance le long de cette chambre. Ce type de mouvement du type "tornade" (vortex) est conservé également dans la gorge /7/ où la distance entre les électrodes /2/ et /3/ est minimale. C'est donc dans cette gorge /7/ qu'éclate une décharge électrique provoquée par un champ électrique alternatif supérieur à celui de la rupture diélectrique dans le milieu tel qu'un flux A en tornade. Ajoutons que l'alimentation de haute tension évoquée délivre justement une tension alternative supérieure à la tension maximale caractérisant la rupture. Une décharge électrique éclate donc entre les électrodes /2/ et /3/ dans le flux du comburant A en rotation et le filament de la décharge est mis en conséquence lui aussi en rotation. Ce filament est parcouru par le courant alternatif présentant donc les multiples passages par zéro suivis par les réapparitions du courant, tout ceci à la fréquence de l'alimentation électrique. Le filament est également poussé par le fluide A le long de la partie divergente de l'insert /2/ (présentant ainsi une tuyère) et le long de l'électrode /3/. Ainsi, la décharge électrique mobile et pulsée excite le fluide A lors de son parcours dans la gorge /7/ et dans la tuyère. Le comburant ainsi excité dans une telle chambre d'excitation /2a/ entre ensuite dans la chambre /8/ de combustion alimentée continuellement par un autre fluide appelé "B" entrant par un autre tube /9/. La chambre /8/ de combustion est donc située en aval de la chambre d'excitation /2a/. Le fluide B (un liquide et/ou un gaz et/ou une vapeur et/ou un brouillard) n'a pas de contraintes telles que pour le fluide A et peut alors contenir, par exemple, des composés carbonés de provenance fossile. Ce fluide B que nous appelons "carburant" ou "combustible" présente dans ce cas un caractère réducteur et peut alors réagir avec un comburant porté par le fluide A. Le tube /9/ peut être placé de façon tangentielle par rapport à l'axe de symétrie du dispositif ou bien de façon perpendiculaire par rapport à cet axe. Deux directions tangentielles d'un tel placement du tube /9/ par rapport au tube /5/ peuvent être exploitées: celle qui provoque une rotation du fluide B concordant au vortex engendré par le fluide A (ce cas est désigné sur la Fig. 1) ou bien une contre-direction provoquant la rotation du fluide B à contre-courant. Les fluides A et B se mélangent donc dans la chambre /8/ où on peut observer, par exemple, un début de réaction entre A et B donnant des produits C: A+B=C. (1) Ce processus (1) est principalement engendré et activé par la présence de la décharge électrique mobile qui, portée par la tornade (vortex) du fluide A, rentre dans la chambre /8/. La décharge poursuit alors son parcours dans la tornade (vortex) composée maintenant de A, de B, et des produits C de la réaction (1). Le fluide résultant ne peut que ressortir par le tube /10/. The device is shown schematically (and in a simplified manner) in FIG. 1. This diagram illustrates the invention but is obviously only a non-limiting example of the realization of a future industrial device. The body / 1 / metal of the device has axial symmetry. It is grounded (earthed) and at the same time connected to one of the two electrical poles of a high-voltage AC power supply (5 Hz kHz, 3 - 15 kV, <5 A). This body / 1 / is in electrical contact with a convergent-divergent conical metal insert / 2 /, also of axial symmetry. The insert thus constitutes an electrode with zero potential. A stick (a rod) metal / 3 / located on the axis of symmetry of the device is the other electrode, the high voltage. This electrode / 3 / is electrically insulated from the rest of the device / 1 / with a dielectric part 14 / also called "candle". The body / 1 /, the electrode / 3 / and the candle / 4 / are assembled in a sealed manner. A tube / 5 / is placed tangentially with respect to the upper part of the device / 1 /. The tube opens into the chamber / 6 / oxidant which is reserved for a gas flow called "A" of oxidizing nature, for example air, air enriched in oxygen, pure oxygen or technical quality, all these gases can be mixed with water vapor. The main property of the gas entering the chamber / 6 / is that it must not carry any electrically conductive body or body that can decompose thermally or under the influence of an electric shock by giving, as a product, a conductive substance (non-dielectric). Are excluded in the flow of gas A, for example, all metal vapors or dust, soot, carbon dust or graphite, mists, vapors or dust of mineral salts, organic compounds, metallurgical organic, etc. The tangentially incoming oxidant flow can only exit the chamber / 6 / through a groove / 7 / traversed symmetrically (relative to the axis of the device) by the electrode / 3 /. As a result of its tangential introduction, the fluid A is rapidly rotated about the axis of the chamber / 6 / and at the same time the fluid advances along this chamber. This type of movement of the "tornado" (vortex) type is also preserved in the groove / 7 / where the distance between the electrodes / 2 / and / 3 / is minimal. It is therefore in this groove / 7 / that burst an electric discharge caused by an alternating electric field greater than that of the dielectric breakdown in the medium such that a flow A tornado. It should be added that the evoked high voltage supply just delivers an alternating voltage higher than the maximum voltage characterizing the break. An electric discharge therefore bursts between the electrodes / 2 / and / 3 / in the flow of the oxidant A in rotation and the filament of the discharge is consequently also rotated. This filament is traversed by the alternating current thus having the multiple zero crossings followed by the reappearance of the current, all this at the frequency of the power supply. The filament is also pushed by the fluid A along the diverging portion of the insert / 2 / (thus having a nozzle) and along the electrode / 3 /. Thus, the mobile and pulsed electric discharge excites the fluid A during its course in the groove / 7 / and in the nozzle. The oxidizer thus excited in such an excitation chamber / 2a / then enters the chamber / 8 / combustion fed continuously by another fluid called "B" entering another tube / 9 /. The chamber / 8 / combustion is located downstream of the excitation chamber / 2a /. The fluid B (a liquid and / or a gas and / or a vapor and / or a mist) has no constraints such as for the fluid A and may then contain, for example, carbon compounds of fossil origin. This fluid B which we call "fuel" or "fuel" has in this case a reducing character and can then react with an oxidant carried by the fluid A. The tube / 9 / can be placed tangentially with respect to the axis of symmetry of the device or perpendicularly with respect to this axis. Two tangential directions of such placement of the tube / 9 / with respect to the tube / 5 / can be exploited: that which causes a rotation of the fluid B corresponding to the vortex generated by the fluid A (this case is designated in FIG. ) or a counter-direction causing the rotation of the fluid B against the current. The fluids A and B thus mix in the chamber / 8 / where we can observe, for example, a beginning of reaction between A and B giving products C: A + B = C. (1) This process (1) is mainly generated and activated by the presence of the mobile electric discharge which, carried by the tornado (vortex) of the fluid A, enters the chamber / 8 /. The discharge then continues its course in the tornado (vortex) now composed of A, B, and products C of the reaction (1). The resulting fluid can only come out through the tube / 10 /.
La décharge entre l'électrode centrale /3/ et l'insert /2/ s'étire de plus en plus dans l'espace /2a/ suite au déplacement de ses pieds d'attache aux électrodes de plus en plus éloignés l'un de l'autre. La longueur du filament de la décharge devient également plus grande à cause de la courbure du filament provoquée par la rotation du fluide qui survient tout d'abord dans la zone divergente /2a/ de l'insert /2/ et ensuite dans la partie convergente qui est formée par les parois internes de la chambre /8/. Les pieds d'attache de la décharge se déplacent différemment et quasi indépendamment l'un de l'autre car leur stabilité à un point donné sur chaque électrode dépend principalement des conditions locales, telles que température, qualité et rugosité de la surface, vitesse du fluide, etc., du point d'attache sur l'électrode en question. Le pied de la décharge qui tourne, qui glisse et qui sursaute sur l'électrode centrale /3/ arrive enfin au point extrême /11/ où il se fixe provisoirement. C'est alors que l'autre pied peut quitter la surface de l'insert /2/ pour se déplacer ensuite sur la surface métallique de la chambre /8/ au potentiel zéro. II arrive enfin un moment où le filament de la décharge devient tellement long que l'alimentation (limitée en tension et en courant) n'arrive plus à entretenir la décharge. C'est alors que la décharge disparaît. Une nouvelle décharge se réinstalle alors immédiatement dans la gorge /7/ et elle perpétue le sort de la décharge précédente. Le temps de vie entre l'apparition et la disparition d'une décharge singulière dépend d'un grand nombre de paramètres tels que débit des fluides, température, géométrie, etc. Un tel cycle peut durer entre 1 ms et 1s, cela pour donner un ordre de grandeur à titre d'exemple. Les pulsations (5 Hz à 50 kHz) provoquant les passages par zéro du courant de la décharge empêchent tout établissement d'un équilibre électrique et thermique au sein du filament de la décharge et conduisent alors à un état hors d'équilibre thermodynamique du plasma de la décharge. De plus, la forme courbée ou en méandres de la décharge, son déplacement désordonné, sa pulsation au rythme de la fréquence d'alimentation électrique, son apparition et sa disparition brutales, etc. - tout cela nous donne un formidable milieu réactionnel très actif pour amorcer et ensuite pour assister un processus (1) d'oxydation partielle d'un carburant afin de produire le syngaz. The discharge between the central electrode / 3 / and the insert / 2 / stretches more and more in the space / 2a / following the displacement of its attachment feet to the electrodes more and more distant one the other. The length of the filament of the discharge also becomes larger because of the curvature of the filament caused by the rotation of the fluid which occurs firstly in the divergent zone / 2a / of the insert / 2 / and then in the convergent part which is formed by the inner walls of the chamber / 8 /. The discharge attachment legs move differently and almost independently of each other because their stability at a given point on each electrode depends mainly on local conditions, such as temperature, surface quality and roughness, speed of fluid, etc., from the point of attachment to the electrode in question. The foot of the discharge which rotates, which slides and which jumps on the central electrode / 3 / finally arrives at the extreme point / 11 / where it fixes itself provisionally. It is then that the other foot can leave the surface of the insert / 2 / to then move on the metal surface of the chamber / 8 / at zero potential. Finally, there is a moment when the filament of the discharge becomes so long that the supply (limited in voltage and current) can no longer maintain the discharge. It is then that the discharge disappears. A new discharge is then immediately reinstalled in the groove / 7 / and perpetuates the fate of the previous discharge. The life time between the appearance and the disappearance of a singular discharge depends on a large number of parameters such as fluid flow, temperature, geometry, etc. Such a cycle can last between 1 ms and 1s, to give an order of magnitude by way of example. Pulsations (5 Hz to 50 kHz) causing zero crossings of the discharge current prevent any establishment of electrical and thermal equilibrium within the filament of the discharge and then lead to a thermodynamic out of equilibrium state of the plasma of the discharge. discharge. In addition, the curved or meandering shape of the discharge, its disordered displacement, its pulsation at the rate of the power supply frequency, its sudden appearance and disappearance, etc. - All this gives us a great reaction medium very active to prime and then to assist a process (1) of partial oxidation of a fuel to produce the syngas.
Si les tornades produites par les fluides A et B sont dans un sens opposé l'une par rapport à l'autre ou si l'entrée du fluide B se fait perpendiculairement - alors nous augmentons encore les turbulences et renforçons le mixage de ces fluides dans la chambre /8/. La durée de vie d'une décharge individuelle se raccourcit mais cela ne change pas les propriétés très avantageuses de la zone plasma-chimique qui se forme dans la chambre /8/ et qui se propage vers la sortie /10/ du dispositif. If the tornadoes produced by fluids A and B are in a direction opposite to each other or if the entry of fluid B is perpendicular - then we increase the turbulence and reinforce the mixing of these fluids in the room / 8 /. The lifetime of an individual discharge is shortened but this does not change the very advantageous properties of the plasma-chemical zone that forms in the chamber / 8 / and propagates to the output / 10 / device.
Ces décharges successives forment une "flamme" purement électrique en présence du seul fluide A. On peut observer cette "flamme" par l'ouverture /10/ en regardant dans la direction axiale. En présence d'un mélange comburant A + carburant B cette flamme devient une véritable flamme thermique électro-renforcée. Elle est allumée et entretenue en continu par le dispositif. These successive discharges form a purely electric "flame" in the presence of the single fluid A. This "flame" can be observed by opening / 10 / looking in the axial direction. In the presence of an oxidant mixture A + fuel B, this flame becomes a true electro-reinforced thermal flame. It is lit and maintained continuously by the device.
Nous avons expérimenté plusieurs mélanges A + B qui s'enflamment en présence de la décharge électrique tandis que la coupure d'alimentation électrique d'une telle assistance à la combustion provoque l'extinction immédiate des flammes. Ces effets d'allumage et d'assistance sont surtout appréciés dans le cas de débits trop forts par rapport à la géométrie du dispositif ou dans le cas de mélanges "pauvres" en carburant B par rapport au comburant A cela pour donner quelques exemples à titre indicatif. Notre dispositif est donc tout d'abord un allumeur et ensuite une assistance continue et très efficace des flammes. We have experimented several mixtures A + B which ignite in the presence of the electric discharge while the cut of electric supply of such assistance with the combustion causes the immediate extinction of the flames. These ignition and assistance effects are especially appreciated in the case of flow rates that are too high compared to the geometry of the device or in the case of mixtures "poor" in fuel B with respect to the oxidizer. code. Our device is therefore first of all an igniter and then a continuous and very effective assistance of the flames.
Nous soulignons le fait de l'absence dans la chambre /6/, dans laquelle est installée la bougie /4/, d'une quelconque matière conductrice d'électricité pouvant se déposer sur la bougie et ainsi compromettre la séparation diélectrique entre l'électrode centrale /3/ et le corps /1/ du dispositif mis au potentiel zéro. Ceci contribue de manière décisive à une longévité prolongée du dispositif par rapport aux modèles précédents - 1 et/ou Il. We underline the fact of the absence in the chamber / 6 /, in which is installed the candle / 4 /, any electrically conductive material that can be deposited on the candle and thus compromise the dielectric separation between the electrode central / 3 / and the body / 1 / of the device set to zero potential. This contributes decisively to a prolonged longevity of the device compared to previous models - 1 and / or II.
Quant aux dimensions de la gorge /7/ qui est traversée par l'électrode /3/ - nous choisissons son diamètre intérieur D7 et celui D3 de l'électrode centrale de manière à ce que l'écartement e = (D7-D3)/2 entre ces deux électrodes /2/ et /3/ au niveau de la gorge /7/, soit adéquat. Il s'agit de l'adapter à la fois au type d'alimentation de haute tension et au type de milieu physico-chimique du gaz A en tornade (vortex), ceci pour organiser une rupture diélectrique dans cette gorge-là. Nous ne cherchons pas une grande précision pour placer l'électrode /3/ exactement dans l'axe de la gorge. Au contraire, une légère excentricité donnera toujours une distance réelle e' entre ces électrodes légèrement inférieure à e quelque part dans la gorge et alors la décharge aura tendance à éclater à cet endroit sans pour autant gêner le déroulement de la suite des évènements. Aussi, nous observons parfois une légère courbure de l'électrode centrale /3/ qui se manifeste quelque part entre la gorge /7/ et l'extrémité /11/, témoin d'un échauffement irrégulier de la partie de l'électrode qui est noyée dans le milieu à haute température régnant dans la chambre /8/. Ceci n'est pas gênant non plus car la fonction de l'électrode /3/ est toujours assurée et la symétrie axiale exacte du point /11/ par rapport à l'électrode /2/ ou par rapport à la paroi intérieure de la chambre /8/ n'est pas cruciale. As for the dimensions of the groove / 7 / which is traversed by the electrode / 3 / - we choose its inner diameter D7 and that D3 of the central electrode so that the spacing e = (D7-D3) / 2 between these two electrodes / 2 / and / 3 / at the groove / 7 / is adequate. It is a question of adapting it at the same time to the type of high voltage supply and the type of physicochemical medium of gas A in tornado (vortex), this to organize a dielectric rupture in this throat there. We are not looking for a great precision to place the electrode exactly in the axis of the groove. On the contrary, a slight eccentricity will always give a real distance e 'between these electrodes slightly less than e somewhere in the throat and then the discharge will tend to burst at this point without hindering the course of the sequence of events. Also, we sometimes observe a slight curvature of the central electrode / 3 / which is manifested somewhere between the groove / 7 / and the end / 11 /, witnessing an irregular heating of the part of the electrode which is embedded in the medium at high temperature prevailing in the chamber / 8 /. This is not a problem either because the function of the electrode / 3 / is always ensured and the exact axial symmetry of the point / 11 / with respect to the electrode / 2 / or with respect to the inner wall of the chamber / 8 / is not crucial.
Le dispositif peut être considéré comme une unité autonome, par exemple comme un appareil d'allumage de torchères, comme un mini-électrobrûleur, et pour d'autres applications encore. Le tube /10/ peut servir à connecter le dispositif avec, par exemple, une chambre (zone) post-plasma où se déroule la suite du processus (1) et son éventuelle terminaison. The device can be considered as a stand-alone unit, for example as a flare igniter, as a mini-electroburner, and for other applications. The tube / 10 / can be used to connect the device with, for example, a post-plasma chamber (zone) where the continuation of the process (1) and its eventual termination take place.
DISPOSITIF ASSOCIE A UN REACTEUR CATALYTIQUE DEVICE ASSOCIATED WITH A CATALYTIC REACTOR
Une application, parmi plusieurs, du dispositif consiste à assister une réaction catalytique pouvant se dérouler dans une chambre (zone) appelée "post-plasma" qui se situe directement en aval de la sortie /10/ comme cela est représenté schématiquement sur la Fig. 2. Ce schéma illustre l'invention mais ne représente évidemment qu'un exemple non limitatif de la réalisation d'un futur réacteur industriel. One of several applications of the device is to assist a catalytic reaction that can take place in a chamber (zone) called "post-plasma" which is located directly downstream of the output / 10 / as schematically shown in FIG. 2. This diagram illustrates the invention but is obviously only a non-limiting example of the realization of a future industrial reactor.
Cette chambre /12/, typiquement cylindrique, est remplie d'un solide réfractaire /13/ en 40 forme de granules ou de toute autre forme (par exemple un insert monolithique poreux ou à multiples canaux) laissant cette zone facilement pénétrable (perméable) par un flux de produits C accompagné par des réactifs A et B résiduels qui quitte le dispositif par l'ouverture /101 attachée étanchement au couvercle supérieur /14/ de la chambre. Le réfractaire choisi se caractérise par sa structure poreuse et par son point de fusion dépassant 1250 C. Les zones /8/ et /12/ communiquent donc directement (aucune séparation) de façon à ce que l'extrémité de la flamme soit proche (ou même en contact) de la couche supérieure de granules réfractaires (ou d'un autre remplissage réfractaire catalytique). Pour faciliter la pénétration du fluide sortant de la zone /8/ par le tube /10/ dans le remplissage /13/, nous laissons un creux /15/ dans la partie supérieure du remplissage. Si le corps de la zone post plasma /12/ est métallique, nous le mettons au potentiel de la terre pour des raisons de sécurité. La zone post-plasma est fermée par un couvercle inférieur /16/ où se loge la sortie /17/ des produits de la réaction (1). Plusieurs thermocouples /18/ peuvent être insérés dans le remplissage de la zone post-plasma pour mesurer les températures dans différents points de cette zone. Cette zone du réacteur est isolée thermiquement /19/ par rapport à l'environnement. Pour des réactions (1) faiblement exothermiques nous ajoutons également une isolation thermique /20/ autour du dispositif pour conserver au maximum la puissance thermique dégagée par un tel processus (1). Une telle réduction des pertes thermiques peut, dans certains cas, être bénéfique pour les processus visés dans la zone post-plasma. Enfin, aucune partie du réacteur n'est refroidie de façon forcée. This chamber / 12 /, typically cylindrical, is filled with a refractory solid 13 / in the form of granules or any other form (for example a porous or multi-channel monolithic insert) leaving this zone easily penetrable (permeable) by a stream of products C accompanied by residual reagents A and B leaving the device through the sealed aperture / 101 to the top cover / 14 / of the chamber. The refractory chosen is characterized by its porous structure and by its melting point exceeding 1250 C. The zones / 8 / and / 12 / thus communicate directly (no separation) so that the end of the flame is close (or even in contact) with the top layer of refractory granules (or other catalytic refractory filler). To facilitate the penetration of the fluid leaving the zone / 8 / by the tube / 10 / in the filling / 13 /, we leave a hollow / 15 / in the upper part of the filling. If the body of the post-plasma / 12 / area is metallic, we put it at ground potential for safety reasons. The post-plasma zone is closed by a bottom cover 16 / where the outlet 17 / of the products of the reaction (1) is housed. Several thermocouples / 18 / can be inserted into the filling of the post-plasma area to measure the temperatures in different points of this area. This reactor zone is thermally insulated / 19 / with respect to the environment. For weakly exothermic reactions (1) we also add a thermal insulation / 20 / around the device to maximize the thermal power released by such a process (1). Such a reduction in heat losses may, in some cases, be beneficial to the processes involved in the post-plasma zone. Finally, no part of the reactor is forcedly cooled.
DISPOSITIFDEVICE
ASSOCIE A UN REACTEUR D'OXYDATION PARTIELLE DE CARBURANTS L'association du dispositif à un réacteur d'oxydation partielle est particulièrement intéressante comme dispositif plasma-catalytique pour réaliser un procédé de conversion de divers carburants liquides ou gazeux en présence d'oxygène O2, ajouté à ces matières. Selon ce procédé, les carburants sont convertis en mélange gazeux composé principalement d'hydrogène H2, de monoxyde de carbone CO, de dioxyde de carbone CO2 et de vapeur d'eau H2O, accompagné d'hydrocarbures gazeux légers. On appelle un tel mélange "gaz de synthèse" (syngaz) quand le contenu d'hydrocarbures est limité. Autrement on peut l'appeler "reformat". Ces gaz peuvent être dilués dans l'azote N2 si l'air est utilisé comme source d'oxygène. ASSOCIATED WITH A PARTIAL FUEL OXIDATION REACTOR The combination of the device with a partial oxidation reactor is particularly advantageous as a plasma-catalytic device for carrying out a process for converting various liquid or gaseous fuels in the presence of oxygen O2, added to these matters. According to this method, the fuels are converted into a gaseous mixture composed mainly of hydrogen H 2, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 and water vapor H 2 O, accompanied by light gaseous hydrocarbons. Such a "synthesis gas" (syngas) mixture is called when the hydrocarbon content is limited. Otherwise we can call it "reformat". These gases can be diluted in N2 nitrogen if the air is used as an oxygen source.
La production du syngaz est une étape très importante dans l'optique de la valorisation des gaz naturels ou associés aux puits de pétrole. De plus, on observe depuis quelques années un intérêt grandissant pour la production de syngaz ou de reformat à partir de carburants liquides pour alimenter des Piles à Combustion. Pour les PAC à basse température, on considère le syngaz comme source d'hydrogène pur. Les piles à haute température, comme le "Solid Oxide Fuel Cell" (SOFC) ou le "Molten Carbonate Fuel Cell" (MCFC), acceptent directement le syngaz (ou même le reformat!) comme carburant ce qui simplifie beaucoup toute la chaîne de conversion d'un carburant en énergie électrique dans les systèmes basés sur les PAC. The production of syngas is a very important step in the development of natural gas or associated with oil wells. In addition, there has been a growing interest in recent years for the production of syngas or reformate from liquid fuels to fuel Combustion Piles. For low temperature heat pumps, syngas is considered a source of pure hydrogen. High temperature batteries, such as the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) or the Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), directly accept syngas (or even reformat!) As fuel, which greatly simplifies the entire fuel chain. conversion of fuel into electrical energy in PAC-based systems.
Le procédé décrit ici est illustré tout d'abord par la conversion d'un mélange d'hydrocarbures tel que le gasoil commercial. Ce liquide modélise toute une gamme étendue de carburants liquides de provenance fossile tels que l'essence, le kérosène ou l'huile lourde pour le chauffage ou celle utilisée pour la propulsion des bateaux. The process described here is illustrated firstly by the conversion of a hydrocarbon mixture such as commercial gas oil. This liquid models a wide range of liquid fuels from fossil sources such as gasoline, kerosene or heavy oil for heating or that used for the propulsion of boats.
Une autre illustration donnée est la conversion du propane C3H3 commercial (appelé autrement "GPL") utilisé pour le chauffage ou comme carburant. Ce gaz modélise les autres gaz d'origine fossile ou industrielle tels que le méthane (gaz naturel), les gaz associés aux puits pétroliers, les gaz de torchères, les gaz de pyrolyse d'une matière fossile (un tel gaz contenant parfois de la vapeur d'eau), le grisou de mines, etc. Notre montage "dispositif + réacteur post-plasma" est présenté sur la Fig. 2. Les deux compartiments /8/ et /12/ sont agencés en série par rapport au flux des réactifs A et B entrants. Dans le dispositif au niveau de la zone /8/, ces réactifs A et B sont accompagnés par des produits C en formation. La première phase de la conversion oxydante partielle d'une matière carbonée ayant une formule chimique moyennée CpHgOr (r = 0 pour les hydrocarbures), débute dans la zone /8/ très active et se termine dans la zone post-plasma au niveau de la première couche supérieure du remplissage /13/, quelque part à proximité du creux /15/. Le remplissage utilisé est, par exemple, une matière granulaire laissant passer le flux de réactifs et/ou de produits à travers elle. D'ailleurs, quelle que soit la forme ou la technique du remplissage il doit toujours être perméable en laissant passer le flux des réactifs et des produits et en garantissant ainsi le contact avec l'ensemble du remplissage. Another illustration given is the conversion of commercial C3H3 propane (otherwise called "LPG") used for heating or fuel. This gas models other fossil or industrial gases such as methane (natural gas), gas associated with oil wells, gas flares, pyrolysis gases of a fossil material (such a gas sometimes containing water vapor), firedamp mines, etc. Our "device + post-plasma reactor" assembly is presented in FIG. 2. The two compartments / 8 / and / 12 / are arranged in series with respect to the flow of reactants A and B incoming. In the device at the zone / 8 /, these reagents A and B are accompanied by products C in formation. The first phase of the partial oxidative conversion of a carbonaceous material having a chemical formula averaged CpHgOr (r = 0 for hydrocarbons), begins in the zone / 8 / very active and ends in the post-plasma zone at the level of the first top layer of filling / 13 /, somewhere near hollow / 15 /. The filling used is, for example, a granular material passing the flow of reagents and / or products through it. Moreover, regardless of the form or the technique of the filling, it must always be permeable, allowing the flow of reagents and products to pass and thus guaranteeing contact with the entire filling.
La progression de cette phase de conversion qui se déroule principalement dans la zone /8/ de la décharge du dispositif peut être décrite de façon simplifiée comme la combustion totale d'une fraction f de la charge carbonée: f CpHqOr + [f(p+q/4)-r/2] 02 = f*p CO2 + f*q/2 H2O. (1 a) Cette réaction est fortement exothermique et la chaleur dissipée dans la zone /8/ engendre le réchauffement rapide de cette zone ainsi que le réchauffement de la couche supérieure du remplissage (granules). La température peut alors y atteindre 1200 C. Dans ces conditions la partie non-consommée de la matière carbonée pyrolyse en produisant principalement de l'H2, du CO, du méthane CH4, de l'éthylène C2H4, de l'acétylène C2H2 et du carbone élémentaire C (par exemple sous forme de suie). The progression of this conversion phase which takes place mainly in the zone / 8 / of the discharge of the device can be described in a simplified way as the total combustion of a fraction f of the carbonaceous charge: f CpHqOr + [f (p + q / 4) -r / 2] 02 = f * p CO2 + f * q / 2 H2O. (1 a) This reaction is highly exothermic and the heat dissipated in the zone / 8 / causes the rapid warming of this zone as well as the heating of the upper layer of the filling (granules). The temperature can then reach 1200 C. Under these conditions, the non-consumed portion of the carbonaceous material pyrolyzes mainly producing H2, CO, methane CH4, ethylene C2H4, acetylene C2H2 and elemental carbon C (for example in the form of soot).
Le flux gazeux contenant les produits de pyrolyse mélangés aux produits de la réaction (1 a) traverse ensuite les couches successives du remplissage /13/ où se déroulent principalement des réactions endothermiques qui transforment successivement des réactifs en syngaz (ou en reformat) : CO2 + CH4 = 2 CO + 2 H2, (2) 2 CO2 + C2H4 = 4 CO + 2 H2, (3) 2 CO2 + C2H2 = 2 CO + H2, (4) CO2+C=2CO3 (5) H2O + CH4 = CO + 3 H2, (6) 2H2O+C2H4=2CO+4H2, (7) 2H20+C2H2=2CO+3H2, H2O+C=H2+ CO. The gas stream containing the pyrolysis products mixed with the products of the reaction (1 a) then passes through the successive layers of the filling / 13 / where mainly endothermic reactions take place which successively transform reactants into syngas (or reformate): CO2 + CH4 = 2 CO + 2 H2, (2) 2 CO2 + C2H4 = 4 CO + 2 H2, (3) 2 CO2 + C2H2 = 2 CO + H2, (4) CO2 + C = 2CO3 (5) H2O + CH4 = CO + 3H2, (6) 2H2O + C2H4 = 2CO + 4H2, (7) 2H20 + C2H2 = 2CO + 3H2, H2O + C = H2 + CO.
Ces réactions endothermiques (consommatrices de chaleur) provoquent un abaissement progressif de la température du fluide (et celle des couches successives du remplissage traversées par le fluide), en freinant la progression des réactions (2) à (9). Ce sont les réactions hétérogènes (5) et (9) qui sont particulièrement lentes. Dans le cas de carburants liquides, leur pyrolyse se traduit par une formation de suie particulièrement forte et intolérable pour certaines utilisations, comme par exemple pour alimenter des PAC du type SOFC ou MCFC. These endothermic reactions (heat-consuming) cause a gradual lowering of the fluid temperature (and that of the successive layers of the fluid-filled filling), slowing down the progression of the reactions (2) to (9). It is the heterogeneous reactions (5) and (9) that are particularly slow. In the case of liquid fuels, their pyrolysis results in a particularly strong and intolerable soot formation for certain uses, such as, for example, to feed SOFC or MCFC type PACs.
Nous avons cependant trouvé la solution à ce problème: elle consiste à utiliser du nickel dispersé en surface et à l'intérieur d'une matière granulaire poreuse supportant des hautes températures. Comme support nous avons privilégié ici la "chamotte" (un aluminosilicate naturel cuit à haute température). D'autres granulats (ou d'autres formes, par exemple des monolithes réfractaires) peuvent être également utilisés. Comme exemple seront décrits ici les granules de chamotte et le procédé pour amorcer son caractère catalytique. However, we have found the solution to this problem: it consists in using nickel dispersed on the surface and inside a porous granular material bearing high temperatures. As support we have privileged here the "chamotte" (a natural aluminosilicate cooked at high temperature). Other aggregates (or other forms, for example refractory monoliths) may also be used. As an example will be described herein the firecracker granules and the process for initiating its catalytic character.
Pour imprégner (pré-activer) ces granules par le nickel, les granules de taille comprise entre 5 et 10 mm sont trempés pendant 10 à 30 minutes dans une solution concentrée bouillante de nitrate de nickel (nous n'ajoutons aucun métal précieux!). Les granules ainsi imprégnés sont séchés et ensuite calcinés dans une atmosphère oxydante (par exemple dans l'air). De couleur verte, ces granules deviennent ensuite complètement noirs (la couleur de certains oxydes de nickel), signe de la décomposition complète du nitrate de nickel et de sa transformation en oxydes de nickel. D'autres composés solubles de nickel (chlorure, sulfate, acétate, etc.) ont également été testés avec succès pour imprégner les granules en vue de leur calcination. Les granules ainsi préparés (pré- activés) sont ensuite entreposés dans la zone post-plasma /12/ du reformeur. Dès la première utilisation, ces granules deviendront chimiquement actifs par le mécanisme décrit ci-après. Lors du démarrage du réacteur froid, rempli des granules pré-activés, nous chauffons l'intérieur du réacteur (surtout la première couche de la zone /13/) à une température comprise entre 700 et 1200 C (en fonction de la matière carbonée à convertir). Ce chauffage est assuré par l'utilisation du dispositif d'abord pour l'allumage et ensuite pour l'entretien de la flamme de combustion complète (la) d'un carburant en présence d'un excès de comburant. Le compartiment post-plasma rempli par les granules pré- activés /13/ se trouve alors dans un flux de produits de combustion contenant encore un excès d'oxygène. Dans ces conditions, tout nickel (quelle que soit sa forme chimique initiale) à la surface et à l'intérieur des granules devient totalement oxydé. On connaît principalement les oxydes de nickel NiO, Ni203 et Ni304 (autrement NiO*Ni203). Ces oxydes se transforment les uns vers les autres en fonction de la température et du milieu d'oxydoréduction. C'est justement cette propriété que nous utilisons judicieusement pour notre procédé plasma-catalytique d'oxydation partielle de carburants, l'objet de la présente application innovatrice. To impregnate (pre-activate) these granules with nickel, the granules of size between 5 and 10 mm are soaked for 10 to 30 minutes in a boiling concentrated solution of nickel nitrate (we do not add any precious metal!). The granules thus impregnated are dried and then calcined in an oxidizing atmosphere (for example in air). Green in color, these granules then become completely black (the color of some nickel oxides), a sign of the complete decomposition of nickel nitrate and its conversion into nickel oxides. Other soluble nickel compounds (chloride, sulfate, acetate, etc.) have also been successfully tested to impregnate the granules for calcination. The granules thus prepared (pre-activated) are then stored in the post-plasma zone / 12 / of the reformer. From the first use, these granules will become chemically active by the mechanism described below. When starting the cold reactor, filled with the pre-activated granules, we heat the inside of the reactor (especially the first layer of the zone / 13 /) at a temperature between 700 and 1200 C (depending on the carbonaceous material to convert). This heating is provided by the use of the device first for ignition and then for the maintenance of the complete combustion flame (la) of a fuel in the presence of an excess of oxidant. The post-plasma compartment filled with the pre-activated granules / 13 / is then in a stream of combustion products still containing an excess of oxygen. Under these conditions, any nickel (whatever its initial chemical form) on the surface and inside of the granules becomes totally oxidized. Nickel oxides NiO, Ni 2 O 3 and Ni 3 O 4 (otherwise known as NiO * Ni 2 O 3) are mainly known. These oxides are transformed towards each other as a function of the temperature and the oxidation-reduction medium. It is precisely this property that we use judiciously for our plasma-catalytic process of partial oxidation of fuels, the object of the present innovative application.
Pendant le fonctionnement du réacteur, quand la température de la couche supérieure de granules (mesurée par exemple à l'aide d'un des thermocouples concernés /18/) atteint entre 700 et 1200 C, nous augmentons le débit du carburant B à convertir et/ou nous diminuons le débit du gaz oxydant A (comburant), par exemple l'air. Pendant la phase de démarrage du process, le gaz sortant n'est pas inflammable. Nous le constatons en observant un petit brûleur alimenté par le produit gazeux sortant /17/. A la suite du basculement des débits, une petite flamme de diffusion (dans l'air) prend naissance. La flamme se caractérise alors par l'un des cas suivants en fonction du rapport atomique ra = O/C (ce rapport étant directement lié au rapport massique comburant/carburant) : É Une flamme difficile à entretenir quand ra > 1,7 ou quand les produits inflammables sont fortement dilués dans une matrice gazeuse neutre comme l'azote, la vapeur d'eau et/ou le gaz carbonique. During operation of the reactor, when the temperature of the upper layer of granules (measured for example using one of the thermocouples concerned / 18 /) reaches between 700 and 1200 C, we increase the flow rate of the fuel B to be converted and / or we decrease the flow of the oxidizing gas A (oxidant), for example air. During the start-up phase of the process, the outgoing gas is not flammable. We observe this by observing a small burner fed by the gas product leaving / 17 /. Following the tilting of the flows, a small diffusion flame (in the air) is born. The flame is then characterized by one of the following cases depending on the atomic ratio ra = O / C (this ratio being directly related to the oxidant / fuel mass ratio): É A flame difficult to maintain when ra> 1.7 or when flammable products are highly diluted in a neutral gas matrix such as nitrogen, water vapor and / or carbon dioxide.
É Une flamme à peine visible à l'ceil mais stable quand ra 1,2 à 1,7. C'est le cas idéal recherché pour notre procédé présenté ici, indiquant que le gaz sortant est composé principalement de H2 et CO avec seulement quelques traces d'autres composants inflammables (on appelle un tel mélange "syngaz"). É Une flamme stable bleue présentant une extrémité supérieure légèrement É A flame that is barely visible in the eye but stable when it rises from 1.2 to 1.7. This is the ideal case for our process presented here, indicating that the outgoing gas is composed mainly of H2 and CO with only a few traces of other flammable components (this is called a "syngas" mixture). É A stable blue flame with a slight upper end slightly
jaunâtre quand ra 1,0 - 1,2. C'est un cas acceptable pour notre procédé, où le gaz sortant est composé principalement de H2 et CO et contient également des quantités plus importantes d'autres composants inflammables tels que CH4 ou C2H4; rappelons qu'on appelle un tel mélange le "reformat". yellowish when ra 1.0 - 1.2. This is an acceptable case for our process, where the outgoing gas is composed mainly of H2 and CO and also contains larger amounts of other flammable components such as CH4 or C2H4; remember that we call such a mixture the "reformat".
É Une flamme stable de couleur jaune quand ra 1,0. Elle indique la présence de suies dans la zone post-plasma. Le gaz sortant contient aussi de l'acétylène. Pour "sauver" la conversion, nous augmentons la valeur de ra jusqu'à ce que la flamme de contrôle É A stable flame of yellow color when ra 1.0. It indicates the presence of soot in the post-plasma zone. The outgoing gas also contains acetylene. To "save" the conversion, we increase the value of ra until the control flame
devienne acceptable.become acceptable.
Nous réalisons les processus de conversion totale (100 %) de la charge carbonée (et donc sans aucune trace de cette charge à la sortie du reformeur) vers le syngaz ou le reformat. Nous expliquons cette performance de la façon suivante: les oxydes de nickel NiO, (formule globale) initialement présents sur (et dedans) les granules poreux logés dans la zone post- plasma réagissent avec certains produits d'oxydation et de pyrolyse. Nous pouvons distinguer deux cas: É ces oxydes augmentent leur état d'oxydation, par exemple: 2 NiO + H2O = Ni203 + H2, (10) 2 NiO + CO2 = Ni203 + CO, (11) É ou ces oxydes diminuent leur état d'oxydation, par exemple: 2 Ni2O3 + C2H4 = 4 NiO + 2 CO + 2 H2, (12) 2 NiO + C2H2= 2 Ni + 2 CO + H2. (13) Les réactions d'oxydation ou de réduction dépendent de l'endroit où les oxydes de nickel sont présents dans la zone de post-plasma /12/. En effet, les thermocouples /18/ insérés dans le remplissage /13/ indiquent un fort gradient négatif des températures le long du fluide traversant ce remplissage. Cette chute de température au fur et à mesure que le gaz traverse le remplissage 113/ ne provient pas d'une insuffisance de l'isolation thermique 1191 de la zone mais elle est bien liée aux réactions endothermiques (2) à (9) et celles du type (10) à (13). La répartition des températures se stabilise au bout d'un certain temps nécessaire pour réchauffer toute la zone post-plasma jusqu'à un équilibre thermique. Pour obtenir cette stabilisation nous gardons le dispositif toujours en opération car autrement, nous observons un déplacement progressif de la zone de "bonne" répartition de température vers la sortie 117/ du réacteur. Cela provoque un refroidissement des premières couches du remplissage et enfin leur désactivation thermique et catalytique. Cela entraîne enfin inévitablement un dépôt de suies sur les couches se trouvant en amont de la zone déplacée et enfin l'arrêt du procédé. We carry out the processes of total conversion (100%) of the carbon load (and thus without any trace of this load at the exit of the reformer) towards the syngas or the reformate. We explain this performance as follows: nickel oxides NiO (global formula) initially present on (and inside) the porous granules housed in the post-plasma zone react with certain oxidation and pyrolysis products. We can distinguish two cases: E these oxides increase their oxidation state, for example: 2 NiO + H2O = Ni2O3 + H2, (10) 2 NiO + CO2 = Ni2O3 + CO, (11) E where these oxides reduce their state oxidation, for example: 2 Ni2O3 + C2H4 = 4 NiO + 2 CO + 2 H2, (12) 2 NiO + C2H2 = 2 Ni + 2 CO + H2. (13) The oxidation or reduction reactions depend on where the nickel oxides are present in the post-plasma zone / 12 /. Indeed, the thermocouples / 18 / inserted in the filling / 13 / indicate a strong negative gradient of the temperatures along the fluid passing through this filling. This temperature drop as the gas passes through the filling 113 / does not come from a deficiency of the thermal insulation 1191 of the zone but it is well related to the endothermic reactions (2) to (9) and those of type (10) to (13). The temperature distribution stabilizes after a certain time necessary to warm the entire post-plasma zone to a thermal equilibrium. To obtain this stabilization we keep the device still in operation because otherwise, we observe a gradual displacement of the "good" temperature distribution zone to the outlet 117 / of the reactor. This causes cooling of the first layers of the filling and finally their thermal and catalytic deactivation. Finally, this inevitably leads to a deposit of soot on the layers upstream of the displaced zone and finally the cessation of the process.
Pour le bon fonctionnement du réacteur, nous devons donc maintenir le remplissage à une température suffisamment haute pour réaliser le processus très important de la consommation du carbone: s C + NiOX -> E CO (ou s CO2) + NiOx_E (ou NiO) (14) où e prend une valeur > 0 et <_ x. Ce processus très efficace se déroule à la surface de contact entre la suie et les oxydes de nickel, grâce à la propriété de migration des ions 02dans la structure des oxydes portés à haute température. Un sub-oxyde NiOX_e ainsi formé subit alors immédiatement un processus inverse d'oxydation du type: en donnant ainsi les produits recherchés H2 et CO. Il s'agit donc en effet des nouveaux processus catalytiques d'une conversion hétérogène de la suie en syngaz. Ce processus s'ajoute aux réactions (5) et (9) d'élimination de la suie. For the proper functioning of the reactor, we must therefore maintain the filling at a sufficiently high temperature to achieve the very important process of carbon consumption: s C + NiOX -> E CO (or s CO2) + NiOx_E (or NiO) ( 14) where e takes a value> 0 and <_ x. This highly efficient process takes place on the contact surface between soot and nickel oxides, thanks to the migration property of O 2 ions in the structure of oxides carried at high temperature. A NiOXe sub-oxide thus formed then immediately undergoes a reverse oxidation process of the type: thus giving the desired products H2 and CO. This is indeed the new catalytic processes of a heterogeneous conversion of soot into syngas. This process is in addition to the soot removal reactions (5) and (9).
RESULTATS EXPERIMENTAUXEXPERIMENTAL RESULTS
Exemple A. Le reformage d'un gazole (appelé également "carburant Diesel") est un processus très difficile, voire impossible. En effet, nous n'avons pas la connaissance d'un procédé concurrentiel de conversion d'un gazole commercial en syngaz. Le carburant utilisé dans nos expériences est de marque "Total". D'après une analyse chimique, il contient essentiellement des hydrocarbures C7 à C27 (C156 comme moyenne pondérée et CH1,83 comme formule chimique simplifiée) de type paraffine, des oléfines et des aromatiques. Sa masse volumique relative est de 0,826 et son contenu en soufre est de 310 ppm en masse. Le réacteur utilisé est celui dont le schéma est dessiné sur la Fig. 2. Le corps de la zone post- plasma /12/ est en acier inox, son volume intérieur est de 0,6 L (un tube de diamètre 6 cm) et il est totalement rempli par des granules de chamotte activés par du nickel et obtenus en employant l'activation décrite précédemment. Example A. Reforming a diesel fuel (also called "diesel fuel") is a very difficult or impossible process. Indeed, we do not have the knowledge of a competitive process of conversion of a commercial diesel into syngas. The fuel used in our experiments is brand "Total". According to chemical analysis, it contains mainly C7 to C27 hydrocarbons (C156 as a weighted average and CH1.83 as the simplified chemical formula) of paraffin type, olefins and aromatics. Its relative density is 0.826 and its sulfur content is 310 ppm by weight. The reactor used is the one whose diagram is drawn in FIG. 2. The body of the post-plasma zone / 12 / is made of stainless steel, its interior volume is 0.6 L (a 6 cm diameter tube) and it is completely filled with nickel-activated fireclay granules and obtained by employing the activation described above.
Le dispositif en sa fonction d'activateur est construit en utilisant des pièces commerciales de plomberie en acier ordinaire en standard de diamètre extérieur 27, 21 et 17 40 mm. Toute cette structure est facilement assemblée par des filetages standards de ces pièces NiOx_E + 8 H2O = s H2 + NiOx ou (10a) NiOX_,+8CO2=eCO+NiOx (11a) et est donc démontable. L'électrode centrale /3/ également en acier ordinaire a la forme d'une tige de diamètre 5 mm. Le connecteur céramique /4/ muni d'un filetage standard de bougie de voiture (M14 x 125) est vissé de façon axiale au sommet du corps /1/ du dispositif. Une entrée tangentielle d'air se fait par le tube métallique /5/ de diamètre 13,5 mm. Ce tube est soudé à la partie supérieure du corps /1/. Le carburant rentre dans la partie inférieure du corps /11 par le tube /9/ soudé de façon perpendiculaire par rapport à l'axe du dispositif. La décharge électrique est alimentée par un transformateur 50 Hz 220V/5kV limité à 25 mA. La puissance dissipée dans la décharge du dispositif est mesurée par un wattmètre; elle est égale à 40 W. Un seul thermocouple /18/ est inséré près de la sortie /17/ des produits où la température peut atteindre 900 C. Tous les tests ont été effectués à la pression atmosphérique. The device in its function of activator is constructed using ordinary plumbing commercial pieces in standard outer diameter 27, 21 and 17 40 mm. All this structure is easily assembled by standard threads of these parts NiOx_E + 8 H2O = s H2 + NiOx or (10a) NiOX _, + 8CO2 = eCO + NiOx (11a) and is therefore removable. The central electrode / 3 / also made of ordinary steel has the shape of a rod with a diameter of 5 mm. The ceramic connector / 4 / with a standard car candle thread (M14 x 125) is screwed axially to the top of the body / 1 / of the device. A tangential entry of air is through the metal tube / 5 / diameter 13.5 mm. This tube is welded to the upper body / 1 /. The fuel enters the lower body / 11 through the tube / 9 / welded perpendicular to the axis of the device. The electrical discharge is powered by a transformer 50 Hz 220V / 5kV limited to 25 mA. The power dissipated in the discharge of the device is measured by a wattmeter; it is equal to 40 W. A single thermocouple / 18 / is inserted near the outlet / 17 / products where the temperature can reach 900 C. All tests were carried out at atmospheric pressure.
L'air atmosphérique est utilisé comme oxydant à un débit constant de 30 L(n)/min contrôlé par un débitmètre massique. Avant d'entrer dans la zone 16/ par le tube /5/, l'air est préchauffé dans un échangeur. Le carburant Diesel est envoyé par une pompe de dosage vers le tube /9/ en passant par un rotamètre pour contrôler la stabilité du débit. Le débit absolu (en g/min) est fréquemment mesuré à partir de la différence de masse du liquide aspiré par la pompe. La gamme explorée des débits est 0,4 0,7 kg par heure. Le carburant est préchauffé dans un tube métallique à travers lequel on fait passer un courant électrique d'intensité réglable; nous maintenons alors la température d'entrée du carburant dans la chambre /8/ à environ 200 C. Atmospheric air is used as an oxidant at a constant flow rate of 30 L (n) / min controlled by a mass flow meter. Before entering the zone 16 / by the tube / 5 /, the air is preheated in an exchanger. The diesel fuel is sent by a metering pump to the tube / 9 / through a rotameter to control the stability of the flow. The absolute flow rate (in g / min) is frequently measured from the difference in mass of the liquid sucked by the pump. The explored range of flow rates is 0.4 0.7 kg per hour. The fuel is preheated in a metal tube through which an electric current of adjustable intensity is passed; we then maintain the fuel inlet temperature in the chamber / 8 / at about 200 C.
Les analyses chimiques du gaz sortant (syngaz ou reformat) sont effectuées en utilisant la chromatographie en phase gazeuse (GC). Nous utilisons un seul micro-GC à deux voies dédiées aux molécules CO2, C2H4, C2H6, C2H2, C3H6+C3H8 et H20 (humidité) pour la première voie et aux molécules H2, 02, N2, CH4 et CO pour la seconde. L'analyse complète du gaz s'effectue en 255 s seulement. Chemical analyzes of the outgoing gas (syngas or reformate) are performed using gas chromatography (GC). We use a single two-way micro-GC dedicated to CO2, C2H4, C2H6, C2H2, C3H6 + C3H8 and H2O (moisture) molecules for the first pathway and H2, 02, N2, CH4 and CO molecules for the second pathway. The complete analysis of the gas takes place in 255 s only.
Nous avons testé notre procédé durant 12 heures continues, sans aucune difficulté. Nous n'avons observé en outre aucune montée progressive en pression à l'intérieur du réacteur /12/. Le test a été terminé volontairement. We tested our process for 12 continuous hours without any difficulty. We have not observed any progressive increase in pressure inside the reactor / 12 /. The test was completed voluntarily.
En sortie du réacteur, on a constaté l'absence totale de suies sur le filtre composé d'une ouate exposé au flux de gaz sortant. Le syngaz avait la composition suivante (en % du vol. du gaz sec) : H2 = 14, CO = 19, CO2 = 4,2, CH4 = 2,0, C2H4 = 0,3, C2H6 = 0,003, C2H2, C3 et 02 absents, le reste étant N2 et Ar. Le méthane est présent dans le reformat issu de liquides carbonés car c'est la molécule la plus dure à craquer ou à reformer. Elle apparaît lors de la pyrolyse d'une charge carbonée complexe et/ou est synthétisée dans la partie inférieure du remplissage actif par un processus de méthanisation: C0+3H2=CH4+H20. (15) Après le refroidissement (sous azote) et le démantèlement du réacteur, nous n'avons trouvé de traces de suie ni sur les granules ni sur d'autres parties du réacteur. At the outlet of the reactor, there was no complete soot on the filter composed of a cotton wool exposed to the outgoing gas flow. The syngas had the following composition (in% of the dry gas volume): H2 = 14, CO = 19, CO2 = 4.2, CH4 = 2.0, C2H4 = 0.3, C2H6 = 0.003, C2H2, C3 and 02 absent, the rest being N2 and Ar. Methane is present in the reformate from carbonaceous liquids because it is the hardest molecule to crack or reform. It appears during the pyrolysis of a complex carbonaceous charge and / or is synthesized in the lower part of the active filling by an anaerobic digestion process: C0 + 3H2 = CH4 + H20. (15) After cooling (under nitrogen) and dismantling the reactor, we did not find soot marks on the granules or other parts of the reactor.
Le gaz sortant du dispositif présente une puissance calorifique inférieure (PCI) de 5,3 kW. La puissance électrique de la décharge électrique utilisée est égale à 40 W. La puissance électrique d'assistance est alors équivalente à moins de 1 % de la PCI du syngaz (ou du reformat) produit. The gas leaving the device has a lower heating capacity (PCI) of 5.3 kW. The electric power of the electric discharge used is equal to 40 W. The electric power of assistance is then equivalent to less than 1% of the PCI of the syngas (or reformate) produced.
Une importante remarque concerne le devenir du soufre initialement présent au niveau relativement élevé de 310 ppm (poids) dans ce carburant commercial. La présence constatée de H2S dans le gaz sortant indique que le soufre n'est pas retenu dans la zone post-plasma, ne risquant pas ainsi de désactiver notre catalyseur à base de nickel. C'est un fait important qui va faciliter l'usage des carburants pollués en soufre en évitant leur purification préalable. Il est en effet très difficile de désulfurer une matière carbonée contenant des centaines de molécules sulfurées tandis qu'il est beaucoup plus simple d'extraire une seule molécule H2S du reformat ou du syngaz. An important note concerns the fate of sulfur initially present at the relatively high level of 310 ppm (wt) in this commercial fuel. The presence of H2S in the outgoing gas indicates that the sulfur is not retained in the post-plasma zone, thus not risking the deactivation of our nickel-based catalyst. This is an important fact that will facilitate the use of polluted sulfur fuels by avoiding their prior purification. It is indeed very difficult to desulphurize a carbonaceous material containing hundreds of sulphide molecules while it is much simpler to extract a single H2S molecule from reformate or syngas.
Une autre remarque importante concerne l'arrêt volontaire du dispositif à la fin de son utilisation. Pour le préparer à un redémarrage, nous recommandons la procédure suivante: arrêt brutal du dispositif en bloquant l'arrivée du carburant puis en coupant l'alimentation électrique du dispositif, suivi immédiatement après par la diminution drastique du débit d'air (ou autre comburant) jusqu'à un certain niveau, qui dépend de la taille du réacteur. Il sera d'environ 2 L(n)/min pour 1 L de volume de la zone post-plasma /12/ du reformeur. Par ce biais nous organisons l'oxydation de tous les sub-oxydes de nickel jusqu'à NiO et ensuite jusqu'à Ni203, retenu dans le remplissage. En effet, quand la température diminue et devient inférieure à 600 C nous observons une ré-oxydation exothermique: NiO, + 02 > NiO --> Ni203. (16) Afin d'empêcher une montée brutale des températures des couches successives du remplissage lors d'une telle oxydation stratifiée, nous limitons le flux de comburant (02). Les températures observées pendant une telle opération peuvent atteindre 1200 C sans cependant porter atteinte à notre remplissage. La zone à haute température se déplace lentement dans la direction du flux de comburant en laissant derrière elle les couches successives de nickel oxydé au maximum. Une fois que le nickel a regagné son oxydation maximale, la réaction (16) s'arrête et le dispositif commence à se refroidir jusqu'à atteindre la température ambiante. Le redémarrage d'un tel dispositif, devenu froid, prend entre 10 et 20 min. Dans ce délai nous obtenons déjà un syngaz dont la qualité est telle qu'il est capable, par exemple, d'alimenter une SOFC ou une MCFC. Environ 20 à 40 min de fonctionnement du dispositif seront encore nécessaires pour atteindre les conditions pour un reformage optimal et l'équilibre thermique du dispositif. Another important remark concerns the voluntary stopping of the device at the end of its use. To prepare it for a restart, we recommend the following procedure: sudden stop of the device by blocking the arrival of the fuel then cutting off the power supply of the device, followed immediately after by the drastic reduction of the flow of air (or other oxidant ) to a certain level, which depends on the size of the reactor. It will be about 2 L (n) / min for 1 L of volume of the post-plasma / 12 / reformer zone. By this means we organize the oxidation of all nickel sub-oxides up to NiO and then up to Ni203, retained in the filling. Indeed, when the temperature decreases and becomes lower than 600 C we observe an exothermic re-oxidation: NiO, + 02> NiO -> Ni2O3. (16) In order to prevent a sudden rise in the temperatures of the successive layers of the filling during such stratified oxidation, we limit the flow of oxidant (02). The temperatures observed during such an operation can reach 1200 C without however affecting our filling. The high temperature zone moves slowly in the direction of the oxidant flow leaving the successive layers of oxidized nickel to the maximum. Once the nickel has regained its maximum oxidation, the reaction (16) stops and the device begins to cool until it reaches room temperature. The restart of such a device, become cold, takes between 10 and 20 min. In this period we already get a syngas whose quality is such that it is able, for example, to supply a SOFC or MCFC. About 20 to 40 minutes of operation of the device will still be needed to achieve the conditions for optimal reforming and thermal equilibrium of the device.
Le reformage peut être également arrêté d'une autre façon si l'on veut ensuite le redémarrer rapidement. Dans ces cas là, on diminue drastiquement le débit du carburant, puis on coupe immédiatement l'alimentation électrique du dispositif et enfin on diminue fortement le débit du comburant pour organiser la combustion totale de la charge carbonée résiduelle. La chaleur apportée par cette combustion compense ainsi les pertes thermiques du dispositif et permet d'entretenir une température suffisamment haute du remplissage /13/ de la zone post- plasma en prévision d'un redémarrage du reformage. A l'occasion d'une telle "mise en veille", nous observons également les réactions (16) qui préparent bien le remplissage au contact massif avec le carburant lors du redémarrage. Un tel redémarrage prend alors seulement entre 1 et 3 minutes. Reforming can also be stopped in another way if you want to restart it quickly. In these cases, the fuel flow rate is drastically reduced, then the power supply to the device is immediately cut off and finally the flow rate of the oxidizer is greatly reduced to organize the total combustion of the residual carbonaceous charge. The heat provided by this combustion thus compensates for the thermal losses of the device and makes it possible to maintain a sufficiently high temperature of the filling / 13 / of the post-plasma zone in anticipation of restarting the reforming. On the occasion of such a "standby", we also observe the reactions (16) that prepare well the filling massive contact with the fuel during restart. Such a restart then takes only between 1 and 3 minutes.
A l'occasion d'un arrêt du procédé, qu'il soit définitif ou du type "mise en veille", nous oxydons également les traces éventuelles de carbone ou de suie (si présents, déposés dans le dispositif) en CO et/ou CO2. Nous transformons aussi les sulfures de nickel éventuellement déposés dans le remplissage en NiO (et/ou Ni203) et S02. Cette courte opération de réactivation du réfractaire catalytique peut d'ailleurs être menée, si nécessaire, périodiquement. On the occasion of a shutdown of the process, whether definitive or of the "standby" type, we also oxidize the possible traces of carbon or soot (if present, deposited in the device) in CO and / or CO2. We also transform the nickel sulphides possibly deposited in the NiO (and / or Ni2O3) and S02 filling. This short operation of reactivation of the catalytic refractory can also be conducted, if necessary, periodically.
Exemple B. Cet exemple montre comment le nouveau procédé peut être appliqué au reformage, à la pression atmosphérique, d'un GPL commercial. Ce carburant est composé de > 95 % de propane C3H8, le reste étant les butanes. Le soufre y est présent en concentration de 100 ppm. Nos tests sont exécutés dans le même réacteur post-plasma (celui de l'Exemple A) activé par le même dispositif de puissance électrique 40 W. Plusieurs séries de tests ont été effectuées dans différentes conditions opératoires. Ces tests d'une durée totale de 10 heures n'ont demandé aucune intervention spécifique pour changer quelque partie que ce soit du dispositif ni de la partie post-plasma du dispositif de reformage. Le processus était toujours très stable. Même quand de la suie commençait à apparaître durant certaines expériences "ratées" sous une proportion air/propane insuffisante, nous pouvions rétablir les bonnes conditions du reformage en ajoutant plus d'air ou en réduisant le débit du GPL (mesuré à l'aide d'un débitmètre massique). Example B. This example shows how the new process can be applied to the reforming, at atmospheric pressure, of a commercial LPG. This fuel is composed of> 95% propane C3H8, the rest being butanes. Sulfur is present at a concentration of 100 ppm. Our tests are carried out in the same post-plasma reactor (that of Example A) activated by the same electrical power device 40 W. Several series of tests were carried out under different operating conditions. These tests of a total duration of 10 hours did not require any specific intervention to change any part of the device or the post-plasma portion of the reforming device. The process was still very stable. Even when soot began to appear during some "failed" experiments with insufficient air / propane ratio, we could restore good reforming conditions by adding more air or reducing LPG flow (measured with 'a mass flow meter).
Une série typique de reformage a été effectuée pour un débit constant d'air de 32 L(n)/min en changeant le débit du GPL entrant dans une fourchette de 5, 8 à 7,0 g/min. En démarrant à froid cela nous prend moins de 8 min pour préchauffer tout le dispositif (par la combustion totale d'un faible débit du GPL). Nous obtenons ensuite le premier flux de syngaz en augmentant assez brusquement le débit du GPL entrant. Un ajustement minime de la proportion air/GPL est ensuite nécessaire pour que tout le dispositif de reformage atteigne son équilibre thermique, ce qui se manifeste par une composition constante du syngaz sortant. Les analyses du gaz sortant indiquent que le GPL est totalement reformé et l'absence de suie ou d'autres produits lourds est confirmée. A la sortie nous totalisons entre 38 et 46 % vol. de H2+CO dilué dans l'azote (analyse du gaz sec). Cela correspond à 17 et 20 L(n) /min d'un syngaz pur, ou à 3,3 et 4,0 kW de puissance calorifique inférieure (PCI) sortante. L'efficacité énergétique du processus atteint jusqu'à 76%, le reste étant converti en chaleur. Dans ce calcul d'efficacité nous ne prenons pas en considération la chaleur contenue dans le gaz produit par le reformage à une température > 650 C. Les autres produits secondaires du reformage sont: la vapeur d'eau, le CO2 et le CH4 (respectivement 3 - 4 % et 0,5 - 2 % dans le gaz sec). La concentration du méthane peut être limitée à < 1% dans les gammes O/C optimales de 1,3 à 1,4. La présence du CH4 dans ces proportions n'est pas gênante pour les piles SOFC ou MCFC qui "brûlent" facilement cette molécule. A typical reforming series was performed for a constant air flow rate of 32 L (n) / min by changing the LPG flow rate within a range of 5.8 to 7.0 g / min. Starting cold it takes us less than 8 min to preheat the entire device (by the total combustion of a low LPG flow). We then get the first flow of syngas while increasing the rate of incoming LPG quite sharply. A minimal adjustment of the air / LPG ratio is then necessary for the entire reforming device to reach thermal equilibrium, which manifests itself in a constant composition of the outgoing syngas. The outgoing gas analyzes indicate that LPG is completely reformed and the absence of soot or other heavy products is confirmed. At the exit we total between 38 and 46% vol. H2 + CO diluted in nitrogen (dry gas analysis). This corresponds to 17 and 20 L (n) / min of a pure syngas, or 3.3 and 4.0 kW of lower heat output (PCI) output. The energy efficiency of the process reaches up to 76%, the rest being converted into heat. In this calculation of efficiency we do not take into consideration the heat contained in the gas produced by reforming at a temperature> 650 C. The other secondary products of reforming are: water vapor, CO2 and CH4 (respectively 3 - 4% and 0.5 - 2% in the dry gas). The concentration of methane can be limited to <1% in optimal O / C ranges from 1.3 to 1.4. The presence of CH4 in these proportions is not a problem for SOFC or MCFC batteries that easily "burn" this molecule.
En se basant sur les analyses des gaz et les débits des gaz entrant et sortant, nous pouvons écrire notre processus de reformage partiel oxydant du GPL par la réaction: C3H3 + 1,85 02 = 2,7 CO + 3,6 H2 + 0,3 CO2 + 0,4 H2O (17) qui présente un compromis entre l'oxydation partielle idéale (OIC = 1,00) et la combustion totale (O/C = 3,33). Based on gas analyzes and inflow and outflow rates, we can write our partial LPG reforming process by the reaction: C3H3 + 1.85 02 = 2.7 CO + 3.6 H2 + 0 , 3 CO2 + 0.4 H2O (17) which presents a compromise between the ideal partial oxidation (OIC = 1.00) and the total combustion (O / C = 3.33).
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009062485A1 (en) * | 2007-11-17 | 2009-05-22 | Eads Deutschland Gmbh | Method and device for plasma reformation of fuel for power plant applications |
WO2009126229A2 (en) * | 2008-04-07 | 2009-10-15 | Florida Syngas | Device for converting carbonaceous matter into synthesis gas and associated methods |
WO2012095213A1 (en) * | 2011-01-13 | 2012-07-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for producing syngas containing carbon monoxide (co) and hydrogen (h2) |
US8350190B2 (en) | 2007-02-23 | 2013-01-08 | Ceramatec, Inc. | Ceramic electrode for gliding electric arc |
US8460409B2 (en) | 2006-05-08 | 2013-06-11 | Ceramatec, Inc. | Plasma-catalyzed fuel reformer |
US8618436B2 (en) | 2006-07-14 | 2013-12-31 | Ceramatec, Inc. | Apparatus and method of oxidation utilizing a gliding electric arc |
US8728180B2 (en) | 2006-05-08 | 2014-05-20 | Ceramatec, Inc. | Plasma-catalyzed, thermally-integrated reformer for fuel cell systems |
WO2015025284A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-26 | Saudi Basic Industries Corporation | Reactor comprising a plasma source and a catalyst comprising a mesoporous support material for the preparation of ethene from methane |
US9017437B2 (en) | 2012-12-11 | 2015-04-28 | Ceramatec, Inc. | Method for forming synthesis gas using a plasma-catalyzed fuel reformer |
CN112960646A (en) * | 2019-12-12 | 2021-06-15 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Reactor for preparing synthesis gas by reforming liquid fuel with plasma and application |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2758317A1 (en) * | 1997-01-13 | 1998-07-17 | Piotr Czernichowski | CONVERSION OF HYDROCARBONS ASSISTED BY SLIDING ELECTRIC ARCS IN THE PRESENCE OF WATER VAPOR AND / OR CARBON GAS |
US20040033177A1 (en) * | 2002-08-15 | 2004-02-19 | Brown Christopher Stewart | Compact plasma-based fuel reformer |
-
2004
- 2004-07-26 FR FR0408226A patent/FR2873306A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2758317A1 (en) * | 1997-01-13 | 1998-07-17 | Piotr Czernichowski | CONVERSION OF HYDROCARBONS ASSISTED BY SLIDING ELECTRIC ARCS IN THE PRESENCE OF WATER VAPOR AND / OR CARBON GAS |
US20040033177A1 (en) * | 2002-08-15 | 2004-02-19 | Brown Christopher Stewart | Compact plasma-based fuel reformer |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
LESUEUR H ET AL: "ELECTRICALLY ASSISTED PARTIAL OXIDATION OF METHANE", INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V., BARKING, GB, vol. 19, no. 2, 1 February 1994 (1994-02-01), pages 139 - 144, XP000417226, ISSN: 0360-3199 * |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9819036B2 (en) | 2006-05-08 | 2017-11-14 | Ceramatec, Inc. | Method of plasma-catalyzed, thermally-integrated reforming |
US9240605B2 (en) | 2006-05-08 | 2016-01-19 | Ceramatec, Inc. | Plasma-catalyzed, thermally-integrated reformer for fuel cell systems |
US8728180B2 (en) | 2006-05-08 | 2014-05-20 | Ceramatec, Inc. | Plasma-catalyzed, thermally-integrated reformer for fuel cell systems |
US8460409B2 (en) | 2006-05-08 | 2013-06-11 | Ceramatec, Inc. | Plasma-catalyzed fuel reformer |
US8618436B2 (en) | 2006-07-14 | 2013-12-31 | Ceramatec, Inc. | Apparatus and method of oxidation utilizing a gliding electric arc |
US8742285B2 (en) | 2006-07-14 | 2014-06-03 | Ceramatec, Inc. | Method of oxidation utilizing a gliding electric arc |
US8350190B2 (en) | 2007-02-23 | 2013-01-08 | Ceramatec, Inc. | Ceramic electrode for gliding electric arc |
WO2009062485A1 (en) * | 2007-11-17 | 2009-05-22 | Eads Deutschland Gmbh | Method and device for plasma reformation of fuel for power plant applications |
US8974645B2 (en) | 2007-11-17 | 2015-03-10 | Eads Deutschland Gmbh | Method and device for plasma reformation of fuel for engine applications |
WO2009126229A3 (en) * | 2008-04-07 | 2010-03-04 | Florida Syngas | Device for converting carbonaceous matter into synthesis gas and associated methods |
WO2009126229A2 (en) * | 2008-04-07 | 2009-10-15 | Florida Syngas | Device for converting carbonaceous matter into synthesis gas and associated methods |
WO2012095213A1 (en) * | 2011-01-13 | 2012-07-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for producing syngas containing carbon monoxide (co) and hydrogen (h2) |
KR101560266B1 (en) * | 2011-01-13 | 2015-10-14 | 지멘스 악티엔게젤샤프트 | Method for producing syngas containing carbon monoxide(co) and hydrogen(h2) |
US9017437B2 (en) | 2012-12-11 | 2015-04-28 | Ceramatec, Inc. | Method for forming synthesis gas using a plasma-catalyzed fuel reformer |
WO2015025284A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-26 | Saudi Basic Industries Corporation | Reactor comprising a plasma source and a catalyst comprising a mesoporous support material for the preparation of ethene from methane |
US9770700B2 (en) | 2013-08-23 | 2017-09-26 | Saudi Basic Industries Corporation | Reactor comprising a plasma source and a catalyst comprising a mesoporous support material for the preparation of ethene from methane |
CN112960646A (en) * | 2019-12-12 | 2021-06-15 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Reactor for preparing synthesis gas by reforming liquid fuel with plasma and application |
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