EP4153348A1 - Method and system for transforming a gas mixture using pulsed plasma - Google Patents

Method and system for transforming a gas mixture using pulsed plasma

Info

Publication number
EP4153348A1
EP4153348A1 EP21734400.1A EP21734400A EP4153348A1 EP 4153348 A1 EP4153348 A1 EP 4153348A1 EP 21734400 A EP21734400 A EP 21734400A EP 4153348 A1 EP4153348 A1 EP 4153348A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
zone
gas
plasma
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21734400.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Erwan Pannier
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CentraleSupelec
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CentraleSupelec
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
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, CentraleSupelec filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4153348A1 publication Critical patent/EP4153348A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00759—Purification of compounds synthesised
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0801—Controlling the process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0809—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes employing two or more electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0815—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes involving stationary electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0837—Details relating to the material of the electrodes
    • B01J2219/0841—Metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0845—Details relating to the type of discharge
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0869—Feeding or evacuating the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0875—Gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0881—Two or more materials
    • B01J2219/0883—Gas-gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma

Definitions

  • the invention belongs to the field of devices for the production of gas, and in particular of reforming for the production of products with higher added value.
  • Plasma discharges present an electrophysical alternative to the transformation of gas mixtures into gas mixtures with higher added value by thermal (pyrolysis), thermocatalytic (reforming reactions) or electrochemical (electrolysis) approaches.
  • Document US 6,395,197 B1 discloses a method and system for producing hydrogen and elemental carbon from natural gas and other hydrocarbons.
  • Diatomic hydrogen and unsaturated hydrocarbons are produced as reactor gas in a fast quench plasma reactor. During the rapid quench, the unsaturated hydrocarbons are further decomposed by heating the reactor gases. Other gases can be added at different stages of the process to form a desired end product and prevent back reactions.
  • the product is a hydrogen and elemental carbon fuel that can be used in powder form as a feedstock for several industrial processes.
  • the gas residence time may become comparable or less than the characteristic ionization times.
  • the chemical reaction may not occur, and the plasma may not initiate.
  • Active systems are already known for initiating the plasma, which make it possible to increase the electric field above the breakdown value. These active systems can implement an increase in the voltage applied to the electrodes, a decrease in the pressure of the gas, an increase in the temperature of the gas, or a decrease in the inter-electrode distance by a mobile mechanical system.
  • WO 2013/078880 A1 discloses a multistage plasma reactor system including (i) hollow cathodes for cracking carbonaceous material, each stage comprising hollow cathodes and hollow anodes cooled by recycling coolant or refrigerant, (ii) one or more working gas inlets, (iii) one or more carbonaceous material and carrier gas inlets as feedstock, and (iv) reaction tubes connected to the anode or at the cathode.
  • Document CN 109663555 A discloses a system and a method for the synergistic conversion of greenhouse gases and biochar by pulsed plasma jet.
  • a discharge arc formed between an inner electrode and an outer electrode is driven by an upward spiral air flow of CO2, passes sequentially through a tapered nozzle and an air distribution plate to form a plurality of micro-jets uniformly distributed plasma.
  • the micro-jets entrain the biochar particles to form a gas-solid fluidization reaction zone.
  • the aim of the present invention is to provide a method and a system for transforming gas by pulsed plasmas which allow better operational continuity and lower maintenance costs than current methods and systems.
  • a method for producing gases from a mixture of gases comprising: a step for injecting a gas mixture into a pulsed plasma reactor, a step for dissociating said gas mixture, implementing isochoric discharges between a first elongated electrode of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity facing said first electrode, a step for evacuating the reactive gases produced from said dissociation step, towards a zone where they can be cooled and / or separated and / or collected.
  • the first electrode and the one or more other electrodes define an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance and composed of an ignition zone and two other zones
  • the dissociation step comprises, in the case where the plasma produced in the reactor is blown by a continuous flow of gas in this reactor, a step for providing a passive restrike of said plasma, said passive restrike step being carried out in the priming zone providing a zone protected from said continuous flow of gas and having an inter-electrode distance allowing ignition of the plasma protected from said continuous flow of gas.
  • the reboot technique implemented in the system / method according to the invention is passive and therefore reliable.
  • this configuration of the dissociation reactor could also be implemented in plasma-assisted combustion chambers for which the control of the reactive zone in high-flow media can constitute a real problem.
  • the step of passive re-priming of the plasma can also advantageously comprise, at the outlet of the priming zone (1), an entry of said plasma into a propagation zone having an increasing (2) then decreasing (3) inter-electrode distance. in the direction of propagation of the plasma, then in a stable operating zone (4) arranged to create an electric field and having an inter-electrode distance less than the distance in said propagation zone.
  • the passage from zone (1) to zone (2) then (3) is obtained by advantageously using the flow induced by discharges producing a shock wave, called isochoric discharges. This shock wave is passively created by isochoric discharges.
  • Another problem solved in the gas transformation process according to the invention is that of the need to control the gas flow within the plasma reactor.
  • the incoming gas flow (overall flow) is transformed by passing through a reactive zone (a reaction transforms the inputs into products) which generates its own flow (induced flow). If the reaction products are convected upstream from the bulk flow, they can be transformed back into the reactive zone, and the energy yield drops.
  • the shock waves are obtained by repetitive pulsed nanosecond discharges, produced between the first electrode of given polarity and the other or other electrodes of opposite or neutral polarity.
  • Directional control can advantageously include an increase in a reduced electric field at one of the two electrodes.
  • the shock wave caused by the pulsed discharge and the associated hydrodynamic expansion have been the subject of several scientific works [1] [2] [3]
  • the novelty of the method according to the invention lies in the stability of the control of the 'flow obtained.
  • the hydrodynamics generated by a shock wave can take two forms:
  • the regime must be non-diffusive.
  • Dumitrache's theory [5] makes it possible to establish a criterion to obtain a non-diffusive regime, which depends on the dimensionless number p:
  • the discharge creates a shock wave which can be modeled as a cylindrical shock wave centered on the inter-electrode axis, and two spherical shock waves substantially centered in front of each of the electrodes.
  • the spherical shock waves diffuse with the same speed and the hot gases are ejected according to a torus.
  • one of the two shock waves is faster and the hot gases are ejected on the side of the faster shock wave.
  • the speed of propagation of a shock wave is proportional to the pressure gradient.
  • the pressure gradient is proportional to the temperature gradient at the end of the discharge.
  • the increase in temperature is due to the predissociation of excited electronic states (ultra-rapid heating).
  • the heating of one of the electrodes is produced directly by the impact of the ions on said electrode and by the reduction of thermal diffusion.
  • the heating of one of the two electrodes can be increased by choosing a material with low thermal diffusivity for this electrode.
  • the geometry and thermophysical properties of the electrodes are controlled to generate the induced flow and to convect the exiting gases out of the reactive zone and downstream of the overall flow.
  • plasmas are characterized by the reduced electric field (E / N) applied in the discharge (expressed in Townsend: Td).
  • E / N reduced electric field
  • Different types of plasma microwave, nanoseconds, DBD, etc.
  • Each range of reduced electric field corresponds to a different mode of excitation of the molecule.
  • the production of electrons is obtained by ionization at strong electric fields (> 130 Td).
  • the vibration of the molecules is obtained for intermediate electric fields (50 - 100 Td).
  • the dissociation step may further comprise a step for generating a high voltage signal for controlling repetitive discharges by combining a very high voltage signal over short times to ionize the gas and a high voltage signal over short times. average times to excite molecules into vibrationally excited levels.
  • a system for transforming a gas mixture implementing the production process according to the invention, comprising:
  • a dissociation stage comprising said pulsed plasma reactor receiving at input said incoming gas flow, a first elongated electrode of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity, facing said first electrode, said first electrode and said one or more other electrodes (i) defining an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance, and (ii) being arranged to subject said gas flow to isochoric discharges so as to produce reactive gases,
  • the pulsed plasma reactor comprises a zone protected from the gas flow, called the priming zone , whose inter-electrode distance allows passive re-ignition of the plasma in the event that the latter is blown by a continuous flow of gas into said plasma reactor.
  • the propagation zone a zone of increasing then decreasing inter-electrode distance in the direction of propagation of the plasma, called the propagation zone, and an inter-electrode distance zone less than the distance in said propagation zone, called the stable operation zone, arranged to create an electric field.
  • the isochoric discharges produced between the first electrode of given polarity and the other electrode (s) of opposite polarity generate a shock wave that helps control the direction of the reactive gases.
  • the first electrode may advantageously have a peak effect arranged to generate in the stable operating zone a reduced electric field greater than that generated in the initiation zone or in the propagation zone.
  • the stable operating zone can be either substantially parallel to the direction of gas flow or substantially transverse to the direction of gas flow.
  • the gas flow can be either perpendicular to a plane substantially horizontal crossing the electrodes, or perpendicular to a substantially vertical plane crossing the electrodes.
  • the transformation system may further comprise means for controlling the direction of the flow of reactive gases in the plasma discharge, said direction controlling means comprising means for increasing the reduced electric field. to one of the two electrodes.
  • the means for increasing the reduced electric field may involve a tip effect electrode and / or a heating mechanism included in one of the electrodes.
  • the transformation system according to the invention can further comprise means for generating a high voltage signal greater than 10 kV to control repetitive discharges by combining a very high voltage signal greater than 130 Td over short times less than 20 ns to ionize the gas and a high voltage signal of between 50 and 100 Td over long times less than 1s to excite molecules into vibrationally excited levels.
  • a use of the system according to the invention for producing hydrogen gas from mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons, comprising an injection of said mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons at the inlet of the pulsed plasma reactor, and a collection of hydrogen gas at the outlet of said pulsed plasma reactor.
  • the isochoric discharges can advantageously comprise repetitive nanosecond pulse (NRP) discharges.
  • NTP repetitive nanosecond pulse
  • the reactive gas discharge interface may include: a stage for rapidly cooling said reactive gases, a stage for separating the hydrogen gas and carbon monoxide produced after cooling said reactive gases.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen production system according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of an exemplary embodiment of a hydrogen production system according to the invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of FIG. 2, illustrating essential components of the system
  • FIG. 4 is a partial sectional view of an exemplary embodiment of a dissociation stage within a hydrogen production system according to the invention
  • FIG. 5A is a partial sectional view of a first configuration of the dissociation stage, in which the stable zone is transverse to the gas flow;
  • FIG. 5B is a partial sectional view of a second configuration of the dissociation stage, in which the stable zone is transverse to the gas flow;
  • FIG. 6 illustrates the respective locations of the initiation, propagation and stability zones within a dissociation stage
  • FIG. 7 is an enlarged sectional view of a dissociation stage, showing characteristic inter-electrode distances
  • FIG. 8 illustrates three examples of characteristic profiles providing inter-electrode distance variations within a dissociation stage
  • FIG. 9 schematically illustrates a phenomenon of reinjection of hot gases into the plasma within a reactor
  • FIG. 10 is a partial sectional view of a dissociation stage configured to avoid this reinjection phenomenon
  • FIG. 11 illustrates three embodiments of axial electrodes adapted to avoid this phenomenon of reinjection
  • FIG. 12 is a block diagram of a device for generating a mixed signal for supplying the electrodes of a dihydrogen production system according to the invention.
  • a system S for producing hydrogen gas according to the invention comprises, with reference to FIGS. 1 and 2, a dissociation stage DI receiving as input a gas flow such as a mixture of methane. CEE and CO2 carbon dioxide, an FQ (“Fast Quenching”) ultra-rapid cooling stage, followed by an SE separation stage of the hydrogen gas H2 and carbon monoxide gas CO.
  • a gas flow such as a mixture of methane. CEE and CO2 carbon dioxide
  • FQ Fast Quenching
  • the gas flow treated by this production system can be about 0.2 m 3 / h or ⁇ 3.5 liters / min.
  • the dissociation stage 10 comprises a structure 12, of cylindrical shape and made of a stainless steel / aluminum alloy, comprising an inlet 21 for a gas flow (EEC, CO2) entering and defining a first chamber 20 containing a first electrode 13 acting. anode opposite a second electrode 15 acting as a cathode arranged in the middle of an outlet 26 of the first chamber 20. This cathode can be made of tungsten.
  • the dissociation stage 10 is further provided with a connector 11 which contains a power cable for the electrode 13.
  • the structure 12 contains an insulating block 14 arranged to prevent any occurrence of an electric arc due to the 'high voltage supply to the electrode 13.
  • the outlet 26 allows the dissociated gases to enter the cooling zone FQ consisting of a second chamber 27 defined by a structure 23 of cylindrical exterior shape and taper interior shape providing a continuous increase in the inside flow diameter from orifice 26 up to the outlet of the cooling zone FQ.
  • the third stage SE of the hydrogen gas production system 1 comprises a cylindrical structure 24 mechanically coupled to the outlet of the cooling stage FQ and a radial discharge duct 22.
  • the separation chamber 19 inside the structure 24 is crossed axially by an electrical supply rod 25 comprising at its end the electrode 15 extending into the dissociation chamber 20.
  • This dissociation stage 40 comprises an anode 13 having a tapered and pointed shape at its end and a cathode 15, facing the anode 13, having a substantially rounded end and electrically connected to the internal wall of the chamber. of dissociation.
  • three characteristic zones can be identified within the dissociation stage: a so-called starting zone I, AMO corresponding to a minimum inter-electrode distance, a zone at the start of propagation 2 where the plasma is located just after initiation and in which the inter-electrode distance is increasing in the direction of plasma propagation, then a propagation zone 3, PRO, in which the inter-electrode distance is decreasing, followed by a zone of stability 4, STA located between the tip of the anode 13 and the end of the cathode 15.
  • the insulating block 14 disposed upstream of the priming zone 1 has two functions: it prevents the occurrence of an electric arc and it creates this zone 1 protected from the continuous flow of gas 5 in which the priming will take place.
  • the inter-electrode distance is variable, increasing then decreasing, ranging from a minimum value dl in the ignition zone 1 to a value d4 in the stability zone 4 between the point of electrode 13 and the end of electrode 15.
  • FIGS. 5A and 5B two configurations of a dissociation stage of a gas transformation system according to the invention will now be described, in which the gas flow is transverse to the electrode device.
  • the gas flow 55 A flows perpendicularly to the horizontal plane of the device. of electrodes 53,57.
  • the initiation zone 1 is located outside the flow of the flow 55 A and is therefore protected from this flow.
  • each spark can switch the induced flow, either to the left or to the right.
  • the frequency of the pulses being high (of the order of 1000 pulses per second), it suffices to wait for the spark which allows the flow to the right (in the direction of towards the device of electrodes 53,57), to that there is a correct priming.
  • the gas flow 55B flows perpendicularly to the vertical plane of the electrode device 53,57.
  • FIGS. 9 to 11 A description will now be given, with reference to FIGS. 9 to 11, of embodiments of a system for producing hydrogen gas according to the invention, making it possible to solve the problem of the reinjection of the gases produced into the plasma as schematically illustrated in FIG. figure 9.
  • the gas production system thus comprises: two electrodes 13, 15 facing each other, as shown in FIG. 10, defining a zone inter-electrode in which an electric field is created between the two electrodes to produce a plasma discharge generating a shock wave, hereinafter called isochoric discharge;
  • a reactive zone in which a high reduced field is promoted at one of the two electrodes by use of a peak effect electrode, with an increase in temperature, by a heating mechanism included in the electrode 13 and by reducing cooling mechanisms around the electrode.
  • the shock wave is passively created by isochoric discharges.
  • a one-dimensional (1D) ideal propagation model is a straight profile forming an angle a with the direction of propagation, the ideal angle a depending on the frequency of the pulses and the temperature reached .
  • the priming at its beginning must play on the peak effect, whereas to stabilize at the end of the process, the inter-electrode space must be reduced.
  • An ideal theoretical profile [initiation + propagation + stabilization] would therefore be a combination of a point and two broken lines. As such a theoretical profile is in practice difficult to machine, a profile using the same tangents as this ideal profile was used.
  • the cathode 15.1 has the shape of a point at the end of the rod 25.
  • the cathode 15.2 has the shape of a perforated disc arranged in the part of more small diameter of the rapid cooling zone.
  • the cathode 15.3 has a complex geometry extending from the initiation zone to the zone of stability.
  • the pulsed plasma generating a shock wave is generated by Pulse Repetitive Nanosecond (NRP) pulses, with a voltage of 10 kV and a repetition frequency in a range of 5 to 500 kHz, preferably between 10 and 100 kHz.
  • NTP Pulse Repetitive Nanosecond
  • Voltage signals result from a combination of high voltage signals of varying shapes for the production of plasma discharges, so as to excite different energy modes of a molecule to achieve a desirable chemical effect.
  • a very high voltage signal (> 130 Td) over short times (0-20 ns), called a short pulse, is thus combined to ionize the gas with a high voltage signal (50 - 100 Td) over long times (0-1 s), called long pulse to excite molecules in vibrational levels.
  • the long pulse is generated by a long pulse generator module 31, and the short pulse is generated by an NRP module 32.
  • the two signals are combined with a mixer module 33.
  • the generation system 30 comprises:
  • a DC module 31 generating a high voltage pulse of duration 0 - ls, hereinafter called long pulse, provided with an impedance adaptation
  • an NRP 32 module generating a high voltage pulse of duration 0 - 20 ns, hereinafter referred to as a short pulse, provided with an impedance matching
  • the long pulse generator module 31 is equipped with a protection realized by a first order low pass filter, while the short pulse generator module 32 is equipped with a protection realized by a second high pass filter. order.
  • the short pulse generator module 32 provides a reduced electric field> 100 Td and duration 0 - 20 ns, while the long pulse generator module 31 provides a reduced electric field of 50 - 100 Td and duration 0 - ls .
  • the signal generator system 30 is defined so that the reduced electric field of the long pulse is below the ionization threshold.
  • the plasma is in a subcritical regime.
  • Target ranges voltage [1 - 4 kV], and [0.5 - 30 A]
  • the long pulse generator 31 is a DC generator of voltage 3 kV and maximum current 1 A
  • the short pulse generator 32 is a high voltage NRP generator of voltage 10 kV.
  • the NRP circuit is protected from DC and the DC circuit is protected from NRP.
  • the short pulse generator 32 is a 10 ns pulse nanosecond generator
  • the long pulse generator 31 is a 1 ⁇ s pulse pulse generator.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Method for transforming a gas mixture into a gas mixture of higher added value, comprising a step of injecting a gas mixture into a pulsed plasma reactor, a dissociation step using pulsed discharges to generate a shock wave between two electrodes to produce gases, and a step of releasing the produced gases to an area where they can be cooled down and/or separated and/or collected. The dissociation step is also designed to provide passive re-ignition of the plasma in the event that the latter is blown out by the continuous stream of gas in the reactor.

Description

PROCEDE ET SYSTEME POUR TRANSFORMER UN MELANGE DE GAZ PAR METHOD AND SYSTEM FOR TRANSFORMING A GAS MIXTURE BY
PLASMAS PULSES PULSED PLASMAS
DOMAINE DE L’INVENTION FIELD OF THE INVENTION
L’invention appartient au domaine des dispositifs de production de gaz, et en particulier de reformage pour la production de produits à plus haute valeur ajoutée. The invention belongs to the field of devices for the production of gas, and in particular of reforming for the production of products with higher added value.
ETAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
Les décharges plasmas présentent une alternative électrophysique à la transformation de mélanges gazeux en des mélanges gazeux à plus haute valeur ajoutée par des approches thermiques (pyrolyse), thermocatalytiques (réactions de reformage), ou électrochimiques (électrolyse). Plasma discharges present an electrophysical alternative to the transformation of gas mixtures into gas mixtures with higher added value by thermal (pyrolysis), thermocatalytic (reforming reactions) or electrochemical (electrolysis) approaches.
Le document US 6,395,197 B1 divulgue un procédé et système de production d'hydrogène et de carbone élémentaire à partir du gaz naturel et d’autres hydrocarbures. De l’hydrogène diatomique et des hydrocarbures insaturés sont produits comme gaz de réacteur dans un réacteur plasma à trempe rapide. Pendant la trempe rapide, les hydrocarbures insaturés sont encore décomposés en réchauffant les gaz du réacteur. D'autres gaz peuvent être ajoutés à différentes étapes du processus pour former un produit final souhaité et empêcher les réactions de retour. Le produit est un combustible hydrogène et du carbone élémentaire qui peut être utilisé sous forme de poudre comme produit de base pour plusieurs procédés industriels. Document US 6,395,197 B1 discloses a method and system for producing hydrogen and elemental carbon from natural gas and other hydrocarbons. Diatomic hydrogen and unsaturated hydrocarbons are produced as reactor gas in a fast quench plasma reactor. During the rapid quench, the unsaturated hydrocarbons are further decomposed by heating the reactor gases. Other gases can be added at different stages of the process to form a desired end product and prevent back reactions. The product is a hydrogen and elemental carbon fuel that can be used in powder form as a feedstock for several industrial processes.
Le document US 5,409,784 divulgue un système plasmatron-pile à combustible destiné à générer de l’électricité, dans lequel le plasmatron reçoit un carburant hydrocarboné et reforme le combustible hydrocarboné pour produire un gaz riche en hydrogène. L’utilisation d’impulsions permet de produire des plasmas avec une densité d’espèces réactives équivalente tout en réduisant réchauffement par rapport à des plasmas non pulsés. L’efficacité énergétique du procédé en est améliorée. Document US 5,409,784 discloses a plasmatron-fuel cell system for generating electricity, in which the plasmatron receives a hydrocarbon fuel and reforms the hydrocarbon fuel to produce a hydrogen-rich gas. The use of pulses makes it possible to produce plasmas with an equivalent reactive species density while reducing warming compared to non-pulsed plasmas. The energy efficiency of the process is improved.
Dans le cas où ces procédés mettent en œuvre des décharges plasma dans des flux de gaz à vitesse élevée, le temps de résidence du gaz peut devenir comparable ou inférieur aux temps caractéristiques d’ionisation. Dans ce cas, la réaction chimique peut ne pas se produire, et le plasma peut ne pas s’amorcer. On connaît déjà des systèmes actifs pour amorcer le plasma, qui permettent d’augmenter le champ électrique au-dessus de la valeur de claquage. Ces systèmes actifs peuvent mettre en œuvre une augmentation de la tension appliquée aux électrodes, une diminution de la pression du gaz, une augmentation de la température du gaz, ou une diminution de la distance inter-électrode par un système mécanique mobile. In the case where these methods implement plasma discharges in high speed gas streams, the gas residence time may become comparable or less than the characteristic ionization times. In this case, the chemical reaction may not occur, and the plasma may not initiate. Active systems are already known for initiating the plasma, which make it possible to increase the electric field above the breakdown value. These active systems can implement an increase in the voltage applied to the electrodes, a decrease in the pressure of the gas, an increase in the temperature of the gas, or a decrease in the inter-electrode distance by a mobile mechanical system.
Ces systèmes actifs présentés ci-dessus présentent des limitations industrielles. Ils ne sont pas adaptés à des plasmas générés par des impulsions, ce qui ne permet pas de bénéficier de leur efficacité énergétique avantageuse. En effet, la diminution de la pression et l’augmentation de la température nécessitent une interruption du procédé. L’augmentation de la tension nécessite un surdimensionnement du générateur de tension (coût supplémentaire). La présence de pièces mobiles induit des surcoûts de maintenance et d’étanchéité. Par ailleurs les systèmes à rétroaction exigent des capteurs, donc des systèmes de mesure (mesure électrique, mesure optique) et un circuit de traitement pour la rétroaction. These active systems presented above have industrial limitations. They are not suitable for plasmas generated by pulses, which does not make it possible to benefit from their advantageous energy efficiency. In fact, the decrease in pressure and the increase in temperature require an interruption of the process. Increasing the voltage requires oversizing the voltage generator (additional cost). The presence of moving parts induces additional maintenance and sealing costs. Furthermore, feedback systems require sensors, therefore measurement systems (electrical measurement, optical measurement) and a processing circuit for the feedback.
Le document WO 2013/078880 Al divulgue un système réacteur à plasma à plusieurs étages incluant (i) des cathodes creuses pour le craquage de matière carbonée, chaque étage comprenant des cathodes creuses et des anodes creuses refroidies par recyclage d'agent de refroidissement ou de fluide frigorigène, (ii) une ou plusieurs entrées de gaz de travail, (iii) une ou plusieurs entrées de matière carbonée et de gaz vecteur en tant que charge d'alimentation, et (iv) des tubes de réaction raccordés à l'anode ou à la cathode. WO 2013/078880 A1 discloses a multistage plasma reactor system including (i) hollow cathodes for cracking carbonaceous material, each stage comprising hollow cathodes and hollow anodes cooled by recycling coolant or refrigerant, (ii) one or more working gas inlets, (iii) one or more carbonaceous material and carrier gas inlets as feedstock, and (iv) reaction tubes connected to the anode or at the cathode.
Le document CN 109663555 A divulgue un système et un procédé de conversion synergique de gaz à effet de serre et de biochar par jet de plasma pulsé. Un arc de décharge formé entre une électrode intérieure et une électrode extérieure est entraîné par un flux d’air ascendant en spirale de C02, passe séquentiellement à travers une buse effilée et une plaque de distribution d’air pour former une pluralité de micro-jets de plasma uniformément répartis. Les micro-jets entraînent les particules de biochar pour former une zone de réaction de fluidisation gaz-solide. Document CN 109663555 A discloses a system and a method for the synergistic conversion of greenhouse gases and biochar by pulsed plasma jet. A discharge arc formed between an inner electrode and an outer electrode is driven by an upward spiral air flow of CO2, passes sequentially through a tapered nozzle and an air distribution plate to form a plurality of micro-jets uniformly distributed plasma. The micro-jets entrain the biochar particles to form a gas-solid fluidization reaction zone.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un système de transformation de gaz par plasmas pulsés qui permettent une meilleure continuité opérationnelle et des coûts de maintenance moindres que les procédés et systèmes actuels. EXPOSE DE L’INVENTION The aim of the present invention is to provide a method and a system for transforming gas by pulsed plasmas which allow better operational continuity and lower maintenance costs than current methods and systems. DISCLOSURE OF THE INVENTION
Cet objectif est atteint avec un procédé pour produire des gaz à partir d’un mélange de gaz, comprenant : une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé, une étape de dissociation dudit mélange gazeux, mettant en œuvre des décharges isochores entre une première électrode longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée en regard de ladite première électrode, une étape pour évacuer les gaz réactifs produits à partir de ladite étape de dissociation, vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés. Suivant l’invention, la première électrode et les une ou plusieurs autres électrodes définissent un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter-électrode variable et composé d’une zone d’amorçage et de deux autres zones, et l’étape de dissociation comprend, dans le cas où le plasma produit dans le réacteur serait soufflé par un flux continu de gaz dans ce réacteur, une étape pour procurer un réamorçage passif dudit plasma, ladite étape de réamorçage passif étant réalisée dans la zone d’amorçage procurant une zone protégée dudit flux continu de gaz et présentant une distance inter-électrode permettant un allumage du plasma à l’abri dudit flux continu de gaz. This objective is achieved with a method for producing gases from a mixture of gases, comprising: a step for injecting a gas mixture into a pulsed plasma reactor, a step for dissociating said gas mixture, implementing isochoric discharges between a first elongated electrode of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity facing said first electrode, a step for evacuating the reactive gases produced from said dissociation step, towards a zone where they can be cooled and / or separated and / or collected. According to the invention, the first electrode and the one or more other electrodes define an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance and composed of an ignition zone and two other zones, and the dissociation step comprises, in the case where the plasma produced in the reactor is blown by a continuous flow of gas in this reactor, a step for providing a passive restrike of said plasma, said passive restrike step being carried out in the priming zone providing a zone protected from said continuous flow of gas and having an inter-electrode distance allowing ignition of the plasma protected from said continuous flow of gas.
La technique de réamorçage mise en œuvre dans le système/procédé selon l’invention est passive et donc fiable. The reboot technique implemented in the system / method according to the invention is passive and therefore reliable.
Il est à noter que cette configuration du réacteur de dissociation pourrait aussi être mise en œuvre dans des chambres de combustion assistée par plasma pour lesquelles le contrôle de la zone réactive dans des milieux à fort écoulement peut constituer un vrai problème.It should be noted that this configuration of the dissociation reactor could also be implemented in plasma-assisted combustion chambers for which the control of the reactive zone in high-flow media can constitute a real problem.
L’étape de réamorçage passif du plasma peut en outre avantageusement comprendre, en sortie de la zone d’amorçage (1), une entrée dudit plasma dans une zone de propagation présentant une distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma, puis dans une zone d’opération stable (4) agencée pour créer un champ électrique et présentant une distance inter-électrode inférieure à la distance dans ladite zone de propagation. Le passage de la zone (1) à la zone (2) puis (3) est obtenu en utilisant avantageusement l’écoulement induit par des décharges produisant une onde de choc, dites décharges isochores. Cette onde de choc est passivement créée par les décharges isochores. The step of passive re-priming of the plasma can also advantageously comprise, at the outlet of the priming zone (1), an entry of said plasma into a propagation zone having an increasing (2) then decreasing (3) inter-electrode distance. in the direction of propagation of the plasma, then in a stable operating zone (4) arranged to create an electric field and having an inter-electrode distance less than the distance in said propagation zone. The passage from zone (1) to zone (2) then (3) is obtained by advantageously using the flow induced by discharges producing a shock wave, called isochoric discharges. This shock wave is passively created by isochoric discharges.
Un autre problème résolu dans le procédé de transformation de gaz selon l’invention est celui de la nécessité de contrôler l’écoulement gazeux au sein du réacteur plasma. Another problem solved in the gas transformation process according to the invention is that of the need to control the gas flow within the plasma reactor.
L’écoulement de gaz entrant (écoulement global) est transformé par passage dans une zone réactive (une réaction transforme les entrants en produits) qui génère son propre écoulement (écoulement induit). Si les produits de la réaction sont convectés en amont de l’écoulement global, ils peuvent être retransformés à nouveau dans la zone réactive, et le rendement énergétique chute. The incoming gas flow (overall flow) is transformed by passing through a reactive zone (a reaction transforms the inputs into products) which generates its own flow (induced flow). If the reaction products are convected upstream from the bulk flow, they can be transformed back into the reactive zone, and the energy yield drops.
Ces décharges isochores produites au cours de l’étape de dissociation entre la première électrode de polarité donnée et l’autre électrode de polarité opposée génèrent une onde de choc asymétrique contribuant à contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma. These isochoric discharges produced during the dissociation step between the first electrode of given polarity and the other electrode of opposite polarity generate an asymmetric shock wave helping to control the direction of the flow of reactive gases in the plasma discharge.
Dans un mode préféré de mise en œuvre du procédé selon l’invention, les ondes de choc sont obtenues par des décharges nanosecondes répétitives pulsées, produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée ou neutre. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the shock waves are obtained by repetitive pulsed nanosecond discharges, produced between the first electrode of given polarity and the other or other electrodes of opposite or neutral polarity.
Le contrôle de direction peut avantageusement comprendre une augmentation d’un champ électrique réduit à l’une des deux électrodes. Directional control can advantageously include an increase in a reduced electric field at one of the two electrodes.
On peut aussi prévoir un chauffage inclus dans l’une des électrodes pour produire une asymétrie du champ électrique réduit. It is also possible to provide a heater included in one of the electrodes to produce an asymmetry of the reduced electric field.
L’onde de choc provoquée par la décharge pulsée et l’expansion hydrodynamique associée ont fait l’objet de plusieurs travaux scientifiques [1] [2] [3] La nouveauté du procédé selon l’invention réside dans la stabilité du contrôle de l’écoulement obtenu. The shock wave caused by the pulsed discharge and the associated hydrodynamic expansion have been the subject of several scientific works [1] [2] [3] The novelty of the method according to the invention lies in the stability of the control of the 'flow obtained.
On rappelle que l’amorçage d’un plasma est piloté par le champ électrique réduit E/N, où E est le champ électrique et N le nombre de molécules par unité de volume. E/N est exprimé en Townsend (1 Td = 10 17 V.cm2) It is recalled that the initiation of a plasma is controlled by the reduced electric field E / N, where E is the electric field and N the number of molecules per unit of volume. E / N is expressed in Townsend (1 Td = 10 17 V.cm 2 )
L’hydrodynamique générée par une onde de choc peut prendre deux formes : The hydrodynamics generated by a shock wave can take two forms:
- un régime diffusif - un régime non diffusif, avec présence d’une éjection des gaz chauds produits par la décharge. - a diffusive regime - a non-diffusive regime, with the presence of an ejection of the hot gases produced by the discharge.
Dans l’invention, le régime doit être non diffusif. La théorie de Dumitrache [5] permet d’établir un critère pour obtenir un régime non diffusif, qui dépend du nombre adimensionné p : In the invention, the regime must be non-diffusive. Dumitrache's theory [5] makes it possible to establish a criterion to obtain a non-diffusive regime, which depends on the dimensionless number p:
E p tel que - - — > 60 E p such that - - -> 60
H d p t?2P où E est l’énergie déposée sous forme thermique dans le plasma, d la distance inter électrode, R le rayon de la décharge, P la pression du gaz. H deposit? 2 P where E is the energy deposited in thermal form in the plasma, d the inter-electrode distance, R the radius of the discharge, P the gas pressure.
En régime non diffusif, la décharge crée une onde de choc qui peut être modélisée par une onde de choc cylindrique centrée sur l’axe inter-électrode, et deux ondes de choc sphériques sensiblement centrées devant chacune des électrodes. Dans des conditions initiales axisymétriques, les ondes de choc sphériques diffusent avec la même vitesse et les gaz chauds sont éjectés selon un tore. Dans des conditions initiales non symétriques, une des deux ondes de choc est plus rapide et les gaz chauds sont éjectés du côté de l’onde de choc la plus rapide. In the non-diffusive regime, the discharge creates a shock wave which can be modeled as a cylindrical shock wave centered on the inter-electrode axis, and two spherical shock waves substantially centered in front of each of the electrodes. Under axisymmetric initial conditions, the spherical shock waves diffuse with the same speed and the hot gases are ejected according to a torus. Under non-symmetrical initial conditions, one of the two shock waves is faster and the hot gases are ejected on the side of the faster shock wave.
La vitesse de propagation d’une onde de choc est proportionnelle au gradient de pression. Dans une décharge isochore (dépôt d’énergie « temps hydrodynamiques), le gradient de pression est proportionnel au gradient de température à la fin de la décharge. Dans les décharges isochores, l’augmentation de température est due à la prédissociation d’états électroniques excités (échauffement ultrarapide). The speed of propagation of a shock wave is proportional to the pressure gradient. In isochoric discharge (energy deposition "hydrodynamic times), the pressure gradient is proportional to the temperature gradient at the end of the discharge. In isochoric discharges, the increase in temperature is due to the predissociation of excited electronic states (ultra-rapid heating).
L’excitation d’états électroniques augmente avec le champ électrique réduit E/N. Par conséquent, si l’une des deux électrodes est initialement plus chaude, le champ électrique réduit sera supérieur. Par conséquent, l’excitation donc la prédissociation sera supérieure. Par conséquent, la température dans la décharge sera supérieure, donc la pression, donc l’onde de choc sera plus rapide à cette électrode. Par conséquent, les gaz chauds seront éjectés du côté de l’électrode chaude. L’électrode restera chaude, d’où la stabilité. The excitation of electronic states increases with the reduced electric field E / N. Therefore, if one of the two electrodes is initially warmer, the reduced electric field will be greater. Therefore, the arousal therefore the predissociation will be greater. Therefore, the temperature in the discharge will be higher, therefore the pressure, so the shock wave will be faster at this electrode. As a result, hot gases will be ejected from the hot electrode side. The electrode will remain hot, hence the stability.
Dans un exemple particulier de mise en œuvre de l’invention, le chauffage de l’une des électrodes est produit directement par l’impact des ions sur ladite électrode et par la réduction de la diffusion thermique. Le chauffage d’une des deux électrodes peut être augmenté en choisissant pour cette électrode un matériau à faible diffusivité thermique Pour comprendre les mécanismes contrôlant l’écoulement induit par une seule décharge nanoseconde générée entre une paire d'électrodes et conduisant à la formation des deux régimes hydrodynamiques observés, on pourra utilement se référer au document [6]In a particular example of implementation of the invention, the heating of one of the electrodes is produced directly by the impact of the ions on said electrode and by the reduction of thermal diffusion. The heating of one of the two electrodes can be increased by choosing a material with low thermal diffusivity for this electrode. To understand the mechanisms controlling the flow induced by a single nanosecond discharge generated between a pair of electrodes and leading to the formation of the two hydrodynamic regimes observed, it is useful to refer to document [6]
Pour comprendre l’impact de la recirculation des flux de gaz sur l’évolution temporelle des espèces et la température des gaz au voisinage de la zone de décharge générant une onde de choc, on pourra utilement se référer au document [7] To understand the impact of the recirculation of gas flows on the temporal evolution of the species and the temperature of the gases in the vicinity of the discharge zone generating a shock wave, it is useful to refer to the document [7]
Pour une étude numérique de la dynamique des fluides induite par les plasmas produits par deux impulsions laser pour l’inflammation de mélanges combustibles, on pourra utilement se référer au document [8] For a numerical study of the fluid dynamics induced by the plasmas produced by two laser pulses for the ignition of combustible mixtures, it is useful to refer to the document [8]
Dans le procédé, la géométrie et les propriétés thermophysiques des électrodes sont contrôlées pour générer l’écoulement induit et pour diriger par convection les gaz sortants en dehors de la zone réactive et en aval de l’écoulement global. In the process, the geometry and thermophysical properties of the electrodes are controlled to generate the induced flow and to convect the exiting gases out of the reactive zone and downstream of the overall flow.
Une approche novatrice est également proposée pour la génération des signaux de tension appliqués aux électrodes du réacteur plasma mettant en œuvre le procédé de transformation de gaz selon l’invention. An innovative approach is also proposed for the generation of the voltage signals applied to the electrodes of the plasma reactor implementing the gas transformation process according to the invention.
En effet, il est connu que les plasmas sont caractérisés par le champ électrique réduit (E/N) appliqué dans la décharge (exprimé en Townsend : Td). Différents types de plasma (micro ondes, nanosecondes, DBD, etc.) correspondent à différentes plages de champs électriques réduits. Chaque gamme de champ électrique réduit correspond à un mode d’excitation différent de la molécule. Indeed, it is known that plasmas are characterized by the reduced electric field (E / N) applied in the discharge (expressed in Townsend: Td). Different types of plasma (microwave, nanoseconds, DBD, etc.) correspond to different ranges of reduced electric fields. Each range of reduced electric field corresponds to a different mode of excitation of the molecule.
La dissociation de molécules (C02, Hydrocarbures) par plasma requiert à la fois de générer une densité suffisante d’électrons et d’exciter ces électrons aux énergies de vibration des molécules. The dissociation of molecules (CO2, Hydrocarbons) by plasma requires both generating a sufficient density of electrons and exciting these electrons to the vibrating energies of the molecules.
La production d’électrons est obtenue par ionisation à des champs électriques forts (> 130 Td). La vibration des molécules est obtenue pour des champs électriques intermédiaires (50 - 100 Td). The production of electrons is obtained by ionization at strong electric fields (> 130 Td). The vibration of the molecules is obtained for intermediate electric fields (50 - 100 Td).
Il s’agit ainsi de combiner de manière efficace différents signaux pour obtenir une forte ionisation suivie d’une vibration des molécules par combinaison d’un puise électrique de champ réduit > 130 Td suivi d’un puise électrique de champ intermédiaire (50 - 100 Td).It is thus a matter of efficiently combining different signals to obtain a strong ionization followed by a vibration of the molecules by combining an electric pulse with a reduced field> 130 Td followed by an electric pulse with an intermediate field (50 - 100 Td).
L’étape de dissociation peut en outre comprendre une étape pour générer un signal haute tension de commande de décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension sur des temps courts pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension sur des temps moyens pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités. Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un système pour transformer un mélange gazeux, mettant en œuvre le procédé de production selon l’invention, comprenant: The dissociation step may further comprise a step for generating a high voltage signal for controlling repetitive discharges by combining a very high voltage signal over short times to ionize the gas and a high voltage signal over short times. average times to excite molecules into vibrationally excited levels. According to another aspect of the invention, there is proposed a system for transforming a gas mixture, implementing the production process according to the invention, comprising:
- un réacteur à plasma pulsé, - a pulsed plasma reactor,
- des moyens pour injecter un mélange gazeux dans ledit réacteur à plasma pulsé,- means for injecting a gas mixture into said pulsed plasma reactor,
- un étage de dissociation comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux entrant, une première électrode longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée, en regard de ladite première électrode, ladite première électrode et lesdites une ou plusieurs autres électrodes (i) définissant un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter électrode variable, et (ii) étant agencées pour soumettre ledit écoulement gazeux à des décharges isochores d façon à produire des gaz réactifs, a dissociation stage comprising said pulsed plasma reactor receiving at input said incoming gas flow, a first elongated electrode of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity, facing said first electrode, said first electrode and said one or more other electrodes (i) defining an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance, and (ii) being arranged to subject said gas flow to isochoric discharges so as to produce reactive gases,
- une interface pour évacuer les gaz réactifs produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé comprend une zone protégée de l’écoulement gazeux, dite zone d’amorçage, dont la distance inter-électrode permet un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur plasma. - an interface for evacuating the reactive gases produced to a zone where they can be cooled and / or separated and / or collected, characterized in that the pulsed plasma reactor comprises a zone protected from the gas flow, called the priming zone , whose inter-electrode distance allows passive re-ignition of the plasma in the event that the latter is blown by a continuous flow of gas into said plasma reactor.
Le réacteur à plasma pulsé selon l’invention peut en outre avantageusement comprendre : The pulsed plasma reactor according to the invention can also advantageously comprise:
- une zone de distance inter-électrode croissante puis décroissante dans la direction de propagation du plasma , dite zone de propagation, et une zone de distance inter-électrode inférieure à la distance dans ladite zone de propagation, dite zone d’opération stable, agencée pour créer un champ électrique.a zone of increasing then decreasing inter-electrode distance in the direction of propagation of the plasma, called the propagation zone, and an inter-electrode distance zone less than the distance in said propagation zone, called the stable operation zone, arranged to create an electric field.
Les décharges isochores produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée génèrent une onde de choc contribuant à contrôler la direction des gaz réactifs. The isochoric discharges produced between the first electrode of given polarity and the other electrode (s) of opposite polarity generate a shock wave that helps control the direction of the reactive gases.
La première électrode peut avantageusement présenter un effet de pointe agencé pour générer dans la zone d’opération stable un champ électrique réduit plus important que celui généré dans la zone d’amorçage ou dans la zone de propagation. The first electrode may advantageously have a peak effect arranged to generate in the stable operating zone a reduced electric field greater than that generated in the initiation zone or in the propagation zone.
La zone d’opération stable peut être soit sensiblement parallèle à la direction de l’écoulement gazeux, soit sensiblement transverse à la direction de l’écoulement gazeux. Dans cette configuration transverse, et ii l’on considère un réacteur disposé horizontalement, l’écoulement gazeux peut être soit perpendiculaire à un plan sensiblement horizontal traversant les électrodes, soit perpendiculaire à un plan sensiblement vertical traversant les électrodes. The stable operating zone can be either substantially parallel to the direction of gas flow or substantially transverse to the direction of gas flow. In this transverse configuration, and ii we consider a reactor arranged horizontally, the gas flow can be either perpendicular to a plane substantially horizontal crossing the electrodes, or perpendicular to a substantially vertical plane crossing the electrodes.
Dans une configuration préférée de l’invention, le système de transformation peut en otre comprendre des moyens pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma, lesdits moyens de contrôle de direction comprenant des moyens pour augmenter le champ électrique réduit à l’une des deux électrodes. In a preferred configuration of the invention, the transformation system may further comprise means for controlling the direction of the flow of reactive gases in the plasma discharge, said direction controlling means comprising means for increasing the reduced electric field. to one of the two electrodes.
Les moyens pour augmenter le champ électrique réduit peuvent mettre en œuvre une électrode à effet de pointe et/ou un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes. The means for increasing the reduced electric field may involve a tip effect electrode and / or a heating mechanism included in one of the electrodes.
Le système de transformation selon l’invention peut en outre comprendre des moyens pour générer un signal de haute tension supérieure à 10 kV pour commander des décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension supérieure à 130 Td sur des temps courts inférieurs à 20 ns pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension comprise entre 50 et 100 Td sur des temps longs inférieures à ls pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités. The transformation system according to the invention can further comprise means for generating a high voltage signal greater than 10 kV to control repetitive discharges by combining a very high voltage signal greater than 130 Td over short times less than 20 ns to ionize the gas and a high voltage signal of between 50 and 100 Td over long times less than 1s to excite molecules into vibrationally excited levels.
Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé une utilisation du système selon l’invention, pour produire du dihydrogène gazeux à partir de mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures, comprenant une injection desdits mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte de dihydrogène gazeux en sortie dudit réacteur à plasma pulsé. According to yet another aspect of the invention, there is provided a use of the system according to the invention, for producing hydrogen gas from mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons, comprising an injection of said mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons at the inlet of the pulsed plasma reactor, and a collection of hydrogen gas at the outlet of said pulsed plasma reactor.
Les décharges isochores peuvent avantageusement comprendre des décharges à impulsions nanosecondes répétitives (NRP). The isochoric discharges can advantageously comprise repetitive nanosecond pulse (NRP) discharges.
L’interface d’évacuation des gaz réactifs peut comprendre: un étage de refroidissement rapide desdits gaz réactifs, un étage pour séparer le dihydrogène gazeux et le monoxyde de carbone produits à l’issue du refroidissement desdits gaz réactifs. The reactive gas discharge interface may include: a stage for rapidly cooling said reactive gases, a stage for separating the hydrogen gas and carbon monoxide produced after cooling said reactive gases.
Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé une utilisation du système selon l’invention, pour produire de l’oxygène à partir de dioxyde de carbone, comprenant une injection de dioxyde de carbone en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte d’oxygène en sortie dudit réacteur à plasma pulsé. DESCRIPTION DES FIGURES According to yet another aspect of the invention, there is proposed a use of the system according to the invention, for producing oxygen from carbon dioxide, comprising an injection of carbon dioxide at the inlet of the pulsed plasma reactor, and a collection of oxygen at the outlet of said pulsed plasma reactor. DESCRIPTION OF FIGURES
On comprendra mieux l’invention à la lumière de la description illustrée par les figures ci- après : The invention will be better understood in the light of the description illustrated by the figures below:
- la figure 1 est un schéma synoptique d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ; - Figure 1 is a block diagram of a hydrogen production system according to the invention;
- la figure 2 est une vue en coupe d’un exemple de réalisation d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ; - Figure 2 is a sectional view of an exemplary embodiment of a hydrogen production system according to the invention;
- la figure 3 est une vue agrandie de la figure 2, illustrant des composants essentiels du système ; FIG. 3 is an enlarged view of FIG. 2, illustrating essential components of the system;
- la figure 4 est une vue en coupe partielle d’un exemple de réalisation d’un étage de dissociation au sein d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ; - Figure 4 is a partial sectional view of an exemplary embodiment of a dissociation stage within a hydrogen production system according to the invention;
- la figure 5 A est une vue en coupe partielle d’une première configuration de l’étage de dissociation, dans laquelle la zone stable est transverse à l’écoulement gazeux ; - Figure 5A is a partial sectional view of a first configuration of the dissociation stage, in which the stable zone is transverse to the gas flow;
- la figure 5B est une vue en coupe partielle d’une seconde configuration de l’étage de dissociation, dans laquelle la zone stable est transverse à l’écoulement gazeux ; - Figure 5B is a partial sectional view of a second configuration of the dissociation stage, in which the stable zone is transverse to the gas flow;
- la figure 6 illustre les localisations respectives des zones d’amorçage, de propagation et de stabilité au sein d’un étage de dissociation ; - Figure 6 illustrates the respective locations of the initiation, propagation and stability zones within a dissociation stage;
- la figure 7 est une vue en coupe agrandie d’un étage de dissociation, représentant des distances inter-électrodes caractéristiques ; - Figure 7 is an enlarged sectional view of a dissociation stage, showing characteristic inter-electrode distances;
- la figure 8 illustre trois exemples de profils caractéristiques procurant des variations de distance inter-électrodes au sein d’un étage de dissociation ; - Figure 8 illustrates three examples of characteristic profiles providing inter-electrode distance variations within a dissociation stage;
- la figure 9 illustre schématiquement un phénomène de réinjection de gaz chauds dans le plasma au sein d’un réacteur ; - Figure 9 schematically illustrates a phenomenon of reinjection of hot gases into the plasma within a reactor;
- la figure 10 est une vue en coupe partielle d’un étage de dissociation configuré pour éviter ce phénomène de réinjection ; - Figure 10 is a partial sectional view of a dissociation stage configured to avoid this reinjection phenomenon;
- la figure 11 illustre trois exemples de réalisation d’électrodes axiales adaptées pour éviter ce phénomène de réinjection ; - Figure 11 illustrates three embodiments of axial electrodes adapted to avoid this phenomenon of reinjection;
- la figure 12 est un schéma synoptique d’un dispositif de génération d’un signal mixte d’alimentation des électrodes d’un système de production de dihydrogène selon l’invention ; et FIG. 12 is a block diagram of a device for generating a mixed signal for supplying the electrodes of a dihydrogen production system according to the invention; and
- la figure 13 est un schéma électrique d’un exemple pratique de réalisation du dispositif générateur de la figure 12. DESCRIPTION D’EXEMPLES DE REALISATION DE L’INVENTION Un système S de production de gaz dihydrogène selon l’invention comprend, en référence aux figures 1 et 2, un étage de dissociation DI recevant en entrée un flux gazeux tel qu’un mélange de méthane CEE et de gaz carbonique CO2, un étage de refroidissement ultrarapide FQ (« Fast Quenching »), suivi d’un étage de séparation SE du gaz dihydrogène H2 et du gaz monoxyde de carbone CO. - Figure 13 is an electrical diagram of a practical embodiment of the generator device of Figure 12. DESCRIPTION OF EXAMPLES OF EMBODIMENT OF THE INVENTION A system S for producing hydrogen gas according to the invention comprises, with reference to FIGS. 1 and 2, a dissociation stage DI receiving as input a gas flow such as a mixture of methane. CEE and CO2 carbon dioxide, an FQ (“Fast Quenching”) ultra-rapid cooling stage, followed by an SE separation stage of the hydrogen gas H2 and carbon monoxide gas CO.
A titre d’exemple pratique, le flux gazeux traité par ce système de production peut être d’environ 0,2 m3/h soit~3,5 litres/mn. As a practical example, the gas flow treated by this production system can be about 0.2 m 3 / h or ~ 3.5 liters / min.
On peut prévoir pour la stœchiométrie des intrants gazeux C02 :CH4, un rapport 50:50 à 30:70 correspondant à un mélange de type biogaz ; et 0:100 pour le méthane pur. For the stoichiometry of the CO2: CH4 gaseous inputs, it is possible to provide a 50:50 to 30:70 ratio corresponding to a mixture of the biogas type; and 0: 100 for pure methane.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, un exemple pratique de réalisation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention. With reference to FIG. 3, a practical example of the production of a hydrogen gas production system according to the invention will now be described.
L’étage de dissociation 10 comprend une structure 12, de forme cylindrique et réalisée dans un alliage inox/alu, comportant une entrée 21 pour un flux gazeux (CEE, CO2) entrant et définissant une première chambre 20 contenant une première électrode 13 faisant fonction d’anode en vis-à-vis d’une seconde électrode 15 faisant fonction de cathode disposée au milieu d’un orifice 26 de sortie de la première chambre 20. Cette cathode peut être réalisée en tungstène. L’étage de dissociation 10 est en outre pourvu d’un connecteur 11 qui contient un câble d’alimentation de l’électrode 13. La structure 12 contient un bloc isolant 14 disposé pour éviter toute survenue d’un arc électrique du fait de l’alimentation à haute tension de l’électrode 13. The dissociation stage 10 comprises a structure 12, of cylindrical shape and made of a stainless steel / aluminum alloy, comprising an inlet 21 for a gas flow (EEC, CO2) entering and defining a first chamber 20 containing a first electrode 13 acting. anode opposite a second electrode 15 acting as a cathode arranged in the middle of an outlet 26 of the first chamber 20. This cathode can be made of tungsten. The dissociation stage 10 is further provided with a connector 11 which contains a power cable for the electrode 13. The structure 12 contains an insulating block 14 arranged to prevent any occurrence of an electric arc due to the 'high voltage supply to the electrode 13.
L’orifice de sortie 26 permet aux gaz dissociés de pénétrer dans la zone de refroidissement FQ constituée d’une seconde chambre 27 définie par une structure 23 de forme extérieure cylindrique et de forme intérieure conique procurant une augmentation continue du diamètre intérieur d’écoulement depuis l’orifice 26 jusqu’à la sortie de la zone de refroidissement FQ. The outlet 26 allows the dissociated gases to enter the cooling zone FQ consisting of a second chamber 27 defined by a structure 23 of cylindrical exterior shape and taper interior shape providing a continuous increase in the inside flow diameter from orifice 26 up to the outlet of the cooling zone FQ.
En référence aux figures 2 et 3, le troisième étage SE du système de production de gaz dihydrogène 1 comporte une structure cylindrique 24 couplée mécaniquement à la sortie de l’étage de refroidissement FQ et un conduit d’évacuation radial 22. La chambre de séparation 19 à l’intérieur de la structure 24 est traversée axialement par une tige 25 d’alimentation électrique comportant à son extrémité l’électrode 15 s’étendant dans la chambre de dissociation 20. On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 8, des exemples pratiques de réalisation de l’étage de dissociation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention. Referring to Figures 2 and 3, the third stage SE of the hydrogen gas production system 1 comprises a cylindrical structure 24 mechanically coupled to the outlet of the cooling stage FQ and a radial discharge duct 22. The separation chamber 19 inside the structure 24 is crossed axially by an electrical supply rod 25 comprising at its end the electrode 15 extending into the dissociation chamber 20. A description will now be given, with reference to FIGS. 4 to 8, of practical examples of embodiments of the dissociation stage of a system for producing hydrogen gas according to the invention.
Cet étage de dissociation 40 comprend une anode 13 présentant une forme effilée et pointue à son extrémité et une cathode 15, en vis-à-vis de l’anode 13, présentant une extrémité sensiblement arrondie et électriquement reliée à la paroi interne de la chambre de dissociation. This dissociation stage 40 comprises an anode 13 having a tapered and pointed shape at its end and a cathode 15, facing the anode 13, having a substantially rounded end and electrically connected to the internal wall of the chamber. of dissociation.
En référence aux figures 4 et 6, trois zones caractéristiques peuvent être identifiées au sein de l’étage de dissociation : une zone dite d’amorçage I,AMO correspondant à une distance inter-électrode minimale, une zone de début de propagation 2 où le plasma se trouve juste après l’amorçage et dans laquelle la distance inter-électrodes est croissante dans la direction de propagation du plasma , puis une zone de propagation 3,PRO, dans laquelle la distance inter-électrodes est décroissante, suivie d’une zone de stabilité 4,STA située entre la pointe de l’anode 13 et l’extrémité de la cathode 15. With reference to FIGS. 4 and 6, three characteristic zones can be identified within the dissociation stage: a so-called starting zone I, AMO corresponding to a minimum inter-electrode distance, a zone at the start of propagation 2 where the plasma is located just after initiation and in which the inter-electrode distance is increasing in the direction of plasma propagation, then a propagation zone 3, PRO, in which the inter-electrode distance is decreasing, followed by a zone of stability 4, STA located between the tip of the anode 13 and the end of the cathode 15.
Le bloc isolant 14 disposé en amont de la zone d’amorçage 1 a deux fonctions : il empêche la survenue d’un arc électrique et il crée cette zone 1 protégée du flux continu de gaz 5 dans laquelle l’amorçage va se faire. The insulating block 14 disposed upstream of the priming zone 1 has two functions: it prevents the occurrence of an electric arc and it creates this zone 1 protected from the continuous flow of gas 5 in which the priming will take place.
Comme l’illustre la figure 7, la distance inter-électrodes est variable, croissante puis décroissante, allant d’une valeur dl minimale dans la zone d’amorçage 1 jusqu’à une valeur d4 dans la zone de stabilité 4 entre la pointe de l’électrode 13 et l’extrémité de l’électrode 15. As illustrated in FIG. 7, the inter-electrode distance is variable, increasing then decreasing, ranging from a minimum value dl in the ignition zone 1 to a value d4 in the stability zone 4 between the point of electrode 13 and the end of electrode 15.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 5A et 5B, deux configurations d’un étage de dissociation d’un système de transformation de gaz selon l’invention, dans lesquelles le flux gazeux est transverse au dispositif d’électrodes. With reference to FIGS. 5A and 5B, two configurations of a dissociation stage of a gas transformation system according to the invention will now be described, in which the gas flow is transverse to the electrode device.
Dans une première configuration particulière de l’étage de dissociation 50A d’un réacteur disposé horizontalement, illustrée par la figure 5A sur laquelle les traits en pointillé délimitent la zone de flux, le flux gazeux 55 A s’écoule perpendiculairement au plan horizontal du dispositif d’électrodes 53,57. La zone d’amorçage 1 est située hors écoulement du flux 55 A et est donc protégée de ce flux. Lors de la décharge en zone 1, chaque étincelle peut faire basculer l’écoulement induit, soit vers la gauche, soit vers la droite. La fréquence des impulsions étant élevée (de l’ordre de 1000 impulsions par seconde) , il suffît d’attendre l’étincelle qui permet l’écoulement vers la droite (au sens de vers le dispositif d’électrodes 53,57), pour qu’il y ait un amorçage correct. On peut aussi prévoir une petite dérivation du flux pour entraîner le plasma vers le dispositif d’électrodes 53,57. Cet écoulement induit va permettre de placer le plasma en zone de début de propagation 2 dans le flux 55 A, puis le plasma va lentement se déplacer sur la zone de propagation 3 jusqu’à la zone de stabilité 4. In a first particular configuration of the dissociation stage 50A of a reactor arranged horizontally, illustrated by FIG. 5A in which the dotted lines delimit the flow zone, the gas flow 55 A flows perpendicularly to the horizontal plane of the device. of electrodes 53,57. The initiation zone 1 is located outside the flow of the flow 55 A and is therefore protected from this flow. During the discharge in zone 1, each spark can switch the induced flow, either to the left or to the right. The frequency of the pulses being high (of the order of 1000 pulses per second), it suffices to wait for the spark which allows the flow to the right (in the direction of towards the device of electrodes 53,57), to that there is a correct priming. Can also provide a small bypass of the flux to drive the plasma to the electrode device 53,57. This induced flow will make it possible to place the plasma in the start of propagation zone 2 in the flow 55 A, then the plasma will slowly move over the propagation zone 3 to the stability zone 4.
Dans une seconde configuration particulière de l’étage de dissociation 50B d’un réacteur disposé horizontalement, illustrée par la figure 5B, le flux gazeux 55B s’écoule perpendiculairement au plan vertical du dispositif d’électrodes 53,57. In a second particular configuration of the dissociation stage 50B of a horizontally disposed reactor, illustrated in FIG. 5B, the gas flow 55B flows perpendicularly to the vertical plane of the electrode device 53,57.
Plusieurs profils de la zone de propagation peuvent être envisagés comme l’illustre la figure 8. L’efficacité du profil dépend du rapport dl/d4 et du nombre p (lié au régime non-diffusif) qui sont choisis en fonction de la fréquence et de la température. Several profiles of the propagation zone can be considered as illustrated in figure 8. The efficiency of the profile depends on the dl / d4 ratio and the number p (linked to the non-diffusive regime) which are chosen as a function of the frequency and of the temperature.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 9 à 11, des modes de réalisation d’un système de production de gaz dihydrogène selon l’invention, permettant de résoudre le problème de la réinjection des gaz produits dans le plasma tel que schématiquement illustré en figure 9. A description will now be given, with reference to FIGS. 9 to 11, of embodiments of a system for producing hydrogen gas according to the invention, making it possible to solve the problem of the reinjection of the gases produced into the plasma as schematically illustrated in FIG. figure 9.
Pour réaliser le contrôle de l’écoulement gazeux dans le réacteur , le système de production de gaz selon l’invention comprend ainsi : deux électrodes 13,15 en regard l’une de l’autre, comme représenté en figure 10, définissant une zone inter-électrode dans laquelle est créé un champ électrique entre les deux électrodes pour produire une décharge plasma génératrice d’une onde de choc, ci-après dite décharge isochore ; To control the gas flow in the reactor, the gas production system according to the invention thus comprises: two electrodes 13, 15 facing each other, as shown in FIG. 10, defining a zone inter-electrode in which an electric field is created between the two electrodes to produce a plasma discharge generating a shock wave, hereinafter called isochoric discharge;
- une zone réactive dans laquelle on favorise un champ réduit élevé à l’une des deux électrodes, par utilisation d’une électrode à effet de pointe, avec une augmentation de la température, par un mécanisme de chauffage inclus dans l’électrode 13 et par la réduction de mécanismes de refroidissement autour de l’électrode. - a reactive zone in which a high reduced field is promoted at one of the two electrodes, by use of a peak effect electrode, with an increase in temperature, by a heating mechanism included in the electrode 13 and by reducing cooling mechanisms around the electrode.
L’onde de choc est passivement créée par les décharges isochores. The shock wave is passively created by isochoric discharges.
On va maintenant décrire des profils géométriques possibles pour les zones d’amorçage, de propagation et de stabilisation au sein d’un réacteur à plasma pulsé d’un système de transformation d’un mélange de gaz selon l’invention. We will now describe possible geometric profiles for the initiation, propagation and stabilization zones within a pulsed plasma reactor of a system for transforming a gas mixture according to the invention.
Il est tout d’abord important de noter qu’un modèle de propagation idéal unidimensionnel (1D) est un profil droit formant un angle a avec la direction de propagation, l’angle a idéal dépendant de la fréquence des pulsations et de la température atteinte. Mais l’amorçage à son début doit jouer sur l’effet de pointe, alors que pour stabiliser en fin de processus, il faut réduire l’espace inter-électrode. Un profil théorique idéal [amorçage + propagation + stabilisation] serait donc une combinaison d'une pointe et de deux lignes brisées. Comme un tel profil théorique est en pratique difficile à usiner, un profil utilisant les mêmes tangentes que ce profil idéal a été utilisé. It is first of all important to note that a one-dimensional (1D) ideal propagation model is a straight profile forming an angle a with the direction of propagation, the ideal angle a depending on the frequency of the pulses and the temperature reached . But the priming at its beginning must play on the peak effect, whereas to stabilize at the end of the process, the inter-electrode space must be reduced. An ideal theoretical profile [initiation + propagation + stabilization] would therefore be a combination of a point and two broken lines. As such a theoretical profile is in practice difficult to machine, a profile using the same tangents as this ideal profile was used.
Dans ce contexte, trois géométries de cathode prévues pour assurer un contrôle de l’écoulement sont représentées sur la figure 11, avec pour objectif de satisfaire les contraintes suivantes : ne pas bloquer la direction de l’écoulement, prévoir une pièce de cathode remplaçable, et être facilement usinable. In this context, three cathode geometries intended to ensure flow control are shown in Figure 11, with the objective of satisfying the following constraints: not blocking the direction of the flow, providing a replaceable cathode part, and be easily machinable.
Dans une première géométrie (11.1), la cathode 15.1 a la forme d’une pointe à l’extrémité de la tige 25. Dans une seconde géométrie (11.2), la cathode 15.2 à une forme de disque ajouré disposé dans la partie de plus petit diamètre de la zone de refroidissement rapide. Dans une seconde géométrie (11.3), la cathode 15.3 a une géométrie complexe s’étendant depuis la zone d’amorçage jusqu’à la zone de stabilité. Ces cathodes 15.2 ou 15.3 peuvent être réalisées en matériau Tungstène en utilisant des machines de prototypage additif. Dans un mode de fonctionnement préféré, le plasma pulsé générant une onde de choc est généré par des impulsions Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP), avec une tension de 10 kV et une fréquence de répétition dans une gamme de 5 à 500 kHz, préférentiellement entre 10 et 100 kHz. In a first geometry (11.1), the cathode 15.1 has the shape of a point at the end of the rod 25. In a second geometry (11.2), the cathode 15.2 has the shape of a perforated disc arranged in the part of more small diameter of the rapid cooling zone. In a second geometry (11.3), the cathode 15.3 has a complex geometry extending from the initiation zone to the zone of stability. These cathodes 15.2 or 15.3 can be made of tungsten material using additive prototyping machines. In a preferred mode of operation, the pulsed plasma generating a shock wave is generated by Pulse Repetitive Nanosecond (NRP) pulses, with a voltage of 10 kV and a repetition frequency in a range of 5 to 500 kHz, preferably between 10 and 100 kHz.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 12 et 13, un exemple de réalisation d’un système pour générer des signaux de tension qui sont appliqués aux électrodes du réacteur plasma d’un système de production de gaz selon l’invention. Les signaux de tension résultent d’une combinaison de signaux haute tensions de forme variable pour la production de décharges plasma, de façon à exciter différents modes d’énergie d’une molécule pour obtenir un effet chimique désirable. With reference to FIGS. 12 and 13, an exemplary embodiment of a system for generating voltage signals which are applied to the electrodes of the plasma reactor of a gas production system according to the invention will now be described. Voltage signals result from a combination of high voltage signals of varying shapes for the production of plasma discharges, so as to excite different energy modes of a molecule to achieve a desirable chemical effect.
Dans le système de génération de signaux 30, on combine ainsi un signal de très haute tension (> 130 Td) sur des temps courts (0-20 ns), dit impulsion courte, pour ioniser le gaz avec un signal de haute tension (50 - 100 Td) sur des temps longs (0-1 s), dit impulsion longue pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnels. L’impulsion longue est générée par un module générateur d’impulsion longue 31 , et l’impulsion courte est générée par un module NRP 32. Les deux signaux sont combinés avec un module de mixage 33. Le système de génération 30 comprend : In the signal generation system 30, a very high voltage signal (> 130 Td) over short times (0-20 ns), called a short pulse, is thus combined to ionize the gas with a high voltage signal (50 - 100 Td) over long times (0-1 s), called long pulse to excite molecules in vibrational levels. The long pulse is generated by a long pulse generator module 31, and the short pulse is generated by an NRP module 32. The two signals are combined with a mixer module 33. The generation system 30 comprises:
- un module DC 31 générant une impulsion haute tension de durée 0 - ls, ci-après dit impulsion longue, pourvue d’une adaptation d’impédance, - un module NRP 32 générant une impulsion haute tension de durée 0 - 20 ns, ci- après dit impulsion courte, pourvue d’une adaptation d’impédance, - a DC module 31 generating a high voltage pulse of duration 0 - ls, hereinafter called long pulse, provided with an impedance adaptation, - an NRP 32 module generating a high voltage pulse of duration 0 - 20 ns, hereinafter referred to as a short pulse, provided with an impedance matching,
- un module 33 de mixage entre impulsion courte et impulsion longue, des sondes de tension 34 délivrant des informations relatives aux signaux effectivement appliqués sur les électrodes du réacteur 10. a module 33 for mixing between short pulse and long pulse, voltage probes 34 delivering information relating to the signals actually applied to the electrodes of the reactor 10.
Le module générateur d’impulsion longue 31 est équipé d’une protection réalisée par un filtre passe-bas de premier ordre, tandis que le module générateur d’impulsion courte 32 est équipé d’une protection réalisée par un filtre passe-haut de deuxième ordre. The long pulse generator module 31 is equipped with a protection realized by a first order low pass filter, while the short pulse generator module 32 is equipped with a protection realized by a second high pass filter. order.
Le module générateur d’impulsion courte 32 fournit un champ électrique réduit > 100 Td et de durée 0 - 20 ns, tandis que le module générateur d’impulsion longue 31 fournit un champ électrique réduit de 50 - 100 Td et de durée 0 - ls. The short pulse generator module 32 provides a reduced electric field> 100 Td and duration 0 - 20 ns, while the long pulse generator module 31 provides a reduced electric field of 50 - 100 Td and duration 0 - ls .
Le système générateur de signaux 30 est défini pour que le champ électrique réduit de l’impulsion longue soit en dessous du seuil d’ionisation. Le plasma est en régime sous- critique. The signal generator system 30 is defined so that the reduced electric field of the long pulse is below the ionization threshold. The plasma is in a subcritical regime.
A partir de calculs cinétiques, on obtient ; champ E/N optimal : 50 Td soit 4 kV/cm à une température de 900 K et 3 kV/cm à une température de 1200 K. From kinetic calculations, we obtain; optimal E / N field: 50 Td i.e. 4 kV / cm at a temperature of 900 K and 3 kV / cm at a temperature of 1200 K.
Plages cibles : tension [1 - 4 kV], et [0.5 - 30 A] Target ranges: voltage [1 - 4 kV], and [0.5 - 30 A]
Dans un premier exemple, le générateur d’impulsion longue 31 est un générateur DC de tension 3 kV et de courant maximal 1 A, et le générateur d’impulsion courte 32 est un générateur haute tension NRP de tension 10 kV. Le circuit NRP est protégé du DC et le circuit DC est protégé du NRP. In a first example, the long pulse generator 31 is a DC generator of voltage 3 kV and maximum current 1 A, and the short pulse generator 32 is a high voltage NRP generator of voltage 10 kV. The NRP circuit is protected from DC and the DC circuit is protected from NRP.
Dans un autre exemple, le générateur d’impulsion courte 32 est un générateur nanoseconde d’impulsion 10 ns, et le générateur d’impulsion longue 31 est un générateur pulsé d’impulsions 1 ps. In another example, the short pulse generator 32 is a 10 ns pulse nanosecond generator, and the long pulse generator 31 is a 1 µs pulse pulse generator.
La présente invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits et de nombreux autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. En particulier, la technique de réamorçage exposée dans la présente invention pourrait aussi être mise en œuvre dans un système de combustion assistée par plasma ou pour des scramjets (statoréacteur à combustion supersonique). REFERENCES The present invention is not limited to the exemplary embodiments which have just been described and numerous other embodiments can be envisaged without departing from the scope of the invention. In particular, the re-ignition technique disclosed in the present invention could also be implemented in a plasma-assisted combustion system or for scramjets (supersonic combustion ramjet). REFERENCES
[1] « Experimental study of the hydrodynamic expansion following a nanosecond repetitively pulsed discharge in air » (2011) Da A. Xu , Deanna A. Lacoste , Diane L. Rusterholtz , Paul-Quentin Elias , Gabi D. Stancu et Christophe O. Laux. [1] “Experimental study of the hydrodynamic expansion following a nanosecond repetitively pulsed discharge in air” (2011) Da A. Xu, Deanna A. Lacoste, Diane L. Rusterholtz, Paul-Quentin Elias, Gabi D. Stancu and Christophe O. Laux.
[2] « Simulation of the hydrodynamic expansion following a nanosecond pulsed spark discharge in air at atmospheric pressure » (2013) Fabien Tholin et Anne Bourdon. [2] “Simulation of the hydrodynamic expansion following a nanosecond pulsed spark discharge in air at atmospheric pressure” (2013) Fabien Tholin and Anne Bourdon.
[3] Hydrodynamic Régimes Induced by Nanosecond Pulsed Discharges in Air: Mechanism of Vorticity Génération, (2019) Ciprian Dumitrache 1 , Arnaud Gallant , Nicolas Minesi , Sergey Stepanyan , Gabi D Stancu et Christophe O Laux. [3] Hydrodynamic Régimes Induced by Nanosecond Pulsed Discharges in Air: Mechanism of Vorticity Generation, (2019) Ciprian Dumitrache 1, Arnaud Gallant, Nicolas Minesi, Sergey Stepanyan, Gabi D Stancu and Christophe O Laux.
[4] Dumitrache, C.; Yalin, A.P. Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Plasma; In 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting; American Institute of Aeronautics and Astronautics: Reston, Virginia, 2018, 10.2514/6.2018-0689. [4] Dumitrache, C .; Yalin, A.P. Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Plasma; In 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting; American Institute of Aeronautics and Astronautics: Reston, Virginia, 2018, 10.2514 / 6.2018-0689.
[5] Dumitrache, C.; Galant, A.; Minesi, N.; Stepanyan, S.; Stancu, G.-D.; Laux, C.O. Hydrodynamic régimes in NRP discharges (in préparation). Journal of Physics D: Applied Physics 2019. [5] Dumitrache, C .; Galant, A .; Minesi, N .; Stepanyan, S .; Stancu, G.-D .; Laux, C.O. Hydrodynamic regimes in NRP discharges (in preparation). Journal of Physics D: Applied Physics 2019.
[6] Two Régime Cooling in Flow Induced by a Spark Discharge. Bhavini Singh, Lalit K. Rajendran, Pavlos P. Vlachos, and Sally P. M. Bane. Phys. Rev. Fluids 5, 014501 - Published 14 January 2020. [6] Two Regime Cooling in Flow Induced by a Spark Discharge. Bhavini Singh, Lalit K. Rajendran, Pavlos P. Vlachos, and Sally P. M. Bane. Phys. Rev. Fluids 5, 014501 - Published 14 January 2020.
[7] A 3-D DNS and experimental study of the effect of the recirculating flow pattern inside a reactive kernel produced by nanosecond plasma discharges in a methane-air mixture Maria Castela , Sergey Stepanyan (2017). [7] A 3-D DNS and experimental study of the effect of the recirculating flow pattern inside a reactive kernel produced by nanosecond plasma discharges in a methane-air mixture Maria Castela, Sergey Stepanyan (2017).
[8] Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Laser Plasma, Ciprian Dumitrache , Azer Yalin (2018). [9] Mao et al 2018, “Numerical modeling of ignition enhancement of CH4/02/He mixtures using a hybrid répétitive nanosecond and DC discharge”, doi/ 10.1016/j.proci.2018.05.106. [8] Numerical Modeling of the Hydrodynamics Induced by Dual-Pulse Laser Plasma, Ciprian Dumitrache, Azer Yalin (2018). [9] Mao et al 2018, “Numerical modeling of ignition enhancement of CH4 / 02 / He mixtures using a hybrid repetitive nanosecond and DC discharge”, doi / 10.1016 / j.proci.2018.05.106.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour produire des gaz à partir d’un mélange de gaz, comprenant : une étape pour injecter un mélange gazeux dans un réacteur à plasma pulsé (10), une étape de dissociation dudit mélange gazeux, mettant en œuvre des décharges isochores entre une première électrode (15) longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée (13) en regard de ladite première électrode (15), une étape pour évacuer les gaz réactifs produits à partir de ladite étape de dissociation, vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés, caractérisé en ce que ladite première électrode (15) et lesdites une ou plusieurs autres électrodes définissent un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter électrode variable et composé d’une zone d’amorçage (1) et de deux autres zones, et en ce que ladite étape de dissociation comprend, dans le cas où le plasma produit dans ledit réacteur (10) serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur (10), une étape pour procurer un réamorçage passif dudit plasma, ladite étape de réamorçage passif étant réalisée dans la zone d’amorçage (1, AMO) procurant une zone protégée dudit flux continu de gaz (5) et présentant une distance inter-électrode permettant un allumage du plasma à l’abri dudit flux continu de gaz (5). 1. A method for producing gases from a gas mixture, comprising: a step for injecting a gas mixture into a pulsed plasma reactor (10), a step for dissociating said gas mixture, implementing isochoric discharges between a first elongate electrode (15) of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity (13) facing said first electrode (15), a step for evacuating the reactive gases produced from said dissociation step , to an area where they can be cooled and / or separated and / or collected, characterized in that said first electrode (15) and said one or more other electrodes define an inter-electrode space characterized by a variable inter-electrode distance and composed an initiation zone (1) and two other zones, and in that said dissociation step comprises, in the event that the plasma produced in said reactor (10) is blown by a continuous flow of gas in said reactor (10), a step for providing passive re-priming of said plasma, said passive re-priming step being carried out in the priming zone (1, AMO) providing a zone protected from said continuous flow of gas (5) and having a distance inter-electrode allowing ignition of the plasma protected from said continuous flow of gas (5).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de réamorçage passif du plasma comprend en outre, en sortie de la zone d’amorçage (1, AMO), une entrée dudit plasma dans une zone de propagation (2 et 3, PRO) présentant une distance inter électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma, puis dans une zone d’opération stable (4, STA) agencée pour créer un champ électrique et présentant une distance inter-électrode (d4) inférieure à la distance dans ladite zone de propagation (PRO). 2. Method according to claim 1, characterized in that the step of passive re-priming of the plasma further comprises, at the outlet of the priming zone (1, AMO), an inlet of said plasma in a propagation zone (2 and 3, PRO) having an increasing inter-electrode distance (2) then decreasing (3) in the direction of propagation of the plasma, then in a stable operating zone (4, STA) arranged to create an electric field and having an inter-electrode distance -electrode (d 4 ) less than the distance in said propagation zone (PRO).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que des décharges isochores produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre électrode de polarité opposée génèrent une onde de choc contribuant à contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs. 3. Method according to claim 2, characterized in that isochoric discharges produced between the first electrode of given polarity and the other electrode of opposite polarity generate a shock wave helping to control the direction of the flow of reactive gases.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’étape de dissociation comprend en outre une production d’une onde de choc asymétrique créée par une décharge plasma entre les deux électrodes, pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma. 4. Method according to claim 1, characterized in that the dissociation step further comprises producing an asymmetric shock wave created by a plasma discharge between the two electrodes, to control the direction of the flow of the reactive gases. in the plasma discharge.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le contrôle de direction comprend une augmentation d’un champ électrique réduit à l’une des deux électrodes (13,15). 5. Method according to claim 4, characterized in that the direction control comprises an increase in a reduced electric field at one of the two electrodes (13,15).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un chauffage inclus dans l’une des électrodes (13,15), pour produire une asymétrie du champ électrique réduit. 6. Method according to claim 5, characterized in that it further comprises a heater included in one of the electrodes (13,15), to produce an asymmetry of the reduced electric field.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de dissociation comprend en outre une étape pour générer un signal de haute tension supérieure à 10 kV pour commander der décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension supérieure à 130 Td sur des temps courts inférieurs à 20 ns pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension compris entre 50 et 100 Td sur des temps longs inférieurs à ls pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités. 7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the dissociation step further comprises a step for generating a high voltage signal greater than 10 kV to control der repetitive discharges by combining a very high voltage signal. high voltage greater than 130 Td over short times less than 20 ns to ionize the gas and a high voltage signal of between 50 and 100 Td over long times less than ls to excite molecules to vibrationally excited levels.
8. Système (S) pour transformer un gaz, mettant en œuvre le procédé de production selon Tune quelconque des revendications précédentes, comprenant : un réacteur à plasma pulsé (10), des moyens (21) pour inj ecter un mélange gazeux dans ledit réacteur à plasma pulsé (10), de façon à procurer un écoulement gazeux entrant sensiblement continu dans ledit réacteur à plasma pulsé (10), un étage de dissociation (DI) comprenant ledit réacteur à plasma pulsé recevant en entrée ledit écoulement gazeux entrant, une première électrode (15) longiligne d’une polarité donnée et une ou plusieurs autres électrodes de la polarité opposée (13), en regard de ladite première électrode, ladite première électrode (15) et lesdites une ou plusieurs autres électrodes (i) définissant un espace inter-électrode caractérisé par une distance inter-électrode variable, et (ii) étant agencées pour soumettre ledit écoulement gazeux à des décharges isochores de façon à produire des gaz réactifs, 8. System (S) for transforming a gas, implementing the production method according to any one of the preceding claims, comprising: a pulsed plasma reactor (10), means (21) for injecting a gas mixture into said reactor. pulsed plasma (10), so as to provide a substantially continuous incoming gas flow into said pulsed plasma reactor (10), a dissociation stage (DI) comprising said pulsed plasma reactor receiving as input said incoming gas flow, a first elongated electrode (15) of a given polarity and one or more other electrodes of the opposite polarity (13), facing said first electrode, said first electrode (15) and said one or more other electrodes (i) defining a space inter-electrode characterized by a variable inter-electrode distance, and (ii) being arranged to subjecting said gas flow to isochoric discharges so as to produce reactive gases,
- une interface pour évacuer les gaz réactifs produits vers une zone où ils pourront être refroidis et/ou séparés et/ou collectés, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé comprend une zone protégée de l’écoulement gazeux, dite zone d’amorçage (1), dont la distance inter-électrode (di) permet un réamorçage passif du plasma dans le cas où ce dernier serait soufflé par un flux continu de gaz dans ledit réacteur plasma (10). - an interface for evacuating the reactive gases produced to a zone where they can be cooled and / or separated and / or collected, characterized in that the pulsed plasma reactor comprises a zone protected from the gas flow, called the priming zone (1), the inter-electrode distance (di) of which allows passive re-ignition of the plasma in the event that the latter is blown by a continuous flow of gas into said plasma reactor (10).
9. Système (S) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le réacteur à plasma pulsé9. System (S) according to claim 8, characterized in that the pulsed plasma reactor
(10) comprend en outre : (10) further includes:
- une zone de distance inter-électrode croissante (2) puis décroissante (3) dans la direction de propagation du plasma , dite zone de propagation (2,3), et une zone de distance inter-électrode (cU) inférieure à la distance dans ladite zone de propagation, dite zone d’opération stable (4), agencée pour créer un champ électrique E. - a zone of increasing inter-electrode distance (2) then decreasing (3) in the direction of propagation of the plasma, called the propagation zone (2,3), and a zone of inter-electrode distance (cU) less than the distance in said propagation zone, called stable operation zone (4), arranged to create an electric field E.
10. Système (S) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les décharges isochores produites entre la première électrode de polarité donnée et l’autre ou les autres électrodes de polarité opposée génèrent une onde de choc contribuant à contrôler la direction des gaz réactifs. 10. System (S) according to claim 9, characterized in that the isochoric discharges produced between the first electrode of given polarity and the other or other electrodes of opposite polarity generate a shock wave contributing to control the direction of the reactive gases. .
11. Système (S) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première électrode présente un effet de pointe agencé pour générer dans la zone d’opération stable (STA) un champ électrique réduit plus important que celui généré dans la zone d’amorçage (AMO) ou dans la zone de propagation (PRO). 11. System (S) according to claim 10, characterized in that the first electrode has a peak effect arranged to generate in the stable operation zone (STA) a reduced electric field greater than that generated in the zone of. priming (AMO) or in the propagation zone (PRO).
12. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est sensiblement parallèle à la direction de l’écoulement gazeux . 12. System according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the stable operating zone (STA) is substantially parallel to the direction of the gas flow.
13. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la zone d’opération stable (STA) est sensiblement transverse à la direction de l’écoulement gazeux. 13. System according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the stable operation zone (STA) is substantially transverse to the direction of the gas flow.
14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l’écoulement gazeux (55 A) est perpendiculaire à un plan sensiblement horizontal traversant les électrodes (53,57). 14. System according to claim 13, characterized in that the gas flow (55 A) is perpendicular to a substantially horizontal plane passing through the electrodes (53,57).
15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l’écoulement gazeux (55 B) est perpendiculaire à un plan sensiblement vertical traversant les électrodes (53,57). 15. System according to claim 13, characterized in that the gas flow (55 B) is perpendicular to a substantially vertical plane passing through the electrodes (53,57).
16. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour contrôler la direction de l’écoulement des gaz réactifs dans la décharge plasma, lesdits moyens de contrôle de direction comprenant des moyens pour augmenter le champ électrique réduit à l’une des deux électrodes. 16. System (S) according to any one of claims 8 to 15, characterized in that it further comprises means for controlling the direction of the flow of reactive gases in the plasma discharge, said direction control means comprising means for increasing the reduced electric field at one of the two electrodes.
17. Système (S) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens pour augmenter le champ électrique réduit mettent en œuvre une électrode à effet de pointe. 17. System (S) according to the preceding claim, characterized in that the means for increasing the reduced electric field implement a peak effect electrode.
18. Système (S) selon l’une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que les moyens pour augmenter le champ électrique réduit mettent en œuvre un mécanisme de chauffage inclus dans l’une des électrodes. 18. System (S) according to one of claims 16 or 17, characterized in that the means for increasing the reduced electric field implement a heating mechanism included in one of the electrodes.
19. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 8 à 18, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens (30) pour générer un signal de haute tension supérieure à 10 kV pour commander des décharges répétitives par combinaison d’un signal de très haute tension supérieure à 130 Td sur des temps courts inférieurs à 20 ns pour ioniser le gaz et d’un signal de haute tension comprise entre 50 et 100 Td sur des temps longs inférieures à ls pour exciter les molécules dans des niveaux vibrationnellement excités. 19. System (S) according to any one of claims 8 to 18, characterized in that it further comprises means (30) for generating a high voltage signal greater than 10 kV to control repetitive discharges by combining d '' a very high voltage signal greater than 130 Td over short times of less than 20 ns to ionize the gas and a high voltage signal of between 50 and 100 Td over long times less than ls to excite the molecules in vibrationally excited levels.
20. Utilisation du système (S) selon Tune quelconque des revendications 8 à 19, pour produire du dihydrogène gazeux à partir de mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures, comprenant une injection desdits mélanges hydrocarbures et C02 ou d’hydrocarbures en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte de dihydrogène gazeux en sortie dudit réacteur à plasma pulsé 20. Use of the system (S) according to any one of claims 8 to 19, for producing hydrogen gas from mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons, comprising an injection of said mixtures of hydrocarbons and CO 2 or of hydrocarbons at the inlet of the reactor. pulsed plasma, and a collection of hydrogen gas at the outlet of said pulsed plasma reactor
21. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les décharges isochores comprennent des décharges à impulsions nanosecondes répétitives (NRP). 21. Use according to the preceding claim, characterized in that the isochoric discharges comprise repetitive nanosecond pulse discharges (NRP).
22. Système (S) selon l’une quelconque des revendications 20 ou 21, caractérisé en ce que l’interface d’évacuation des gaz réactifs comprend : 22. System (S) according to any one of claims 20 or 21, characterized in that the reactive gas discharge interface comprises:
- un étage (FQ) de refroidissement rapide desdits gaz réactifs, - a stage (FQ) for rapid cooling of said reactive gases,
- un étage (SE) pour séparer le dihydrogène gazeux et le monoxyde de carbone produits à l’issue du refroidissement desdits gaz réactifs. - a stage (SE) for separating the hydrogen gas and carbon monoxide produced after cooling said reactive gases.
23. Utilisation du système selon l’une quelconque des revendications 8 à 19, pour produire de l’oxygène à partir de dioxyde de carbone, comprenant une injection de dioxyde de carbone en entrée du réacteur à plasma pulsé, et une collecte d’oxygène en sortie dudit réacteur à plasma pulsé. 23. Use of the system according to any one of claims 8 to 19, for producing oxygen from carbon dioxide, comprising an injection of carbon dioxide at the inlet of the pulsed plasma reactor, and an oxygen collection. at the outlet of said pulsed plasma reactor.
EP21734400.1A 2020-05-20 2021-05-20 Method and system for transforming a gas mixture using pulsed plasma Pending EP4153348A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2005313A FR3110461B1 (en) 2020-05-20 2020-05-20 Method and system for transforming a mixture of gases by pulsed plasmas
PCT/FR2021/050900 WO2021234302A1 (en) 2020-05-20 2021-05-20 Method and system for transforming a gas mixture using pulsed plasma

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4153348A1 true EP4153348A1 (en) 2023-03-29

Family

ID=73642934

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21734400.1A Pending EP4153348A1 (en) 2020-05-20 2021-05-20 Method and system for transforming a gas mixture using pulsed plasma

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230294065A1 (en)
EP (1) EP4153348A1 (en)
JP (1) JP2023526649A (en)
KR (1) KR20230050271A (en)
FR (1) FR3110461B1 (en)
WO (1) WO2021234302A1 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5409784A (en) 1993-07-09 1995-04-25 Massachusetts Institute Of Technology Plasmatron-fuel cell system for generating electricity
WO2001046067A1 (en) 1999-12-21 2001-06-28 Bechtel Bwxt Idaho, Llc Hydrogen and elemental carbon production from natural gas and other hydrocarbons
EP2344275A1 (en) * 2008-10-03 2011-07-20 Atlantic Hydrogen Inc. Apparatus and method for effecting plasma-based reactions
CN103127895B (en) * 2011-12-01 2015-04-08 北京低碳清洁能源研究所 Multi-section plasma cracking carbonaceous material reactor system with hollow cathode
CN109663555B (en) * 2019-01-27 2019-12-31 浙江大学 System and method for synergistically converting greenhouse gas and biochar by pulsating jet plasma

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023526649A (en) 2023-06-22
FR3110461B1 (en) 2024-05-10
US20230294065A1 (en) 2023-09-21
KR20230050271A (en) 2023-04-14
WO2021234302A1 (en) 2021-11-25
FR3110461A1 (en) 2021-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gutsol et al. Combustion-assisted plasma in fuel conversion
US7608797B2 (en) High velocity thermal spray apparatus
WO2014076381A1 (en) Method and device for treating two-phase fragmented or pulverized material by non-isothermal reactive plasma flux
FR2542004A1 (en) PROCESS FOR ELECTRICALLY ASSISTED CONVERSION OF HEAVY CARBON PRODUCTS
JP2009516794A (en) Method for initiating ignition, enhancing or reforming combustion of air-fuel and fuel-oxygen mixture
Kopyl et al. Stabilization of liquid hydrocarbon fuel combustion by using a programmable microwave discharge in a subsonic airflow
Jasiński et al. Hydrogen production via methane reforming using various microwave plasma sources
Czylkowski et al. Microwave plasma for hydrogen production from liquids
Rincón et al. Assessment of two atmospheric-pressure microwave plasma sources for H2 production from ethanol decomposition
EP4153348A1 (en) Method and system for transforming a gas mixture using pulsed plasma
Yang et al. Dielectric barrier discharge plasma reforming of methane in rocket engine: Characteristics and technical feasibility
RU2550209C1 (en) Method of ignition and combustion of fuel in athodyd
US11471827B2 (en) Apparatus and method for the gas treatment
BE1028638B1 (en) PLASMA GAS REACTOR
Vorenkamp et al. Ozone and plasma-assisted deflagration to detonation transition of dimethyl ether in a microchannel
Suchomel et al. Perspectives on cataloging plasma technologies applied to aeronautical sciences
RU2675732C2 (en) Hydrocarbon fuel combustion method and device for its implementation
Ghabi et al. Experimental study of stability and pollutant emissions of turbulent biogas flames under microsecond pulsed plasma
RU2788267C1 (en) Method for obtaining thermal energy, extracting hydrogen and a device for its implementation.
FR2888835A1 (en) Procedure for producing hydrogen from hydrocarbon and oxidant products uses electrical discharge to produce a non-thermic plasma in a spiral reagent flow
WO2002000330A1 (en) Method and device for treating by electrical discharge gaseous volatile organic effluents
RU175915U1 (en) Graphene hydrogenation device during its synthesis
Ananthanarasimhan et al. Characterization and Applications of Non-Magnetic Rotating Gliding Arc Reactors-A Brief Review
Klimov Non-Premixed Plasma-Assisted Combustion in High-Speed Vortex Airflow
Pinero III Electrode degradation in micro-hollow cathode discharge reactors

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20221118

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)