WO2023099698A1 - Dispositif de production d'hydrogene par pyrolyse de gaz - Google Patents

Dispositif de production d'hydrogene par pyrolyse de gaz Download PDF

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WO2023099698A1
WO2023099698A1 PCT/EP2022/084132 EP2022084132W WO2023099698A1 WO 2023099698 A1 WO2023099698 A1 WO 2023099698A1 EP 2022084132 W EP2022084132 W EP 2022084132W WO 2023099698 A1 WO2023099698 A1 WO 2023099698A1
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pyrolysis
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PCT/EP2022/084132
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Olivier Lepez
Philippe Sajet
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E.T.I.A. - Evaluation Technologique, Ingenierie Et Applications
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    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/085—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by electric heating

Definitions

  • the present invention relates to the field of the production of dihydrogen (H2) by pyrolysis of a pure gas or of a gaseous mixture.
  • Dihydrogen or more commonly known as hydrogen molecule or simply hydrogen is made up of two hydrogen atoms.
  • Hydrogen is commonly used in industry for the manufacture of chemical fertilizers or in the oil industry, but also as energy.
  • the fight against global warming and the use of carbon-free energy has reinforced research and development on the use of hydrogen as energy, in particular for the motorization of heavy vehicles (trucks, buses, trains, planes, etc.). .) .
  • it is estimated that global hydrogen needs, all sectors combined, will increase from 71 million tonnes in 2019 to nearly 137 million tonnes by 2040 and up to 519 million tonnes in 2070 with use mainly in transport and aviation (more than 50%), in industry (about 15%) and power generation (about 15%) .
  • the aim of the invention is in particular to propose a machine for producing dihydrogen by pyrolysis of a gas, in particular a hydrocarbon gas, easy to install locally, which can be sized according to the quantity of dihydrogen to be produced, the invention also proposes an integrated installation for the production of dihydrogen, as well as a process for the production of dihydrogen by pyrolysis of a gas, in particular of a hydrocarbon gas, said production being able to be carried out locally, being more efficient, less energy-intensive and less polluting than existing production methods.
  • a machine for producing dihydrogen by pyrolysis of a gas comprising: a. a reactor comprising at least one tube, at least partially made of electrically conductive material, shaped in a spiral with a first end forming an inlet for a gas and an opposite second end forming a gas outlet, b. an electrical power supply circuit connected to the tube to heat the tube by Joule effect to a temperature above a pyrolysis temperature of the gas flowing in the tube, c. at the second end of the tube, a device for separating the gas leaving the tube and the solid particles present in the gas, d. means for collecting solid particles e. a device for treating the gas after passing through the separation member.
  • the machine according to the invention is particularly suitable for treating a hydrocarbon gas, in which the solid particles recovered by the collection means are essentially carbon and the gas leaving the treatment device is essentially dihydrogen.
  • the reactor of the machine comprises a tube whose diameter, extended length, bending diameter and number of turns are defined according to the nature and pyrolysis temperature of the gas to be treated, according to the residence time and the minimum speed of the gas to be treated in the reactor and according to the ratio between the quantity of electrical energy necessary for heating the tube by Joule effect and the chemical energy necessary for the pyrolysis reaction;
  • the tube is housed in a sealed box filled with beads of high temperature resistant insulation;
  • the power supply circuit of said machine preferably comprises at least one motor or one gas turbine;
  • the member for separating the carbon particles generated by the pyrolysis consists of at least one cyclone
  • the pyrolyzed gas treatment device comprises at least one pressure reversal adsorption device for purifying the dihydrogen;
  • a preheating device is mounted upstream of the tube to preheat the gas prior to its entry into the tube.
  • the invention also relates to an integrated installation for the production of dihydrogen by pyrolysis of a hydrocarbon gas, comprising:
  • a reactor comprising at least one section of tube, at least partially made of electrically conductive material, shaped in a spiral with a first end forming a gas inlet and a second opposite end forming a gas outlet,
  • an electrical supply circuit connected to the tube to heat the section of tube by the Joule effect to a temperature above a pyrolysis temperature of the gas flowing in the tube, comprising at least one motor or one gas turbine,
  • the integrated installation is dimensioned according to the quantity of hydrogen to be produced.
  • the reactor comprises a battery of tube sections connected two by two in series and extending parallel to each other and facing each other, each section being spiral-shaped with a diameter of between 25 and 250 mm, an extended length between 20 m and 150 m, a bending diameter between 100 mm and 3000 mm.
  • the respective dimensions of the tube sections as well as the number of sections are adapted according to the quantity of hydrogen to be produced.
  • the treatment device of the integrated installation comprises at least one device for adsorption by pressure inversion.
  • the invention also relates to a method for producing dihydrogen from hydrocarbon gas comprising the steps of: a. preheat the gas to be treated; b. injecting the preheated gas to be treated into a machine or an installation in accordance with the invention comprising at least one tube or at least one section of tube with passage of current shaped in a spiral, the number and configuration of the tube or section of tube with passage of current being dimensioned according to the nature and the pyrolysis temperature of the gas to be treated and according to the ratio between the quantity of electric energy necessary to heat the tube or tube section by Joule effect and the chemical energy necessary to the pyrolysis reaction; vs.
  • FIG. 1 diagram of a machine according to the invention where the double arrow represents the circulation of the gas, the arrow in bold the recovery of the solid particles, the arrow in simple line the power supply and the dotted arrow the heat exchanger .
  • FIG. 3 diagram of an installation comprising a battery of pipe sections in series
  • the machine for producing dihydrogen by pyrolysis of a gas G comprises a reactor comprising at least one tube 2.
  • the tube 2 is here made entirely of electrically conductive material and is shaped in a spiral with a first end 2a forming an inlet for a gas G and an opposite second end 2b forming an outlet for the pyrolized gas Gp.
  • An electrical power supply circuit 3 is connected to the tube 2 to heat the tube by Joule effect to a temperature above a pyrolysis temperature of the gas flowing in the tube. It is recalled that gas pyrolysis is a chemical decomposition of said gas under the effect of temperature and in the total absence of oxygen.
  • the power supply circuit 3 here comprises a current generator 3a. A person skilled in the art will know how to dimension the generator to obtain the electrical power necessary for the heating by Joule effect of the tube 2 for the pyrolysis of the gas to be treated.
  • the tube is powered by a low voltage but high intensity electric current.
  • the generator can deliver direct or alternating current.
  • the power supply circuit 3 can be connected to an electrical distribution network, to batteries or to an electricity generator (for example, these can be solar panels, wind turbines or a motorized generator).
  • the electrical power sources can be multiple.
  • the current is at least partially generated by an engine or a gas turbine 3a. The electrical power required is calculated as a function of the temperature to be reached in the tube for the gas G to be pyrolyzed.
  • the temperature adjustment can be controlled by a thyristor controlled by the temperature of the gas Gp at the second end 2b of the tube 2 which makes it possible to control the voltage and/or the intensity of the current sent into the tube 2, regulation is carried out either by wave train or by phase angle.
  • the organ of cooling and separation 4 here consists of at least one cyclone. A person skilled in the art will know how to dimension the number and size of the cyclones according to the volume of pyrolyzed gas to be cooled and separated.
  • a collection means 5 is associated with the separation member 4 to collect the solid particles S extracted from the pyrolyzed gas Gp.
  • the collection means is of the watertight tank or conveyor type. If the person skilled in the art deems it necessary, he can add to the collection means 5 additional devices for separating the finest carbon particles (for example, these could be bag filters, ceramic filters, etc.)
  • a treatment device 6 is connected to the cooling and separation device 4 to treat the pyrolyzed gas Gp after it has passed through the cooling and separation device 4.
  • the treatment device here is an adsorption device by pressure inversion (Also known by the acronym “PSA” for Pressure Swing Adsorption).
  • the gas to be treated G is a hydrocarbon gas and more particularly methane with the chemical formula CPU.
  • the pyrolysis temperature of methane is well known to those skilled in the art and is between 1000° C. and 1100° C. and makes it possible to produce, on the one hand, carbon which constitutes the solid particles S, recovered by means of collection 5 of the machine object of the invention and, on the other hand, essentially dihydrogen H 2 after passing through the processing device 6 of the machine object of the invention.
  • the pyrolysis is here carried out in the tube 2 which constitutes a current-passing tube, as is more precisely illustrated in figure 2 .
  • the principle is known in itself and consists in energizing the tube 2 by means of the electrical supply circuit 3 and causing the gas G to be pyrolyzed to circulate in the tube.
  • the passage of an electric current in the electrically conductive material constituting the tube 2 produces heat by the Joule effect.
  • the heat is transmitted from the tube 2 to the gas G by convection via the internal wall of the tube which is in contact with the gas G and forms the exchange surface.
  • the electrical energy supplied by the current generator, transmitted by the supply circuit 3 is transformed into thermal energy by the tube 2 and then into chemical energy necessary for the pyrolysis reaction of the gas G.
  • the tube 2 must be made of an electrically and thermally conductive material, and resistant to high temperature.
  • the tube 2 is made of metal alloy (for example of Inconel brand), tantalum, reference steel 602 CA, molybdenum or any other refractory steel usable at very high temperature (that is to say above 1200°C).
  • the tube 2 In addition to its conduction and resistance capacities at high temperature, the tube 2 must be shaped so that the exchange surface between the tube 2 and the gas to be pyrolyzed is as large as possible.
  • the inventors have determined that the optimum configuration of the tube 2 is a tube which is wound in a helix around a longitudinal axis to form a spiral with a diameter, an extended length, a bending diameter and a defined number of turns. according to the nature and the pyrolysis temperature of the gas to be treated, according to the residence time and the minimum speed of the gas to be treated in the reactor and according to the ratio between the quantity of electrical energy necessary to heat the tube 2 by effect Joule and the chemical energy required for the pyrolysis reaction.
  • the diameter of tube 2 must be as small as possible to guarantee a high convective exchange coefficient between the gas to be treated and the internal surface of the tube. The exchange coefficient is all the better as the circulation speed of the gas to be treated is high.
  • the diameter of the tube 2 is defined so as to obtain a propagation speed of the gas to be treated in the reactor of at least 15 m/s to 20 m/s. Such a speed allows the entrainment of solid particles by the gas flow during the course of the pyrolysis reaction, thus avoiding the deposit of carbon particles on the inner surface of the tube. Such a speed also allows optimum adjustment for cyclonic separation of the particles S in the cooling/separation member 4 at the reactor outlet.
  • the reduced diameter of the tube 2 imposes a great length of tube 2 to guarantee a sufficient exchange surface to transmit the total thermal power necessary to reach the desired heating of the gas at the pyrolysis temperature and also to absorb the energy of transformation of the methane to dihydrogen.
  • the helical conformation of the tube 2 therefore makes it possible to combine the narrowest possible diameter with a large deployed length for the smallest possible bulk.
  • the reactor comprises a tube 2 housed in a sealed box 2c filled with balls of thermal insulation 2d resistant to high temperature.
  • the insulation in the form of beads allows the expansion of the tube 2 under the effect of heat while preserving the insulating capacities of the box 2c and the outer dimensions of the reactor.
  • the box 2c may have an outer wall formed from a sheet of steel and an inner wall formed from a layer of thermally insulating concrete.
  • the thermal insulation balls used can be vermiculite or ceramic balls resistant to high temperatures.
  • a person skilled in the art will know how to use at the inlet and at the outlet of the casing 2c and of the tube 2 any system allowing the circulation of the gas and the adjustment of the flow rate while avoiding leaks, for example a pump.
  • the thermal and electrical seal between the tube 2 and the casing 2c can be achieved by means of joints and expansion sections, electrically insulated
  • the hydrocarbon gas G enters the reactor, circulates in the tube 2 in which it is pyrolyzed and, at the outlet of the reactor, the pyrolyzed gas Gp is sent to the separation device 4 which cools and separates the solid particles S from the pyrolyzed gas Gp.
  • the chemical reaction of pyrolysis of gas G produces solid particles of carbon S and pyrolyzed gas Gp, which makes it necessary to separate the solid particles S and the pyrolyzed gas Gp.
  • the passage of the pyrolyzed gas in the cyclone of the separation member 4 makes it possible to cool and separate, on the one hand, the solid particles S, essentially consisting of carbon, which will be collected in the collection means 5 and, on the other hand, the pyrolyzed gas Gp.
  • the heavier solid carbon particles S will, under the effect of gravity and the cyclonic effect, be separated from the pyrolyzed gas Gp and fall into the collection means 5.
  • the carbon particles thus collected can be recovered in industry. as carbon black, in particular the tire industry, water treatment, plastics processing or the automotive industry.
  • the pyrolyzed gas Gp obtained at the outlet of the reactor is a gaseous mixture consisting of dihydrogen (H2) and non- or badly pyrolyzed residual gases (otherwise designated by off-gas), this is why it is necessary that the pyrolyzed gas Gp is treated through the treatment device in order to separate the dihydrogen H2 from the off-gases.
  • the pyrolyzed gas Gp is also cooled to return to a temperature close to ambient temperature, before being sent to the processing device 6 intended to separate the dihydrogen from the other residual gases.
  • the user therefore collects carbon and dihydrogen, dihydrogen which he can then condition for subsequent use.
  • the residual gases are preferably recovered at the outlet of the treatment device to supply the engine or the gas turbine 3a which generates part of the current necessary for supplying the reactor . If necessary, off-gas can be reinjected into the machine to follow a new complete treatment cycle.
  • the machine comprises, upstream of the reactor, a gas preheating device G.
  • This preheating device 1 preferably comprises a heat exchanger 1a comprising a “cold” circuit in which the gas circulates. G and a “hot” circuit 1a in which a heat transfer fluid circulates.
  • the heat transfer fluid may consist of the exhaust gas from the gas engine of the electrical power supply circuit 2.
  • the energy recovered during the passage of the treated gas through the separation and cooling member(s) may also be directed to the heat exchanger 1a.
  • the gas to be treated will preferably be preheated to reach a temperature of the order of 100 to 300°C.
  • the integrated installation has an inlet directly connected to a source of gas to be treated, here methane.
  • a source of gas to be treated here methane.
  • methane a source of gas to be treated
  • the methane to be treated can come directly from a gas distribution network, a gas reservoir or biogas.
  • a person skilled in the art will also know how to adapt the gas circulation parameters in the installation as a function of the characteristics of the gas such as the pressure and the inlet temperature of the gas in the installation.
  • the installation according to the invention comprises: a. a gas supply and circulation device 3, 3a connected directly to the source of gas to be treated (not shown); b. a gas preheating device 1, la; vs. a reactor comprising at least one section of tube 2, at least partially made of electrically conductive material, shaped in a spiral with a first end forming a gas inlet 2a and a second opposite end 2b forming a gas outlet; d. an electrical supply circuit 3 connected to the tube 2 to heat the at least one section of tube by the Joule effect to a temperature above a pyrolysis temperature of the gas flowing in the tube, comprising at least one motor or one turbine gas 3a; e.
  • H2 dihydrogen
  • Off-gas residual gases
  • the temperature of the gas to be treated can be controlled at any time thanks to thermal probes making it possible to finely control the preheating device 1, the and the electrical power necessary for the electrical supply of the tube 2.
  • the The installation may comprise means for distributing the residual gases depending on whether they undergo a new treatment cycle or whether they are used to supply the engine or the gas turbine 3a.
  • the installation can also comprise means for controlling the engine or the gas turbine as a function of the residual gases received so that the current generated can correctly supply the installation for optimum operation.
  • the reactor of the integrated installation comprises a battery of tube sections 2 connected two by two in series and extending parallel to each other and facing each other. This makes it possible to maintain a certain compactness during installation.
  • Each section is shaped in a spiral with a diameter advantageously comprised between 25 and 250 mm, an extended length comprised between 20 m and 150 m, a bending diameter comprised between 100 mm and 3000 mm.
  • the diameter of the tube sections is defined so as to obtain a propagation speed of the gas to be treated in the reactor of at least 15 m/s to 20 m/s to avoid the deposit of carbon particles on the surface. interior of the pipe sections. So preferred and so as to reduce the size of the tube sections in the installation, these can be arranged vertically.
  • the separation device here comprises several cyclones to improve the efficiency of the installation.
  • the installation according to the invention is perfectly integrated and makes it possible to produce dihydrogen by pyrolysis from a source of hydrocarbon gas, in particular from methane, locally and with a good energy and environmental balance: the installation can be sized, in particular with regard to the number and sizing of the tube sections according to local needs in the production of dihydrogen, the pyrolysis of methane does not produce CO2, the carbon particles are recovered in industry and the gases residuals are reinjected into the installation for its operation.
  • Example 1 Sizing of the machine according to imposed input parameters and the volume flow rate of the gas to be treated.
  • the gas to be treated here to produce hydrogen is methane.
  • the heat of the pyrolysis reaction is: 0.927 kWh/Nm 3 of methane (Nm 3 : cubic normometer per hour the cubic normometer is the unit of measurement of the volume of a gas under normal conditions of temperature and depression)
  • the pyrolyzed gas reactor outlet setpoint temperature is: 1100°C
  • Example 2 Configuration of the machine according to the invention for the production of dihydrogen from methane, according to the following characteristics:
  • the temperature to be obtained in the tube to carry out the pyrolysis is approximately 1100° C. Indeed, the theoretical pyrolysis temperature of methane is between 1000°C and 1100°C.
  • the energy required calculated to carry out the rise in temperature and the pyrolysis of the methane is 70 kW, by applying a margin of 20% to this value to cover any losses, the inventors consider that the energy required is 84 kW.
  • the inside diameter of the tube is 76 mm
  • the length of the tube is 152 m
  • the diameter of a turn is 2280 mm.
  • the machine's power supply must be capable of supplying 84 kW, it is therefore necessary to install an electric generator capable of supplying at least 94 kW.
  • the residual gases if they are recycled to supply the gas engine of the machine, make it possible to supply between 40% and 50% of the electrical power required.
  • the invention is not limited to the embodiment described but encompasses any variant falling within the scope of the invention as defined by the claims.
  • the machine, the installation and the process of the invention apply particularly to methane but they can also apply to any hydrocarbon gas such as butane, propane, etc. or any other synthesis gas. obtained by methanation, pyrolysis or gasification of biomass or waste.
  • the reactor can be installed either vertically or horizontally.
  • cooling and separation member Although here one or more cyclones are used as a cooling and separation member, it is possible to use a cooling member to cool the pyrolyzed gas then at the outlet of the cooling member send the cooled pyrolyzed gas into a member. separate separator to separate the solid particles from the pyrolyzed gas.
  • the treatment device here is a pressure swing adsorption device.
  • a person skilled in the art can use any other treatment device making it possible to separate the dihydrogen from the off-gases.
  • the electrical power supply circuit can mix different sources of energy, for example among the following: electrical network, battery, solar panels, wind turbines, hydroelectricity, turbines, generator, etc.

Abstract

Machine de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz (G) comprenant : a. un réacteur comprenant au moins un tube (2), au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité (2a) formant une entrée pour un gaz et une seconde extrémité (2b) opposée formant une sortie du gaz, b. un circuit d'alimentation électrique (3) relié au tube (2) pour chauffer le tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz (G) circulant dans le tube (2), c. à la seconde extrémité du tube (2b), un organe de séparation (4) du gaz sortant du tube (Gp) et des particules solides (S) présentes dans le gaz (Gp), d. des moyens de collecte (5) des particules solides (S) e. un dispositif de traitement (6) du gaz après passage dans l'organe de séparation (4).

Description

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'HYDROGENE PAR PYROLYSE DE GAZ
La présente invention concerne le domaine de la production de dihydrogène (H2) par pyrolyse d'un gaz pur ou d'un mélange gazeux.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Le dihydrogène, ou plus communément appelé molécule d'hydrogène ou simplement hydrogène est constitué de deux atomes d'hydrogène.
L'hydrogène est couramment utilisé dans l'industrie pour la fabrication d'engrais chimiques ou dans l'industrie pétrolière, mais également comme énergie. La lutte contre le réchauffement climatique et l'utilisation d'énergie décarbonée a renforcé la recherche et le développement sur l'utilisation de l'hydrogène comme énergie, en particulier pour la motorisation des véhicules lourds (camions, bus, trains, avions...) . Ainsi, on estime que les besoins mondiaux en hydrogène, tous secteurs confondus, vont passer de 71 millions de tonnes en 2019 à près de 137 millions de tonnes à l'horizon 2040 et jusqu'à 519 millions de tonnes en 2070 avec une utilisation essentiellement dans les transports et l'aviation (plus de 50%) , dans l'industrie (environ 15%) et la production d'électricité (environ 15%) .
Pour répondre à cette demande, il est donc indispensable d'augmenter les capacités mondiales de production d'hydrogène. Actuellement, 45 millions de tonnes d'hydrogène sont produites par an, essentiellement à partir de matières premières fossiles telles que le pétrole, le charbon ou le gaz, par gazéification de charbon ou reformage à la vapeur de gaz naturel. Ces deux procédés émettent de grande quantité de gaz polluants ou à effet de serre tels que le CO ou le CO2.
Il est aussi possible de produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau, mais cela suppose de consommer de l'eau ce qui n'est pas toujours possible. Des procédés biologiques de production d'hydrogène sont également en cours de développement, ils présentent des rendements encore faibles et produisent également du CO2.
Un autre procédé connu sous le nom de « Kvaerner Carbon Black & Hydrogen » permet de produire de l'hydrogène et du carbone à partir d'hydrocarbures par craquage thermique à haute température. La quantité de chaleur nécessaire à la réalisation du craquage thermique (que l'on désigne couramment par le mot anglais « cracking ») est fournie par un brûleur à plasma à base d'hydrogène recyclé issu dudit procédé ce qui ampute la quantité d'hydrogène obtenue et en fait un procédé très consommateur en énergie avec un rendement en hydrogène peu efficace.
En outre, l'hydrogène est souvent produit dans de grandes unités nécessitant son transport desdites unités jusqu'au lieu d'utilisation finale sur parfois de longues distances, accroissant encore le coût environnemental de la production d' hydrogène .
Ainsi, il est nécessaire de développer des procédés plus efficaces, moins polluants et moins énergivores, il convient également de proposer des unités de production de dihydrogène locales, facile à mettre en œuvre et à dimensionner en fonction de la quantité de dihydrogène à produire .
OBJET DE L'INVENTION
L' invention a notamment pour but de proposer une machine de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz, notamment d'un gaz hydrocarboné, facile à installer localement, que l'on peut dimensionner en fonction de la quantité de dihydrogène à produire, l'invention propose également une installation intégrée de production de dihydrogène, ainsi qu'un procédé de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz, notamment d'un gaz hydrocarboné, ladite production pouvant être réalisée localement, étant plus efficace, moins énergivore et moins polluante que les modes de production existants.
RESUME DE L’INVENTION
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une machine de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz comprenant : a. un réacteur comprenant au moins un tube, au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée pour un gaz et une seconde extrémité opposée formant une sortie du gaz, b. un circuit d'alimentation électrique relié au tube pour chauffer le tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, c. à la seconde extrémité du tube, un organe de séparation du gaz sortant du tube et des particules solides présentes dans le gaz, d. des moyens de collecte des particules solides e. un dispositif de traitement du gaz après passage dans l'organe de séparation.
La machine selon l'invention est particulièrement adaptée pour traiter un gaz hydrocarboné, dans laquelle les particules solides récupérées par les moyens de collecte sont essentiellement du carbone et le gaz sortant du dispositif de traitement est essentiellement du dihydrogène .
Selon des caractéristiques particulières de l'invention, utilisables seules ou en combinaison :
- le réacteur de la machine comprend un tube dont le diamètre, la longueur déployée, le diamètre de cintrage et le nombre de spires sont définis selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter, selon le temps de séjour et la vitesse minimum du gaz à traiter dans le réacteur et selon le rapport entre la quantité d'énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube par effet Joule et l'énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse ;
- le tube est logé dans un caisson étanche rempli de billes d' isolants résistant à haute température ;
- le circuit d'alimentation électrique de ladite machine comprend préférentiellement au moins un moteur ou une turbine à gaz ;
- l'organe de séparation des particules de carbone générées par la pyrolyse est constitué par au moins un cyclone ;
- le dispositif de traitement du gaz pyrolysé comprend au moins un dispositif d' adsorption par inversion de pression permettant de purifier le dihydrogène ;
- un dispositif de préchauffage est monté en amont du tube pour préchauffer le gaz préalablement à son entrée dans le tube.
L' invention concerne également une installation intégrée de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz hydrocarboné, comprenant :
(a) un dispositif de circulation de gaz raccordé directement à la source de gaz,
(b) un dispositif de préchauffage du gaz,
(c) un réacteur comprenant au moins un tronçon de tube, au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée du gaz et une seconde extrémité opposée formant une sortie du gaz,
(d) un circuit d'alimentation électrique relié au tube pour chauffer le tronçon de tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, comprenant au moins un moteur ou une turbine à gaz,
(e) un organe de ref roidissement/séparation du gaz pyrolysé sortant du tube d'une part et des particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé d'autre part, (f) un dispositif de collecte des particules solides,
(g) un dispositif de traitement du gaz pyrolysé pour séparer dans le gaz pyrolysé le dihydrogène des gaz résiduels, le dihydrogène étant mis sous pression et les gaz résiduels étant utilisés pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz du circuit d'alimentation électrique.
De manière préférentielle, l'installation intégrée est dimensionnée en fonction de la quantité d'hydrogène à produire. Ainsi, en cas de besoin, le réacteur comprend une batterie de tronçons de tube reliés deux à deux en série et s'étendant parallèlement entre eux et en regard les uns des autres, chaque tronçon, étant conformé en spirale avec un diamètre compris entre 25 et 250 mm, une longueur déployée comprise entre 20 m et 150 m, un diamètre de cintrage compris entre 100 mm et 3000 mm. Les dimensions respectives des tronçons de tube ainsi que le nombre de tronçons sont adaptés en fonction de la quantité d'hydrogène à produire.
Préférentiellement encore, le dispositif de traitement de l'installation intégrée comprend au moins un dispositif d' adsorption par inversion de pression.
L' invention concerne également un procédé de production de dihydrogène à partir de gaz hydrocarboné comprenant les étapes de : a. préchauffer le gaz à traiter ; b. injecter le gaz à traiter préchauffé dans une machine ou une installation conforme à l'invention comprenant au moins un tube ou au moins un tronçon de tube à passage de courant conformé en spirale, le nombre et la configuration du tube ou tronçon de tube à passage de courant étant dimensionnés selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter et selon le rapport entre la quantité d' énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube ou tronçon de tube par effet Joule et l'énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse ; c. en aval du tube ou tronçon de tube, refroidir le gaz pyrolysé sortant du tube ou du tronçon de tube et séparer les particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé dudit gaz pyrolysé ; d. collecter les particules solides ; e. traiter le gaz par adsorption par inversion de pression pour séparer dans le gaz le dihydrogène des gaz résiduels f. conditionner le dihydrogène.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier et non limitatif de 1' invention .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
[Fig. 1] : schéma d'une machine selon l'invention où la double flèche représente la circulation du gaz, la flèche en gras la récupération des particules solides, la flèche en trait simple l'alimentation électrique et la flèche en pointillée l'échangeur thermique.
[Fig. 2] : vue schématique du réacteur
[Fig. 3] : schéma d'une installation comprenant une batterie de tronçons de tube en série
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Selon un mode de réalisation préférentielle de l'invention et en référence aux figures 1 et 2, la machine de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz G comprend un réacteur comprenant au moins un tube 2.
Le tube 2 est ici réalisé en totalité en matériau électriquement conducteur et est conformé en spirale avec une première extrémité 2a formant une entrée pour un gaz G et une seconde extrémité 2b opposée formant une sortie du gaz pyrolisé Gp . Un circuit d'alimentation électrique 3 est relié au tube 2 pour chauffer le tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube. On rappelle que la pyrolyse du gaz est une décomposition chimique dudit gaz sous l'effet de la température et en absence totale d'oxygène. Le circuit d'alimentation électrique 3 comprend ici un générateur de courant 3a. L'homme du métier saura dimensionner le générateur pour obtenir la puissance électrique nécessaire au chauffage par effet Joule du tube 2 pour la pyrolyse du gaz à traiter. En général, le tube est alimenté par un courant électrique de basse tension mais de forte intensité. Le générateur peut délivrer du courant continu ou alternatif. Le circuit d'alimentation 3 peut être raccordé à un réseau de distribution électrique, à des batteries ou à un générateur d'électricité (à titre d'exemples ce peuvent être des panneaux solaires, des éoliennes ou un groupe électrogène motorisé) . Bien entendu, les sources d'alimentation électrique peuvent être multiples. Selon un mode privilégié de réalisation de l'invention, le courant est au moins partiellement généré par un moteur ou une turbine à gaz 3a. La puissance électrique nécessaire est calculée en fonction de la température à atteindre dans le tube pour que le gaz G soit pyrolysé. A titre d'exemple, le réglage de la température peut être piloté par un thyristor asservi à la température du gaz Gp à la deuxième extrémité 2b du tube 2 qui permet de piloter la tension et/ou l'intensité du courant envoyé dans le tube 2, la régulation se fait indifféremment par train d'ondes ou par angle de phase.
A la seconde extrémité du tube 2b est raccordé un organe de refroidissement et de séparation 4 du gaz Gp sortant du tube 2 destiné à d'une part refroidir le Gaz Gp et d'autre part séparer le gaz pyrolysé Gp et les particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé. L'organe de refroidissement et séparation 4 est ici constitué d'au moins un cyclone. L'homme du métier saura dimensionner le nombre et la taille des cyclones en fonction du volume de gaz pyrolysé à refroidir et à séparer.
Un moyen de collecte 5 est associé à l'organe de séparation 4 pour collecter les particules solides S extraites du gaz pyrolysé Gp . Le moyen de collecte est de type bac ou convoyeur étanche. Si l'homme du métier le juge nécessaire, il pourra adjoindre au moyen de collecte 5 des dispositifs complémentaires de séparation des particules de carbone les plus fines (par exemple ce pourraient être des filtres à manche, des filtres céramiques, ...)
Un dispositif de traitement 6 est raccordé à l'organe de refroidissement et séparation 4 pour traiter le gaz pyrolysé Gp après son passage dans l'organe de refroidissement et séparation 4. Le dispositif de traitement est ici un dispositif d' adsorption par inversion de pression (également connu sous l'acronyme anglais « PSA » pour Pressure Swing Adsorption) .
Dans le mode de réalisation ici décrit, le gaz à traiter G est un gaz hydrocarboné et plus particulièrement du méthane de formule chimique CPU .
La réaction de pyrolyse du méthane CPU se fait selon la réaction suivante :
CH4 -> 2H2 + C
La température de pyrolyse du méthane est bien connue de l'homme de métier et est comprise entre 1000°C et 1100°C et permet de produire, d'une part, du carbone qui constituent les particules solides S, récupérées par les moyens de collecte 5 de la machine objet de l'invention et, d'autre part, essentiellement du dihydrogène H2 après passage dans le dispositif de traitement 6 de la machine objet de l'invention.
La pyrolyse est ici réalisée dans le tube 2 qui constitue un tube à passage de courant, comme cela est plus précisément illustré dans la figure 2 . Le principe est connu en lui-même et consiste à mettre sous tension le tube 2 au moyen du circuit d' alimentation électrique 3 et faire circuler dans le tube le gaz G à pyrolyser . Le passage d' un courant électrique dans le matériau électriquement conducteur constituant le tube 2 produit de la chaleur par ef fet Joule . La chaleur est transmise du tube 2 vers le gaz G par convection via la paroi interne du tube qui est au contact du gaz G et forme la surface d' échange . Ainsi , l ' énergie électrique fournie par le générateur de courant , transmise par le circuit d' alimentation 3 est trans formée en énergie thermique par le tube 2 puis en énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse du gaz G .
Bien évidemment , le tube 2 doit être réalisé en un matériau électriquement et thermiquement conducteur, et résistant à haute température . De manière préférentielle , le tube 2 est réalisé en alliage métallique (par exemple de marque Inconel ) , en tantale , en acier de référence 602 CA, en molybdène ou tout autre acier réfractaire utilisable à très haute température ( c' est-à-dire à plus de 1200 ° C ) .
Outre ses capacités de conduction et de résistance à haute température , le tube 2 doit être conformé de telle sorte que la surface d' échange entre le tube 2 et le gaz à pyrolyser soit la plus importante possible .
Ainsi , Les inventeurs ont déterminé que la configuration optimale du tube 2 est un tube qui s ' enroule en hélice autour d' un axe longitudinal pour former une spirale avec un diamètre , une longueur déployée , un diamètre de cintrage et un nombre de spires définis selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter, selon le temps de séj our et la vitesse minimum du gaz à traiter dans le réacteur et selon le rapport entre la quantité d' énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube 2 par ef fet Joule et l ' énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse . Le diamètre du tube 2 doit être aussi réduit que possible pour garantir un coefficient d'échange convectif élevé entre le gaz à traiter et la surface interne du tube. Le coefficient d'échange est d'autant meilleur que la vitesse de circulation du gaz à traiter est élevée. Ainsi, les inventeurs ont établi que le diamètre du tube 2 est défini de manière à obtenir une vitesse de propagation du gaz à traiter dans le réacteur d'au moins 15 m/ s à 20m/s. Une telle vitesse permet l'entrainement des particules solides par le flux gazeux lors du déroulement de la réaction de pyrolyse en évitant ainsi le dépôt des particules de carbone sur la surface intérieure du tube. Une telle vitesse permet également un ajustement optimal pour une séparation cyclonique des particules S dans l'organe de ref roidissement/séparation 4 en sortie de réacteur. Le diamètre réduit du tube 2 impose une grande longueur de tube 2 pour garantir une surface d'échange suffisante pour transmettre la puissance thermique totale nécessaire pour atteindre l' échauf fement souhaité du gaz à température de pyrolyse et également absorber l'énergie de transformation du méthane en dihydrogène. La conformation en hélice du tube 2 permet donc de combiner un diamètre le plus étroit possible avec une longueur déployée importante pour un encombrement le plus limité possible.
De manière préférée et comme particulièrement illustré dans la figure 2, le réacteur comprend un tube 2 logé dans un caisson étanche 2c rempli de billes d' isolant thermique 2d résistant à haute température. L'isolation sous forme de billes permet la dilatation du tube 2 sous l'effet de la chaleur tout en préservant les capacités d' isolation du caisson 2c et les dimensions extérieures du réacteur. A titre d'exemple, le caisson 2c peut avoir une paroi extérieure formée d'une tôle d'acier et une paroi intérieure formée d'une couche de béton thermiquement isolant. Les billes d'isolant thermique utilisées peuvent être des billes de vermiculites ou de céramiques résistantes à haute température. L'homme du métier saura utiliser en entrée et en sortie du caisson 2c et du tube 2 tout système permettant la circulation du gaz et le réglage du débit tout en évitant les fuites, par exemple une pompe. L' étanchéité thermique et électrique entre le tube 2 et le caisson 2c peut être réalisé au moyen de joints et sections de dilation, électriquement isolés
Ainsi, le gaz hydrocarboné G entre dans le réacteur, circule dans le tube 2 dans lequel il est pyrolysé et, en sortie du réacteur, le gaz pyrolysé Gp est envoyé dans l'organe de séparation 4 qui refroidit et sépare les particules solides S du gaz pyrolysé Gp . Or, comme déjà mentionné, la réaction chimique de pyrolyse du gaz G produit des particules solides de carbone S et du gaz pyrolysé Gp, ce qui rend nécessaire de séparer les particules solides S et le gaz pyrolysé Gp . Le passage du gaz pyrolysé dans le cyclone de l'organe de séparation 4 permet de refroidir et séparer, d'une part, les particules solides S, essentiellement constituées de carbone, qui seront collectées dans le moyen de collecte 5 et, d'autre part, le gaz pyrolysé Gp . Les particules solides S de carbone plus lourdes vont sous l'effet de la pesanteur et de l'effet cyclonique être séparées du gaz pyrolysé Gp et tomber dans le moyen de collecte 5. Les particules de carbone ainsi collectées pourront être valorisées dans l'industrie comme noir de carbone, notamment l'industrie des pneumatiques, du traitement d'eau, de la plasturgie ou l'industrie automobile.
En outre, le gaz pyrolysé Gp obtenu à la sortie du réacteur est un mélange gazeux constitué de dihydrogène (H2) et de gaz résiduels non ou mal pyrolysés (autrement désignés par off-gaz) , c'est pourquoi, il est nécessaire que le gaz pyrolysé Gp soit traité à travers le dispositif de traitement afin de séparer le dihydrogène H2 des off-gaz. Au cours de son passage dans l'organe de refroidissement/ séparation 4, le gaz pyrolysé Gp est également refroidi pour revenir à une température proche de la température ambiante, avant d'être envoyé dans le dispositif de traitement 6 destiné à séparer le dihydrogène des autres gaz résiduels.
En sortie de machine, l'utilisateur collecte donc du carbone et du dihydrogène, dihydrogène qu'il peut ensuite conditionner pour une utilisation ultérieure.
Il récupère également des gaz résiduels. Afin d'améliorer le bilan environnemental et énergétique de la machine, les gaz résiduels sont de préférence récupérés à la sortie du dispositif de traitement pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz 3a qui génère une partie du courant nécessaire à l'alimentation du réacteur. Si nécessaire, les off-gaz peuvent être réinjecter dans la machine pour suivre un nouveau cycle complet de traitement.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la machine comprend en amont du réacteur un dispositif de préchauffage du gaz G. Ce dispositif de préchauffage 1 comprend de préférence un échangeur de chaleur la comportant un circuit « froid » dans lequel circule le gaz G et un circuit « chaud » la dans lequel circule un fluide caloporteur. De manière préférée, le fluide caloporteur peut être constitué par le gaz d' échappement du moteur à gaz du circuit d'alimentation électrique 2. Un tel agencement est particulièrement intéressant lors du démarrage de la machine afin d'optimiser la réaction de pyrolyse dans le tube 2. Par ailleurs l'énergie récupérée lors du passage du gaz traité dans le ou les organes de séparation et de refroidissement pourra aussi être dirigé vers l'échangeur de chaleur la. En effet, plus la température du gaz G entrant dans le tube 2 est élevée, plus vite le gaz G atteindra la température de pyrolyse dans le tube 2, plus vite se produira la réaction de pyrolyse le long du tube et meilleur sera le rendement de la réaction. Le gaz à traiter va être de préférence préchauffé pour atteindre une température de l'ordre de 100 à 300°C.
Dans une installation intégrée de production d'hydrogène, selon l'invention, l'installation intégrée a une entrée directement raccordée à une source de gaz à traiter, ici le méthane. L'homme du métier saura utiliser les branchements, valves, et tuyaux adaptés à la circulation du gaz à traiter et au débit d'arrivée de ce dernier. Le méthane à traiter peut provenir directement d'un réseau de distribution de gaz, d'un réservoir de gaz ou de biogaz. L'homme du métier saura également adapter les paramètres de circulation du gaz dans l'installation en fonction des caractéristiques du gaz comme la pression et la température d'entrée du gaz dans l'installation.
Ainsi, l'installation selon l'invention comprend : a. un dispositif d'alimentation et de circulation de gaz 3, 3a raccordé directement à la source de gaz à traiter (non représentée) ; b. un dispositif de préchauffage du gaz 1, la ; c. un réacteur comprenant au moins un tronçon de tube 2, au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée du gaz 2a et une seconde extrémité opposée 2b formant une sortie du gaz ; d. un circuit d'alimentation électrique 3 relié au tube 2 pour chauffer le au moins un tronçon de tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, comprenant au moins un moteur ou une turbine à gaz 3a ; e. un organe de ref roidissement/séparation 4 du gaz pyrolysé Gp sortant du au moins un tronçon de tube 2 d'une part et des particules solides S présentes dans le gaz pyrolysé Gp d' autre part ; f. un dispositif de collecte 5 des particules solides S ; g. un dispositif de traitement 6 du gaz pyrolysé Gp pour séparer dans ledit gaz pyrolysé d'une part le dihydrogène (H2) et d'autre part les gaz résiduels (Off-gaz) , le dihydrogène étant mis sous pression et les gaz résiduels étant utilisés pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz 3a du circuit d'alimentation électrique 3.
En outre, la température du gaz à traiter peut être contrôlée à tout moment grâce à des sondes thermiques permettant de piloter finement le dispositif de préchauffage 1, la et la puissance électrique nécessaire à l'alimentation électrique du tube 2. En particulier, l'installation peut comprendre des moyens de distribution des gaz résiduels selon qu' ils subissent un nouveau cycle de traitement ou qu' ils sont utilisés pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz 3a.
L'installation peut également comprendre des moyens de pilotage du moteur ou de la turbine à gaz en fonction des gaz résiduels reçus de sorte que le courant généré puisse correctement alimenter l'installation pour un fonctionnement optimum.
Dans le mode de réalisation particulier illustré par la figure 3, le réacteur de l'installation intégrée comprend une batterie de tronçons de tube 2 reliés deux à deux en série et s'étendant parallèlement entre eux et en regard les uns des autres. Ceci permet de conserver une certaine compacité à l'installation. Chaque tronçon est conformé en spirale avec un diamètre compris avantageusement entre 25 et 250 mm, une longueur déployée comprise entre 20 m et 150 m, un diamètre de cintrage compris entre 100 mm et 3000 mm. Comme précédemment, le diamètre des tronçons de tube est défini de manière à obtenir une vitesse de propagation du gaz à traiter dans le réacteur d'au moins 15 m/ s à 20 m/ s pour éviter le dépôt des particules de carbone sur la surface intérieure des tronçons de tube. De manière privilégiée et de sorte à diminuer l'encombrement des tronçons de tube dans l'installation, ceux-ci peuvent être agencés verticalement. Le dispositif de séparation comprend ici plusieurs cyclones pour améliorer le rendement de l'installation.
Ainsi, l'installation selon l'invention est parfaitement intégrée et permet de produire du dihydrogène par pyrolyse à partir d'une source de gaz hydrocarboné, en particulier à partir de méthane, localement et avec un bon bilan énergétique et environnemental : l'installation peut être dimensionnée, notamment pour ce qui concerne le nombre et le dimensionnement des tronçons de tube selon les besoins locaux en production de dihydrogène, la pyrolyse du méthane ne produit pas de CO2, les particules de carbone sont valorisées dans l'industrie et les gaz résiduels sont réinjectés dans l'installation pour son fonctionnement.
Les deux exemples ci-dessous présentent des mises en œuvre particulières de l'invention.
Exemple 1 : Dimensionnement de la machine en fonction de paramètres d' entrée imposés et du débit volumique du gaz à traiter .
Par hypothèse :
- le gaz à traiter ici pour produire de l'hydrogène est le méthane .
- Le rendement de conversion du méthane en dihydrogène est de : 80%
- La chaleur de la réaction de pyrolyse est de : 0, 927 kWh/Nm3 de méthane (Nm3 : normomètre cube par heure le normomètre cube est l'unité de mesure du volume d'un gaz dans les conditions normales de température et de pression)
- La chaleur massique moyenne du méthane est de : 2,25 kJ/kg/°C
- Le coefficient de sécurité appliqué sur le calcul de la puissance nécessaire intégrant les pertes thermiques est de : 1,2
- Le rendement du transformateur électrique est de : 90%
- La température d' entrée du méthane dans la machine est de :20°C
- La température du tube lorsque le méthane entre dans le réacteur de la machine est estimée à : 200°C
- La température de consigne de sortie du réacteur du gaz pyrolysé est : 1100°C
- Le coefficient d'échange convectif moyen entre la paroi interne du tube et le gaz à traiter est de : 20W/m2°C
- La vitesse minimale de circulation du gaz à traiter dans le tube est de : 15m/s
Soit Qv le débit volumique de méthane à traiter, exprimé en Nm3/h, alors on obtient les éléments de dimensionnement estimatifs suivants :
- Quantité de dihydrogène produit en kg/h :
H2= 0,144Qv
- Puissance électrique à fournir au dispositif en kW :
P = 1, 870Qv
- Surface d' échange du réacteur en m2 :
S = 0, 6875Qv
- Diamètre intérieur du tube réactionnel en m :
Di = (Qv * 1, 104E-4) A0, 5
- Longueur du tube réactionnel en m:
L = S / (n * Di)
Exemple 2 : Configuration de la machine selon l'invention pour la production de dihydrogène à partir de méthane, selon les caractéristiques suivantes :
- débit du méthane de 50 Nm3/h
- température du méthane à l'entrée de la machine 20°C.
Les inventeurs considèrent que la température à obtenir dans le tube pour réaliser la pyrolyse est de 1100°C environ. En effet, la température théorique de pyrolyse du méthane est comprise entre 1000°C et 1100°C. L'énergie requise calculée pour réaliser la montée en température et la pyrolyse du méthane est de 70 kW, en appliquant une marge de 20% sur cette valeur pour couvrir les éventuelles déperditions, les inventeurs considèrent que l'énergie requise est de 84 kW.
Selon ces paramètres et selon un calcul plus précis basées sur les formules générales présentées plus haut, la configuration du tube 2 est la suivante :
- le diamètre intérieur du tube est de 76 mm,
- la longueur du tube est de 152 m,
- le nombre de spires est de 22,
- le diamètre d'une spire est de 2280 mm.
L'alimentation électrique de la machine doit être en capacité de fournir 84 kW, il convient donc d'installer un générateur électrique apte à fournir 94 kW au moins .
En sortie, et considérant un rendement de conversion de 80%, la machine produit :
- dihydrogène H2 : 7,14 kg/heure;
- carbone S : 21 kg/heure ;
- gaz résiduels off-gaz : 7,14 kg/heure.
Les gaz résiduels, s'ils sont recyclés pour alimenter le moteur à gaz de la machine, permettent de fournir entre 40% et 50% de la puissance électrique nécessaire.
Bien entendu, en sortie de machine, il est nécessaire de prévoir un système de compression de l'hydrogène pour une injection dans un réseau dédié ou pour atteindre une pression de 350 bars ou 700 bars, pression à laquelle l'hydrogène est en général stocké.
Une telle production de dihydrogène sous réserve d'une pureté en dihydrogène de 99, 999% à partir de méthane pourrait permettre d'alimenter des véhicules.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications . En particulier, la machine, l'installation et le procédé de l'invention s'appliquent particulièrement au méthane mais ils peuvent également s'appliquer à tout gaz hydrocarboné tel que le butane, le propane... ou bien tout autre gaz de synthèse obtenu par méthanisation, pyrolyse ou gazéification de biomasses ou de déchets.
Le réacteur peut indifféremment être installé de manière verticale ou horizontale.
Bien qu' ici on utilise un ou plusieurs cyclones comme organe de refroidissement et séparation, il est possible d'utiliser un organe de refroidissement pour refroidir le gaz pyrolysé puis à la sortie de l'organe de refroidissement envoyer le gaz pyrolysé refroidi dans un organe de séparation distinct pour séparer les particules solides du gaz pyrolysé.
Par exemple, bien que le dispositif de traitement soit ici un dispositif d' adsorption par inversion de pression. L'homme du métier peut utiliser tout autre dispositif de traitement permettant de séparer le dihydrogène des off- gaz .
Le circuit d'alimentation électrique peut mixer différentes sources d'énergie par exemple parmi les suivantes : réseau électrique, batterie, panneaux solaires, éoliennes, hydroélectricité, turbines, groupe électrogène...
Bien que la puissance électrique délivrée à chaque tronçon de tube de l'installation intégrée soit identique, elle peut aussi être différente selon les tronçons de tubes de sorte à gérer finement des profils de température.
Bien que les tronçons de tube de l'installation soient ici montés en série, ils peuvent être également montés en parallèle. L'homme du métier saura alors adapter l'entrée et la sortie du gaz à traiter.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz (G) comprenant : a. un réacteur comprenant au moins un tube (2) , au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité (2a) formant une entrée pour un gaz et une seconde extrémité (2b) opposée formant une sortie du gaz, b. un circuit d'alimentation électrique (3) relié au tube (2) pour chauffer le tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz (G) circulant dans le tube ( 2 ) , c. à la seconde extrémité du tube (2b) , un organe de séparation (4) du gaz sortant du tube (Gp) et des particules solides (S) présentes dans le gaz (Gp) , d. des moyens de collecte (5) des particules solides (S) e. un dispositif de traitement (6) du gaz après passage dans l'organe de séparation (4) .
2. Machine selon la revendication 1, agencée pour traiter un gaz hydrocarboné (G) , dans laquelle les particules solides (S) récupérées par les moyens de collecte (5) sont essentiellement du carbone et le gaz (Gp) sortant du dispositif de traitement (6) est essentiellement du dihydrogène (H2) .
3. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le tube (2) a un diamètre, une longueur déployée, un diamètre de cintrage et un nombre de spires définis selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à traiter, selon le temps de séjour et la vitesse minimum du gaz à traiter dans le réacteur et selon le rapport entre la quantité d' énergie électrique nécessaire pour chauffer le tube par effet Joule et l'énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse.
4. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le réacteur comprend au moins un tube à passage de courant (2) logé dans un caisson étanche (2c) rempli de billes d'isolants haute température (2d) .
5. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le circuit d'alimentation électrique (3) comprend au moins un moteur ou une turbine à gaz (3a) .
6. Machine selon la revendication 1, dans laquelle l'organe de séparation (4) comprend au moins un cyclone.
7. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de traitement (6) comprend au moins un dispositif d' adsorption par inversion de pression.
8. Machine selon la revendication 1, comprenant un dispositif de préchauffage (1) monté en amont du tube pour préchauffer le gaz (G) préalablement à son entrée dans le tube ( 2 ) .
9. Installation de production de dihydrogène par pyrolyse d'un gaz hydrocarboné, comprenant : a. un dispositif d'alimentation et de circulation de gaz (3, 3a) raccordé directement à la source de gaz à traiter ; b. un dispositif de préchauffage du gaz (1, la) ; c. un réacteur comprenant au moins un tronçon de tube (2) , au moins partiellement en matériau électriquement conducteur, conformé en spirale avec une première extrémité formant une entrée du gaz (2a) et une seconde extrémité opposée (2b) formant une sortie du gaz ; d. un circuit d'alimentation électrique (3) relié au tube (2) pour chauffer le au moins un tronçon de tube par effet Joule jusqu'à une température supérieure à une température de pyrolyse du gaz circulant dans le tube, comprenant au moins un moteur ou une turbine à gaz (3a) ; e. un organe de ref roidissement/séparation (4) du gaz pyrolysé (Gp) sortant du au moins un tronçon de tube (2) d'une part et des particules solides (S) présentes dans le gaz pyrolysé (Gp) d'autre part ; f. un dispositif de collecte (5) des particules solides (S) ; g. un dispositif de traitement (6) du gaz pyrolysé (Gp) pour séparer dans ledit gaz pyrolysé d'une part le dihydrogène (H2) et d'autre part les gaz résiduels (Off-gaz) , le dihydrogène étant mis sous pression et les gaz résiduels étant utilisés pour alimenter le moteur ou la turbine à gaz (3a) du circuit d'alimentation électrique (3) .
10. Installation selon la revendication 9, dans laquelle le réacteur comprend une batterie de tronçons de tube reliés deux à deux en série et s'étendant parallèlement entre eux et en regard les uns des autres, chaque tronçon de tube étant conformé en spirale avec un diamètre compris entre 25 et 250 mm, une longueur déployée comprise entre 20 m et 150 m, un diamètre de cintrage compris entre 100 mm et 3000 mm.
11. Installation selon la revendication 9 ou 10 dans laquelle le dispositif de traitement (6) comprend au moins un dispositif d' adsorption par inversion de pression.
12. Procédé de production de dihydrogène à partir de gaz hydrocarboné comprenant les étapes de : a. préchauffer le gaz à traiter ; b. injecter le gaz à traiter préchauffé dans une machine selon la revendication 1 ou dans une installation selon la revendication 9 comprenant au moins un tube ou au moins un tronçon de tube à passage de courant conformé en spirale, la configuration du tube, ou tronçon de tube à passage de courant et le nombre étant dimensionnés selon la nature et la température de pyrolyse du gaz à 22 traiter et selon le rapport entre la quantité d' énergie électrique nécessaire pour chauf fer le tube ou le au moins un tronçon de tube par ef fet j oule et l ' énergie chimique nécessaire à la réaction de pyrolyse ; c . en aval du tube ou au moins un tronçon de tube , refroidir le gaz pyrolysé sortant du tube ou du au moins un tronçon de tube et séparer les particules solides présentes dans ledit gaz pyrolysé dudit gaz pyrolysé ; d . collecter les particules solides ; e . traiter le gaz par adsorption par inversion de pression pour séparer dans le gaz le dihydrogène et des gaz résiduels f . conditionner le dihydrogène .
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