COMPRENANT UN DISPOSITIF DE REFORMAGE

L'invention concerne un procédé de reformage ainsi qu'un dispositif de reformage, une machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation comprenant un tel dispositif de reformage.

Par « machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation » on entend par exemple, mais non exclusivement, toute machine thermique à gaz de production électrique, telle que les moteurs à combustion interne à allumage commandé ou à allumage par compression, les turbines à gaz et les chaudières.

La présente invention concerne plus particulièrement le domaine des moteurs à gaz, notamment les moteurs à gaz destinés à fonctionner à un régime stationnaire. Un tel moteur est apte à délivrer une puissance électrique en réponse à une consigne de puissance appliquée au moteur.

Un tel moteur, bien connu par ailleurs, est généralement alimenté par un combustible gazeux, tel du gaz naturel ou du biocombustible gazeux (ou biogaz).

Le dispositif et le procédé selon la présente invention visent à améliorer les performances énergétiques des moteurs à gaz et à les garantir.

En particulier, le dispositif et le procédé selon la présente invention visent à protéger le moteur de combustions anormales, qui sont essentiellement dues à la variation de la composition chimique du combustible, cette variation pouvant résulter du changement de source d'approvisionnement en combustible (dans le cas du gaz naturel), ou bien de fluctuations dans le processus de dégradation des déchets (dans le cas du bio-combustible).

Il est connu que les combustions anormales d'un moteur, qui se manifestent généralement par un phénomène de cliquetis, peuvent gravement endommager le moteur, et à tout le moins, peuvent induire une baisse de puissance ou de rendement. Le phénomène de cliquetis, bien connu par ailleurs, se traduit généralement par une auto inflammation du combustible dans au moins un cylindre du moteur, laquelle génère un ou plusieurs micro-foyers (ou micro-explosions) pouvant conduire à la destruction du piston ou du cylindre du moteur.

Les conditions de fonctionnement d'un moteur correspondent à un mode de fonctionnement en régime pauvre, dans lequel le facteur d'air lambda λ est généralement compris entre 1,6 et 1,8, ce qui correspond à une quantité d'air plus importante que nécessaire par rapport à la combustion stœchiométrique du gaz combustible. Ce fonctionnement permet de répondre en particulier aux contraintes environnementales de limitation des émissions de NO _x , CO et autres imbrûlés (hydrocarbures imbrûlés HC et composés organiques volatils non méthaniques COVnm).

Ces conditions de fonctionnement étant particulièrement sévères concernant les réglages du moteur, ils engendrent d'autant plus facilement le phénomène de cliquetis dès que la composition du gaz varie.

Comme l'apparition du phénomène de cliquetis génère un bruit spécifique plus ou moins audible, il est notamment possible pour un opérateur de se rendre compte d'une combustion anormale en conséquence de quoi il peut baisser manuellement la puissance de consigne pour faire revenir le moteur dans une condition de fonctionnement exempte de cliquetis.

Il est aussi connu de disposer de capteurs mécaniques de cliquetis placés à l'intérieur du moteur afin de détecter une combustion anormale, la puissance de consigne étant par exemple baissée pour retrouver un fonctionnement sûr.

L'inconvénient des deux situations décrites ci-dessus est que l'action prise est curative, c'est-à-dire que l'on n'empêche pas l'apparition du phénomène de cliquetis, lequel endommage le moteur.

Dans le brevet FR 2 906 315 de la demanderesse on propose un dispositif de protection préventive pour un moteur à gaz, notamment stationnaire, dans lequel on adapte le besoin en indice de méthane du moteur en fonction de l'indice de méthane du gaz (tendance au cliquetis des combustibles gazeux) qui l'alimente, de telle sorte que la combustion soit exempte de cliquetis. Pour réaliser cette adaptation, on modifie notamment (non exclusivement) la puissance électrique optimale à atteindre.

Cette solution présente cependant un certain nombre d'inconvénients. En particulier, il est nécessaire de modifier les armoires de contrôle existantes d'une installation par moteur à gaz. Par ailleurs, Ie champ d'action de la solution précédente permet de corriger une qualité de gaz seulement dans la mesure où l'indice de méthane dudit gaz n'est pas inférieur à un seuil minimal noté IMJsI (indice de méthane limite par la solution 1).

La présente invention a pour objectif de fournir une autre solution qui procure une action sur le gaz combustible empêchant l'apparition du phénomène de cliquetis dans le moteur, en agissant non pas sur le moteur mais sur la « qualité de combustion » du gaz alimentant le moteur et en particulier sur l'indice de méthane dudit gaz. Cette solution présente l'avantage majeur de ne pas être limitée à une qualité minimale de gaz, mais de pouvoir être mise en œuvre pratiquement quel que soit l'indice de méthane du gaz.

De manière connue, l'indice de méthane d'un gaz est le pourcentage de méthane dans un mélange gazeux constitué par du méthane et de l'hydrogène, ce mélange gazeux et ce gaz ayant Ie même comportement vis-à-vis des combustions anormales, étant entendu que ce comportement est considéré dans un moteur de référence.

A cet effet, selon la présente invention, on propose un procédé de reformage d'un mélange de reformage comprenant un gaz combustible et un gaz comburant contenant de l'oxygène, pour une machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation et comprenant un circuit d'admission et un circuit d'échappement dans lequel circulent des gaz d'échappement, dans un catalyseur de reformage chauffé par des moyens de maintien en température, ledit catalyseur de reformage pouvant notamment (non exclusivement) être chauffé par les gaz d'échappement. Cela permet au catalyseur d'atteindre et de rester à une température minimale apte à initier au moins une réaction de reformage du gaz combustible, ledit mélange ne comprenant pas de gaz d'échappement (ni même de vapeur d'eau). De façon caractéristique, le ratio de reformage, formé du rapport entre Ie débit volumique du gaz combustible du mélange de reformage et le débit volumique de l'oxygène (Cb) contenu dans te gaz comburant du mélange de reformage, est maintenu sensiblement constant, ce ratio de reformage étant compris entre 0,1 et 1, et Ie débit volumique du gaz combustible du mélange de reformage est choisi de façon à maintenir l'indice de méthane du gaz combustible alimentant ladite machine de conversion énergétique (correspondant à l'indice de méthane vu du moteur) supérieur à une valeur seuil prédéterminée IML, laquelle correspond à la préconisation du motoriste.

Lors d'essais utilisant un mélange de gaz naturel de réseau à titre de gaz combustible et d'air à titre de gaz comburant, il est apparu que le gaz combustible sortant du procédé de reformage (en l'espèce d'aéro-reformage), présentait un indice de méthane supérieur à l'indice de méthane du gaz naturel de réseau alimentant habituellement le moteur. L'idée à la base de l'invention réside dans le fait d'utiliser cette propriété du gaz combustible « aéro-réformé » pour assurer la protection du moteur. La présente invention permet une protection du moteur au seul moyen d'une action sur le gaz combustible alimentant le moteur, par modification de son indice de méthane. La valeur minimale de l'indice de méthane à obtenir permet de quantifier la quantité de gaz combustible à aéro-reformer. Des essais complémentaires ont permis d'identifier une plage permettant d'optimiser le fonctionnement global de l'installation (moteur équipé d'un système d'aéro-reformage).

La mise en œuvre du procédé de reformage selon cette invention peut être soit curative soit préventive.

En effet, en premier lieu, si les cylindres du moteur sont équipés de capteurs indiquant des conditions anormales du moteur, il est possible de commander le débit de gaz combustible aéro-reformé (débit de gaz combustible du mélange de reformage) pour maintenir l'indice de méthane du gaz combustible (vu du moteur) à une valeur égale ou supérieure à la valeur limite de l'indice de méthane IML préconisée par le constructeur du moteur. Le système s'inscrit alors dans une boucle de protection curative.

Par ailleurs, en second lieu,, il est possible de mesurer l'indice de méthane du gaz naturel délivré par le réseau. Sur la base de cette mesure et connaissant la valeur limite de l'indice de méthane IML préconisée par le constructeur du moteur, il est possible de déterminer le débit de gaz à aéro-reformer (débit de gaz combustible du mélange de reformage).

Ainsi, dans le cas de la mise en œuvre du procédé de reformage selon la présente invention à un moteur, on peut relever deux paramètres liés, à savoir;

- la part du débit du gaz combustible alimentant le moteur qu'il convient d'utiliser dans le mélange de reformage (part du débit du gaz combustible à aéro-reformer) ; et

- le ratio de reformage déterminé entre le débit volumique de gaz naturel entrant dans le dispositif de reformage (l'aéro-reformeur) et le débit volumique d'oxygène du mélange de reformage (on peut alternativement considérer le ratio déterminé entre le débit volumique de gaz naturel du mélange de reformage et le débit volumique d'air entrant dans le dispositif de reformage (l'aéro-reformeur)).

En effet, il a été constaté expérimentalement que, dans certaines conditions de fonctionnement de l'installation formée du moteur et du dispositif de reformage (en particulier un dispositif aéro-reformeur), les performances énergétiques globales du moteur pouvaient être améliorées sans détérioration notable des performances environnementales.

Il faut relever que l'indice de méthane du gaz combustible vu du moteur correspond à l'indice de méthane du mélange formé du gaz combustible alimentant directement le moteur (par exemple gaz naturel de réseau) et du gaz réformé sortant du catalyseur de reformage et alimentant également le moteur.

Ainsi, en imposant un ratio de reformage, correspondant au rapport entre le débit volumique du gaz naturel contenu dans le mélange de reformage et injecté et le débit volumique de l'oxygène (O ₂ ) contenu dans l'air ajouté au gaz naturel pour former le mélange de reformage, qui est sensiblement constant et compris dans la plage de valeur 0,1 à 1, il est tout à fait possible d'augmenter l'indice de méthane du gaz combustible vu du moteur et de Ie maintenir supérieur à une valeur minimale préconisée IML,

De cette façon, on diminue les risques de cliquetis de sorte qu'on améliore les performances énergétiques du moteur à gaz. Ceci s'applique à toute machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation mettant en œuvre un tel procédé de reformage.

Une particularité de l'invention réside dans Ie fait qu'elle n'utilise pas les gaz d'échappement comme réactifs dans la réaction de reformage, maïs seulement un gaz comburant contenant de l'oxygène (par exemple le gaz comburant appartient au groupe comprenant l'air et l'oxygène O ₂ ) et Ie gaz combustible (par exemple du gaz naturel ou du biogaz).

Ainsi, lorsque Ie gaz comburant est de l'air, on peut parler d'aéro-reformage.

On vise en particulier la réaction de reformage exothermique suivante :

(1) UCH4 CH ₄ + μoz O ₂ + ... = vœ CO+ v _H2 H ₂ + ...

avec μcH4, μo2, vco et Vm les coefficients molaires respectifs de CH ₄ , O ₂ , CO et H ₂ ,

ou de façon plus générale

μcnHm CnHm + μo2 02 = v _C o CO + v _C o2 CO2 + v _H 2 H2 + ...

Ainsi, en présence de méthane et d'oxygène, il s'agit de la réaction suivante: CH ₄ + 1/2 O ₂ = CO+ 2 H ₂

II est prévu, selon l'invention, de mettre en œuvre ledit procédé pour une machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation et comprenant un circuit d'admission et un circuit d'échappement

En particulier, il est prévu de mettre en œuvre le procédé de reformage défini précédemment pour un moteur à gaz stationnaire.

Selon une disposition avantageuse, un capteur mesure l'indice de méthane (IM_GA) du gaz réformé sortant du catalyseur de reformage, on calcule, à partir de l'écart (IM_GA - IM_GN) entre ledit indice de méthane du gaz réformé (IM_GA) et lindice de méthane (IM__GN) du gaz combustible, et de ladite valeur seuil prédéterminée (IML) de lindice de méthane, le débit volumique requis du gaz combustible du mélange de reformage et on règle le débit volumïque gaz combustible du mélange de reformage sur ce débit volumique requis.

Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens de maintien en température comprennent un corps de maintien en température formant un conduit de circulation des gaz d'échappement chauds et à l'intérieur duquel ledit catalyseur de reformage est placé de façon à permettre des échanges de chaleur entre l'espace délimité par le catalyseur et tes gaz d'échappement chauds.

Selon (Invention, il n'y a pas d'échange ou de mélange de gaz entre les gaz d'échappement contenus dans le corps de maintien en température et tes gaz contenus dans Ie porte-catalyseur renfermant le catalyseur de reformage.

En particulier, on cherche à maintenir au niveau le plus élevé le rendement global du moteur, et en particulier le rendement électrique, notamment lorsque le dispositif de reformage est appliqué en sortie d'un moteur stationnaire.

Dans ce cas, on peut obtenir pour une même puissance électrique fixe, grâce au procédé et au dispositif de reformage selon l'invention, une économie de consommation en gaz combustible.

L'invention porte également sur un procédé de co-génération produisant simultanément de la chaleur et de l'électricité, qui utilise le procédé de reformage précité.

La présente invention concerne également un dispositif de reformage apte à mettre en œuvre le procédé de reformage précité.

Plus précisément, la présente invention concerne une machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation et comprenant un circuit d'admission, un circuit d'échappement dans lequel circulent des gaz d'échappement, et une alimentation moteur comportant une alimentation en gaz comburant contenant de l'oxygène et une alimentation en gaz combustible qui se mélangent dans une ligne d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de reformage qui comporte :

- une alimentation de reformage comportant une alimentation en gaz comburant contenant de l'oxygène et une alimentation en gaz combustible,

- un conduit d'injection relié à ladite alimentation en gaz comburant et à ladite alimentation en gaz combustible, de sorte que Ie conduit d'injection est apte à recevoir un mélange de reformage contenant seulement ledit gaz combustible et ledit gaz comburant et ne contenant pas de gaz d'échappement, - un catalyseur de reformage disposé en aval du conduit d'injection et en amont d'un conduit de sortie,

- des moyens de maintien en température permettant au catalyseur d'atteindre et de rester à une température minimale apte à réaliser un reformage du mélange de reformage, et

- des moyens permettant de maintenir sensiblement constant Ie ratio de reformage, formé du rapport entre le débit volumique du gaz combustible du mélange de reformage et le débit volumique de l'oxygène (O ₂ ) contenu dans tes gaz comburants du mélange de reformage, ce ratio de reformage étant compris entre 0,1 et 1 et permettant de maintenir l'indice de méthane du gaz combustible alimentant ladite machine de conversion énergétique supérieur à une valeur seuil prédéterminée (IML).

Avec une telle configuration, on assure qu'aucun gaz d'échappement ne pénètre dans le catalyseur de reformage.

Avantageusement, lesdits moyens de maintien en température entourent ledit catalyseur et comprennent un corps de maintien en température formant un conduit de circulation des gaz d'échappement chauds à l'intérieur duquel le catalyseur de reformage est placé de façon à permettre des échanges de chaleur entre l'espace délimité par le catalyseur et les gaz d'échappement chauds et l'entrée du corps de maintien en température est reliée au circuit d'échappement de ladite machine.

De cette manière, on comprend que l'on peut éviter toute communication entre l'intérieur du catalyseur et du corps de maintien en température.

Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, en outre, d'utiliser les gaz d'échappement chauds pour maintenir en température Ie catalyseur, sans recourir à une source de chaleur extérieure.

Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, il est possible d'augmenter l'indice de méthane du gaz alimentant Ie moteur.

Par ailleurs, la présente invention se rapporte aussi à une machine de conversion énergétique impliquant une combustion et/ou une oxydation et comprenant un circuit d'admission et un circuit d'échappement telle que présentée précédemment, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation en gaz combustible de l'alimentation moteur comporte un capteur permettant de mesurer l'indice de méthane (IM_6N) du gaz combustible de ladite ligne d'alimentation en gaz combustible de l'alimentation moteur, en ce qu'elle comporte, dans une ligne de reformage qui rejoint la ligne d'alimentation, un capteur permettant de mesurer l'indice de méthane (IM_GA) du gaz réformé sortant du catalyseur de reformage, en ce qu'elle comporte en outre des moyens de calcul permettant de déduire de l'écart entre lesdits indices de méthane (IM_GÂ - IM_GN), et de ladite valeur seuil prédéterminée (IML) de l'indice de méthane, le débit volumîque requis du gaz combustible de l'alimentation de reformage et des moyens de réglage permettant de modifier le débit volumîque du gaz combustible de l'alimentation de reformage à la valeur dudit débit volumique requis.

De préférence, l'entrée du corps de maintien en température est reliée au circuit d'échappement de ladite machine.

En particulier, cette machine de conversion énergétique appartient au groupe constitué des moteurs à combustion interne, turbines à gaz et chaudières. Il s'agit de préférence de moteurs à combustion interne stationnaires. Il s'agit notamment d'un moteur à combustion interne constituant un moteur de co-génération produisant simultanément de la chaleur et de l'électricité.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure IA montre le diagramme synoptique d'une installation comprenant un moteur à gaz stationnaire muni du dispositif de reformage selon la présente invention,

- la figure IB représente la proportion de gaz combustible à réformer selon le procédé de reformage de l'invention en fonction du déficit en indice de méthane du gaz combustible,

- les figures 2 à 5 sont des représentations des résultats expérimentaux obtenus concernant l'évolution de différents paramètres en fonction du ratio de reformage, pour trois débits d'air de reformage différents, sur la figure 2 il s'agît du pourcentage de dihydrogène produit à la sortie du dispositif de reformage, sur la figure 3 il s'agit de l'évolution du rendement électrique du moteur lorsqu'on l'équipe du dispositif de reformage, sur la figure 4 il s'agit de la température des gaz d'échappement à Ia sortie du moteur et sur Ia figure 5 il s'agit de la pression à Ia sortie du compresseur de l'installation de la figure IA, et

- les figures 6 à 8 montrent respectivement l'évolution du rendement électrique obtenu, du pourcentage de dihydrogène produit à la sortie du dispositif de reformage et le ratio de reformage en fonction du temps pour un essai de longue durée,

- la figure 9 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un dispositif de reformage selon l'invention, et

- la figure 10 est une vue en coupe selon la direction IX-IX de la figure 9.

On se reporte à Ia figure IA représentant une installation 20 comprenant un moteur à gaz stationnaire 22 muni du dispositif de reformage 100 selon l'invention.

II s'agit en l'espèce d'un moteur 22 de co-génération, c'est-à- dire un moteur produisant de l'électricité et de la chaleur, et en particulier un moteur stationnaire, mais d'autres types de moteurs pourraient être utilisés sans sortir du cadre de la présente invention.

De façon classique, le moteur 22 comporte d'amont en aval, un collecteur d'admission 22a, un bloc moteur 22b et un collecteur d'échappement 22c.

Le collecteur d'admission 22a reçoit un mélange d'air et de gaz naturel, provenant de l'alimentation moteur 24. Ce mélange est mis en compression dans un compresseur 26, avant de passer dans un échangeur 28 et une vanne de commande 30 reliée au collecteur d'admission 22a.

La sortie du collecteur d'échappement 22c est reliée classiquement à une turbine 32 afin de permettre aux gaz d'échappement d'entraîner la turbine à l'intérieur de laquelle s'effectue Ia détente des gaz d'échappement, dont l'énergie ainsi libérée permet d'entraîner le compresseur 26.

L'alimentation moteur 24 comporte une ligne d'alimentation en air atmosphérique 241 et une ligne d'alimentation en gaz naturel 242.

Afin de vérifier les quantités de gaz alimentant le moteur, un débitmètre (241a, 242a) équipe chacune des lignes d'alimentation en air atmosphérique 241 et en gaz naturel 242. La ligne d'alimentation en gaz naturel 242 comporte en outre une ou plusieurs vannes (une seule vanne 242b est représentée sur la figure IA) ainsi qu'un capteur 242c permettant de mesurer directement l'indice de méthane IM du gaz naturel de la ligne d'alimentation en gaz naturel 242. La ligne d'alimentation en air 241 comporte également un filtre 241b destiné à retirer d'éventuelles particules.

Les lignes d'alimentation en air atmosphérique 241 et en gaz naturel 242 se rejoignent au niveau d'un mélangeur 243 équipé d'un venturi et qui est placé en amont du compresseur 26, lequel reçoit, via un conduit d'alimentation 244, le mélange d'air et de gaz de l'alimentation moteur 24.

A cet équipement classique, on adjoint, selon l'invention, un dispositif de reformage 100, constitué dans ce mode de réalisation d'un dispositif d'aéro-reformage.

Le dispositif de reformage 100 comporte une alimentation de reformage 34 qui comporte :

- une ligne d'alimentation en gaz naturel 342 présentant un débit maximal de l'ordre du débit nominal de l'installation, à savoir le débit nominal de la ligne d'alimentation en gaz naturel 242 de l'alimentation moteur 24, et une pression de l'ordre de 300 mbar et

- une ligne d'alimentation en air atmosphérique 341 présentant un débit maximal de l'ordre de 10 fois le débit volumique de gaz naturel introduit dans la ligne d'alimentation en gaz naturel 342.

Chacune des lignes d'alimentation en air atmosphérique 341 et en gaz naturel 342 est équipée d'un débitmètre 341a, 342a, et d'une ou plusieurs vannes (une seule vanne 341b, 342b est représentée sur la figure IA).

En outre, il est avantageux que le dispositif de reformage 100 comporte des moyens de mise sous pression du gaz comburant, en l'occurrence des moyens de compression de l'air atmosphérique de la ligne d'alimentation en air atmosphérique 341, De cette façon, le gaz comburant (ici l'air atmosphérique) présente, en amont du catalyseur de reformage 36, une pression minimale de 10 mbar.

On réalise le mélange entre l'air et le gaz naturel de l'alimentation de reformage 34, puis ce mélange arrive, via un conduit d'entrée 343 dans le porte-catalyseur 36a contenant le catalyseur d'oxydation ou catalyseur de reformage 36 du dispositif de reformage 100. Le catalyseur d'oxydation 36 est constitué de matériaux connus de l'homme du métier parmi lesquels on peut mentionner, de façon non limitée, des matériaux à base de nickel, de platine, de palladium ou de rhodium, et permet d'engendrer la réaction d'aéro-reformage ;

(1) μcH4 CH ₄ + μo2 O2 + ... = vco CO+ v _H 2 H ₂ + ...

Le mélange de gaz (principalement azote provenant de l'air, oxydes de carbone, et dïhydrogène) présent à la sortie du porte- catalyseur 36a _f rejoint le conduit d'alimentation 244 relié au compresseur 26, via une ligne de reformage 361 constituant le conduit de sortie du porte-catalyseur 36a.

Selon le mode de réalisation de la figure IA, il est prévu un refroidisseur de reformage 362 sur la ligne de reformage 361, ce refroidisseur de reformage 362 formant des moyens de refroidissement situés en aval du conduit de sortie du porte-catalyseur 36a contenant le catalyseur d'oxydation 36, et ce pour diminuer la température du mélange de gaz de sortie de reformage qui s'ajoute au mélange d'air et de gaz de l'alimentation moteur 24 au niveau du conduit d'alimentation 244, avant alimentation du compresseur 26.

La ligne de reformage 361 comporte en outre un capteur 363 permettant de mesurer directement l'indice de méthane IM du gaz réformé (ou gaz de reformage) sortant du catalyseur d'oxydation 36.

Un boîtier 38 entourant le porte-catalyseur 36a, sans possibilité de communication entre les espaces délimités par chacun d'entre eux, forme un corps de maintien en température du porte-catalyseur 36a, et ce pour garantir dans le catalyseur 36 une température suffisante pour entretenir la réaction (1).

Λ cet effet, le boîtier 38 reçoit les gaz d'échappement chaud provenant de la turbine 32, via un conduit d'échappement 381.

De cette façon, Ie porte-catalyseur 36a est chauffé par les gaz d'échappement qui entourent le porte-catalyseur 36a sans rentrer en contact avec Ie catalyseur 36.

Il est également possible de chauffer le mélange entre l'air et Ie gaz naturel de l'alimentation de reformage 34 (cas de figure non représenté) par un système supplémentaire formé de moyens de chauffage du conduit d'entrée (ou conduit d'injection) 343, lequel peut être activé par exemple au démarrage de la réaction d'oxydation. De cette façon, on garantît que le mélange du gaz combustible et du gaz comburant présente, en amont du catalyseur de reformage 36, une température minimale de 5O ⁰ C.

A la sortie du boîtier 38, il est prévu, de façon classique pour une installation de cogénération, de placer un échangeur à tubes de fumées 40 sur la ligne d'échappement 42, laquelle envoie les gaz d'échappement refroidis vers une cheminée (non représentée).

Dans le mode de réalisation de la figure IA, le conduit d'entrée 343 qui alimente le porte-catalyseur 36a (conduit d'injection) est situé du même côté du corps de maintien en température (boîtier 38) que l'entrée du corps de maintien en température (boîtier 38), cette entrée prolongeant Ie conduit d'échappement 381 : il s'agit d'un agencement co- courant.

Alternativement (cas de figure non représenté), il est possible de prévoir que le conduit de sortie 361 du porte-catalyseur 36a est situé du même côté du corps de maintien en température (boîtier 38) que l'entrée du corps de maintien en température (boîtier 38), cette entrée prolongeant le conduit d'échappement 381 : dans ce cas, il s'agit d'un agencement contre-courant.

Le catalyseur 36 est constitué de matériaux connus de l'homme du métier parmi lesquels on peut mentionner, de façon non limitée, des matériaux à base de nickel, de platine, de palladium ou de rhodium.

A titre d'exemple, les essais qui sont présentés ci-après ont été réalisés avec un catalyseur à base de palladium avec une température minimale de 100 ⁰ C, en amont du catalyseur de reformage 36, dans le conduit d'entrée 343.

Si le gaz naturel (provenant par exemple du réseau de distribution du gaz naturel) présente un indice de méthane (IM_GN) mesuré (pouvant conduire à des combustions anormales cliquetantes), le pilotage du débit de gaz combustible (vu du moteur) s'effectue de manière à maintenir l'indice de méthane IM_GVM (vu du moteur) supérieur ou égal à la préconisatîon du constructeur (indice de méthane IML). En effet, l'indice de méthane préconisé par le constructeur IML, encore dénommé besoin en indice de méthane ou indice en méthane limite, est la valeur minimale de l'indice de méthane à partir de laquelle le constructeur du moteur considère que des conditions de fonctionnement normales peuvent être obtenues avec ce moteur.

Afin de permettre la commande et Ie réglage du procédé de reformage selon l'invention, on compare en premier lieu la valeur (IM_GN) donnée par Ie capteur 242c à l'indice de méthane préconisé par Ie constructeur IML,

Lorsque IM_GN > IML alors il n'est pas nécessaire de mettre en œuvre le procédé de reformage selon l'invention et l'alimentation de reformage 34 n'est pas utilisée (les vannes 341b et 342b sont fermées et x=0, x étant défini ci-après).

Lorsque IM__GN < IML alors on met en œuvre Ie procédé de reformage selon l'invention de la façon suivante.

Le capteur 363 donne l'indice de méthane du gaz aéro-réformé sortant du porte-catalyseur 36a, à savoir IM_GA lorsqu'au moins une des vannes 341b et 342b, qui commandent respectivement les débits d'air et de gaz naturel de l'alimentation de reformage 34, est ouverte.

Dans Ia plupart des cas, IM_GA > ou > IM_GN, faute de quoi si IM_GA < IM_GN on dégrade les réglages du moteur ou on déclenche une procédure d'arrêt du moteur.

Dans un premier temps, on calcule :

- l'écart d'indice de méthane à rattraper, à savoir IML - IM_GN, puis

- l'écart d'indice de méthane rattrapé par l'aéro-reformage, à savoir IM_GA - IM_GN, et enfin

- le rapport entre cet écart à rattraper et l'écart d'indice de méthane rattrapé, à savoir (IML - IM_GN)/(IM_GÂ - IM JSN).

Si ce rapport (IML - IM__GN)/(IM_GA - IM_GN) est nul ou négatif, cela correspond à un arrêt du moteur ; c'est le point A sur la courbe de la figure IB ayant pour abscisse IM_GÂ - IM_GN et pour ordonnée 100%.

Si ce rapport (IML - IM_GN)/(IM_GA - IM_GN) est positif, il est égal à x, qui correspond également à la proportion de gaz aéro-réformé à introduire dans le conduit d'alimentation 244 par rapport au débit total de gaz combustible introduit dans le conduit d'alimentation 244.

En effet, on a

QjGVM≈(î-x) Q_GN + x Q_GA Ce qui équivaut à x= (Q_GVM - Q_GN)/(Q__GA - Q_GN), avec ; - Q_GVM le débit total de gaz envoyé dans Ie collecteur d'admission du moteur (débit de gaz vu du moteur),

- Q_GA Ie débit de gaz aéroréformé sortant du porte- catalyseur 36a, et

- Q_GN Ie débit de gaz naturel total de l'alimentation moteur 24

La courbe de Ia figure IB représente révolution de x en fonction du déficit en indice de méthane.

Ainsi, connaissant Q_GVM, Q_GA et x, on en déduit Q_GN.

Connaissant Ie débit de gaz naturel dans Ia veine principale ou alimentation moteur 24 Q ₂₄₂ , on en déduit le débit de gaz naturel à utiliser dans la ligne 342 de l'alimentation de reformage.

Connaissant le rapport GNR/02 ou ratio de reformage, on en déduit Ie débit d'air à utiliser dans Ia ligne 341 de l'alimentation de reformage.

De cette façon, le réglage souhaité est piloté au niveau des vannes 341b et 342b qui commandent respectivement les débits d'air et de gaz naturel de l'alimentation de reformage 34.

En comparant les performances globales du moteur à gaz stationnaire 22 (rendements électrique et thermique), sans le dispositif de reformage 100 (conditions de « base ») et avec Ie dispositif de reformage

100 (conditions avec « air additionnel »), on obtient les résultats du tableau 1.

Des essais ont été réalisés avec les réglages fixes suivants :

- Charge moteur=80% ; par mesure de sécurité

- Avance à l'allumage AA=IS ⁰ V ;

- Facteur d'air λ=l,45, soit une concentration d'oxygène [023=7,10% volumïque sur gaz sec.

La composition chimique et l'indice de méthane du gaz naturel

(de Ia ligne d'alimentation en gaz naturel 342) et du gaz aéro-réformé (à la sortie du porte-catalyseur 36a, dans la ligne de reformage 361) sont présentés respectivement dans le tableau 1 suivant :

Tableau 1

II en ressort que le gaz aéro-réformé présente un indice de méthane plus élevé que celui du gaz naturel.

Des tests comparatifs ont été menés en utilisant trois débits d'air différents dans la ligne d'alimentation en air atmosphérique 341 (3, 4 et 5 m ³ /h), et en faisant varier le ratio de reformage (GNR/O ₂ ). On rappelle que le ratio de reformage correspond au rapport entre le débit volumique du gaz naturel injecté dans la ligne d'alimentation en gaz naturel 342 et le débit volumique de l'oxygène (O ₂ ) contenu dans l'air ajouté au gaz naturel, par la ligne d'alimentation en air atmosphérique 341, pour former le mélange de reformage pénétrant dans Ie porte catalyseur 36a par le conduit d'entrée 343.

La figure 2 représente le pourcentage volumique de dihydrogène produit à la sortie du porte-catalyseur 36a, mesuré dans le conduit de sortie formant la ligne de reformage 361, en fonction du ratio de reformage (GNR/O2) ; quel que soit le ratio de reformage (GNR/Q2) et quel que soit Ie débit d'air, on obtient un pourcentage volumîque de dihydrogène produit à la sortie du porte-catalyseur 36a compris entre 20 et 25%. Par ailleurs, puisque Ia réaction d'aéro-reformage (i) est une oxydation partielle, du monoxyde de carbone CO est émis ; en l'espèce un pourcentage volumique de 8 à 9% de CO a été mesuré.

La figure 3 représente l'évolution du rendement électrique du moteur à gaz stationnaire 22 lorsqu'on l'équipe du dispositif de reformage

100 par rapport au cas où (conditions de « base ») Ie dispositif de reformage 100 est absent (il s'agit de Ia différence absolue), en fonction du ratio de reformage (GNR/O2),

On a pris soin d'effectuer les essais avec des conditions climatiques, en particulier d'humidité, stables et sensiblement identiques tout Ie long des mesures.

Ainsi, ces essais ont fait apparaître d'une part que l'indice de méthane du gaz combustible vu du moteur a été augmenté d'un point et d'autre part que pour un ratio de reformage (GNR/O ₂ ) inférieur à 1 et en particulier inférieur à 0,8, on obtient, quel que soit le débit d'air, une augmentation du rendement électrique du moteur, allant jusqu'à au moins 0,2 ou 0,3% en valeur absolue.

Sur cette base, selon l'invention, on utilise un ratio de reformage sensiblement constant, ce ratio de reformage étant compris entre 0,1 et 1, de préférence entre 0,2 et 0,8, en particulier entre 0,4 et 0,6.

La figure 4 représente la température des gaz d'échappement mesurée à Ia sortie du moteur 22, dans le conduit d'échappement 381, en fonction du ratio de reformage (GNR/O2) : quel que soit le ratio de reformage (GNR/O ₂ ) et quel que soit le débit d'air, on obtient une température de 480 ⁰ C inchangée par rapport au cas où (conditions de « base ») le dispositif de reformage 100 est absent.

Sur la figure 5, est représenté l'évolution de la pression des gaz à la sortie du compresseur 26 de l'installation 20 de la figure IA, en fonction du ratio de reformage (GNR/O ₂ ) : quel que soit Ie ratio de reformage (GNR/O ₂ ) et quel que soit Ie débit d'air, on obtient une valeur inchangée de l'ordre de 1,65 bar,

En particulier, la mise en œuvre du procédé selon l'invention, par l'ajout du dispositif de reformage 100, ne modifie donc pas tes conditions de fonctionnement du moteur, en particulier ne dégrade pas le fonctionnement du turbocompresseur. S'agissant des quantités de NO _x , CO et autres imbrûlés émises, il a été constaté que l'utilisation du dispositif de reformage 100 n'entraîne pas une modification significative.

Par ailleurs, afin de vérifier la stabilité du procédé selon l'invention, des essais ont été menés pendant une durée de 8 heures : comme il apparaît sur les figures 6, 7 et 8 respectivement, que ce soit le rendement électrique obtenu du moteur 22, Ie pourcentage de dihydrogène produit à la sortie du porte-catalyseur 36a dans la ligne de reformage et le ratio de reformage (GNR/O2), on obtient des valeurs relativement stables dans le temps (respectivement à hauteur de 36% de rendement électrique et 20% pour le pourcentage de dihydrogène et de 0,5 à 0,6 pour le ratio de reformage (GNR/O ₂ ) dans le test effectué).

Afin d'éviter les fuites de gaz et toute possibilité d'échange gazeux entre le boîtier 38 et le porte-catalyseur 36a, une conception mécano-soudée a été utilisée, laquelle est illustrée sur les figures 9 et 10.

Le boîtier 38 dans lequel circulent les gaz d'échappement chauds est formé de parois métalliques soudées entre elles. Le boîtier 38 comporte en outre une bride amont 38a reliée à la turbine 32 du moteur 22 de laquelle les gaz d'échappement s'échappent et passe dans le conduit d'échappement 381, et une bride aval 38b par laquelle les gaz d'échappement sont évacués en direction de la ligne d'échappement 42 après avoir réchauffé le porte-catalyseur 36a contenant le catalyseur 36 et logé dans le boîtier 38.

Le porte-catalyseur 36a est lui aussi formé de parois métalliques soudées entre elles et comporte un premier tuyau 36b pour l'amenée du mélange de reformage depuis Ie conduit d'entrée 343 dans l'espace étanche du porte-catalyseur 36a contenant le catalyseur 36 et qui est réchauffé par tes gaz d'échappement chauds circulant dans le boîtier 38.

Le porte-catalyseur 36a comporte également un deuxième tuyau 36c pour l'évacuation des gaz reformés (gaz de reformage) en direction de la ligne de reformage 361.

Le premier tuyau 36b et le deuxième tuyau 36c sont soudés sur Ie porte-catalyseur 36a et fixés de façon amovible sur une plaque de fermeture 38c formant l'une des parois du boîtier 38 (la paroi supérieure sur les figures 9 et 10), à l'emplacement de passages percés dans cette plaque de fermeture 38c,

Pour permettre un accès au porte-catalyseur 36a, la plaque de fermeture 38c est démontable ; elle est par exemple reliée par sa périphérie au moyen de vis et boulons aux autres parois du boîtier 38,

Le procédé de reformage et le dispositif de reformage 100 selon la présente invention permettent facilement d'adapter les conditions de fonctionnement du dispositif de reformage 100 afin de s'adapter aux conditions de fonctionnement du moteur 22 et à la qualité de combustion du gaz naturel.

En effet, il est possible d'estimer le débit d'air à employer dans la ligne d'alimentation en air 341 de l'alimentation de reformage 34, ci- après dénommé Q ₃ 4 ₁ , comme suit :

Où Q ₃₄₃ est le débit total de gaz pénétrant dans le conduit d'entrée 343 du porte catalyseur, avant reformage par le catalyseur, et Q ₃ 4 ₁ est le débit d'air employé dans la ligne d'alimentation en air 341 de l'alimentation de reformage 34.

Par ailleurs, on mesure et/ou on calcule :

- le débit de gaz naturel dans la veine principale, en entrée du moteur, qui correspond au débit de gaz naturel employé dans la ligne d'alimentation en gaz 242 de l'alimentation moteur 24, ce débit de gaz naturel étant mesuré par le débitmètre 242a et étant dénommé Q ₂ 42,

- le pourcentage de dihydrogène H ₂ alimentant le moteur 22 dans le mélange parvenant dans le compresseur 26, dénommé RH ₂ (26), mesuré ponctuellement par un analyseur de H ₂ (non représenté) ou en continu par un détecteur de H ₂ (non représenté) (par exemple par conductivité thermique),

- et/ou le pourcentage de dihydrogène H ₂ à la sortie du porte catalyseur 36a, dans la ligne de reformage 361, dénommé RH ₂ (36) mesuré par les mêmes méthodes que précédemment (un analyseur de H ₂ ou un détecteur de H ₂ (non représenté)).

On fixe le ratio de reformage (GNR/O ₂ ) du conduit d'entrée 343 à une valeur donnée, par exemple en-dessous de 0,8. De cette façon, on calcule le débit d'air dans le conduit d'entrée 343 du porte catalyseur Q _34I , par l'équation

Q ₃ 4i = Q343 / (1 + GNRZO ₂ X RH ₂ (26))

Sachant que Ie débit de H ₂ dans la veine principale est donné par l'équation :

QH ₂ (26) = Q ₂₄₂ X RH ₂ (2δ),

et que le débit total de gaz pénétrant dans le conduit d'entrée 343 du porte catalyseur Q ₃ 4 ₃ est donnée par l'équation ;

Ainsi, par exemple, avec les valeurs suivantes ;

Q ₂₄₂ = 50 Nm ³ /h

RH ₂ (26) = 1.70%

RH ₂ (36) = 21%

GNR/O ₂ = 0,4

On obtient

QH ₂ (26) = 50 x 1.70% =0.85 Nm ³ /h

Q ₃₄₃ = 0.85 /21% = 4.05 Nm ³ /h

Q _34I = 4.05 / (1 + 0.4 x 21%) = 3.73 Nm ³ /h

Le débit d'air à employer dans la ligne d'alimentation en air 341 de l'alimentation de reformage 34 est

Q341 = 4,05 -3,73 = 3,73 Nm ³ /h.