Description de l’installation

Le schéma de principe de l’installation est présenté sur la figure 66.

Le panneau de commande du circuit des gaz de la Gestion Technique Centralisée (GTC) est présenté en annexe 7.

1.1. Alimentation et analyses des constituants

Les gaz modèles de pyrolyse/gazéification et l’eau sont alimentés à l’aide de débitmètres numériques massiques (Brooks).

L’eau est introduite et dosée depuis un réservoir sous pression en phase liquide. Le débit maximum étalonné est présenté pour chaque composé dans le tableau 28.

Tableau 28. Débit maximal des débitmètres massiques sur l’installation PEGASE Composé ^Débit maximal ^Unité CH4 0,4 Nm3/h H2O 500 g/h N2 3 Nm3/h H2 1,5 Nm3/h CO 1 Nm3/h CO2 0,5 Nm3/h Ar 2 Nm3/h Débitmètres massiques Ligne chauffée Réacteur céramique (1500°C) Résistances électriques CO CH₄ CO₂ N₂ H₂ H₂O TC de référence Ar Calandre sous Argon filtres ^Condensation de l’eau atm. Analyse µGC/TCD Analyse de l’eau par pesée Débitmètre Coriolis

Figure 66. Schéma de principe de l’installation PEGASE

Le tableur de calcul des débits de gaz injectés en fonction du temps de séjour désiré et de la température du réacteur est présenté en annexe 8.

La composition nominale du gaz modèle générée est, comme justifié dans la partie C., telle que : CH4 / 14% – CO / 19% – CO2 / 14% – H2 / 16% – H20 / 25% – N2 / 6,2% – Ar/5,8% vol. La teneur en eau est légèrement inférieure à celle justifiée en partie C. et utilisée dans les essais du CIRAD (30%vol. H2O, partie F.) du fait de la nécessité d’apporter de l’argon (5%). Lorsque la pression partielle d’un composé a été modifiée, les pressions partielles des autres gaz ont été conservées par variation du % vol. de N2.

Le débit massique des gaz en sortie du réacteur est mesuré par un débitmètre à effet Coriolis (Brooks). La composition des gaz en sortie (et entrée) du réacteur est quantifiée par µGC/TCD 3 voies : 2 tamis moléculaire 5A l’un avec gaz vecteur argon et l’autre avec gaz vecteur hélium, 1 colonne Poraplot U10 avec gaz vecteur hélium (Varian).

L’azote, introduit à l’entrée du réacteur, a été utilisé comme traceur pour quantifier le débit de gaz secs à la sortie du réacteur et le comparer avec la mesure du débitmètre Coriolis.

10 Type de colonne permettant notamment de séparer les C2.

Détails figure 67

L’eau est condensée en sortie du réacteur par 2 échangeurs tubulaires (20°C puis 0°C) et est quantifiée en continu sur le premier condenseur par mesure de la pression de la colonne d’eau condensée et en mode intégral sur le second condenseur par pesée manuelle des condensats.

Des filtres à particules, représentés figure 67, sont placés à la sortie du réacteur afin de séparer les suies produites des gaz.

Figure 67. Schéma de principe du montage provisoire avec 4 porte filtres préchauffés à 200°C

1.2. Description du réacteur

Le réacteur est présenté sur la figure 68. Il est tubulaire et réalisé en alumine à 99,9% de pureté. Il a été dimensionné pour un temps de séjour des gaz de 1s à 1500°C pour un débit de gaz total de 2 Nm3/h, soit un volume de la zone isotherme de 3,23 L (838mm de longueur et 70mm de diamètre).

Sept zones de chauffe par éléments rayonnants KANTHAL sont installées pour assurer le préchauffage des gaz et le maintien de la zone isotherme du réacteur. Il n’est pas possible dans la configuration actuelle de mesurer la température le long du réacteur. Les thermocouples sont fixes. Nous considérerons dans la suite de ce mémoire la température donnée par le thermocouple, représenté sur la figure 66, pour déterminer la « température du réacteur ».

Le réacteur est placé à l’intérieur d’une calandre destinée à supporter la pression maximale de 4 bar (les essais ont été réalisés pour une pression du réacteur à 1,3 bar absolu) et à confiner la zone réactionnelle par un gaz neutre pour éviter l’entrée d’air. La calandre contient les résistances en MoSi2 et est alimenté en argon. Elle ne possède pas de sortie de gaz. Le débit d’argon introduit en régime permanent (en terme de débits, températures et

pression de la calandre et du réacteur) dans la calandre est donc le débit de « fuites » entre la calandre et le réacteur.

Sortie de PEGASE VA VA Porte filtre Condensation de l’eau Mesure pertes de charge

Remarques : spécificités du réacteur

L’installation PEGASE est une installation à l’échelle pilote. Sa dimension est donc bien différente des autres installations utilisées durant la thèse. Ce passage à une échelle pilote représente un fort intérêt pour la thèse et pour Gaz de France mais il implique une moins bonne maîtrise des paramètres du réacteur : étanchéité, temps de séjour des gaz, température, écoulement, etc.

De plus, la haute température (1500°C) a nécessité la mise au point, par les ingénieurs du CEA, de technologies particulières comme la calandre d’argon.

Les notations des pressions au sein du réacteur sont définies sur le schéma du réacteur (figure 68).

Un essai de caractérisation de l’étanchéité calandre/réacteur a été réalisé par P.Castelli et S.Thiery, sans débit à l’entrée du réacteur à 1000°C. La perte de charge ∆PC1 (=PAC1-PAP1), qui indique dans ce cas le « niveau de fuites » entre la calandre et le réacteur, était de 7mBar pour un débit d’argon de 50Nl/h.

Les fuites « calandre/réacteur » ont lieu sur l’ensemble des liaisons et emmanchements présentés sur le schéma du réacteur, ce qui induit une incertitude sur le temps de séjour des gaz dans le réacteur.

Le taux de dilution des gaz dans l’argon et leur temps de séjour dépendent de la variation du débit d’argon qui entre depuis la calandre dans le réacteur. Lorsque la pression dans le réacteur augmente, le débit d’argon injecté dans le réacteur diminue jusqu’à ce que le débit d’argon ne s’oppose plus au débit de fuite et le taux de dilution des gaz du réacteur dans l’argon devient alors nul. Durant les essais, le % vol. d’argon analysé en sortie du réacteur a varié de 7% à 0% ce qui entraîne une incertitude de l’ordre de 6% sur le temps de séjour des gaz. On peut noter que ce % vol. d’argon peut être un bon indicateur des fuites « réacteur/calandre ». Lorsqu’il est nul, les gaz réactifs doivent sans doute entrer dans la calandre.

Par ailleurs, lorsque le réacteur est alimenté, ∆PC1 devient négatif car les pertes de charges entre PAP1 et PAP2 à l’entrée du réacteur sont supérieures à la perte de charge calandre/réacteur (∆PC2= PAC1-PAP2). Il faudrait donc que les pertes de charges calandre/réacteur soient largement supérieures aux pertes de charges du réacteur pour s’assurer qu’il n’y ait pas d’introduction de gaz dans la calandre, notamment à l’entrée du réacteur (∆PC1~∆PC2 > 50mBar et pour un débit le plus faible possible d’argon).

En outre, une certaine quantité de suies ou de carbone pyrolytique, détectée par l’augmentation des pertes de charges du réacteur, s’est déposée en sortie du réacteur durant certaines expériences. La quantité de suies produites a été suffisamment importante pour la plupart des essais et a imposé de filtrer les gaz avec les 4 filtres ouverts simultanément en parallèle (présentés figure 67) pour diminuer leur débit respectif de dépôt des suies et permettre l’analyse chromatographique des gaz sur un temps suffisant (supérieur à 10 min.).

Il a donc été difficile de réaliser des bilans carbone de la conversion des gaz au sein de ce réacteur car la masse de suies formées est seulement quantifiée par pesée des filtres, sans contrôle, voire quantification, des suies et du carbone pyrolytique déposé en amont de ces filtres. Néanmoins, deux essais d’oxydation des suies à l’air à la fin de 2 séries d’expériences ont montré par quantification du CO2 formé que la quantité de carbone déposée en amont des filtres devait être relativement faible. La quantification des composés carbonés produits n’a pas été réalisée par oxydation pour chaque expérience (par manque de temps) bien que l’oxydation des suies entre chaque essai est une précaution prise par de nombreux auteurs pour étudier le craquage du méthane dans des conditions similaires (Germain, 1962, Eisenberg, 1967).

Figure 68. Schéma de principe du réacteur PEGASE Raccord soudé Inconel 6/8 Inconel 20 mm Emmanchement inconel/céramique

(étanchéité par dilatation) Isolation

T Céramique (2 pièces filetées) Gaz IN Emmanchements céramique/céramique Gaz+ Argon OUT T Céramique (2 pièces filetées) Calandre (sous Argon)

+résistances (MoSi2)

Emmanchement inconel/céramique (étanchéité par dilatation) Argon IN PAP1 Réacteur (zone isotherme), alumine (99,9%) 1500°C PAP2 non mes. PAC1 PAP3

PAP et PAC= prises de pression aux différents points du réacteur.

∆PC1=PAC1-PAP1, indique le « niveau de fuites », entre la calandre et le réacteur.

∆PC1<0, si débit dans réacteur, du fait des pertes de charges à l’entrée du réacteur (PAP1>PAC1>PAP2) et d’une ∆PC2= PAC1-PAP2, relativement faible (fuites).

∆PP1=PAP1-PAP3, mesure des pertes de charges dans le réacteur.

2. Procédure expérimentale

Chaque essai est défini par un code et une « fiche essai » présentés en annexe 3.

La procédure suivie lors des essais comporte les étapes suivantes :

1. Chauffage du réacteur balayé sous azote jusqu’à la température souhaitée.

2. Lorsque la température de consigne est atteinte, le débit d’argon défini pour l’essai (0,08Nm3/h) est injecté dans la calandre et le débit d’azote est augmenté par pallier successif jusqu’à la valeur du débit total nécessaire pour l’essai. La modification des débits d’entrée doit être inférieure à 0,2Nm3/h pour éviter une modification trop brutale des pressions du réacteur qui pourrait le détériorer.

3. Les débits définis en fonction du temps de séjour et des %vol. désirés des gaz réactifs : H2, CO, CO2, H2O puis enfin CH4 sont injectés successivement avec maintien du débit total par diminution de l’azote.

4. La composition des gaz en sortie du réacteur est analysée par µGC, avec un minimum de 3 injections µGC pour atteindre une stabilisation de la composition analysée. Le débit mesuré par le débitmètre Coriolis est noté simultanément lors de chaque injection µGC.

5. Pour la plupart des expériences, le temps d’injection du CH4 était limité par le bouchage des filtres. L’injection du CH4 doit être arrêtée pour une perte de charges aux bornes du filtre de 100mBar, valeur atteinte après environ 10 à 20 minutes d’injection du CH4 en fonction des conditions expérimentales.

6. Arrêt des gaz réactifs puis balayage sous azote et arrêt du chauffage du réacteur (ou diminution de la température du réacteur jusqu’à 1000°C si un essai est prévu pour le lendemain) et des filtres.

7. Mesure de la masse des filtres avec les suies (masse des filtres neufs mesurée auparavant). Echantillonnage des suies sur les filtres.

8. Mesure de la masse d’eau condensée durant l’expérience dans le deuxième condenseur.

Les essais ont été réalisés avec P.Castelli, Ingénieur de recherche au CEA, durant la période du 22/05 au 7/06/07.