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WO2021243462A1 - Méthode et réacteur pour la production de gaz de synthèse à partir d'une source de carbone et d'hydrogène en présence d'une oxy-flamme - Google Patents

Méthode et réacteur pour la production de gaz de synthèse à partir d'une source de carbone et d'hydrogène en présence d'une oxy-flamme Download PDF

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WO2021243462A1
WO2021243462A1 PCT/CA2021/050761 CA2021050761W WO2021243462A1 WO 2021243462 A1 WO2021243462 A1 WO 2021243462A1 CA 2021050761 W CA2021050761 W CA 2021050761W WO 2021243462 A1 WO2021243462 A1 WO 2021243462A1
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WO
WIPO (PCT)
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reactor
hydrogen
reaction
carbon source
stream
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/CA2021/050761
Other languages
English (en)
Inventor
Raynald Labrecque
Robert Schulz
Michel Vienneau
Germain LAROCQUE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydro Quebec
Original Assignee
Hydro Quebec
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US18/007,973 priority patent/US11999618B2/en
Priority to CA3166916A priority patent/CA3166916C/fr
Priority to BR112022023777A priority patent/BR112022023777A2/pt
Priority to EP21818956.1A priority patent/EP4161869A4/fr
Priority to CN202180039534.3A priority patent/CN115667128A/zh
Application filed by Hydro Quebec filed Critical Hydro Quebec
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Definitions

  • the present application relates to a method and a reactor for producing synthesis gas from a source of carbon and hydrogen (H2). More particularly, the synthesis gas production method is carried out in the direct presence of an Oxy-flame to transform a flow comprising a source of carbon and hydrogen into synthesis gas.
  • CO2 as well captured can be used as a carbon source for the production of a broad spectrum of products that can be considered carbon neutral, ie, whose production and use cycle involves virtually no net emissions of GHGs. It is thus possible to produce carbon neutral synthetic fuels that can be used in existing infrastructure.
  • syngas By reacting CO2 with excess hydrogen (H2), mixtures of hydrogen and CO can be produced. Such mixtures are called “synthesis gas” or “syngas” in English. These syngas may also contain some residual CO2.
  • Synthesis gases can be used to produce a spectrum of basic chemicals. These products include methanol and hydrocarbons such as those found in motor gasoline, diesel, kerosene.
  • Methanol is a platform molecule that can be used as a raw material for a large number of other commodities such as formaldehyde. Methanol is also known for its use in windshield washer fluid and as an industrial solvent. It can also be used as a fuel. Methanol can even be transformed into synthetic hydrocarbons. Finally, methanol can be transformed into dimethyl ether (DME), itself a chemical intermediate. DME is used, among other things, as a propellant for aerosols. DME can be used as a diesel engine fuel or as an alternative to propane.
  • DME dimethyl ether
  • Synthetic hydrocarbons can be produced from synthesis gas, according to Fischer-Tropsch reaction (C):
  • the CO / H2 mixtures useful as synthesis gas for these products must be balanced, i.e., they must contain the correct proportions of H2 and CO.
  • the synthesis gas syngas
  • the molar proportions of the gases to be able to carry out the reactions (B) or (C) generally correspond to the ratios R1 or R2 of the following equations (D) and (E):
  • a very large number of chemical and hydrocarbon syntheses can be carried out with syngas that can meet the criteria of R1 or R2 molar composition. It should also be noted that it is possible to produce methane, CPU, from synthesis gas. One mole of methane can be formed from 1 mole of CO and 3 moles of H2.
  • RWGS (A) The reaction of RWGS (A) is endothermic (reaction enthalpy of 41 kJ / mole at room temperature). According to the stoichiometry of this reaction, to produce 1 kg of CO, it takes 1.57 kg of CO2 and 0.07 kg of H2 and it is necessary to provide 1465 kJ or 0.4 kWh of thermal energy. To carry out this reaction, use is generally made of catalytic bed reactors. However, the use of conventional catalysts to carry out reaction (A) does not make it possible to obtain high conversion rates. This means that the conversion per pass, that is, the conversion during the passage of CO2 through a catalytic bed, turns out to be rather low.
  • reaction (A) becomes rather favorable at higher temperature levels. This is illustrated by Table 1 which presents the value of the equilibrium constant as a function of temperature (at atmospheric pressure).
  • the present technology relates to a method of producing synthesis gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (hte), in which the synthesis gas is produced by a reduction reaction of a. first flow comprising a source of carbon and an excess of hydrogen in contact with an Oxy-flame, and in which: the hydrogen comes from a reducing current, a first part of which is found in the first flow and a second part is used to generate Oxy-flame by combustion of hydrogen in the presence of a second stream comprising oxygen (O2), the second stream coming from an oxidizing stream, the first stream and the second stream are at a distance from each other such that the Oxy-flame sustains the reaction between the carbon source and the hydrogen.
  • CO carbon monoxide
  • hte hydrogen
  • the method is such that the reduction reaction is carried out in the absence of solid catalyst.
  • the method is such that the Oxy-flame generates ionic species and free radicals which promote the conversion of the carbon source to CO.
  • the method is such that the carbon source comprises:
  • the carbon source comprises CO2 and the reduction reaction comprises a reverse reaction of gas to water or “Reverse Water Gas Shift”.
  • the method is such that the reducing current is hydrogen.
  • the reducing stream includes hydrogen and the carbon source.
  • the reducing stream comprises hydrogen and CO2.
  • the method is such that the reducing current comprises hydrogen, CO2 and at least one type of oxygenated molecules of formula CaHpO Y where a is between 1 and 5, b is between 2 and 10 and y is between 1 and 4.
  • the method is such that the oxidizing current is oxygen.
  • the oxidizing stream comprises oxygen and CO2.
  • the method is such that the reducing current comprises only hydrogen, the oxidizing current comprises only oxygen and the carbon source is supplied by an independent current.
  • the independent current comprises CO2.
  • the independent stream comprises CO2 and methane.
  • the method is such that the oxygen comes from an electrolysis reaction of water.
  • the method is such that the hydrogen comes from an electrolysis reaction of water.
  • the method is such that the carbon source comes from a gas mixture resulting from a process for gasification or pyrolysis of biomass.
  • the method is such that the reduction reaction is carried out at an average temperature of at least 600 ° C.
  • the reduction reaction is carried out at an average temperature of at least 1200 ° C.
  • the reduction reaction is carried out at an average temperature of at most 2200 ° C.
  • the method is such that the first stream and the second stream are at a distance from each other of between 0.1 mm and 100 mm. According to another embodiment, the first stream and the second stream are at a distance from each other of between 0.3 mm and 50 mm. According to another embodiment, the first flow and the second flow are spaced from each other between 0.6 mm and 30 mm.
  • the method is such that the carbon source comprises CO2 and the reduction reaction is carried out using an H2 / CO2 molar ratio of between 2 and 7.
  • the method is such that the carbon source comprises CO2 and the reduction reaction is carried out using an O2 / CO2 molar ratio of between 0.35 and 0.9.
  • the method is such that the reduction reaction is carried out using an O2 / H2 molar ratio of between 0.1 and 0.3.
  • the method is such that the synthesis gas produced has an H2 / CO molar ratio of at least 1.8. According to another embodiment, the synthesis gas produced has an H2 / CO molar ratio of at least 2. According to another embodiment, the synthesis gas produced has an H2 / CO molar ratio of between 1.8 and 5.0.
  • the method is such that the synthesis gas produced further comprises CO2.
  • the method is such that the synthesis gas produced has a molar ratio of host, CO and CO2 such that (H2 - CO2) / (CO + CO2) 3 2.
  • the method further comprises cooling the synthesis gas to form a cooled synthesis gas.
  • the method further comprises condensing water contained in the cooled synthesis gas and recovering the water. According to another embodiment, at least part of the recovered water is recycled to the cooling step.
  • the present technology relates to the use of a synthesis gas produced by the method according to the present technology, for the manufacture of chemicals or fuels.
  • the present technology relates to the use of a synthesis gas produced by the method according to the present technology, for the manufacture of methanol or synthetic hydrocarbons.
  • the present technology relates to a reactor for producing a synthesis gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2), said reactor comprising: a reaction chamber in which the synthesis gas is produced by a reduction reaction of a first flow comprising a source of carbon and an excess of hydrogen in contact with an oxy-flame, at least one first means for supplying the reaction chamber with a reducing current comprising hydrogen, a first part of the reducing current being found in the first flow and a second part being used to generate the Oxy-flame in the combustion chamber, by combustion of hydrogen in the presence of a second flow comprising oxygen ( O2), at least one second means for supplying the reaction chamber with an oxidizing current forming the second flow, the first flux and the second flux being at a distance from each other such that the Oxy-flame supports the reaction between the carbon source and the hydrogen.
  • CO carbon monoxide
  • H2 hydrogen
  • the reactor is such that the reduction reaction is carried out in the absence of solid catalyst.
  • the reactor is such that the Oxy-flame generates ionic species and free radicals which promote the conversion of the carbon source to CO.
  • the reactor is such that the carbon source comprises:
  • the reactor is such that the carbon source comprises CO2 and the reduction reaction is the reverse reaction of gas to water or "Reverse Water Gas Shift".
  • the reactor is such that the reducing stream is hydrogen.
  • the reducing stream includes hydrogen and the carbon source.
  • the reducing stream comprises hydrogen and CO2.
  • the reactor is such that the reducing current comprises hydrogen, CO 2 and at least one type of oxygenated molecules of formula CaHpO Y where a is between 1 and 5, b is between 2 and 10 and g is between 1 and 4.
  • the reactor is such that the oxidizing current is oxygen.
  • the oxidizing current comprises oxygen and CO2.
  • the reactor is such that the first means for supplying the reducing current and the second means for supplying the oxidizing current are tubes.
  • the reactor comprises a plurality of second means consisting of a plurality of tubes allowing the injection of the oxidizing current into the reaction chamber, and a plurality of first means consisting of a plurality of openings allowing the injection of the reducing current into the reaction chamber.
  • each opening is defined by an annular space bounded by the outer diameter of one of the plurality of tubes and extending perpendicularly from the outer wall of the tube.
  • the reactor further comprises a reducing current distribution chamber separated from the reaction chamber by a separation wall, said distribution chamber and said separation wall being crossed by the plurality of tubes, the annular space extending perpendicularly from the outer wall of each tube also passing through the partition wall.
  • the reactor is such that the reducing current is hydrogen which is supplied to the reaction chamber by the first means consisting of a first tube, the oxidizing current is oxygen which is supplied to the reaction chamber.
  • reaction chamber by the second means consisting of a second tube, and the carbon source is supplied by an independent current which is injected into the reaction chamber through at least one opening located in a wall of the reaction chamber.
  • the opening is formed by a third tube concentric with the first tube and the second tube, the second tube forming the inner tube, the first tube forming an intermediate tube and the third tube forming an outer tube.
  • the opening is formed by an annular space delimited by an internal diameter of the third tube and an external diameter of the first tube.
  • the reactor further comprises a distribution chamber separated from the reaction chamber by a separation wall, said distribution chamber serving to supply the independent current comprising the carbon source and being traversed by the first tube. and the second tube.
  • the reactor is such that the independent stream comprises CO2.
  • the reactor is such that the independent stream comprises CC and methane.
  • the reactor is such that the oxygen originates from an electrolysis reaction of water.
  • the reactor is such that the hydrogen originates from a reaction of electrolysis of water.
  • the reactor is such that the carbon source comes from a gas mixture resulting from a process for gasification or pyrolysis of biomass.
  • the reactor is such that the reaction chamber reaches a temperature of at least 600 ° C during the reduction reaction. In another embodiment, the reaction chamber reaches a temperature of at least 1200 ° C during the reduction reaction. In another embodiment, the reaction chamber reaches a temperature of at most 2200 ° C during the reduction reaction.
  • the reactor is such that the first flow and the second flow are at a distance from each other of between 0.1 mm and 100 mm. According to another embodiment, the first flow and the second flow are at a distance from each other of between 0.3 mm and 50 mm. According to another embodiment, the first flow and the second flow are at a distance from each other of between 0.6 mm and 30 mm. According to another embodiment, the reactor is such that the carbon source comprises CO2 and the reduction reaction is carried out using an H2 / CO2 molar ratio of between 2 and 7. According to another embodiment, the source of carbon comprises CC and the reduction reaction is carried out using an O2 / CO2 molar ratio of between 0.35 and 0.9.
  • the reactor is such that the reduction reaction is carried out using an O2 / H2 molar ratio of between 0.1 and 0.3.
  • the reactor is such that the synthesis gas produced has an H2 / CO molar ratio of at least 1.8. According to another embodiment, the synthesis gas produced has an H2 / CO molar ratio of at least 2. According to another embodiment, the synthesis gas produced has an H2 / CO molar ratio of between 1.8 and 5.0.
  • the reactor is such that the synthesis gas produced further comprises CO2.
  • the reactor is such that the synthesis gas produced has a molar ratio of H2, CO and CO2 such that (H2 - CO2) / (CO + CO2) 3 2.
  • the present technology relates to a system comprising the reactor as defined according to the present technology, coupled to a device for cooling the synthesis gas to form a cooled synthesis gas.
  • the system is such that the cooling device is a direct contact cooler.
  • the system further comprises a water condensing apparatus for recovering water from the cooled syngas.
  • the system is such that the condensing apparatus is a cooler-condenser. According to another embodiment, the system further comprises equipment for recycling at least part of the recovered water to the cooling device.
  • Figure 1 is a schematic of the general principle of operation of the present method to produce syngas.
  • Figure 2 shows a sectional view along the vertical of a reactor which can be used to carry out the method of producing syngas according to a first embodiment.
  • Figure 3 shows certain distance parameters between the different flows and / or between different elements of the reactor according to one embodiment of the syngas production method.
  • Figure 4 shows a sectional view along the vertical of a reactor which can be used to carry out the syngas production method according to another embodiment.
  • Figure 5 shows a sectional view along the vertical of a reactor which can be used to carry out the method of producing syngas according to another embodiment.
  • Figure 6a shows a sectional view along the vertical of a reactor which can be used to carry out the syngas production method according to another embodiment.
  • Figure 6b shows a top cross-sectional view of the reactor of Figure 6a.
  • An enlarged view of two concentric tubes is also shown in Figure 6b to explain the distance parameter according to this embodiment.
  • Figure 7 shows a diagram of the syngas production process according to yet another embodiment.
  • Figure 8 shows a schematic sectional view along the vertical of a mini reactor used for the examples. The figure shows the general arrangement of the tubes for this mini-reactor.
  • the terms “synthesis gas” and “syngas” are used interchangeably to identify a gas mixture comprising at least carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2).
  • the syngas or syngas can include CO2.
  • the H2 / CO molar ratio in the synthesis gas is greater than or equal 1.
  • the synthesis gas can have an H2 / CO molar ratio of at least 1.8, for example between 1.8 and 5.0.
  • the H2 / CO molar ratio in the synthesis gas is greater than or equal
  • the H2 / CO molar ratio in the synthesis gas can be 1, 8 or 1, 9 or 2.0 or 2.1 or 2.2 or 2.3 or 2.4 or 2.5 or 2.6 or 2.7 or 2.8 or 2.9 or 3.0 or 3.1 or 3.2 or 3.3 or 3.4 or 3.5 or 3.6 or 3.7 or 3, 8 or 3.9 or 4.0 or 4.1 or 4.2 or 4.3 or 4.4 or 4.5 or 4.6 or 4.7 or 4.8 or 4.9 or 5.0.
  • synthesis gases with different and varied H2 / CO molar ratios can be obtained.
  • the term “stream” is used to describe the different gas streams which will feed the reaction chamber in which the formation of synthesis gas is carried out.
  • the method uses at least one stream containing hydrogen (H2) and at least one stream containing oxygen (O2).
  • the carbon source used in the method can be supplied either by an independent current, or by the current containing GO2, or by the current containing I ⁇ 2.
  • the streams entering the reaction chamber are in the gaseous state. If necessary, the reagents in the liquid state can be vaporized so that they arrive in the reaction chamber in gaseous form.
  • the term "stream” is used to describe the various gas streams that are involved in carrying out the synthesis gas production reaction, inside the reaction chamber.
  • the reaction involves a reducing stream containing hydrogen (H2) and the carbon source which will react with each other to form synthesis gas, and an oxidizing stream containing hydrogen (H2). oxygen (O2) which will react with hydrogen (H2) to form an Oxy-flame.
  • carbon source describes the chemical compound (s) that are used to provide the carbon that ends up in the synthesis gas produced.
  • the carbon source provides at least the carbon that ends up in the carbon monoxide (CO) produced.
  • CO carbon monoxide
  • the carbon source can comprise CO2.
  • the carbon source can comprise one or more types of oxygenated carbon-based molecules of formula CaHpO Y where a is between 1 and 5, b is between 2 and 10 and y is between 1 and 4
  • the carbon source can also comprise one or more hydrocarbons such as, for example, alkanes, alkenes and / or aromatics.
  • the carbon source used to produce the synthesis gas is a combination of two or more of the different sources described above.
  • the carbon source can comprise CO2 and one or more oxygenated molecules of the CaHpO Y type.
  • the carbon source can comprise CO2 and one or more hydrocarbons, for example CO2 and methane.
  • This oxygen can be supplied by CO2, but it can also be supplied in the form of water vapor.
  • the carbon source can comprise one or more hydrocarbons, CO2 and water vapor. The water vapor, when required, can come from the reaction which generates the Oxy-flame (see reaction (G) below) and / or can be fed into the reaction chamber.
  • the carbon source can vary.
  • the carbon source includes CO2 which can generally come from two main categories of sources: anthropogenic sources, linked to human activities and natural sources, known as biogenic.
  • This method can use CO2 from both types of sources and can also use pure CO2.
  • a gas mixture comprising CO2 and one or more types of oxygenated molecules of formula CaHpO Y where a is between 1 and 5, b is between 2 and 10 and g is between 1 and 4 can be used.
  • the carbon source may simply include one or more types of CaHpO Y molecules.
  • a gas mixture comprising CO2 and hydrocarbons, such as alkanes (eg, methane), alkenes and / or aromatic molecules, can also be used.
  • hydrocarbons such as alkanes (eg, methane), alkenes and / or aromatic molecules
  • the carbon source can comprise CO2, one or more types of CaHpO Y molecules and one or more types of hydrocarbons.
  • a wide range of organic molecules, including products from a fossil source, which may optionally contain sulfur, can be present in the gas mixture providing the carbon source.
  • an "Oxy-flame” is understood to mean a flame produced by the combustion of hydrogen in the presence of an oxidant such as oxygen (O2) according to the following reaction (F):
  • This flame is bright and radiant and provides the heat required to support the reaction that will produce synthesis gas from the carbon source.
  • This flame can generate ionic species and free radicals which can catalyze the conversion of the carbon source to CO.
  • the Oxy-flame can make it possible to reach an average temperature, in the reaction chamber, of at least about 600 ° C.
  • the average temperature reached in the reaction chamber is at least about 1200 ° C.
  • the temperature reached in the reaction chamber can be up to about 2200 ° C.
  • the reaction of producing synthesis gas in the reaction chamber can be carried out at an average temperature of at least 600 ° C up to about 2200 ° C.
  • Oxy-flame can be qualified as a “reduction oxy-flame” because the combustion reaction between hydrogen and oxygen takes place in the presence of an excess of hydrogen.
  • the oxidant which is used to produce the Oxy-flame can be a mixture based on oxygen (O2), preferably pure oxygen.
  • oxygen oxygen
  • pure oxygen it is understood that this does not necessarily mean a purity of 100%, but that the oxygen-based mixture substantially comprises GO2 and may be accompanied by certain impurities such as N2, H2O for example.
  • the reaction to form synthesis gas is carried out in the presence of excess hydrogen.
  • excess hydrogen it will be understood that the quantity of hydrogen (H2) must be sufficient on the one hand to allow the combustion reaction (F) to produce the oxy-flame and on the other hand to be able to carry out the combustion reaction.
  • reaction for converting the carbon source into synthesis gas The amount of hydrogen required can be determined depending on the carbon source used and taking into account the stoichiometry of the reactions involved.
  • the hydrogen required in the present method as well as the oxygen used to produce the Oxy-flame can, at least in part, result from a reaction. electrolysis of water. This can be even more beneficial if the water electrolysis system is powered by renewable electricity.
  • the combustion which produces the Oxy-flame can be initiated using an ignition device, such as an electric arc, a glowing wire, or any other known source of energy.
  • the present method can produce a syngas essentially containing H2 and CO in an H2 / CO molar ratio close to 2.
  • the present method is suitable for the production of syngas whose composition meets the conditions. presented by equations (D) and (E) reported above. This is made possible by varying the proportions of the different gas streams producing the oxidizing stream and the reducing stream.
  • Figure 1 illustrates the general principle of how the method works. A reducing flow (on the right in the figure) comprising at least hydrogen and the carbon source is found in a reaction chamber (10).
  • the heat required to convert the carbon source to CO is provided by means of a hot flame, called an Oxy-flame, which is produced by the combustion of hydrogen in the presence of an oxidant such as oxygen. (left part of the figure).
  • Part of the hydrogen supplied to the reaction chamber can be used to produce the Oxy-flame (bottom arrow in the figure).
  • Another part of the hydrogen supplied to the reaction chamber is used as such for the production of the synthesis gas.
  • the Oxy-flame in addition to providing the heat required for the reaction to convert the carbon source to CO, can generate ionic species and free radicals which can promote this conversion.
  • the hydrogen is introduced in excess in the reaction chamber and a part is evacuated with the CO to form the syngas. Taken together, the entire process can be termed an “autothermal” process.
  • the reaction chamber (10) there are therefore two distinct flows: a first which comes from an oxidizing gas based on pure oxygen called oxidizing flow, and another flow, called reducing flow, resulting from a mixture reducing gas based on hydrogen and containing the carbon source. These two flows are close to each other.
  • the two flows can be separated by a distance “d” from each other such that 0.1 mm ⁇ d ⁇ 100 mm.
  • the distance d separating the two flows may be such that 0.3 mm ⁇ d ⁇ 50 mm. This distance can preferably be such that 0.6 mm ⁇ d ⁇ 30 mm.
  • the distance d separating the two streams can be 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.6mm, 0.7mm, 0.8 mm, 0.9mm, 1mm, 5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 25mm, 35mm, 40mm, 45mm, 50mm, 55mm, 60mm, 65mm, 70mm, 75 mm, 80 mm, 85 mm, 90 mm, 95 mm, 100 mm, or any distance between these values.
  • the reducing and oxidizing flows which are found in the reaction chamber can be obtained from various currents.
  • the reducing flow comes from a reducing current comprising at least H2 and the flow oxidant originates from an oxidizing stream comprising at least oxygen.
  • the source of carbon which is found in the reducing flow in the reaction chamber, can be supplied either by the reducing current, or by an independent current, or by the oxidizing current if this carbon source comprises CO2 only. .
  • a first realization of the syngas production method is shown on the Error! Source of the referral not found. This realization is particularly suited to the production of syngas from CO2 as a carbon source.
  • a stream comprising oxygen (1) is mixed with a stream comprising CO2 (2) to produce an oxidizing stream (3) comprising a mixture of O2 and CO2.
  • the oxidizing stream (3) is passed through a tube (4) allowing the injection of the mixture of O2 and CO2 inside the reaction chamber (10) of a reactor. Inside the reaction chamber (10), the mixture of O2 and CO2 forms an oxidizing flow (6), of which GO2 will be used to produce the Oxy-flame (9).
  • a stream comprising hydrogen (5) is injected inside the reaction chamber, through an annular space defined between the outer wall of the tube (4) and the circumference of an opening (7) in the chamber. entrance to the reaction chamber.
  • the hydrogen stream (5) constitutes a reducing stream which, once inside the chamber, will form a reducing stream which itself divides into two parts: a first part (8a) of the reducing stream will react with the oxidizing flux (6) according to the hydrogen combustion reaction (F) to produce the Oxy-flame (9).
  • the second part (8b) of the hydrogen stream serves as the reagent ingredient for the reaction of RWGS (A).
  • the heat required for this reaction comes from the Oxy-flame (9).
  • Reactions (F) and (A) take place inside the reaction chamber (10) to form a gas mixture (12) consisting of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and vapor. water.
  • the gas mixture (12) is also called wet syngas.
  • This gas mixture (12) is discharged through the opening (13) of the reactor.
  • the reactor used for this embodiment comprises a wall (14) which can be lined with refractory and insulating materials (11).
  • the volume of the reaction chamber (10) is determined by the cylindrical space defined by the length L and the diameter D.
  • combustion can be initiated using a conventional ignition device as per example an electric arc, an incandescent wire (not shown in the figure).
  • the reactor can be equipped with a device making it possible to measure the temperature inside the reaction chamber.
  • Such a device can for example be a thermocouple (not shown in the figure).
  • the injection tube (4) of the oxidizing stream (3) can be fixed by means of a device (15).
  • the fixing device (15) can serve both as a guide for the injection tube (4) and as a sealing system.
  • the fixing device (15) can for example comprise clamps with cable glands.
  • the length L of the reaction chamber may be between 1 cm and 300 cm, preferably between 10 cm and 100 cm.
  • the diameter D of the reaction chamber can for example be between 0.3 cm and 100 cm, preferably between 1 cm and 50 cm. According to some embodiments, these values of length and diameter of the reaction chamber can also be applied to the reactors shown in Figures 2 to 5.
  • the different gas streams can be characterized by certain parameters which will be defined below. Some of these parameters depend on different distances which are shown for example in Figure 3.
  • v1 n ⁇ / ((p / 4) ⁇ i L 2)
  • the diameter Di is such that the speed v1 characterizing the oxidizing flow (6) is at least 1 m / s, based on the volume flow V1. According to another embodiment, the diameter Di is such that the speed v1 is between 5 m / s and 150 m / s, preferably between 5 and 100 m / s.
  • the speed v1 can therefore be for example between 5 m / s and 90 m / s, between 5 m / s and 80 m / s, between 5 m / s and 70 m / s, between 5 m / s and 60 m / s, between 5 m / s and 50 m / s, between 5 m / s and 40 m / s, between 5 m / s and 30 m s, between 5 m / s and 20 m / s, or between 5 m / s and 10 m / s.
  • the opening (7) characterized by (D / 2-DV2) can be such that the speed v2 of the reducing current flowing in the annular space defined between the outer wall of the tube (4) and the circumference of the opening (7 ), will be at least 1 m / s based on the V2 volume flow.
  • the opening (7) (D / 2-DV2) is such that the speed v2 is between 5 m / s and 150 m / s, preferably between 10 and 100 m / s.
  • the speed v2 can therefore be for example between 10 m / s and 90 m / s, between 10 m / s and 80 m / s, between 10 m / s and 70 m / s, between 10 m / s and 60 m / s, between 10 m / s and 50 m / s, or between 10 m / s and 40 m / s.
  • the distance d may be between 0.1 mm and 100 mm, preferably between 0.3 mm and 50 mm, and preferably between 0.6 mm and 30 mm.
  • the distance d can also be any distance within these ranges of values.
  • the volume of the reaction chamber (10) of the reactor will allow a certain residence time of all the reactants inside the reaction chamber (10) of at least 0.01 second.
  • V1 can be between 2 L / min (3.33E-5 m 3 / s) and 100,000 L / min (1.67 m 3 / s), preferably between 5 L / min (8.33E -05 m 3 / s) and 50,000 L / min (0.84 m 3 / s).
  • V2 can be between 10 L / min (1.67E-04 m 3 / s) and 300000 L / min (5 m 3 / s), preferably between 25 L / min (4.17E-04 m 3 / s) and 200,000 L / min (3.33 m 3 / s).
  • the method for producing the syngas can be carried out using an H2 / CO2 molar ratio of between 2 and 7.
  • the O2 / CO2 molar ratio can for example be between 0.35 and 0.9.
  • the production of syngas can be carried out using, for example, an O2 / H2 molar ratio of between 0.1 and 0.3.
  • the method for producing the syngas can be carried out using the following molar proportions of the different reagents:
  • the temperature reached inside the reaction chamber during syngas production can be at least 600 ° C. This temperature can be at most 2200 ° C. It will be understood that the temperature can therefore vary between a value of 600 ° C and 2200 ° C, and can therefore be for example 1000 ° C, 1100 ° C, 1200 ° C, 1300 ° C, 1400 ° C, 1500 ° C, 1600 ° C, 1700 ° C, 1800 ° C, 1900 ° C, 2000 ° C, 2100 ° C and 2200 ° C or any temperature between these values. It is understood that inside the reaction chamber, a temperature profile is established during the reaction. Thus, the temperature is not necessarily the same at one point relative to another point inside the reaction chamber. In other words, there are warmer and cooler places inside the reaction chamber. When we talk about the temperature reached in the reaction chamber, we are therefore talking about a representative average temperature.
  • the temperature can vary depending on the pressure in the reaction chamber during the syngas production reaction.
  • the pressure to carry out the syngas production reaction can be at least 0.5 atm.
  • the production of syngas can be carried out at a pressure of not more than 3 atm.
  • the pressure can therefore be 0.5 atm, 1 atm, 1.5 atm, 2 atm, 2.5 atm or 3 atm, or even any pressure between these values.
  • the pressure can be between 1 atm and 3 atm.
  • the O 2 feed rate can be adjusted so as to obtain a desired level of temperature and heat inside the reactor to operate the RWGS reaction.
  • the flow rate of H2 can be adjusted so as to obtain the H2 / CO ratio or the R2 ratio defined by equation (E) that it is desired to have for the gas mixture (12) discharged by the opening (13).
  • This realization is suitable for the production of syngas from any possible carbon source.
  • a stream comprising a carbon source (2) is mixed with a stream of hydrogen (5a) to form a reducing stream (5b) which is then sent to the reactor.
  • the carbon source comprises CO2 which is an oxidant
  • the mixture (5b) formed by mixing the gas comprising the CO2 and the hydrogen is however a reducing mixture since it consists mainly of hydrogen.
  • the carbon source is CO2 and the H2 / CO2 molar ratio in the reducing stream may be at least about 2, and preferably at least 3.
  • the stream reducing agent (5b) becomes the reducing flux (8a, 8b).
  • An oxidizing stream comprising GO2 (1) is fed into the reactor by means of the tube (4) to form the oxidizing stream (6).
  • a first part (8a) of the reducing flux reacts with the oxidizing flux (6) to produce the Oxy-flame (9).
  • the second part (8b) of the hydrogen stream which also contains the carbon source reacts using heat from the Oxy-flame (9).
  • the gas mixture (12) which is formed at the outlet of the reactor consists of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor. This gas stream, or wet syngas, is discharged through the opening (13) of the reactor.
  • the carbon source forming the stream (2) can essentially comprise CO2 and the reaction which takes place in the reaction chamber is the RWGS reaction (A).
  • the carbon source forming the current (2) can comprise organic molecules of chemical formula CaHpOy where a can vary between 1 and 5, b can vary between 2 and 10 and g can vary between 1 and 4.
  • D 'other types of organic molecules can also form the stream (2), such as hydrocarbons such as alkanes (eg, methane), alkenes, aromatics. These organic molecules can optionally be mixed with CO2 in the stream (2).
  • the carbon source includes organic molecules of the CaHpOy type
  • the following reactions can occur in the reaction chamber:
  • stream (2) can comprise a mixture of CO2 and organic molecules of formula CaHpO Y.
  • both reactions (A) and (M) can occur in the reaction chamber to form the syngas.
  • the carbon source includes a hydrocarbon
  • production of syngas can take place in the reaction chamber in the presence of an oxidant to allow oxidation of the hydrocarbon.
  • an oxidant can include water vapor and / or CO2.
  • the water vapor can be generated by the combustion reaction (F) of Fh during the formation of the Oxy-flame and / or can be fed independently into the reaction chamber.
  • the carbon source includes methane as a hydrocarbon
  • the following reactions can occur in the reaction chamber, depending on the oxidant involved (water vapor, CO2):
  • the carbon source comprises a hydrocarbon of the formula C n H m , the following reaction can occur in the reaction chamber:
  • the present method of producing syngas offers the possibility of using various carbon sources.
  • the carbon source can be a gas mixture produced by industrial processes such as biomass gasification or pyrolysis processes.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the method for producing syngas and of a reactor which can be used, among others, for this embodiment.
  • that of FIG. 5 is suitable for the production of syngas from any possible carbon source (eg, CO2, molecules of formula CaHpO Y , hydrocarbons or their mixtures).
  • the Oxy-flame (9) can be produced by injecting oxygen and hydrogen by means of two separate concentric tubes (4a and 4b), as will be explained in more detail below. below.
  • the reactor comprises in its lower part a central tube (4a) which fits into a second tube of larger diameter (4b).
  • the central tube (4a) can be attached to the larger tube (4b) by means of a fixing device (15b) such as a sealing device.
  • the second, wider tube (4b) can itself be attached to the wall (14) of the reactor by means of a fastening device (15a) which is preferably similar to the fastening device (15b).
  • the interior of the reactor is divided into two compartments (10a and 10b).
  • the two compartments (10a, 10b) are separated by a wall (16) provided with an opening (7b).
  • the first compartment (10a) constitutes the reaction chamber of the reactor.
  • an oxidizing stream (1) based on oxygen is injected into the central tube (4a), while a stream comprising hydrogen (5) is injected into the second tube. (4b).
  • the hydrogen stream (5) passes through an opening defined by the annular space (7a) between the inner wall of the middle tube (4b) and the outer wall of the central tube (4a).
  • a stream (2) comprising a carbon source is injected inside the compartment (10b) which can be termed a distribution chamber, and then passes through the opening (7b) to enter the reaction chamber ( 10a).
  • the stream of O2 (1) becomes an oxidizing stream (6)
  • the stream of H2 (5) becomes a stream of hydrogen (8c)
  • the stream (2) comprising the carbon source ends up in a third stream (8d).
  • the oxygen flow (6) and part of the hydrogen flow (8c) are used for the production of the Oxy-flame (9), while the excess hydrogen, ie which is not burned, comes reacting with the flow comprising the carbon source (8d).
  • the excess hydrogen ie which is not burned, comes reacting with the flow comprising the carbon source (8d).
  • the stream comprising the carbon source (2) can be CO2.
  • the stream (2) can also include other compounds such as organic molecules and / or hydrocarbons as described above while being free of CO2.
  • the stream (2) can also include hydrogen.
  • a certain quantity of hydrogen can be fed into the middle tube (4b) to serve to form the hydrogen stream (8c) while another part of hydrogen can be mixed with CO2 and / or vapors. organic and / or hydrocarbon to form the flow (8d).
  • FIGS. 6a and 6b show an embodiment of the syngas production method using a high capacity reactor.
  • the reactor can comprise a wall (14) and an insulating and refractory material (11) to protect the reaction chamber (10a).
  • a distribution chamber (10b) is arranged in the lower part of the reactor in communication with the reaction chamber (10a).
  • the distribution chamber receives the reducing stream (5) comprising hydrogen before it enters the reaction chamber.
  • the reaction chamber (10a) is separated from the reducing current distribution chamber (10b) by a wall.
  • the wall can be made of refractory material with insulation and be supported by a plate (16).
  • the plate (16) can for example be a metal plate.
  • the compartment (10b) can be crossed by a multitude of concentric tubes (4) which can be fixed to the wall (14) of the reactor in the lower part of the compartment (10b).
  • the tubes (4) can be fixed to the wall (14) by means of a sealing device (15).
  • the fixing and sealing devices (15) can also serve as guides to maintain the position of the tubes (4).
  • the concentric tubes (4) extend through the distribution chamber (10b) to the lower part of the reaction chamber (10a) to form a multitude of inlet ports (7b) through which the oxidizing current (3 ) is injected into the reaction chamber.
  • the wall between the distribution chamber and the reaction chamber is provided with openings forming a multitude of inlet ports (7a) of radius n through which the reducing current (5) can penetrate inside the chamber. reaction chamber.
  • the openings (7a) form a ring around the tubes (4) as can be seen in Figure 6b.
  • the entry ports (7b) of radius G2 can be concentric with respect to the entry ports (7a).
  • the reducing current (5) can be injected into the distribution chamber (10b) through more than one input port.
  • the reactor can be provided with at least 4 inlet ports for the reducing current (5).
  • the reactor can include a multitude of tubes (4) for injecting the oxidizing current (3) into the reaction chamber (10a).
  • the reactor according to this embodiment also comprises an outlet (13) to allow the evacuation of the syngas produced in the reaction chamber.
  • Oxy-flames can form in the reaction chamber.
  • the distance d may preferably be between 0.1 mm and 100 mm. According to another embodiment, the distance d separating the two flows may be between 0.3 mm and 50 mm, or even preferably between 0.6 mm and 30 mm. The distance d can also be any distance within these ranges of values.
  • the hydrogen which is needed in the reducing stream and which is used to obtain the syngas can be produced from renewable resources.
  • hydrogen can be produced from a water electrolysis system powered by electricity from renewable sources.
  • the stream comprising the carbon source (e.g. CO2) which is also needed as a reagent, can itself be a gas mixture resulting from biomass gasification or pyrolysis techniques, as mentioned above.
  • Figure 7 also shows additional steps, comprising for example the recovery of water formed during the reaction of production of gas. synthesis.
  • Figure 7 shows the following steps: • electrolysis (20) of the water supplied (FteO-a) by electricity from renewable sources (E);
  • the electrolysis system (20) is fed with water (FteO-a) to produce hydrogen (Fte) and oxygen.
  • the hydrogen (H2) produced by electrolysis is mixed with a gas comprising CO2 and / or another carbon source, preferably CO2.
  • This gas comprising CO2 and / or another carbon source can come, at least in part, from a process of gasification or pyrolysis of biomass.
  • the resulting mixture (G0) forms a reducing stream which can then be used for the production of syngas (30).
  • Some of the oxygen (O2-a) produced by electrolysis (20) is sent to the production of syngas (30), where it can be used to generate Oxy-flame.
  • the other part of the oxygen ( ⁇ 2-b) produced by electrolysis (20) can be removed.
  • the gas (G1) resulting from the production of syngas (30) is then cooled (40) rapidly in order to limit / prevent the reverse reaction of reaction (A) from occurring. Cooling can be carried out using a conventional method. According to a preferred embodiment, the cooling (40) can be carried out by means of a cooler in direct contact with a stream of water (H2O- b). According to one embodiment, the gas (G1) is cooled to a temperature above the dew point of the hot gas and not exceeding 250 ° C. According to some embodiments, the dew point of the hot gas (G1) is less than 90 ° C at atmospheric pressure. For example, the dew point of hot gas (G1) is included between 60 ° C and 90 ° C at atmospheric pressure. According to some embodiments, the gas (G1) can be cooled to a temperature between 90 ° C and 250 ° C.
  • the cooled gas (G2) obtained after the cooling (40) is a wet gas.
  • This gas (G2) can then undergo a second cooling which can be carried out by condensation (50).
  • this condensation can be carried out using a cooler-condenser.
  • the condensation step (50) can be carried out such that the gas (G2) is cooled to a temperature of 35 ° C and below.
  • Part of the condensed water (hteO-c) can be recycled (flow hteO-b) to the cooling stage (40) while the other part of the condensed water can be discharged (flow hhO-d) .
  • the hteO-d flow can be used, at least in part, to supply water to the electrolysis system (20).
  • the syngas production method described in this document can make it possible to produce gas mixtures based on CO and hte (syngas) which are balanced, ie, with appropriate proportions of CO and hte, to then allow the production of a variety of products by conventional chemical syntheses.
  • CO and hte syngas
  • It is also possible to play on the proportion of CO and hte in the syngas by controlling the temperature, the pressure and the O2 feed rate in the reaction chamber.
  • the temperature in the reactor can be controlled by the flow of oxygen supplied.
  • the syngas produced contains host and CO in a molar ratio H2 / CO> 2.
  • the syngas produced by the method described can also contain CO2.
  • the molar ratios of H2, CO and CO2 in the syngas can be such that (H2-CO2) / (CO + CO2)> 2.
  • the syngas produced by the present method can be used to produce a large number of basic chemicals. These products include methanol and hydrocarbons such as those found in motor gasoline, diesel, kerosene, to name a few examples.
  • the syngas production method described above and the reactor that can be used to achieve this method therefore have several advantages.
  • the reagents are easily accessible and can be derived from renewable sources. It is not necessary to resort to the use of solid catalysts.
  • the rate of conversion of the reactants may also be greater than the rate of conversion observed in the case of a RWGS reaction carried out in a conventional manner in the presence of a catalyst.
  • the present method is characterized by its robustness, in that it is versatile and simple to implement.
  • This example is based on a small reactor as shown schematically in Figure 8.
  • This mini-reactor operates according to a scenario involving the co-injection of pre-mixed O2 and CO2, inside the inner tube, ie, in space A, and injection of H2 into annular space B.
  • the reactor was built from small tubes in Inconel 600 TM.
  • thermocouples An ignition system used to ignite a pulsoreactor, ie, a 20 kV spark plug with ignition, was inserted inside the reactor, very close to the upper end of the inner and middle tubes. . A perforation was made to allow the spark plug to be inserted (not shown in the figure for clarity).
  • the change in the temperature level in the reactor is monitored using thermocouples. The temperature is measured in a lower part and also in an upper part of the reaction zone inside the mini-reactor. That is, one temperature reading near the base of the reaction zone (where gases are injected) specifically 13 mm higher than the line at the start of the reaction zone (see Figure 8) and another reading at 89 mm higher than the line at the start of the reaction zone (see figure 8), are carried out.
  • the thermocouples were installed by means of T-fittings (not shown in the figure).
  • the experimental set-up includes the following: the reactor itself, a tube and jacket heat exchanger allowing rapid cooling of the gases leaving the reactor, a condensate recovery tank, a relative humidity (RH) analysis system gases, and finally, an analysis system (C02 / C0 / CxH y / 02) making it possible to measure the contents of CO, CO2, hydrocarbons (CxH y ) as well as the oxygen content of the gas produced, at the outlet of the gas cooling system.
  • RH relative humidity
  • a system of mass flow meters with automated control valves is also implemented.
  • the system is accompanied by software for programming changes in the composition of the gas mixture introduced into the reactor.
  • manual valves are used to direct each of the gases into the desired reactor tube.
  • ignition is carried out in stages (lasting approximately 1 second).
  • the main stages of the sequence ignition include: 1) start the injection immediately, 2) after a few seconds, inject the oxygen in successive stages until the desired flow rate, each stage lasting a few seconds, 3) start the injection of CO2.
  • the input flow rates (standard liters (SL) at 25 ° C, 1 atm per min) are as follows:
  • the CO2 and O2 flows are premixed.
  • the operating pressure is almost 1 atm.
  • the concentration of H2 is calculated from an atomic balance.
  • the atomic balance is itself carried out taking into account all the inputs (CO2, H2, O2) and taking into account the composition of the outgoing gas (CO and CO2 content, hydrocarbon content expressed in CH4 equivalent, gas humidity, residual oxygen content).
  • CO2 content hydrocarbon content expressed in CH4 equivalent, gas humidity, residual oxygen content.
  • the atomic balance on the hydrogen atoms makes it possible to calculate the hydrogen composition of the gas at the outlet of the reactor.
  • the same device as for example 1 is used, but with injection of O2 into the inner tube (space A), injection of H2 into the annular space between the middle tube and the inner tube (space B) , and injection of a CO2 / CH4 equimolar mixture into the annular space between the outer tube and the middle tube (space C).
  • the input flow rates (standard liters at 25 ° C, 1 atm per min) are as follows:
  • Example 2 the same reactor as that of Example 1 is used, but the outer Inconel TM tube is replaced by a quartz tube.
  • the length of the reaction chamber is the same.
  • the CO2 and O2 flow rates are premixed.
  • the resulting mixture is injected inside the inner tube (space A), while hydrogen is injected inside space B.
  • the operating pressure is nearly 1 atm. Since the temperature cannot be measured directly, the temperature used is a thermodynamic equilibrium temperature value calculated to obtain a gas with the same CO / CO2 ratio as what has been measured.
  • the input flow rates (standard liters at 25 ° C, 1 atm per min) are as follows:
  • This example uses the same equipment as Example 3, i.e., based on using a quartz tube as the outer tube.
  • O2 is injected into space A
  • H2 is injected into space B
  • CO2 is injected into space C. Since the temperature cannot be measured directly, the temperature used is a calculated thermodynamic equilibrium temperature value. to obtain a gas having the same CO / CO2 ratio as what has been measured.
  • the input flow rates (standard liters (SL) at 25 ° C, 1 atm) per min) are as follows:
  • R2 (H2-CO2) / (CO + CO2): 2.26
  • concentration of H2 in the gas leaving the reactor is calculated from an atomic balance.
  • CO2 is a very chemically stable molecule, and much more stable than a CaHpO Y molecule where a is between 1 and 5. Since the above examples have shown that the process is applicable for CO2 which turns out to be more difficult in chemically transforming a molecule of the CaHpO Y type, it is reasonable to conclude that the method is also applicable to molecules of the CaHpO Y type as a carbon source.

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Abstract

La technologie concerne une méthode de production de gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène (H2), dans laquelle le gaz de synthèse est produit par une réaction de réduction d'un premier flux comprenant une source de carbone et un excès d'hydrogène au contact d'une Oxy-flamme. L'hydrogène provient d'un courant réducteur dont une première partie se retrouve dans le premier flux et une seconde partie est utilisée pour générer l'Oxy-flamme par combustion de l'hydrogène en présence d'un second flux comprenant de l'oxygène (O2), le second flux provenant d'un courant oxydant. Le premier flux et le second flux sont à une distance l'un de l'autre telle que l'Oxy-flamme soutient la réaction entre la source de carbone et l'hydrogène. Un réacteur, qui peut avoir différentes configurations, est également proposé pour mettre en application la méthode.

Description

MÉTHODE ET RÉACTEUR POUR LA PRODUCTION DE GAZ DE SYNTHÈSE À PARTIR D’UNE SOURCE DE CARBONE ET D’HYDROGÈNE EN PRÉSENCE D’UNE OXY-FLAMME
DEMANDE PRIORITAIRE
La présente demande revendique la priorité de la demande canadienne CA 3.081.971 , déposée le 4 juin 2020, laquelle est incluse au présent document par référence.
DOMAINE TECHNIQUE
La présente demande se rapporte à une méthode et un réacteur pour produire un gaz de synthèse à partir d’une source de carbone et d’hydrogène (H2). Plus particulièrement, la méthode de production du gaz de synthèse est réalisée en présence directe d’une Oxy-flamme pour transformer un flux comprenant une source de carbone et de l’hydrogène en gaz de synthèse.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La lutte contre les changements climatiques va devoir impliquer, entre autres, une diminution substantielle des émissions de Gaz à Effet de Serre (GES), notamment celles de CO2 et méthane. Pour ce faire, au-delà de toute mesure liée à des améliorations incrémentales, des moyens drastiques seront nécessaires pour pouvoir atteindre les objectifs visés en matière de diminution des émissions de GES. À l’heure actuelle, des efforts considérables sont réalisés pour minimiser la consommation de ressources fossiles en tant que source d’énergie et aussi en tant qu’ingrédient de base pour plusieurs synthèses chimiques. Pour la fabrication de produits contenant du carbone dans leur composition atomique, l’utilisation du CO2 comme réactif de base pour fournir la source de carbone est une solution prometteuse. Le CO2 se retrouve dans l’air ambiant, mais aussi dans les rejets atmosphériques issus de procédés industriels émetteurs de CO2 (ex : cimenterie, aluminerie, aciérie, etc.). Le procédé de capture de CO2 de l’air ambiant ou rejeté par des procédés industriels pour le recycler pour une utilisation ultérieure est aussi connu sous le nom « Carbone Capture Utilization » (CCU). Le CO2 ainsi capté peut être utilisé en tant que source de carbone pour la production d’un large spectre de produits que l’on peut considérer comme étant carboneutres, i.e., dont le cycle de production et d’utilisation n’implique pratiquement pas d’émission nette de GES. Il est ainsi possible de produire des carburants synthétiques carboneutres qui peuvent être utilisés dans les infrastructures existantes.
Il y a plusieurs moyens d’utiliser du CO2 en tant que réactif de base pour fournir du carbone. Le moyen le plus pratique consiste à transformer le CO2 en monoxyde de carbone (CO) selon la réaction (A) appelée « Reverse Water Gas Shift » ou RWGS.
Figure imgf000004_0001
(vapeur) (A)
En faisant réagir du CO2 avec un excès d’hydrogène (H2), on peut produire des mélanges à base d’hydrogène et de CO. De tels mélanges sont appelés « gaz de synthèse » ou « syngas » en anglais. Ces gaz de synthèse peuvent également contenir un peu de CO2 résiduel.
Les gaz de synthèse peuvent être utilisés pour produire un spectre de produits chimiques de base. Parmi ces produits, on retrouve notamment le méthanol et les hydrocarbures tels que ceux qu’on retrouve dans l’essence à moteur, le diesel, le kérosène.
Le méthanol est une molécule plate-forme pouvant servir de matière première pour un grand nombre d’autres produits de base tels que le formaldéhyde. Le méthanol est aussi connu pour son utilisation dans le liquide lave-glace et en tant que solvant industriel. Il peut aussi être utilisé comme combustible. Le méthanol peut même être transformé en hydrocarbures synthétiques. Enfin, le méthanol peut être transformé en diméthyléther (DME), lui-même un intermédiaire chimique. Le DME est utilisé entre autres comme agent de propulsion pour les aérosols. Le DME peut servir de carburant pour moteur diesel ou de carburant de substitution au propane.
Une réaction de base connue, pour la production de méthanol à partir de gaz de synthèse, est la réaction (B) suivante:
CO + 2 H2 ^ CH3OH (B) Des hydrocarbures synthétiques peuvent être produits à partir de gaz de synthèse, selon la réaction (C) de Fischer-Tropsch :
Figure imgf000005_0001
Dépendamment des produits chimiques à fabriquer, les mélanges à base de CO/H2 utiles comme gaz de synthèse pour ces produits, doivent être balancés, i.e., ils doivent contenir les bonnes proportions de H2 et de CO. En considérant les réactions (B) et (C), on constate que, en théorie, le gaz de synthèse (syngas) doit contenir essentiellement du H2 et du CO selon un rapport molaire H2/CO proche de 2. Plus précisément, tenant compte de la présence possible de CO2 résiduel dans les gaz de synthèse, les proportions molaires des gaz pour pouvoir réaliser les réactions (B) ou (C) correspondent généralement aux ratios R1 ou R2 des équations (D) et (E) suivantes :
(D) R1 = H2/CO > 2
(E) R2 = (H2-CO2) / (CO + CO2) > 2
Un très grand nombre de synthèses chimiques et d’hydrocarbures peuvent être réalisées avec des syngas pouvant respecter les critères de composition molaire R1 ou R2. Il est aussi à noter qu’il est possible de produire du méthane, CPU, à partir de gaz de synthèse. Une mole de méthane peut être formée à partir de 1 mole de CO et 3 moles de H2.
La réaction du RWGS (A) est endothermique (enthalpie de réaction de 41 kJ/mole à la température ambiante). Selon la stœchiométrie de cette réaction, pour produire 1 kg de CO, il faut 1 ,57 kg de CO2 et 0,07 kg de H2 et il faut fournir 1465 kJ ou encore 0.4 kWh d’énergie thermique. Pour réaliser cette réaction, on a généralement recours à des réacteurs à lits catalytiques. Or, l’usage de catalyseurs conventionnels pour réaliser la réaction (A) ne permet pas d’obtenir des taux de conversion élevés. Cela signifie que la conversion par passe, soit la conversion lors du passage de CO2 au travers d’un lit catalytique, s’avère plutôt faible. La raison est que, pour des réacteurs à lits catalytiques, la température de fonctionnement est plutôt limitée - on parle souvent de températures inférieures à 600°C. Or, il est connu que, sur le plan thermodynamique, la réaction (A) devient plutôt favorable à des niveaux de température plus élevés. Ceci est illustré par le Tableau 1 qui présente la valeur de la constante d’équilibre en fonction de la température (à pression atmosphérique).
Tableau 1 : Variation de la constante d’équilibre de la réaction du RWGS avec la température
T DH K
°c kJ/mole
0 41,20 0,0000021
100 40,78 0,0002704
200 40,08 0,0043
300 39.22 0,0248
400 38,25 0,0830
500 37.22 0,1987
600 36.18 0,3822
700 35,14 0,6334
800 34.12 0,9439
900 33.13 1,3017
1000 32.19 1,6935
1100 31,30 2,1071
1200 30,46 2,5319
1300 29,65 2,9595
1400 28,89 3,3831
1500 28,16 3,7980
Une méthode pour la production de gaz de synthèse à partir d’une source de carbone et d’hydrogène est particulièrement intéressante. Une méthode pour la production de gaz de synthèse à partir de CO2 par exemple, et d’hydrogène, sans avoir recours à l’utilisation de catalyseurs solides conventionnels, est aussi particulièrement intéressante. Une méthode pour permettre la préparation de gaz de synthèse utiles pour la fabrication de produits chimiques variés est également attrayante. Une telle méthode va être décrite dans ce qui suit.
SOMMAIRE
Selon un premier aspect, la présente technologie concerne une méthode de production de gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (hte), dans laquelle le gaz de synthèse est produit par une réaction de réduction d’un premier flux comprenant une source de carbone et un excès d’hydrogène au contact d’une Oxy-flamme, et dans laquelle : l’hydrogène provient d’un courant réducteur dont une première partie se retrouve dans le premier flux et une seconde partie est utilisée pour générer l’Oxy- flamme par combustion de l’hydrogène en présence d’un second flux comprenant de l’oxygène (O2), le second flux provenant d’un courant oxydant, le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre telle que l’Oxy-flamme soutient la réaction entre la source de carbone et l’hydrogène.
Selon un mode de réalisation, la méthode est telle que la réaction de réduction est réalisée en l’absence de catalyseur solide.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que l’Oxy-flamme génère des espèces ioniques et des radicaux libres qui favorisent la conversion de la source de carbone en CO.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que la source de carbone comprend :
- du CO2; ou
- au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4; ou
- un ou des hydrocarbures; ou
- un mélange d’au moins deux de ces sources de carbone. Selon un autre mode de réalisation, la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction comprend une réaction inverse du gaz à l’eau ou « Reverse Water Gas Shift ».
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le courant réducteur est de l’hydrogène. Selon un autre mode de réalisation, le courant réducteur comprend de l’hydrogène et la source de carbone. Selon un autre mode de réalisation, le courant réducteur comprend de l’hydrogène et du CO2.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le courant réducteur comprend de l’hydrogène, du CO2 et au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le courant oxydant est de l’oxygène. Selon un autre mode de réalisation, le courant oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le courant réducteur comprend uniquement de l’hydrogène, le courant oxydant comprend uniquement de l’oxygène et la source de carbone est alimentée par un courant indépendant. Selon un autre mode de réalisation, le courant indépendant comprend du CO2. Selon un autre mode de réalisation, le courant indépendant comprend du CO2 et du méthane.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que l’oxygène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que l’hydrogène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que la source de carbone provient d’un mélange gazeux issu d’un procédé de gazéification ou de pyrolyse de biomasse. Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que la réaction de réduction est réalisée à une température moyenne d’au moins 600°C. Selon un autre mode de réalisation, la réaction de réduction est réalisée à une température moyenne d’au moins 1200°C. Selon un autre mode de réalisation, la réaction de réduction est réalisée à une température moyenne d’au plus 2200°C.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,1 mm et 100 mm. Selon un autre mode de réalisation, le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,3 mm et 50 mm. Selon un autre mode de réalisation, le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,6 mm et 30 mm.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire H2/CO2 compris entre 2 et 7.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,35 et 0,9.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/H2 compris entre 0,1 et 0,3.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 1 ,8. Selon un autre mode de réalisation, le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 2. Selon un autre mode de réalisation, le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO compris entre 1 ,8 et 5,0.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le gaz de synthèse produit comprend en outre du CO2. Selon un autre mode de réalisation, la méthode est telle que le gaz de synthèse produit a un ratio molaire en hte, CO et CO2 tel que (H2 - CO2) / (CO + CO2) ³ 2.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode comprend en outre un refroidissement du gaz de synthèse pour former un gaz de synthèse refroidi.
Selon un autre mode de réalisation, la méthode comprend en outre une condensation d’eau contenue dans le gaz de synthèse refroidi et récupération de l’eau. Selon un autre mode de réalisation, au moins une partie de l’eau récupérée est recyclée à l’étape de refroidissement.
Selon un autre aspect, la présente technologie concerne l’utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode selon la présente technologie, pour la fabrication de produits chimiques ou carburants.
Selon un autre aspect, la présente technologie concerne l’utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode selon la présente technologie, pour la fabrication de méthanol ou d’hydrocarbures synthétiques.
Selon un autre aspect, la présente technologie concerne un réacteur pour produire un gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2), ledit réacteur comprenant : une chambre de réaction dans laquelle le gaz de synthèse est produit par une réaction de réduction d’un premier flux comprenant une source de carbone et un excès d’hydrogène au contact d’une Oxy-flamme, au moins un premier moyen pour alimenter la chambre de réaction avec un courant réducteur comprenant l’hydrogène, une première partie du courant réducteur se retrouvant dans le premier flux et une seconde partie étant utilisée pour générer l’Oxy-flamme dans la chambre de combustion, par combustion de l’hydrogène en présence d’un second flux comprenant de l’oxygène (O2), au moins un second moyen pour alimenter la chambre de réaction avec un courant oxydant formant le second flux, le premier flux et le second flux étant à une distance l’un de l’autre telle que l’Oxy-flamme soutient la réaction entre la source de carbone et l’hydrogène.
Selon un mode de réalisation, le réacteur est tel que la réaction de réduction est réalisée en l’absence de catalyseur solide.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que l’Oxy-flamme génère des espèces ioniques et des radicaux libres qui favorisent la conversion de la source de carbone en CO.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que la source de carbone comprend :
- du CO2; ou
- au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4; ou
- un ou des hydrocarbures; ou
- un mélange d’au moins deux de ces sources de carbone.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est la réaction inverse du gaz à l’eau ou « Reverse Water Gas Shift ».
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le courant réducteur est de l’hydrogène. Selon un autre mode de réalisation, le courant réducteur comprend de l’hydrogène et la source de carbone. Selon un autre mode de réalisation, le courant réducteur comprend de l’hydrogène et du CO2.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le courant réducteur comprend de l’hydrogène, du CO2 et au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et g est compris entre 1 et 4. Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le courant oxydant est de l’oxygène. Selon un autre mode de réalisation, le courant oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le premier moyen pour alimenter le courant réducteur et le second moyen pour alimenter le courant oxydant sont des tubes.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur comprend une pluralité de seconds moyens consistant en une pluralité de tubes permettant l’injection du courant oxydant dans la chambre de réaction, et une pluralité de premiers moyens consistant en une pluralité d’ouvertures permettant l’injection du courant réducteur dans la chambre de réaction. Selon un autre mode de réalisation, chaque ouverture est définie par un espace annulaire délimité par le diamètre externe d’un tube de la pluralité de tubes et s’étendant perpendiculairement à partir de la paroi externe du tube. Selon un autre mode de réalisation, le réacteur comprend en outre une chambre de distribution du courant réducteur séparée de la chambre de réaction par une paroi de séparation, ladite chambre de distribution et ladite paroi de séparation étant traversées par la pluralité de tubes, l’espace annulaire s’étendant perpendiculairement à partir de la paroi externe de chaque tube traversant également la paroi de séparation.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le courant réducteur est de l’hydrogène qui est alimenté dans la chambre réaction par le premier moyen consistant en un premier tube, le courant oxydant est de l’oxygène qui est alimenté dans la chambre réaction par le second moyen consistant en un second tube, et la source de carbone est alimentée par un courant indépendant qui est injecté dans la chambre de réaction par au moins une ouverture située dans une paroi de la chambre de réaction. Selon un autre mode de réalisation, l’ouverture est formée par un troisième tube concentrique avec le premier tube et le second tube, le second tube formant le tube intérieur, le premier tube formant un tube intermédiaire et le troisième tube formant un tube extérieur. Selon un autre mode de réalisation, l’ouverture est formée par un espace annulaire délimité par un diamètre interne du troisième tube et un diamètre externe du premier tube. Selon un autre mode de réalisation, le réacteur comprend en outre une chambre de distribution séparée de la chambre de réaction par une paroi de séparation, ladite chambre de distribution servant pour alimenter le courant indépendant comprenant la source de carbone et étant traversée par le premier tube et le second tube. Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le courant indépendant comprend du CO2. Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le courant indépendant comprend du CC et du méthane.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que l’oxygène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que l’hydrogène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que la source de carbone provient d’un mélange gazeux issu d’un procédé de gazéification ou de pyrolyse de biomasse.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que la chambre de réaction atteint une température d’au moins 600°C pendant la réaction de réduction. Selon un autre mode de réalisation, la chambre de réaction atteint une température d’au moins 1200°C pendant la réaction de réduction. Selon un autre mode de réalisation, la chambre de réaction atteint une température d’au plus 2200°C pendant la réaction de réduction.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,1 mm et 100 mm. Selon un autre mode de réalisation, le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,3 mm et 50 mm. Selon un autre mode de réalisation, le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,6 mm et 30 mm. Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire H2/CO2 compris entre 2 et 7. Selon un autre mode de réalisation, la source de carbone comprend du CC et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,35 et 0,9.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/H2 compris entre 0,1 et 0,3.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 1 ,8. Selon un autre mode de réalisation, le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 2. Selon un autre mode de réalisation, le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO compris entre 1 ,8 et 5,0.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le gaz de synthèse produit comprend en outre du CO2.
Selon un autre mode de réalisation, le réacteur est tel que le gaz de synthèse produit a un ratio molaire en H2, CO et CO2 tel que (H2 - CO2) / (CO + CO2) ³ 2.
Selon encore un autre aspect, la présente technologie concerne un système comprenant le réacteur tel que défini selon la présente technologie, couplé à un dispositif de refroidissement du gaz de synthèse pour former un gaz de synthèse refroidi.
Selon un mode de réalisation, le système est tel que le dispositif de refroidissement est un refroidisseur à contact direct.
Selon un autre mode de réalisation, le système comprend en outre un appareil de condensation d’eau pour récupérer l’eau du gaz de synthèse refroidi.
Selon un autre mode de réalisation, le système est tel que l’appareil de condensation est un refroidisseur-condenseur. Selon un autre mode de réalisation, le système comprend en outre un équipement pour recycler au moins une partie de l’eau récupérée vers le dispositif de refroidissement.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 représente un schéma du principe général du fonctionnement de la présente méthode pour produire du syngas.
La Figure 2 représente une vue en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode de production de syngas selon un premier mode de réalisation.
La Figure 3 montre certains paramètres de distance entre les différents flux et/ou entre différents éléments du réacteur selon une réalisation de la méthode de production de syngas.
La Figure 4 représente une vue en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode de production de syngas selon un autre mode de réalisation.
La Figure 5 représente une vue en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode de production de syngas selon un autre mode de réalisation.
La Figure 6a représente une vue en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode de production de syngas selon un autre mode de réalisation. La Figure 6b représente une vue de haut en coupe transversale du réacteur de la Figure 6a. Une vue élargie de deux tubes concentriques est également présentée sur la Figure 6b pour expliquer le paramètre de distance selon cette réalisation.
La Figure 7 représente un diagramme du processus de production de syngas selon encore un autre mode de réalisation. La Figure 8 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un mini réacteur utilisé pour les exemples. La figure présente l’arrangement général des tubes pour ce mini-réacteur.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Tous les termes et expressions techniques et scientifiques utilisés ici ont la même signification que celle généralement comprise par la personne versée dans l’art de la présente technologie. La définition de certains termes et expressions utilisés est néanmoins fournie ci-dessous.
Le terme « environ » tel qu'utilisé dans le présent document signifie approximativement, dans la région de, et autour de. Lorsque le terme « environ » est utilisé en lien avec une valeur numérique, il la modifie, par exemple, au-dessus et en dessous par une variation de 10% par rapport à la valeur nominale. Ce terme peut aussi tenir compte, par exemple, de l'erreur expérimentale d'un appareil de mesure ou de l’arrondissement d’une valeur.
Lorsqu'un intervalle de valeurs est mentionné dans la présente demande, les bornes inférieures et supérieures de l'intervalle sont, à moins d'indications contraires, toujours incluses dans la définition.
Les structures chimiques décrites ici sont dessinées suivant les conventions du domaine. Aussi, lorsqu’un atome, comme un atome de carbone, tel que dessiné semble inclure une valence incomplète, alors on assumera que la valence est satisfaite par un ou plusieurs atomes d’hydrogène même s’ils ne sont pas explicitement dessinés.
Dans la présente description, les termes « gaz de synthèse » et « syngas » sont utilisés de manière interchangeable pour identifier un mélange gazeux comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2). Dans certaines réalisations, le gaz de synthèse ou syngas peut comprendre du CO2. Selon une réalisation, le rapport molaire H2/CO dans le gaz de synthèse est supérieur ou égal 1 . Dans d’autres réalisations, le gaz de synthèse peut avoir un rapport molaire H2/CO d’au moins 1 ,8, par exemple compris entre 1 ,8 et 5,0. Selon une autre réalisation, le rapport molaire H2/CO dans le gaz de synthèse est supérieur ou égal
2. Ainsi, le rapport molaire H2/CO dans le gaz de synthèse peut être de 1 ,8 ou 1 ,9 ou 2,0 ou 2,1 ou 2,2 ou 2,3 ou 2,4 ou 2,5 ou 2,6 ou 2,7 ou 2,8 ou 2,9 ou 3,0 ou 3,1 ou 3,2 ou 3,3 ou 3,4 ou 3,5 ou 3,6 ou 3,7 ou 3,8 ou 3,9 ou 4,0 ou 4,1 ou 4,2 ou 4,3 ou 4,4 ou 4,5 ou 4,6 ou 4,7 ou 4,8 ou 4,9 ou 5,0. Toutefois, des gaz de synthèse avec des rapports molaires H2/CO différents et variés peuvent être obtenus.
Le terme « courant » est utilisé pour décrire les différents courants gazeux qui vont alimenter la chambre de réaction dans laquelle la formation de gaz de synthèse est réalisée. Comme cela va être décrit plus en détail ci-dessous, la méthode utilise au moins un courant contenant de l’hydrogène (H2) et au moins un courant contenant de l’oxygène (O2). La source de carbone utilisée dans la méthode, selon sa nature, peut être alimentée soit par un courant indépendant, soit par le courant contenant GO2, soit par le courant contenant IΉ2. Les courants arrivant dans la chambre de réaction sont à l’état gazeux. Si nécessaire, les réactifs à l’état liquide peuvent être vaporisés pour qu’ils arrivent dans la chambre de réaction sous forme gazeuse.
Le terme « flux » est utilisé pour décrire les différents flux gazeux qui sont mis en jeu pour effectuer la réaction de production du gaz de synthèse, à l’intérieur de la chambre de réaction. Comme cela va être décrit plus en détail ci-dessous, la réaction implique un flux réducteur contenant de l’hydrogène (H2) et la source de carbone qui vont réagir entre eux pour former un gaz de synthèse, et un flux oxydant contenant de l’oxygène (O2) qui va réagir avec de l’hydrogène (H2) pour former une Oxy-flamme.
Le terme « source de carbone » décrit le ou les composés chimiques qui sont utilisés pour fournir le carbone qui se retrouve dans le gaz de synthèse produit. Ainsi, la source de carbone fournit au moins le carbone qui se retrouve dans le monoxyde de carbone (CO) produit. Différents composés chimiques peuvent être utilisés comme source de carbone. Selon une réalisation, la source de carbone peut comprendre du CO2. Selon une autre réalisation, la source de carbone peut comprendre un ou plusieurs types de molécules oxygénées à base de carbone de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4. La source de carbone peut également comprendre un ou plusieurs hydrocarbures comme par exemple des alcanes, alcènes et/ou aromatiques. Il est aussi possible que la source de carbone utilisée pour produire le gaz de synthèse soit une combinaison de deux ou plusieurs des différentes sources décrites ci-dessus. Ainsi, selon certaines réalisations, la source de carbone peut comprendre du CO2 et une ou des molécules oxygénées de type CaHpOY. Selon d’autres réalisations, la source de carbone peut comprendre du CO2 et un ou plusieurs hydrocarbures, par exemple du CO2 et du méthane. Dans le cas où la source de carbone ne contient que des hydrocarbures, un apport en atomes d’oxygène sera requis. Cet oxygène peut être fourni par le CO2, mais il peut aussi être fourni sous forme de vapeur d’eau. Selon certaines réalisations, la source de carbone peut comprendre un ou des hydrocarbures, du CO2 et de la vapeur d’eau. La vapeur d’eau, lorsque requise, peut provenir de la réaction qui génère l’Oxy-flamme (voir réaction (G) plus bas) et/ou peut être alimentée dans la chambre de réaction.
Le présent document présente donc une méthode innovante pour la production de gaz de synthèse à partir d’une source de carbone. Comme indiqué précédemment, la source de carbone peut varier. Dans certaines réalisations, la source de carbone comprend du CO2 qui peut généralement provenir de deux grandes catégories de sources: les sources anthropiques, liées aux activités humaines et les sources naturelles, dites biogéniques. La présente méthode peut utiliser du CO2 provenant de ces deux types de sources et peut également utiliser du CO2 pur. Selon une autre réalisation, un mélange gazeux comprenant du CO2 et un ou plusieurs types de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et g est compris entre 1 et 4 peut être utilisé. Alternativement, la source de carbone peut simplement comprendre un ou plusieurs types de molécules CaHpOY. Selon une autre réalisation, un mélange gazeux comprenant du CO2 et des hydrocarbures, tels que des alcanes (e.g., du méthane), des alcènes et/ou des molécules aromatiques, peut aussi être utilisé. Cependant, il est aussi possible d’utiliser seulement des hydrocarbures comme source de carbone. Selon certaines réalisations, la source de carbone peut comprendre du CO2, un ou plusieurs types de molécules CaHpOY et un ou plusieurs types d’hydrocarbures. Un large éventail de molécules organiques, incluant des produits de source fossile, pouvant contenir éventuellement du soufre, peuvent être présentes dans le mélange gazeux fournissant la source de carbone.
Plus particulièrement, la méthode de production de syngas est réalisée en faisant réagir la source de carbone avec un excès d’hydrogène au contact d’une Oxy- flamme. Selon la présente technologie, une « Oxy-flamme » s’entend d’une flamme produite par la combustion d’hydrogène en présence d’un oxydant tel que de l’oxygène (O2) selon la réaction (F) suivante :
H2 + I/2 O2 -> H2O (vapeur) + Chaleur (F)
Cette flamme est vive et rayonnante et permet de fournir la chaleur requise pour soutenir la réaction qui va produire le gaz de synthèse à partir de la source de carbone. Cette flamme peut générer des espèces ioniques et des radicaux libres qui peuvent catalyser la conversion de la source de carbone en CO. Selon certaines réalisations, l’Oxy-flamme peut permettre d’atteindre une température moyenne, dans la chambre de réaction, au moins d’environ 600°C. Selon d’autres réalisations, la température moyenne atteinte dans la chambre de réaction est d’au moins d’environ 1200°C. La température atteinte dans la chambre de réaction peut aller jusqu’à environ 2200°C. Ainsi, la réaction de production du gaz de synthèse dans la chambre de réaction, peut être réalisée à une température moyenne d’au moins 600°C allant jusqu’à environ 2200°C. L’Oxy-flamme peut être qualifiée d’« Oxy-flamme de réduction » car la réaction de combustion entre l’hydrogène et l’oxygène se fait en présence d’un excès d’hydrogène. Dans un mode de réalisation, l’oxydant qui est utilisé pour produire l’Oxy-flamme peut être un mélange à base d’oxygène (O2), de préférence de l’oxygène pur. Par oxygène « pur », on comprend que cela ne signifie pas nécessairement une pureté de 100 %, mais que le mélange à base d’oxygène comprend substantiellement de GO2 et peut être accompagné de certaines impuretés telles que N2, H2O par exemple.
Comme mentionné ci-dessus, la réaction pour former le gaz de synthèse est réalisée en présence d’un excès d’hydrogène. Par « excès d’hydrogène », on comprendra que la quantité d’hydrogène (H2) doit être suffisante pour d’une part permettre la réaction de combustion (F) pour produire l’Oxy-flamme et d’autre part pouvoir réaliser la réaction de conversion de la source de carbone en gaz de synthèse. La quantité d’hydrogène requise pourra être déterminée en fonction de la source de carbone utilisée et en tenant compte de la stœchiométrie des réactions impliquées.
Selon un autre mode de réalisation qui sera expliqué plus en détail ci-dessous, l’hydrogène requis dans la présente méthode ainsi que l’oxygène utilisé pour produire l’Oxy-flamme, peuvent, au moins en partie, résulter d’une réaction d’électrolyse de l’eau. Ceci peut être d’autant plus avantageux si le système d’électrolyse de l’eau est alimenté par de l’électricité de source renouvelable. La combustion qui permet de produire l’Oxy-flamme peut être initiée à l’aide d’un dispositif d’allumage, comme par exemple un arc électrique, un fil incandescent, ou toute autre source d’énergie connue.
Selon certaines réalisations, la présente méthode peut produire un syngas contenant essentiellement du H2 et du CO selon un rapport molaire H2/CO proche de 2. Selon une réalisation particulière, la présente méthode est adaptée pour la production de syngas dont la composition respecte les conditions présentées par les équations (D) et (E) reportées ci-dessus. Ceci est rendu possible en faisant varier les proportions des différents courants gazeux produisant le flux oxydant et le flux réducteur. La Figure 1 illustre le principe général du fonctionnement de la méthode. Un flux réducteur (à droite sur la figure) comprenant au moins de l’hydrogène et la source de carbone se retrouve dans une chambre de réaction (10). La chaleur requise pour effectuer la conversion de la source de carbone en CO est fournie au moyen d’une flamme chaude, appelée Oxy-flamme, laquelle est produite par la combustion d’hydrogène en présence d’un oxydant tel que de l’oxygène (partie gauche de la figure). Une partie de l’hydrogène alimenté dans la chambre de réaction peut être utilisé pour produire l’Oxy-flamme (flèche du bas de la figure). Une autre partie de l’hydrogène alimenté dans la chambre de réaction est utilisée en tant que telle pour la production du gaz de synthèse. L’Oxy-flamme, en plus de fournir la chaleur requise pour la réaction de conversion de la source de carbone en CO, peut générer des espèces ioniques et des radicaux libres qui peuvent favoriser cette conversion. L’hydrogène est introduit en excès dans la chambre de réaction et une partie est évacuée avec le CO pour former le syngas. Globalement, le processus complet peut être qualifié de processus « autothermique ».
Dans la chambre de réaction (10), on retrouve donc deux flux distincts : un premier qui est issu d’un gaz oxydant à base d’oxygène pur appelé flux oxydant, et un autre flux, appelé flux réducteur, issu d’un mélange gazeux réducteur à base d’hydrogène et contenant la source de carbone. Ces deux flux sont à proximités l’un de l’autre. Selon une réalisation, les deux flux peuvent être séparés par une distance « d » l’un de l’autre telle que 0,1 mm < d < 100 mm. Selon une autre réalisation, la distance d séparant les deux flux peut être telle que 0,3 mm < d < 50 mm. Cette distance peut préférentiellement être telle que 0,6 mm < d < 30 mm. Ainsi, la distance d séparant les deux flux peut être de 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm, 1 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm, 50 mm, 55 mm, 60 mm, 65 mm, 70 mm, 75 mm, 80 mm, 85 mm, 90 mm, 95 mm, 100 mm, ou n’importe quelle distance entre ces valeurs. Il est à noter que les flux réducteur et oxydant qui se retrouvent dans la chambre de réaction peuvent être issus de courants variés. En effet, le flux réducteur provient d’un courant réducteur comprenant au moins du H2 et le flux oxydant provient d’un courant oxydant comprenant au moins de l’oxygène. Toutefois, la source de carbone que l’on retrouve dans le flux réducteur dans la chambre de réaction, peut être alimentée soit par le courant réducteur, soit par un courant indépendant, soit par le courant oxydant si cette source de carbone comprend du CO2 uniquement.
Une première réalisation de la méthode de production du syngas est montrée sur la Erreur ! Source du renvoi introuvable.. Cette réalisation est particulièrement adaptée à la production de syngas à partir de CO2 comme source de carbone. Un courant comprenant de l’oxygène (1 ) est mélangé avec un courant comprenant du CO2 (2) pour produire un courant oxydant (3) comprenant un mélange d’02 et de CO2. Le courant oxydant (3) est acheminé dans un tube (4) permettant l’injection du mélange d’02 et de CO2 à l’intérieur de la chambre de réaction (10) d’un réacteur. À l’intérieur de la chambre de réaction (10), le mélange d’02 et de CO2 forme un flux oxydant (6) dont GO2 va servir à la production de l’Oxy-flamme (9). Un courant comprenant de l’hydrogène (5) est injecté à l’intérieur de la chambre de réaction, à travers un espace annulaire défini entre la paroi extérieure du tube (4) et la circonférence d’une ouverture (7) à l’entrée de la chambre de réaction. Le courant d’hydrogène (5) constitue un courant réducteur, qui, une fois à l’intérieur de la chambre, va former un flux réducteur qui se divise lui-même en deux parties: une première partie (8a) du flux réducteur va réagir avec le flux oxydant (6) selon la réaction de combustion de l’hydrogène (F) pour produire l’Oxy-flamme (9).
La deuxième partie (8b) du flux d’hydrogène sert d’ingrédient de réactif pour la réaction du RWGS (A). La chaleur requise pour cette réaction provient de l’Oxy- flamme (9).
Les réactions (F) et (A) se produisent à l’intérieur de la chambre de réaction (10) pour former un mélange gazeux (12) constitué d’hydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau. Le mélange gazeux (12) est aussi nommé syngas humide. Ce mélange gazeux (12) est évacué par l’ouverture (13) du réacteur. Le réacteur utilisé pour cette réalisation comprend une paroi (14) qui peut être garnie de matériaux réfractaires et isolants (11 ). Le volume de la chambre de réaction (10) est déterminé par l’espace cylindrique défini par la longueur L et le diamètre D. Dans le réacteur, la combustion peut être initiée à l’aide d’un dispositif d’allumage conventionnel comme par exemple un arc électrique, un fil incandescent (non montré sur la figure). Selon une réalisation, le réacteur peut être équipé d’un dispositif permettant de mesurer la température à l’intérieur de la chambre de réaction. Un tel dispositif peut être par exemple un thermocouple (non montré dans la figure). Le tube d’injection (4) du courant oxydant (3) peut être fixé par le moyen d’un dispositif (15). Selon certaines réalisations, le dispositif de fixation (15) peut servir à la fois de guide pour le tube d’injection (4) et de système d’étanchéisation. Le dispositif de fixation (15) peut par exemple comprendre des brides de serrage avec presse-étoupe.
Selon certaines réalisations, la longueur L de la chambre de réaction peut être comprise entre 1 cm et 300 cm, préférentiellement entre 10 cm et 100 cm. Le diamètre D de la chambre de réaction peut par exemple être compris entre 0.3 cm et 100 cm, de préférence entre 1 cm et 50 cm. Selon certaines réalisations, ces valeurs de longueur et de diamètre de la chambre de réaction peuvent aussi s’appliquer aux réacteurs présentés dans les Figures 2 à 5.
Selon certaines réalisations, les différents flux gazeux peuvent être caractérisés par certains paramètres qui vont être définis ci-après. Certains de ces paramètres dépendent de différentes distances qui sont montrées par exemple dans la Figure 3.
Le flux oxydant (6) peut être caractérisé par un paramètre de vitesse v1 selon l’équation (G) suivante: v1 = nΐ/ ((p/4)·ϋiL2) (G) où V1 correspond au débit volumique du courant oxydant (3) aux conditions de température et de pression dans la chambre de réaction, et Di est le diamètre intérieur du tube d’admission (4) du courant oxydant (3). Dans les équations, le symbole « · » signifie « multiplié » et le symbole « L2 » signifie « au carré ».
Le diamètre Di est tel que la vitesse v1 caractérisant le flux oxydant (6) est d’au moins 1 m/s, en se basant sur le débit volumique V1 . Selon une autre réalisation, le diamètre Di est tel que la vitesse v1 se situe entre 5 m/s et 150 m/s, préférentiellement entre 5 et 100 m/s. La vitesse v1 peut donc être par exemple comprise entre 5 m/s et 90 m/s, entre 5 m/s et 80 m/s, entre 5 m/s et 70 m/s, entre 5 m/s et 60 m/s, entre 5 m/s et 50 m/s, entre 5 m/s et 40 m/s, entre 5 m/s et 30 m/s, entre 5 m/s et 20 m/s, ou entre 5 m/s et 10 m/s.
Le flux du courant réducteur (8a, 8b) est caractérisé par un paramètre de vitesse v2 selon l’équation (H) suivante: v2 = V2 / ((p/4)·(ϋL2-ϋ'iL2)) (H) où V2 est le débit volumique du courant réducteur (8a, 8b) aux conditions de température et de pression dans la chambre de réaction, D est le diamètre interne du réacteur et D’i est le diamètre externe du tube d’admission (4) du courant oxydant (3).
L’ouverture (7) caractérisée par (D/2-DV2) peut être telle que la vitesse v2 du courant réducteur circulant dans l’espace annulaire défini entre la paroi externe du tube (4) et la circonférence de l’ouverture (7), sera d’au moins 1 m/s en se basant sur le débit volumique V2. Selon une autre réalisation, l’ouverture (7) (D/2-DV2) est telle que la vitesse v2 se situe entre 5 m/s et 150 m/s, préférentiellement entre 10 et 100 m/s. La vitesse v2 peut donc être par exemple comprise entre 10 m/s et 90 m/s, entre 10 m/s et 80 m/s, entre 10 m/s et 70 m/s, entre 10 m/s et 60 m/s, entre 10 m/s et 50 m/s, ou entre 10 m/s et 40 m/s.
Selon certaines réalisations, il est possible de définir un paramètre pour caractériser le niveau de proximité entre le flux réducteur (8a, 8b) et le flux produisant l'Oxy-flamme (9). Ce paramètre peut être défini par la distance d selon l’équation (I) suivante : d = (D - D’i)/4 (I)
Comme indiqué précédemment, la distance d peut être comprise entre 0,1 mm et 100 mm, de préférence entre 0,3 mm et 50 mm, et préférentiellement entre 0,6 mm et 30 mm. La distance d peut aussi être n’importe quelle distance comprise dans ces gammes de valeurs.
Selon un mode de réalisation, le volume de la chambre de réaction (10) du réacteur va permettre un certain temps de séjour de tous les réactifs à l’intérieur de la chambre de réaction (10) d’au moins 0,01 seconde. Ce temps de séjour peut être défini selon l’équation (J) suivante : t = ((p/4)·ϋL2··ί) / (nΐ + V2) (J) où L est la longueur de la chambre de réaction (10), i.e., la longueur du volume intérieur du réacteur tel que montré par exemple sur la Erreur ! Source du renvoi introuvable..
Selon certaines réalisations, V1 peut être compris entre 2 L/min (3,33E-5 m3/s) et 100000 L/min (1 ,67 m3/s), de préférence entre 5 L/min (8,33E-05 m3/s) et 50000 L/min (0,84 m3/s). Selon certaines réalisations, V2 peut être compris entre 10 L/min (1 ,67E-04 m3/s) et 300000 L/min (5 m3/s), de préférence entre 25 L/min (4,17E-04 m3/s) et 200000 L/min (3,33 m3/s).
Selon certaines réalisations, la méthode pour produire le syngas peut être réalisée en utilisant un ratio molaire H2/CO2 compris entre 2 et 7. Le ratio molaire O2/CO2 peut par exemple être compris entre 0,35 et 0,9. La production de syngas peut être réalisée en utilisant par exemple un ratio molaire O2/H2 compris entre 0,1 et 0,3. Selon certaines réalisations, la méthode pour produire le syngas peut être réalisée en utilisant les proportions molaires suivantes des différents réactifs :
• ratio molaire H2/CO2 compris entre 2 et 7; et
• ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,35 et 0,9; et
• ratio molaire O2/H2 compris entre 0,1 et 0,3.
La température atteinte à l’intérieur de la chambre de réaction lors de la production du syngas peut être d’au moins 600°C. Cette température peut être d’au plus 2200°C. On comprendra que la température peut donc varier entre une valeur de 600°C et de 2200°C, et peut donc être par exemple de 1000°C, 1100°C, 1200°C, 1300°C, 1400°C, 1500°C, 1600°C, 1700°C, 1800°C, 1900°C, 2000°C, 2100°C et 2200°C ou n’importe quelle température comprise entre ces valeurs. On comprend qu’à l’intérieur de la chambre de réaction, un profil de température s’établit pendant la réaction. Ainsi, la température n’est pas nécessairement la même à un point précis par rapport à un autre point à l’intérieur de la chambre de réaction. En d’autres termes, il y a des endroits plus chauds et d’autres moins chauds à l’intérieur de la chambre de réaction. Lorsqu’on parle de la température atteinte dans la chambre de réaction, il est donc question d’une température moyenne représentative.
La température peut varier en fonction de la pression dans la chambre de réaction pendant la réaction de production de syngas. La pression pour réaliser la réaction de production du syngas peut être d’au moins 0,5 atm. Selon certaines réalisations, la production du syngas peut être effectuée à une pression d’au plus 3 atm. Selon certaines réalisations, la pression peut donc être de 0.5 atm, 1 atm, 1 ,5 atm, 2 atm, 2,5 atm ou de 3 atm, ou encore n’importe quelle pression comprise entre ces valeurs. Par exemple, la pression peut être comprise entre 1 atm et 3 atm. Dans certaines réalisations, pour un débit donné de CO2 et de H2, le débit d’alimentation d’Û2 peut être ajusté de manière à obtenir un niveau désiré de température et de chaleur à l’intérieur du réacteur pour opérer la réaction du RWGS. D’autre part, le débit de H2 peut être ajusté de manière à obtenir le rapport H2/CO ou le rapport R2 défini par l’équation (E) que l’on désire avoir pour le mélange gazeux (12) évacué par l’ouverture (13).
La Erreur ! Source du renvoi introuvable, présente une autre réalisation possible de la méthode de production de syngas et d’un réacteur pouvant être utilisé pour cette production. Cette réalisation est adaptée à la production de syngas à partir de toute source de carbone possible. Dans ce cas-ci, un courant comprenant une source de carbone (2) est mélangé avec un courant d’hydrogène (5a) pour former un courant réducteur (5b) qui est ensuite envoyé dans le réacteur. Même si la source de carbone comprend du CO2 qui est un oxydant, le mélange (5b) formé par mélange du gaz comprenant le CO2 et l’hydrogène, est toutefois un mélange réducteur puisqu’il est majoritairement constitué d’hydrogène. Selon certaines réalisations, la source de carbone est du CO2 et le rapport molaire H2/CO2 dans le courant réducteur peut être d’au moins environ 2, et préférablement au moins 3. Une fois dans la chambre de réaction (10), le courant réducteur (5b) devient le flux réducteur (8a, 8b). Un courant oxydant comprenant de GO2 (1 ) est acheminé dans le réacteur au moyen du tube (4) pour former le flux oxydant (6). Une première partie (8a) du flux réducteur réagit avec le flux oxydant (6) pour produire l’Oxy-flamme (9). La deuxième partie (8b) du flux d’hydrogène qui contient aussi la source de carbone réagit en utilisant la chaleur provenant de l’Oxy-flamme (9). Étant donné que le flux (8b) comprend un excès d’hydrogène, le mélange gazeux (12) qui est formé en sortie du réacteur est constitué d’hydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau. Ce courant gazeux, ou syngas humide, est évacué par l’ouverture (13) du réacteur. Selon une réalisation, la source de carbone formant le courant (2) peut comprendre essentiellement du CO2 et la réaction qui se produit dans la chambre de réaction est la réaction RWGS (A).
Selon une autre réalisation, la source de carbone formant le courant (2) peut comprendre des molécules organiques de formule chimique CaHpOy où a peut varier entre 1 et 5, b peut varier entre 2 et 10 et g peut varier entre 1 et 4. D’autres types de molécules organiques peuvent également former le courant (2), comme des hydrocarbures tels que des alcanes (e.g., méthane), des alcènes, des aromatiques. Ces molécules organiques peuvent éventuellement être en mélange avec du CO2 dans le courant (2).
Lorsque la source de carbone comprend des molécules organiques de type CaHpOy, les réactions suivantes peuvent se produire dans la chambre de réaction :
• Formation de syngas selon l’équation (K) :
Figure imgf000028_0001
• Combustion d’hydrogène selon l’équation (L) :
Figure imgf000028_0002
où a’, a”, b, c, d, e’, e” et f sont des coefficients stoechiométriques dont les valeurs dépendent des molécules en jeu et des conditions de fonctionnement considérées pour réaliser la production de gaz de synthèse, et Q est la chaleur impliquée dans le processus.
Avec a = a’ + a” et e = e’+ e”, la somme des équations (K) et (L) donne donc l’équation stoechiométrique (M) suivante :
Figure imgf000028_0003
Les coefficients stoechiométriques peuvent être déterminés en partant de la formule chimique du composé organique utilisé comme source de carbone. Par exemple, pour a = 1 , les coefficients peuvent avoir les valeurs suivantes :
• a entre 1 et 5
• a” entre 0,5 et 2
• b entre 0,25 et 1
• c entre 2 et 3
• d entre 0,5 et 1
• e entre 0,5 et 2,5
• e” entre 0,5 et 2
• f entre 0,15 et 0,75.
Comme mentionné ci-dessus, le courant (2) peut comprendre un mélange de CO2 et de molécules organiques de formule CaHpOY. Dans ce cas, les deux réactions (A) et (M) peuvent se produire dans la chambre de réaction pour former le syngas.
Lorsque la source de carbone comprend un hydrocarbure, la production de syngas peut s’effectuer dans la chambre de réaction en présence d’un oxydant pour permettre l’oxydation de l’hydrocarbure. Un tel oxydant peut comprendre de la vapeur d’eau et/ou du CO2. La vapeur d’eau peut être générée par la réaction (F) de combustion d’Fh lors de la formation de l’Oxy-flamme et/ou peut être alimentée indépendamment dans la chambre de réaction.
Si la source de carbone comprend du méthane comme hydrocarbure, les réactions suivantes peuvent se produire dans la chambre de réaction, selon l’oxydant mis en jeu (vapeur d’eau, CO2):
CH4 + H2O -> CO + 3 H2 (N)
Figure imgf000029_0001
Si la source de carbone comprend un hydrocarbure de formule CnHm, la réaction suivante peut se produire dans la chambre de réaction :
CnHm + n H2O = n CO + (n + 1/2 m) H2 (P) Ainsi, la présente méthode de production de syngas offre la possibilité d’utiliser des sources de carbone variées. Par exemple, la source de carbone peut être un mélange gazeux produit par des procédés industriels tels que des procédés de gazéification ou de pyrolyse de biomasses.
Il est à noter que les différents paramètres de réaction mentionnés ci-dessus en relation avec la Figure 3 (pression, température, distance, diamètres, vitesses, débits volumétriques, temps de séjour, etc.) peuvent également s’appliquer au mode de réalisation impliquant les différentes sources de carbone qui vient d’être présenté en relation avec la Figure 4.
La Figure 5 présente une autre réalisation de la méthode de production de syngas et d’un réacteur utilisable, entre autres, pour cette réalisation. Comme pour la réalisation présentée en Figure 4, celle de la Figure 5 est adaptée à la production de syngas à partir de toute source de carbone possible (e.g., CO2, molécules de formule CaHpOY, hydrocarbures ou leurs mélanges). Tel que montré sur la Figure 5, l’Oxy-flamme (9) peut être produite par injection d’oxygène et d’hydrogène au moyen de deux tubes concentriques distincts (4a et 4b), comme cela va être expliqué plus en détail ci-dessous. Dans cette réalisation, le réacteur comprend dans sa partie inférieure un tube central (4a) qui s’insère dans un second tube de diamètre plus large (4b). Le tube central (4a) peut être fixé au tube plus large (4b) au moyen d’un dispositif de fixation (15b) tel un dispositif d’étanchéisation. Le second tube plus large (4b) peut lui-même être fixé à la paroi (14) du réacteur au moyen d’un dispositif de fixation (15a) qui est de préférence similaire au dispositif de fixation (15b). L’intérieur du réacteur est divisé en deux compartiments (10a et 10b). Les deux compartiments (10a, 10b) sont séparés par une paroi (16) munie d’une ouverture (7b). Le premier compartiment (10a) constitue la chambre de réaction du réacteur.
Comme on peut le voir sur la Figure 5, un courant oxydant (1 ) à base d’oxygène est injecté dans le tube central (4a), alors qu’un courant comprenant de l’hydrogène (5) est injecté dans le second tube (4b). Le courant d’hydrogène (5) passe au travers d’une ouverture définie par l’espace annulaire (7a) entre la paroi intérieure du tube médian (4b) et la paroi extérieure du tube central (4a). Un courant (2) comprenant une source de carbone est injecté à l’intérieur du compartiment (10b) qui peut être qualifié de chambre de distribution, et passe ensuite au travers de l’ouverture (7b) pour pénétrer dans la chambre de réaction (10a). Dans le réacteur, le courant de O2 (1 ) devient un flux oxydant (6), le courant de H2 (5) devient un flux d’hydrogène (8c) et le courant (2) comprenant la source de carbone se retrouve dans un troisième flux (8d). Le flux d’oxygène (6) et une partie du flux d’hydrogène (8c) servent à la production de l’Oxy-flamme (9), alors que l’hydrogène en excès, i.e. qui n’est pas brûlé, vient réagir avec le flux comprenant la source de carbone (8d). On comprend que, même si directement à l’entrée de la chambre de réaction, on aura bien un flux (8c) d’Fte distinct d’un flux (8d) comprenant la source de carbone, ces deux flux (8c) et (8d) ne constituent plus des flux totalement séparés dès qu’ils pénètrent dans la chambre de réaction, et qu’ils peuvent alors chacun comprendre à la fois du H2 et la source de carbone une fois dans la chambre de la réaction.
Dans le mode de réalisation illustré à la Figure 5, le courant comprenant la source de carbone (2) peut être du CO2. Cependant, le courant (2) peut aussi comprendre d’autres composés comme les molécules organiques et/ou hydrocarbures tels que décrits ci-dessus tout en étant exempt de CO2. En outre, selon certaines réalisations, le courant (2) peut aussi comprendre de l’hydrogène. Ainsi, une certaine quantité d’hydrogène peut être alimentée dans le tube médian (4b) pour servir à former le flux d’hydrogène (8c) alors qu’une autre partie d’hydrogène peut être mélangée avec du CO2 et/ou des vapeurs organiques et/ou d’hydrocarbure pour former le flux (8d).
Il est à noter que les différents paramètres de réaction mentionnés ci-dessus en relation avec la Figure 3 (pression, température, vitesses, diamètres, débits volumétriques, temps de séjour, etc.) peuvent également s’appliquer au mode de réalisation impliquant les différentes sources de carbone qui vient d’être présenté en relation avec la Figure 5. Les Figures 6a et 6b présentent un mode de réalisation de la méthode de production de syngas utilisant un réacteur de grande capacité. Comme pour la réalisation présentée en relation avec la Figure 2, la réalisation des Figures 6a et 6b est particulièrement adaptée à la production de syngas à partir de CO2 comme source de carbone. Selon ce mode de réalisation, le réacteur peut comprendre une paroi (14) et un matériau isolant et réfractaire (11 ) pour protéger la chambre de réaction (10a). Une chambre de distribution (10b) est disposée dans la partie inférieure du réacteur en communication avec la chambre de réaction (10a). La chambre de distribution reçoit le courant réducteur (5) comprenant de l’hydrogène avant qu’il pénètre dans la chambre de réaction. La chambre de réaction (10a) est séparée de la chambre de distribution du courant réducteur (10b) par une paroi. La paroi peut être constituée de matériau réfractaire avec isolant et être soutenue par une plaque (16). La plaque (16) peut par exemple être une plaque métallique. Le compartiment (10b) peut être traversé par une multitude de tubes concentriques (4) qui peuvent être fixés à la paroi (14) du réacteur dans la partie inférieure du compartiment (10b). Les tubes (4) peuvent être fixés à la paroi (14) au moyen d’un dispositif d’étanchéisation (15). Les dispositifs de fixation et d’étanchéisation (15) peuvent également servir de guides pour maintenir la position des tubes (4). Les tubes concentriques (4) s’étendent à travers la chambre de distribution (10b) jusque dans la partie inférieure de la chambre de réaction (10a) pour former une multitude de ports d’entrée (7b) par lesquels le courant oxydant (3) est injecté dans la chambre de réaction. De plus, la paroi entre la chambre de distribution et la chambre de réaction est munie d’ouvertures formant une multitude de ports d’entrée (7a) de rayon n par lesquels le courant réducteur (5) peut pénétrer à l’intérieur de la chambre de réaction. Selon une réalisation préférée, les ouvertures (7a) forment un anneau autour des tubes (4) comme on peut le voir sur la Figure 6b. Les ports d’entrées (7b) de rayon G2 peuvent être concentriques par rapport aux ports d’entrées (7a). Le courant réducteur (5) peut être injecté dans la chambre de distribution (10b) par plus d’un port d’entrée. Sur la Figure 6b, on voit que le réacteur peut être muni d’au moins 4 ports d’entrée pour le courant réducteur (5). De plus, tel que montré par la figure 6a, le réacteur peut comprendre une multitude de tubes (4) pour injecter le courant oxydant (3) dans la chambre de réaction (10a). Finalement, le réacteur selon cette réalisation comprend aussi une sortie (13) pour permettre l’évacuation du syngas produit dans la chambre de réaction.
Selon cette réalisation, plusieurs Oxy-flammes peuvent se former dans la chambre de réaction. Le paramètre de distance entre le flux réducteur et le flux oxydant (Oxy-flamme) pour cette réalisation peut être défini comme suit : d = (n - r2)/2 (Q)
Comme pour l’ensemble des réalisations, la distance d peut être comprise de préférence entre 0,1 mm et 100 mm. Selon une autre réalisation, la distance d séparant les deux flux peut être comprise entre 0,3 mm et 50 mm, ou encore préférentiellement entre 0,6 mm et 30 mm. La distance d peut aussi être n’importe quelle distance comprise dans ces gammes de valeurs.
Comme mentionné plus haut, selon certaines réalisations, l’hydrogène dont on a besoin dans le courant réducteur et qui est utilisé pour obtenir le syngas, peut être produit à partir de ressources renouvelables. Notamment, l’hydrogène peut être produit à partir d’un système d’électrolyse de l’eau alimenté par de l’électricité issue de sources renouvelables. Le courant comprenant la source de carbone (e.g. CO2) dont on a aussi besoin comme réactif, peut être lui-même un mélange gazeux issu de techniques de gazéification ou de pyrolyse de biomasses, comme cela a été mentionné ci-dessus. Ainsi, globalement, il est possible de produire des gaz de synthèse à partir d’une source de carbone captée, d’eau et d’électricité de sources renouvelables.
Cette réalisation de la méthode de production de syngas à partir de ressources renouvelables est représentée sur une partie de la Figure 7. La Figure 7 montre également des étapes additionnelles, comprenant par exemple la récupération d’eau formée pendant la réaction de production du gaz de synthèse. Ainsi, la Figure 7 présente les étapes suivantes: • électrolyse (20) de l’eau alimentée (FteO-a) par de l’électricité de source renouvelable (E);
• production de syngas (30) selon l’une des réalisations décrites précédemment;
• refroidissement des gaz produits (40), par exemple au moyen d’un refroidissement par contact direct;
• récupération d’eau (FteO-c) par condensation (50).
Plus particulièrement, comme on peut le voir sur la Figure 7, le système d’électrolyse (20) est alimenté avec de l’eau (FteO-a) pour produire de l’hydrogène (Fte) et de l’oxygène. L’hydrogène (H2) produit par l’électrolyse est mélangé avec un gaz comprenant du CO2 et/ou une autre source carbone, préférentiellement du CO2. Ce gaz comprenant du CO2 et/ou une autre source carbone, peut provenir, au moins en partie, d’un procédé de gazéification ou de pyrolyse de biomasse. Le mélange obtenu (G0) forme un courant réducteur qui peut ensuite être utilisé pour la production de syngas (30). Une partie de l’oxygène (Û2-a) produit par l’électrolyse (20) est envoyée vers la production de syngas (30), où il peut être utilisé pour générer l’Oxy-flamme. L’autre partie de l’oxygène (Û2-b) produit par l’électrolyse (20) peut être évacuée.
Le gaz (G1 ) résultant de la production de syngas (30) est ensuite refroidi (40) rapidement afin de limiter/éviter que se produise la réaction inverse de la réaction (A). Le refroidissement peut être effectué en utilisant une méthode conventionnelle. Selon une réalisation préférée, le refroidissement (40) peut être réalisé au moyen d’un refroidisseur à contact direct avec un courant d’eau (H2O- b). Selon une réalisation, le gaz (G1) est refroidi à une température supérieure au point de rosée du gaz chaud et n’excédant pas 250°C. Selon certaines réalisations, le point de rosée du gaz chaud (G1 ) est inférieur à 90°C à pression atmosphérique. Par exemple, le point de rosée du gaz chaud (G1 ) est compris entre 60°C et 90°C à pression atmosphérique. Selon certaines réalisations, le gaz (G1 ) peut être refroidi à une température comprise entre 90°C et 250°C.
Le gaz refroidi (G2) obtenu à l’issue du refroidissement (40) est un gaz humide. Ce gaz (G2) peut ensuite subir un deuxième refroidissement qui peut être effectué par condensation (50). Selon certaines réalisations, cette condensation peut être réalisée en utilisant un refroidisseur-condenseur. Selon une réalisation préférée, l’étape de condensation (50) peut être effectuée de telle manière à ce que le gaz (G2) soit refroidi jusqu’à une température de 35 °C et moins. À la sortie du refroidisseur-condenseur, on obtient d’une part le syngas (G3) et d’autre part de l’eau condensée (hhO-c). Une partie de l’eau condensée (hteO-c) peut être recyclée (écoulement hteO-b) à l’étape de refroidissement (40) alors que l’autre partie de l’eau condensée peut être évacuée (écoulement hhO-d). Selon certaines réalisations, l’écoulement hteO-d peut être utilisé, au moins en partie, pour alimenter en eau le système d’électrolyse (20).
Comme cela a été mentionné précédemment, la méthode de production de syngas décrite dans le présent document peut permettre de produire des mélanges gazeux à base de CO et de hte (syngas) qui sont balancés, i.e., avec des proportions de CO et hte appropriées, pour ensuite permettre la production d’une variété de produits par des synthèses chimiques conventionnelles. Ainsi, il est possible en contrôlant la nature et la quantité de réactifs utilisés (e.g., le débit des courants gazeux), de produire un syngas où la proportion de CO et hte est adaptée pour que le mélange soit directement utilisable dans une synthèse chimique ultérieure. Il est également possible de jouer sur la proportion de CO et hte dans le syngas, en contrôlant la température, la pression et le débit d’alimentation d’Û2 dans la chambre de réaction. En outre, la température dans le réacteur peut être contrôlée par le débit d’oxygène alimenté. Selon un mode de réalisation, le syngas produit contient du hte et du CO dans un rapport molaire H2/CO > 2. Le syngas produit par la méthode décrite peut aussi contenir du CO2. Dans ce cas, les ratios molaires du H2, CO et CO2 dans le syngas peuvent être tels que (H2-CO2) / (CO + CO2) > 2. En respectant ces ratios molaires, le syngas produit par la présente méthode peut être utilisé pour produire un grand nombre de produits chimiques de base. Parmi ces produits, on retrouve notamment le méthanol et les hydrocarbures tels que ceux qu’on retrouve dans l’essence à moteur, le diesel, le kérosène, pour nommer quelques exemples.
La méthode de production de syngas décrite ci-dessus et le réacteur que l’on peut utiliser pour réaliser cette méthode présentent donc plusieurs avantages. Les réactifs sont facilement accessibles et peuvent dériver de sources renouvelables. Il n’est pas nécessaire d’avoir recours à l’utilisation de catalyseurs solides. Le taux de conversion des réactifs peut également être supérieur au taux de conversion observé dans le cas d’une réaction RWGS réalisée de manière conventionnelle en présence de catalyseur. Enfin, la présente méthode est caractérisée par sa robustesse, en ce qu’elle est versatile et simple à mettre en œuvre. Ces avantages permettent donc de diminuer les coûts de production en plus de l’effet environnemental bénéfique de recycler des sources de carbone comme le CO2 par exemple.
EXEMPLES
Exemple 1
Cet exemple s’appuie sur un réacteur de petite taille tel que représenté schématiquement sur la Figure 8. Ce mini-réacteur fonctionne selon un scénario impliquant la co-injection d’02 et CO2 pré-mélangés, à l’intérieur du tube interne, i.e., dans l’espace A, et injection de H2 dans l’espace annulaire B. Le réacteur a été construit à partir de petits tubes en Inconel 600™. Les dimensions suivantes sont utilisées pour caractériser la géométrie du mini-réacteur (D.l. = diamètre interne; D.E. = diamètre externe) où L correspond à une longueur à partir du début de la zone de réaction (dimensions en mm):
• Tube externe : D.l. = 10,41 ; D.E. = 12,7; L = 371,83
• Tube médian : D.l. = 7,752 ; D.E. = 9,53; L « 0 (début de la zone de réaction) Tube interne : D.l. = 3,048; D.E. = 6,35; L « 0 (début de la zone de réaction)
Un système d’allumage servant à l’ignition d’un pulsoréacteur, i.e., une bougie d’allumage avec ignition à 20 kV, a été inséré à l’intérieur du réacteur, tout près de l’extrémité supérieure des tubes interne et médian. Une perforation a été effectuée pour permettre d’introduire la bougie d’allumage (non montré dans la figure pour fins de clarté). L’évolution du niveau de température dans le réacteur est suivie à l’aide de thermocouples. La température est mesurée dans une partie basse et aussi dans une partie haute de la zone de réaction à l’intérieur du mini-réacteur. Autrement dit, une lecture de la température près de la base de la zone de réaction (où les gaz sont injectés) plus précisément 13 mm plus haut que la ligne du début de la zone de réaction (voir figure 8) et une autre lecture à 89 mm plus haut que la ligne du début de la zone de réaction (voir figure 8), sont réalisées. Les thermocouples ont été installés par le moyen de raccords en T (non montrés par la figure).
Le montage expérimental comprend ce qui suit: le réacteur proprement dit, un échangeur de chaleur à tube et jaquette permettant un refroidissement rapide des gaz sortant du réacteur, un réservoir de récupération du condensât, un système d’analyse d’humidité relative (RH) des gaz, et enfin, un système d’analyse (C02/C0/CxHy/02) permettant de mesurer les teneurs en CO, CO2, hydrocarbures (CxHy) ainsi que la teneur en oxygène du gaz produit, à la sortie du système de refroidissement des gaz.
Un système de débitmètres massiques avec vannes de contrôle automatisées est également mis en place. Le système est accompagné d’un logiciel permettant de programmer des changements de composition du mélange de gaz introduit dans le réacteur. Finalement, des valves manuelles sont utilisées afin de diriger chacun des gaz dans le tube du réacteur désiré.
Pour éviter les retours de flammes à l’allumage, l’allumage est réalisé par paliers (d’une durée d’environ 1 seconde). Les principales étapes de la séquence d’allumage comprennent: 1 ) débuter l’injection de hte, 2) après quelques secondes, injecter l’oxygène par paliers successifs jusqu’au débit désiré, chaque palier étant d’une durée de quelques secondes, 3) débuter l’injection du CO2.
Une fois que l’allumage se produit, on peut procéder aux paliers d’analyse en tant que tels. Chacun de ces paliers a une durée de 60 secondes. Après ce laps de temps, on procède aux différentes mesures. Les débits des intrants (litres standard (SL) à 25 °C, 1 atm par min) sont les suivants :
• CO2 : 1 ,3 SL/min
• O2 : 0,93 SL/min
• H2 : 6,1 SL/min
Les débits de CO2 et O2 sont pré-mélangés. La pression de fonctionnement est de près de 1 atm.
Les résultats suivants ont été obtenus :
• Concentration molaire en CO du gaz : 22.2 %
• Concentration molaire en CO2 du gaz : 8,1 %
• Concentration molaire en hydrocarbure : trace
• Ratio molaire CO/CO2 du gaz produit : 2,74
• Taux de conversion de CO2 en CO : 73 %
• Température moyenne dans la chambre de réaction : 686°C
• Vitesse à l’entrée du mélange O2/CO2 (à température moyenne, 1 atm) : 16,4 m/s
• Vitesse à l’entrée de H2 (à température moyenne) : 21 ,1 m/s
• Temps de séjour dans le réacteur (s) : < 0,06 s
• Rapport R2 = (H2-CO2) / (CO+CO2): 2,26
Pour le calcul du rapport R2, la concentration de H2 est calculée à partir d’un bilan atomique. Le bilan atomique est lui-même effectué en tenant compte de tous les intrants (CO2, H2, O2) et en tenant compte de la composition du gaz sortant (teneurs en CO et CO2, teneur en hydrocarbures exprimée en équivalent CH4, humidité du gaz, teneur en oxygène résiduel). Le bilan atomique sur les atomes d’hydrogène permet de calculer la composition en hydrogène du gaz à la sortie du réacteur.
Exemple 2
Dans cet exemple, le même dispositif que pour l’exemple 1 est utilisé, mais avec injection de O2 dans le tube interne (espace A), injection de H2 dans l’espace annulaire entre le tube médian et le tube interne (espace B), et injection d’un mélange équimolaire CO2/CH4 dans l’espace annulaire entre le tube externe et le tube médian (espace C). Les débits des intrants (litres standard à 25 °C, 1 atm par min) sont les suivants :
• CO2 : 0,40 SL/min
• Ch 0,40 SL/min
• O2 : 0,9 SL/min
• H2 : 3,3 SL/min
Ces trois écoulements sont injectés séparément dans le mini-réacteur. Les résultats suivants ont été obtenus :
• Concentration en CO du gaz sec: 13,3 %
• Concentration molaire en CO2 du gaz : 10,2 %
• Concentration molaire en hydrocarbure du gaz : 2135 ppm
• Ratio CO/CO2 du gaz produit : 1 ,30
• Taux de conversion de CO2 : 13,1 %
• Taux de conversion du CH4 : 98.2 %
• Température moyenne : 855 °C
• Vitesse à l’entrée de O2 (à température moyenne, 1 atm) : 7,77 m/s
• Vitesse à l’entrée du H2 (à température moyenne, 1 atm) : 13,4 m/s
• Vitesse à l’entrée du mélange CO2/CH4 (à température moyenne, 1 atm) : 7,46 m/s
• Temps de séjour des réactifs : < 0,07 s
• R2 = (H2-CO2) / (CO+CO2) : 2,87 Pour le calcul du rapport R2, la concentration de hte est calculée à partir d’un bilan atomique.
Exemple 3
Dans cet exemple, le même réacteur que celui de l’exemple 1 est utilisé, mais le tube externe en Inconel™ est remplacé par un tube de quartz. La longueur de la chambre de réaction est la même. Pour cet exemple, les débits de CO2 et O2 sont pré-mélangés. Le mélange obtenu est injecté à l’intérieur du tube interne (espace A), alors que l’hydrogène est injecté à l’intérieur de l’espace B. La pression de fonctionnement est de près de 1 atm. La température ne pouvant être mesurée directement, la température utilisée est une valeur de température d’équilibre thermodynamique calculée pour l’obtention d’un gaz présentant le même rapport CO/CO2 que ce qui a été mesuré.
Les débits des intrants (litres standard à 25 °C,1 atm par min) sont les suivants :
• CO2 : 1 ,3 SL/min
• O2 : 0,93 SL/min
• H2 : 6,2 SL/min
Les résultats suivants ont été obtenus :
• Concentration en CO du gaz : 22.9 %
• Concentration en CO2 du gaz : 7,30 %
• Concentration molaire en hydrocarbure : trace
• Ratio CO/CO2 du gaz produit : 3,14
• Taux de conversion de CO2 en CO : 75,8 %
• Température d’équilibre T : 1230 °C
• Vitesse à l’entrée du mélange O2/CO2 (à température T, 1 atm) : 25,6 m/s
• Vitesse à l’entrée du H2 (à température T et 1 atm) : 33,7 m/s
• Temps de séjour des réactifs : < 0,04 s
• R2 = (H2-CO2) / (CO+CO2) : 2,34 Pour le calcul du rapport R2, la concentration en hte du gaz sortant du réacteur est calculée à partir d’un bilan atomique. La comparaison des résultats de l’exemple 1 avec ceux de l’exemple 3 montre que la nature des matériaux du réacteur (Inconel™ versus quartz) n’a pas d’influence significative sur le taux de conversion du CO2.
Exemple 4
Cet exemple utilise le même équipement que l’exemple 3, i.e., basé sur l’utilisation d’un tube de quartz comme tube externe. Dans cet exemple, O2 est injecté dans l’espace A, H2 est injecté dans l’espace B et CO2 dans l’espace C. La température ne pouvant être mesurée directement, la température utilisée est une valeur de température d’équilibre thermodynamique calculée pour l’obtention d’un gaz présentant le même rapport CO/CO2 que ce qui a été mesuré. Les débits des intrants (litres standard (SL) à 25 °C, 1 atm) par min) sont les suivants :
• CO2 : 1 ,3 SL/min
• O2 : 0,93 SL/min
• H2 : 6,1 SL/min
Les résultats suivants ont été obtenus :
• Concentration en CO du gaz : 18.21 %
• Concentration de CO2 du gaz : 11 ,5 %
• Concentration en hydrocarbure : trace
• Ratio CO/CO2 du gaz : 1 ,58
• Taux de conversion de CO2 en CO : 61 ,2 %
• Température d’équilibre T : 877 °C
• Vitesse de O2 (à température T) : 8,20 m/s
• Vitesse de H2 (à température T, 1 atm) : 25,4 m/s
• Vitesse du CO2 (à température T, 1 atm) : 9,02 m/s
• Temps de séjour dans le réacteur : < 0,05 s
• R2 = (H2-CO2) / (CO+CO2) : 2,26 Pour le calcul du rapport R2, la concentration en H2 du gaz sortant du réacteur est calculée à partir d’un bilan atomique.
L’applicabilité du procédé de production de gaz de synthèse a été démontrée dans les exemples ci-dessus, entre autres, sur la base de l’utilisation de CO2 comme source de carbone. Le CO2 est une molécule très stable chimiquement, et beaucoup plus stable qu’une molécule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5. Puisque les exemples ci-dessus ont démontré que le procédé est applicable pour le CO2 qui s’avère plus difficile à transformer chimiquement qu’une molécule de type CaHpOY, il est raisonnable de conclure que le procédé est aussi applicable aux molécules de type CaHpOY comme source de carbone.
Bien que certaines réalisations de la présente méthode, et du réacteur qui peut être utilisé pour réaliser cette méthode, ont été décrites ci-dessus, la méthode et le réacteur ne sont pas limités à ces seules réalisations. Plusieurs modifications pourraient être effectuées à l’un ou l’autre des modes de réalisations décrits ci- dessus, et ce, sans sortir du cadre de la présente technologie telle qu’envisagée.

Claims

REVENDICATIONS
1- Une méthode de production de gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (hte), dans laquelle le gaz de synthèse est produit par une réaction de réduction d’un premier flux comprenant une source de carbone et un excès d’hydrogène au contact d’une Oxy-flamme, et dans laquelle : l’hydrogène provient d’un courant réducteur dont une première partie se retrouve dans le premier flux et une seconde partie est utilisée pour générer l’Oxy- flamme par combustion de l’hydrogène en présence d’un second flux comprenant de l’oxygène (O2), le second flux provenant d’un courant oxydant, le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre telle que l’Oxy-flamme soutient la réaction entre la source de carbone et l’hydrogène.
2- La méthode selon la revendication 1 , dans laquelle la réaction de réduction est réalisée en l’absence de catalyseur solide.
3- La méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’Oxy-flamme génère des espèces ioniques et des radicaux libres qui favorisent la conversion de la source de carbone en CO.
4- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la source de carbone comprend :
- du CO2; ou
- au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4; ou
- un ou des hydrocarbures; ou
- un mélange d’au moins deux de ces sources de carbone.
5- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction comprend une réaction inverse du gaz à l’eau ou « Reverse Water Gas Shift ».
6- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le courant réducteur est de l’hydrogène. 7- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le courant réducteur comprend de l’hydrogène et la source de carbone.
8- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le courant réducteur comprend de l’hydrogène et du CO2. 9- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le courant réducteur comprend de l’hydrogène, du CO2 et au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4.
10- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le courant oxydant est de l’oxygène.
11- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le courant oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
12- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le courant réducteur comprend uniquement de l’hydrogène, le courant oxydant comprend uniquement de l’oxygène et la source de carbone est alimentée par un courant indépendant.
13- La méthode selon la revendication 12, dans laquelle le courant indépendant comprend du CO2.
14- La méthode selon la revendication 12, dans laquelle le courant indépendant comprend du CO2 et du méthane.
15- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans laquelle l’oxygène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
16- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, dans laquelle l’hydrogène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau. 17- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 16, dans laquelle la source de carbone provient d’un mélange gazeux issu d’un procédé de gazéification ou de pyrolyse de biomasse.
18- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, dans laquelle la réaction de réduction est réalisée à une température moyenne d’au moins 600°C.
19- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans laquelle la réaction de réduction est réalisée à une température moyenne d’au moins 1200°C.
20- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, dans laquelle la réaction de réduction est réalisée à une température moyenne d’au plus 2200°C.
21- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, dans laquelle le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,1 mm et 100 mm.
22- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 21 , dans laquelle le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,3 mm et 50 mm.
23- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 22, dans laquelle le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,6 mm et 30 mm.
24- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 23, dans laquelle la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire H2/CO2 compris entre 2 et 7.
25- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 24, dans laquelle la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,35 et 0,9. 26- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 25, dans laquelle la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/H2 compris entre 0,1 et 0,3.
27- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 26, dans laquelle le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 1 ,8.
28- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 27, dans laquelle le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 2.
29- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 27, dans laquelle le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO compris entre 1 ,8 et 5,0. 30- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 29, dans laquelle le gaz de synthèse produit comprend en outre du CO2.
31- La méthode selon la revendication 30, dans laquelle le gaz de synthèse produit a un ratio molaire en H2, CO et CO2 tel que (H2 - CO2) / (CO + CO2) ³ 2.
32- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 31 , comprenant en outre un refroidissement du gaz de synthèse pour former un gaz de synthèse refroidi.
33- La méthode selon la revendication 32, comprenant en outre une condensation d’eau contenue dans le gaz de synthèse refroidi et récupération de l’eau. 34- La méthode selon la revendication 33, dans laquelle au moins une partie de l’eau récupérée est recyclée à l’étape de refroidissement.
35- Utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 34, pour la fabrication de produits chimiques ou carburants. 36- Utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 34, pour la fabrication de méthanol ou d’hydrocarbures synthétiques.
37- Un réacteur pour produire un gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (hte), ledit réacteur comprenant : une chambre de réaction dans laquelle le gaz de synthèse est produit par une réaction de réduction d’un premier flux comprenant une source de carbone et un excès d’hydrogène au contact d’une Oxy-flamme, au moins un premier moyen pour alimenter la chambre de réaction avec un courant réducteur comprenant l’hydrogène, une première partie du courant réducteur se retrouvant dans le premier flux et une seconde partie étant utilisée pour générer l’Oxy-flamme dans la chambre de combustion, par combustion de l’hydrogène en présence d’un second flux comprenant de l’oxygène (O2), au moins un second moyen pour alimenter la chambre de réaction avec un courant oxydant formant le second flux, le premier flux et le second flux étant à une distance l’un de l’autre telle que l’Oxy-flamme soutient la réaction entre la source de carbone et l’hydrogène.
38- Le réacteur selon la revendication 37, dans lequel la réaction de réduction est réalisée en l’absence de catalyseur solide.
39- Le réacteur selon la revendication 37 ou 38 dans lequel l’Oxy-flamme génère des espèces ioniques et des radicaux libres qui favorisent la conversion de la source de carbone en CO.
40- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 39, dans lequel la source de carbone comprend :
- du CO2; ou
- au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4; ou
- un ou des hydrocarbures; ou
- un mélange d’au moins deux de ces sources de carbone. 41- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 40, dans lequel la source de carbone comprend du CO2 et la réaction de réduction est la réaction inverse du gaz à l’eau ou « Reverse Water Gas Shift ».
42- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 41, dans lequel le courant réducteur est de l’hydrogène.
43- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 41, dans lequel le courant réducteur comprend de l’hydrogène et la source de carbone.
44- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 41, dans lequel le courant réducteur comprend de l’hydrogène et du CO2.
45- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 41, dans lequel le courant réducteur comprend de l’hydrogène, du CO2 et au moins un type de molécules oxygénées de formule CaHpOY où a est compris entre 1 et 5, b est compris entre 2 et 10 et y est compris entre 1 et 4.
46- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 45, dans lequel le courant oxydant est de l’oxygène.
47- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 45, dans lequel le courant oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
48- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 47, dans lequel le premier moyen pour alimenter le courant réducteur et le second moyen pour alimenter le courant oxydant sont des tubes.
49- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 47, comprenant une pluralité de seconds moyens consistant en une pluralité de tubes permettant l’injection du courant oxydant dans la chambre de réaction, et une pluralité de premiers moyens consistant en une pluralité d’ouvertures permettant l’injection du courant réducteur dans la chambre de réaction. 50- Le réacteur selon la revendication 49, dans lequel chaque ouverture est définie par un espace annulaire délimité par le diamètre externe d’un tube de la pluralité de tubes et s’étendant perpendiculairement à partir de la paroi externe du tube.
51- Le réacteur selon la revendication 50, comprenant en outre une chambre de distribution du courant réducteur séparée de la chambre de réaction par une paroi de séparation, ladite chambre de distribution et ladite paroi de séparation étant traversées par la pluralité de tubes, l’espace annulaire s’étendant perpendiculairement à partir de la paroi externe de chaque tube traversant également la paroi de séparation.
52- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 42, dans lequel le courant réducteur est de l’hydrogène qui est alimenté dans la chambre réaction par le premier moyen consistant en un premier tube, le courant oxydant est de l’oxygène qui est alimenté dans la chambre réaction par le second moyen consistant en un second tube, et la source de carbone est alimentée par un courant indépendant qui est injecté dans la chambre de réaction par au moins une ouverture située dans une paroi de la chambre de réaction.
53- Le réacteur selon la revendication 52, dans lequel l’ouverture est formée par un troisième tube concentrique avec le premier tube et le second tube, le second tube formant le tube intérieur, le premier tube formant un tube intermédiaire et le troisième tube formant un tube extérieur.
54- Le réacteur selon la revendication 53, dans lequel l’ouverture est formée par un espace annulaire délimité par un diamètre interne du troisième tube et un diamètre externe du premier tube.
55- Le réacteur selon l’une quelconque des revendication 52 à 54, comprenant en outre une chambre de distribution séparée de la chambre de réaction par une paroi de séparation, ladite chambre de distribution servant pour alimenter le courant indépendant comprenant la source de carbone et étant traversée par le premier tube et le second tube.
56- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 52 à 55, dans lequel le courant indépendant comprend du CO2.
57- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 52 à 56, dans lequel le courant indépendant comprend du CO2 et du méthane.
58- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 57, dans lequel l’oxygène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
59- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 58, dans lequel l’hydrogène provient d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
60- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 59, dans lequel la source de carbone provient d’un mélange gazeux issu d’un procédé de gazéification ou de pyrolyse de biomasse.
61- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 60, dans lequel la chambre de réaction atteint une température moyenne d’au moins 600°C pendant la réaction de réduction.
62- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 61, dans lequel la chambre de réaction atteint une température moyenne d’au moins 1200°C pendant la réaction de réduction.
63- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 62, dans lequel la chambre de réaction atteint une température moyenne d’au plus 2200°C pendant la réaction de réduction.
64- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 63, dans lequel le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,1 mm et 100 mm. 65- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 64, dans lequel le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,3 mm et 50 mm.
66- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 65, dans lequel le premier flux et le second flux sont à une distance l’un de l’autre comprise entre 0,6 mm et 30 mm.
67- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 66, dans lequel la source de carbone comprend du CC et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire H2/CO2 compris entre 2 et 7.
68- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 67, dans lequel la source de carbone comprend du CC et la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,35 et 0,9.
69- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 68, dans lequel la réaction de réduction est réalisée en utilisant un ratio molaire O2/H2 compris entre 0,1 et 0,3.
70- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 69, dans lequel le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 1 ,8.
71- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 70, dans lequel le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO d’au moins 2.
72- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 69, dans lequel le gaz de synthèse produit a un rapport molaire H2/CO compris entre 1 ,8 et 5,0.
73- Le réacteur selon l’une quelconque des revendications 37 à 72, dans lequel le gaz de synthèse produit comprend en outre du CO2.
74- Le réacteur selon la revendication 73, dans lequel le gaz de synthèse produit a un ratio molaire en H2, CO et CO2 tel que (H2 - CO2) / (CO + CO2) ³ 2. 75- Un système comprenant le réacteur tel que défini selon l’une quelconque des revendications 37 à 74, couplé à un dispositif de refroidissement du gaz de synthèse pour former un gaz de synthèse refroidi.
76- Le système selon la revendication 75, dans lequel le dispositif de refroidissement est un refroidisseur à contact direct.
Le système selon la revendication 75 or 76, comprenant en outre un appareil de condensation d’eau pour récupérer l’eau du gaz de synthèse refroidi.
77- Le système selon la revendication 77, dans lequel l’appareil de condensation est un refroidisseur-condenseur. 78- Le système selon la revendication 77 ou 78, comprenant en outre un équipement pour recycler au moins une partie de l’eau récupérée vers le dispositif de refroidissement.
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