DE CE PROCEDE

La présente invention se rapporte a un procédé pour alimenter un brûleur à catalyse en gaz naturel comportant un composé du soufre sous forme d'additif et à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Certains gaz naturels étant pratiquement inodores, la loi exige de leur incorporer un additif afin de les rendre détec¬ tables par l'odorat. Ces additifs sont généralement des composés du soufre tel que le tétrahydrotiophêne l'THT.. Dans les brûleurs classiques a flamme, la chaleur provogue la décomposition du composé et le soufre est oxydé. La température de la combustion étant beaucoup plus basse dans un brûleur â catalyse que dans un brûleur classique et se situant entre 350°C et 700°C, l'oxyda¬ tion du soufre peut être incomplète dans certaines zones moins chaudes du catalyseur et l'on constate alors dans ces zones un empoisonnement du catalyseur par le soufre, rendant le cataly¬ seur inopérant. Dés lors, la zone empoisonnée s'étend et le catalyseur se trouve rapidement hors d'usage. C'est la raison pour laquelle les brûleurs a catalyse, fonctionnant avec des réseaux de distribution du gaz naturel dans leguel des composes odoriférants du type THT ont été ajoutés, posent de graves problêmes d'empoisonnement par le soufre.

Or, il existe de nombreuses applications dans lesquelles le brûleur à catalyse présente des avantages par rapport a d'autres types de combustion, étant donné qu'il ne forme pas de gaz nocifs tels que CO et N0 _χ< ce gui permet de réduire la pollution atmosphérique, le chauffage constituant a cet égard un facteur important de cette pollution. L'absence de gaz nocifs dans les gaz de combustion produits par la combustion a catalyse permet d'utiliser ces gaz directement pour le chauffage de locaux. Il est évident que ces avantages vont dans le sens de la protection de l'environnement et impliquent une économie d'énergie impor¬ tante.

On a déjà proposé dans le JP-A-61-295408 de réduire les effets nocifs du soufre sur le métal catalyseur et d'auqmenter

la durée de vie du catalyseur de combustion à l'aide d'un pre¬ mier catalyseur qui porte un mélange d'un catalyseur d'oxydation et d'un catalyseur de désuifuration sur un support formé d'un assemblage poreux de fibres de céramique et d'un second cata¬ lyseur de combustion qui porte seulement le catalyseur d'oxyda¬ tion. Cette solution nécessite deux catalyseurs ce qui renchérit sensiblement le prix de l'appareil.

Le JP-A-60-54903 se rapporte également à l'enlèvement d'un agent odoriférant provenant d'un composé du soufre comprenant un catalyseur de désulfuration et un catalyseur de reformage.

Le DE-A-2720866 se rapporte à un catalyseur pour éliminer les substances nocives des gaz d'échappement. Ceux-ci sont pré¬ chauffés au-dessous de la température de combustion par barbotage dans un bain d'huile au-dessus duquel se trouve un catalyseur associé à un tissu. Le catalyseur chauffe le tissu par rayonnement, de sorte que les gaz d'échappement sont encore chauffés de 10°C à 20°C en traversant le tissu et sont a la température de combustion lorsqu'ils arrivent sur le catalyseur. Grâce à cette mesure, on arrive de façon surprenante, à éviter l'empoisonnement du catalyseur par le composé soufré.

On constate que ce problème a déjà été abordé mais que les solutions proposées soit font usage de deux catalyseurs augmen¬ tant très sensiblement le prix de l'appareil, soit ne sont pas adaptées au problème de la désulfuration d'un gaz de combustion.

Le but de la présente invention est d'apporter une solution qui permette de résoudre ce problème de façon simple, peu coûteuse et efficace.

A cet effet, cette invention a pour objet un procédé pour alimenter un brûleur à catalyse en gaz naturel comportant un composé du soufre selon la revendication 1. Elle a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé selon la revendication 4.

Les avantages de la solution proposée sont importants dans la mesure où l'efficacité du procédé et du dispositif pour sa mise en oeuvre a été démontrée par des essais de longue durée qui n'ont permis de constater aucun empoisonnement des cataly¬ seurs utilisés dans les brûleurs. Le dispositif nécessaire à la mise en oeuvre du procédé est simple et peu coûteux à fabriquer.

Le fait qu'il ne comporte aucune pièce mobile, ne nécessite ni entretien ni réglage, n'entraîne donc aucun frais de fonction¬ nement particulier. L'utilisation de très faibles quantités d'air, dans la mesure où la quantité de soufre à oxyder ajoutée dans le gaz naturel du réseau est de l'ordre de 10-15 ppm, ne modifie pratiquement pas les caractéristiques de la combustion. Enfin, la dépense d'énergie nécessaire au chauffage du mélange de gaz et d'air étant faible, le chauffage est réalisé par le brûleur lui-même. En effet les mesures montrent que la tempéra¬ ture a l'intérieur des matériaux catalytigues reste quasi constante et supérieure à la température de décomposition thermo-chimigue de la molécule contenant le soufre, quelle que soit la température a la surface extérieure des matériaux catalytîques .

Il n'en demeure pas moins que la réalisation de ce procédé pose de multiples problèmes et que le dispositif pour sa mise en oeuvre est loin d.'δtre évident à réaliser. Il est en effet nécessaire d'entraîner des quantités d'air aussi faibles que possible avec le gaz naturel dont la densité est inférieure à celle de l'air et dont la pression d'alimentation et donc la vitesse sont très faibles. En effet, cette pression dans les réseaux de distribution de gas naturel est en général de 2,3 Pa , de sorte qu'il est nécessaire de faire fonctionner l'mjecteur et de mélanger les fluides gaz naturel et air à des nombres de Reynolds, basés sur le diamètre de la buse, très bas, inférieurs à lO'OOO. Le tout est rendu d'autant plus complexe que le même dispositif doit pouvoir fonctionner sans être modifié a des débits variant dans un rapport de 1 à 3. En effet, toute modification des sections de passage nécessiterai un système de régulation, augmenterait le coût de l'appareil dans une proportion inacceptable et diminuerait sa fiabilité.

Le dessin annexé illustre, schématiguement et à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention.

La figure 1 est une vue en coupe schématique de ce dispositif.

La figure 2 est un diagramme du gain de pression de l'élargissement brusque de l'in ecteur en fonction du nombre de

Reynolds .

La figure 3 est un diagramme des pressions dans le dispositif de la figure 1.

La figure 4 est un diagramme de la perte de charge totale dans le système d' électro-vanne.

Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention comporte une source de gaz sous pression G dont le débit est contrδlé, dans cet exemple, par une électro- vanne EV comportant un piston P traversé par un conduit Cl pour le passage du gaz. Cette électro-vanne ne faisant pas partie de la présente invention, elle ne sera pas décrite ici. La sortie de cette électro-vanne communique avec une buse BG dont la sortie débouche dans un cδne C ménageant avec l'extrémité de la buse BG une ouverture annulaire BA qui, reliée a l'atmosphère, sert de buse secondaire pour l'injection d'air dans le flux de gaz. Le cΘne C est suivi d'une partie cylindrique de section S-^ puis d'un élargissement brusque BC dit de Borda-Carnot de section S ₂ qui débouche dans un echangeur de chaleur EC qui est en contact avec un substrat imprégné d'un matériau catalytique MC d'oxydation du gaz combustible. Le rapport entre la longueur de cette partie BC et le diamètre de sa section S ₂ doit être compris entre 8 et 12.

Le procédé objet de la présente invention consiste à aspirer une faible quantité d'air grâce à la dépression créée par l'élargissement brusque BC disposé en aval de la buse. Par la même occasion et comme on l'expliquera par la suite, l'élargissement brusque provoque de fortes turbulences dans l'écoulement, même à des vitesses d'écoulement relativement faibles, assurant ainsi un mélange homogène entre l'air et le gaz combustible. Ce mélange est alors introduit dans l' echangeur de chaleur où il est chauffé à une température minimum de 530°C a laquelle les molécules de tétrahydrotiophène (THT) se décom¬ posent et libèrent le soufre qui s'oxyde au contact de l'oxygène de l'air présent dans le mélange. De ce fait, lorsque le mélange combustible est amené au contact du brûleur a catalyse avec un nouvel apport d'air destiné à l'oxydation du combustible, le soufre se trouve sous forme de S0 ₂ qui n'empoisonne pas le catalyseur.

Comme on 1 ' a souligné précédemment, la mise en oeuvre de ce procédé pose des problèmes assez délicats a résoudre. La densité du fluide d'entraînement, plus faible que celle du fluide entraîné, la viscosité cinématique des fluides gazeux beaucoup plus élevée que celle des liquides, ainsi que la faible vitesse du gaz due à la basse pression d'alimentation du gaz naturel, impliquent des nombres de Reynolds inférieurs à 10' 000 cons¬ tituant des conditions opératoires tout à fait inhabituelles.

Ces raisons ont conduit les inventeurs à remplacer le diffuseur classique en cSne par un élargissement brusque dit de Borda-Carnot. En effet, aux nombres de Reynolds considérés, le diffuseur en cΘne ne permet pas de garantir la stabilité de l'écoulement d'autant plus que le débit et donc la vitesse et le nombre de Reynolds sont appelés à être réduits jusqu'à 30 % du débit nominal suivant la puissance demandée au brûleur. Au contraire, si l'élargissement brusque a un moins bon rendement, son fonctionnement est mieux connu aux nombres de Reynolds bas et, comme le montre le diagramme de la figure 2, il permet d'obtenir, à partir d'un nombre de Reynolds de 3'000 environ et pour des rapports de section S _j s _? de l'élargissement brusque de 0,5 à 0,6, un gain de ression maximum Δ p/g d'environ 0,5, q étant la pression dynamique dans le col de la buse, et peut encore fonctionner à un nombre de Reynolds de 2' 000 basé sur les conditions d'écoulement dans le col de la buse. Ces indications proviennent du Mememto des pertes de charges de Idelcik fEyrolles) .

Le diffuseur débouche dans 1 ' echangeur EC qui est en contact avec le substrat imprégné de la substance catalytigue. Ici le substrat est un matériau formé de fibres réfractaires imprégnées de platine. L' echangeur peut être constitué par un simple tube de section et de longueur appropriées ou par deux tubes disposés coaxialement 1 ' un à l'intérieur de l'autre, assu¬ rant ainsi un écoulement à contre-courant dans l'espace annu¬ laire entre les tubes puis dans le tube central. La section de ce tube d.olt être choisie pour créer une perte de charge acceptable compte tenu de la pression d'alimentation du gaz naturel .

Le diagramme de la figure 3 illustre, schématiquement , la

valeur des pressions aux différents endroits du dispositif par rapport à la pression atmosphérique qui correspond à l'axe des x. ₀ correspond à la pression à l'entrée de 1 ' électro-vanne EV. Δ _EV est la perte de charge à travers 1 ' électro-vanne . p _k correspond à la pression à l'entrée de l'injecteur et ^ à celle régnant dans le col de l'injecteur et qui sert à aspirer l'air atmosphérique. p ₂ est la pression à l'entrée de l' echangeur de chaleur, la sortie étant pratiquement à la pression atmos¬ phérique.

Nous allons maintenant donner un exemple de dimensionnement du dispositif pour traiter un gaz naturel alimenté à la pression de 2,3 kPa avec un débit nominal de 0,50 m ³ /h destiné à alimenter un appareil de chauffage à brûleur à catalyse de 5 kW. Dans cet exemple, le conduit Cl ménagé dans le piston P de 1 ' électro-vanne EV a un diamètre de 3 mm, la buse principale BG a un diamètre de 1,5 mm, le petit diamètre du diffuseur est de 1,6 mm et celui de l'élargissement brusque de 2.2 mm. Les diamètres hydrauliques de 1 ' echangeur à contre-courant sont de 3 à 5 mm environ et sa longueur est de 34 cm. Le tableau ci- dessous donne les valeurs des pressions p _Q m p^ et p ₂ à différents débits de qaz Q.

On constate que p^ est au-dessous de la pression atmosphérique pour tous les débits considérés, aussi bien pour les valeurs calculées que pour celles mesurées. A ce sujet, il faut signaler une certaine imprécision due à l'appareillage de mesure disponi¬ ble ainsi qu'à certaines fluctuations dans la pression du réseau d' alimentation .

Le catalyseur étant à une température de l'ordre de 700°C, la température du mélange de gaz à la sortie de 1 ' echangeur de

chaleur EC a été calculée de sorte qu'elle soit de l'ordre de 550°C. Des essais ont été réalisés avec un appareil de chauffage avec brûleur à catalyse alimenté en gaz naturel contenant de l'ordre de 15 ppm de THT et traité avec le dispositif décrit. Après 4' 500 heures de fonctionnement, aucune trace d'empoisonne¬ ment du catalyseur n'a été décelée. Par contre, dès que l'entrée d'air de la buse secondaire BA est bouchée, on constate un début d'empoisonnement du catalyseur par le soufre. Toutefois, on a pu constater que cet empoisonnement disparaît lorsque l'admission d'air est rétablie. Cette expérience démontre le rδle indispen¬ sable de l'air, un simple préchauffage du combustible n'étant pas suffisant.

Il est certain que la proportion d'air aspirée dans le cas du dispositif décrit est très largement excédentaire par rapport à la s oéchiσmétrie air-soufre, compte tenu de la quantité de THT présent. Ce fait n'a engendré aucune diminution mesurable du rendement du brûleur, ce qui confirme la valeur de cette solu¬ tion.

Il est évidemment possible d'adapter le dispositif décrit à toute sorte d'appareils à combustion catalytique de différentes puissances. C'est ainsi que, pour un appareil de chauffage de 10 kW nécessitant un débit nominal de l'ordre de 1,0 m ³ /h également alimenté à une pression de 2,3 kPa, le diagramme à échelle logarithmique de la figure 4 relatif aux pertes de charges dans le système d' électro-vanne contrδlant le débit d'entrée, permet de déduire que, pour travailler dans les mêmes conditions, les diamètres de 1 ' électro-vanne et de l'échangeur de chaleur du dispositif d'alimentation doivent être multipliés par rapport à l'appareil de 5 kW par un facteur d'environ 1 , 5 ce qui donne une électro-vanne avec un conduit Cl de 4.5 mm à travers le piston P et un echangeur de chaleur de 9 mm. Etant donné le diamètre relativement important de cet echangeur de chaleur, il est toujours possible d'en accroître l'efficacité en adoptant la solution de l'écoulement à contre-courant dans deux tubes coaxiaux comme on l'a mentionné précédemment.

Dans l'exemple décrit ici, le contrδle de l'alimentation de gaz a été réalisé à l'aide d'une électro-vanne choisie pour être associée à un circuit de régulation électronique.. Il est

cependant évident que tout autre système de régulation approprié peut remplacer 1'électro-vanne décrite qui, comme on l'a déjà précisé, ne fait pas partie de l'invention.