Étude du reformage d'hydrocarbures liquides assisté par plasma hors-équilibre pour la production de gaz de synthèse

Study of non thermal plasma assisted reforming of liquids hydrocarbons for synthesis gas production

• Auteur / Autrice : Guillaume Petitpas
• Direction : Laurent Fulcheri, Rudolf Metkemeijer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Thermodynamique

Jets de plasma

Cinétique chimique

Plasmas, Théorie cinétique des

Gaz de synthèse

Résumé

L’utilisation directe d’hydrogène comme vecteur énergétique pour des applications embarquées doit actuellement faire face à l’absence d’infrastructure de distribution et à des difficultés technologiques liées au problème du stockage de l’hydrogène. Une étape transitoire possible avant le passage à une économie «direct hydrogène» consiste à produire l’hydrogène à bord du véhicule à partir des carburants automobiles traditionnels. Le reformage assisté par plasma hors équilibre constitue une alternative au reformage catalytique qui, bien que largement utilisé à l’échelle industrielle, reste peu adapté aux contraintes des systèmes embarqués. Ce travail s’inscrit dans le cadre de recherches menées depuis une quinzaine d’années par le Centre Énergétique et Procédés, dans le domaine de la conversion d’hydrocarbures par plasma. L’objectif de ce travail a été la caractérisation précise du dispositif de reformage assisté par plasma, à travers différentes études paramétriques (influence de l’écoulement – géométrie de l’électrode cylindrique, régime de fonctionnement, pression, polarité – et influence des conditions chimiques – mélange initiale, débit total, puissance électrique, nature du carburant précurseur), conduites tant sur le plan expérimental que théorique. Une étude du comportement de la torche dans les conditions non-réactives (eau, air) a d'abord été effectuée. La réaction de reformage a ensuite été étudiée suivant des conditions variées (POx, SR, ATR) et à l'aide d'essence SP95, d'éthanol, d'E85 et de gazole ; prouvant le caractère versatile de la technologie. Un modèle simple d'arc a été développé dans le cas de l'air. La modélisation du réacteur a ensuite concerné différents aspects. L'étude de l'écoulement, tout d'abord, a permis de montrer que le mélange homogène entre les trois réactifs (air, eau, octane) était rapidement atteint lors de leur injection dans le réacteur, conférant au système une symétrie axiale. L'étude d'un modèle cinétique 1D a ensuite mis en évidence le rôle des radicaux dans l'activation de la réaction de reformage, et a donné lieu à une étude paramétrique poussée (mélange initial, débit total, puissance injectée, schéma cinétique utilisé). Un modèle couplé prenant en compte l'interaction entre l'écoulement 2D axisymétrique et les réactions de cinétique chimique a enfin été élaboré, mettant l'accent sur le déroulement de la réaction dans l'ensemble du réacteur.

The direct use of hydrogen as an energy vector currently faces difficulties due to both the lack of a distribution infrastructure, and to technical limitations concerning hydrogen storage. Before the transition to a “direct hydrogen” economy, a possible intermediate step could be the onboard hydrogen production from conventional car fuels. Non-thermal, plasma-assisted reforming provides an alternative to conventional industrial catalytic reforming, since the latter has limitations when an onboard system. The objective of this work is the characterization of plasma assisted reforming technology, through various parametric studies (factors influencing flow – geometry of the cylindrical electrode, pattern of behaviour, pressure, polarity – and factors influencing chemical conditions – initial mixture, total flow rate, injected electrical power, nature of combustible components), on both experimental and theoretical fronts. A study of the behaviour of the torch in non-reactive conditions (steam water, air) was first performed. The reforming reaction was then studied under various conditions (POx, SR, ATR), using gasoline SP95, ethanol, E85 and diesel fuel; establishing the adaptability of the reactor. A simple physical model of the arc was also developed in the case of air. The modelling of the reactor focused then on different aspects. Firstly, the study of flow showed that the good mixing between the three reactive species (air, water, octane) was attained quickly during their injection in the reactor, conferring an axial symmetry on the system. The study of a 1D kinetic model then served to highlight the role of radicals in the activation of the reaction of reforming. This was followed by a sensitivity analysis. A coupled model taking into account correlation between flow (2D axisymetric) and the reactions of chemical kinetics was finally worked out, with emphasis placed on the sequence of reactions in the reactor as a whole.