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EP4504649A1 - Méthode et système pour la production de gaz de synthèse par une oxyflamme à partir de diverses sources de carbone et d'hydrogène - Google Patents

Méthode et système pour la production de gaz de synthèse par une oxyflamme à partir de diverses sources de carbone et d'hydrogène

Info

Publication number
EP4504649A1
EP4504649A1 EP23784049.1A EP23784049A EP4504649A1 EP 4504649 A1 EP4504649 A1 EP 4504649A1 EP 23784049 A EP23784049 A EP 23784049A EP 4504649 A1 EP4504649 A1 EP 4504649A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zone
gas
reducing flow
hydrogen
flow
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
EP23784049.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Raynald Labrecque
Robert Schulz
Ali SHEKARI
Michel Vienneau
Germain LAROCQUE
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.)
Hydro Quebec
Original Assignee
Hydro Quebec
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 Hydro Quebec filed Critical Hydro Quebec
Publication of EP4504649A1 publication Critical patent/EP4504649A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K3/00—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide
    • C10K3/02—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by catalytic treatment
    • C10K3/026—Increasing the carbon monoxide content, e.g. reverse water-gas shift [RWGS]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/40—Carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/30—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C10G2/32—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen with the use of catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/062—Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/86—Carbon dioxide sequestration

Definitions

  • the present application relates to a method and system for producing a synthesis or reducing gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) from various sources of carbon and hydrogen (H 2 ). More particularly, the method of producing the synthesis or reducing gas uses at least a first source of carbon which is CO 2 and at least a second source of carbon comprising a hydrocarbon.
  • Carbon monoxide and hydrogen gas mixtures - commonly referred to as syngas or reducing gas - are used in the manufacture of a wide spectrum of commodities such as synthetic liquid hydrocarbons and alcohols. Additionally, they can be used for the production of reducing gases in the metallurgical industry (e.g. direct reduction of iron oxides). To produce such gases, including carbon monoxide (CO), a carbon source is required to fuel the process.
  • the carbon source can come from fossil resources such as natural gas or coal. Using a carbon source and water vapor, a mixture of carbon monoxide and hydrogen can be produced. Well-known approaches to doing this include natural gas reforming techniques and coal steam gasification.
  • GHG Greenhouse Gas
  • CO2 is found in ambient air, but also in atmospheric emissions from industrial processes that emit CO2 (e.g. cement works, aluminum works, steelworks, etc.).
  • CO2 Carbon Capture Utilization
  • the CO2 thus captured can be used as a carbon source for the production of synthesis gas for the production of a wide spectrum of products with improved carbon neutrality, ie, whose production and use cycle involves little net GHG emissions, when CO2 comes from biogenic sources or ambient air. It is thus possible to produce synthetic fuels with increased carbon neutrality, which can be used in existing infrastructure. It is also possible to produce synthesis gases that can be used for the formulation of reducing gases for the metallurgical industry (eg, for the direct reduction of metal oxides).
  • the water vapor generated by the oxy-flame following the reaction (B) and also by the RWGS reaction (A), during the production of the synthesis gas, can be considered as a "loss" of hydrogen and have an impact on operating costs.
  • a method that can take advantage of this generated water vapor, by using it to produce a synthesis gas, would be desirable.
  • the present technology relates to a method of producing synthesis gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), the method comprising: feeding an oxidizing flow comprising oxygen (O 2 ) and a first reducing flow comprising hydrogen (H 2 ) in at least a first zone of at least one reactor, where the oxidizing flow and/or the first reducing flow further comprises a first source of carbon which is CO 2 ; generation of an oxy-flame in the first zone by reaction between the oxygen of the oxidizing flow and the hydrogen of the first reducing flow, and production of a first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and steam of water (H 2 O) by bringing the oxidizing flow and the first reducing flow into contact with the oxy-flame; feeding into the reactor a second reducing flow comprising a second carbon source comprising at least one hydrocarbon; generation in a second reaction zone of the reactor of a second gas comprising the synthesis gas, from the first gas coming from the first reaction zone and the
  • the production of the first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O), in the first zone is carried out at a temperature of at least 1000°C and at most 2400°C.
  • the production of the first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O), in the first zone is carried out at a temperature between approximately 1000°C and approximately 1900°C.
  • the generation of the synthesis gas, in the second zone is carried out at a temperature of at least 700°C and at most 1500°C.
  • the generation of the synthesis gas, in the second zone is carried out at a temperature between approximately 700°C and approximately 1000°C.
  • the generation of the synthesis gas, in the second zone is carried out at a temperature lower than a temperature in the first zone.
  • the oxidizing flow is supplied in a lower and central part of the first zone and the first reducing flow is supplied in the lower part of the first zone on the periphery of the oxidizing flow.
  • the second gas generated in the second zone comprises the synthesis gas and residual CO2 and the method further comprises recycling a part of the second gas in the first zone.
  • part of the second gas is recycled in the first reducing flow.
  • the method further comprises cooling the part of the second gas to be recycled, before recycling.
  • the method is carried out in a plurality of reactors in parallel, each reactor having the first zone which receives the oxidizing flow and the first reducing flow and where the first gas is produced, and the second zone which receives the second flow reducer and where the second gas is generated.
  • the reactor comprises a plurality of first zones and a second common zone, and in which: the oxidizing flow and the first reducing flow are supplied in each first zone of the plurality of first zones and the first gas is produced in each first zone, the second reducing flow is fed into the second common zone which receives the first gas produced in each first zone and the second gas is generated in the second common zone.
  • the present technology relates to a system for producing a synthesis gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), the system comprising at least one reactor and said reactor comprising at least a first reaction zone and at least one second reaction zone, in which: the first reaction zone is supplied by an oxidizing flow comprising oxygen (O 2 ) and a first reducing flow comprising hydrogen (H 2 ), where the oxidizing flow and/or the first reducing flow further comprises a first source of carbon which is CO 2 , and in the first zone an oxy-flame is generated by reaction between the oxygen of the oxidizing flow and the hydrogen of the first reducing flow, to produce a first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O) by bringing the oxidizing flow and the first reducing flow into contact with the oxy-flame; the second reaction zone is supplied by a second reducing flow comprising a second carbon source comprising at least one hydrocarbon, to generate in the second reaction zone a second gas compris
  • the first zone is at a temperature of at least 1000°C and at most 2400°C during the production of the first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O).
  • CO carbon monoxide
  • H 2 O water vapor
  • the first zone is at a temperature between approximately 1000°C and approximately 1900°C during the production of the first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O).
  • CO carbon monoxide
  • H 2 O water vapor
  • the second zone is at a temperature of at least 700°C and at most 1500°C during the generation of the synthesis gas.
  • the second zone is at a temperature between approximately 700°C and approximately 1000°C during the generation of the synthesis gas.
  • the generation of the synthesis gas, in the second zone is carried out at a temperature lower than a temperature in the first zone.
  • the second gas generated in the second zone comprises the synthesis gas and residual CO2 and the system further comprises means for recycling part of the second gas in the first zone.
  • the recycling means comprises a conduit conveying the part of the second gas to be mixed with the first reducing flow.
  • system further comprises a device for cooling the part of the second gas to be recycled, before recycling.
  • the first zone and the second zone are each cylindrical in shape.
  • the system comprises a first means for supplying the oxidizing flow in a lower and central part of the first zone and a second means for supplying the first reducing flow in the lower part of the first zone on the periphery of the oxidizing flow.
  • the first means consists of a first central tube and the second means consists of an annular space extending perpendicularly between an external wall of the central tube and an internal wall of the first zone.
  • the system comprises a third means for supplying the second reducing flow in the second zone.
  • the first zone and the second zone are each of cylindrical shape and the third means consists of an opening formed by an annular space extending between an external wall of the first zone and an internal wall of the second zone, optionally in an upper region of the first zone and a lower region of the second zone.
  • the system comprises a plurality of reactors in parallel, each reactor having the first zone receiving the oxidizing flow and the first reducing flow and where the first gas is produced, and the second zone receiving the second reducing flow and where is generated the second gas.
  • the reactor comprises a plurality of first zones and a second common zone, and in which: each first zone of the plurality of first zones is supplied by the oxidizing flow and the first reducing flow to produce the first gas in each first zone, and the second common zone is supplied by the second reducing flow and receives the first gas produced in each first zone to generate the second gas in the second common zone.
  • the method and/or system according to the present technology may include the following embodiments.
  • the oxidizing flow comprises oxygen and CO2.
  • the first reducing flow comprises hydrogen (H 2 ) and CO2, and optionally water vapor in an H2O/H2 ratio ranging from 0 to 1, preferably in an H2O/H2 ratio ranging from 0 to 0.5.
  • the oxidizing flow and the first reducing flow each comprise CO2.
  • only the oxidizing flow comprises CO2.
  • the CO2 comes from an industrial discharge, is biogenic CO2 coming from a biogas, is CO2 captured directly from ambient air or a mixture of these.
  • the hydrogen present in the first reducing flow results from a water electrolysis reaction.
  • the hydrogen present in the first reducing flow results from an electrolysis reaction of water in an electrolyser which is powered by electricity produced from a renewable source (eg, produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy) or nuclear energy.
  • a renewable source eg, produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy
  • nuclear energy e.g., produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy
  • the hydrogen present in the first reducing flow results from a steam reforming reaction of natural gas or methane in a process for which the CO2 generated is at least partly captured and sequestered.
  • the hydrogen present in the first reducing flow comprises hydrogen resulting from a water electrolysis reaction in an electrolyser which is powered by electricity produced from a renewable source (e.g. , produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy) or nuclear energy, and hydrogen resulting from a steam reforming reaction of natural gas or methane in a process for which the CO2 generated is at least partly captured and sequestered.
  • a renewable source e.g. , produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy
  • nuclear energy e.g., produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy
  • the hydrogen present in the first reducing flow further comprises hydrogen resulting from a methane pyrolysis reaction.
  • hydrogen, oxygen and CO2 are supplied into the first zone in an H2/O2 molar ratio of at least 2, and an H2/CO2 molar ratio of at least 1.8.
  • hydrogen, oxygen and CO2 are supplied into the first zone in an H2/O2 molar ratio of between 2 and 10, and an H2/CO2 molar ratio of between 1.8 and 9.
  • oxygen and CO2 are supplied to the first zone in an O2/CO2 molar ratio of at least 0.5.
  • oxygen and CO2 are supplied to the first zone in an O2/CO2 molar ratio of between 0.5 and 6.
  • the generation of the synthesis gas comprises steam reforming of the hydrocarbon(s) with the water vapor included in the first gas.
  • the second reducing flow further comprises water vapor and the generation of the synthesis gas comprises steam reforming of the hydrocarbon(s) with the water vapor included in the first gas and the water vapor included in the second reducing flow.
  • the second carbon source comprises a fossil or renewable hydrocarbon.
  • the second carbon source comprises fossil or renewable natural gas.
  • the second carbon source comprises methane.
  • the second carbon source comprises methane from biogas.
  • the second reducing flow further comprises an organic compound derived from biomass.
  • the second reducing flow further comprises a compound of formula C a HpO Y with a varying from 1 to 5, p varying from 2 to 10 and y varying from 1 to 4.
  • the second reducing flow comprises methane (CH 4 ) and optionally hydrogen (H 2 ) in an H 2 /CH 4 molar ratio of between 0 and 2.5.
  • the second reducing flow comprises methane (CH 4 ) and optionally hydrogen (H 2 ) and a molar ratio between the CH 4 supplied and a total quantity of H 2 supplied in the two zones is between 0.1 and 1.
  • the second reducing flow further comprises hydrogen (H 2 ).
  • the hydrogen present in the second reducing flow results from a steam reforming reaction of natural gas or methane in a process for which the CO 2 generated is at least partly captured and sequestered.
  • the second reducing flow comprises a quantity of hydrogen to balance the molar composition of the synthesis gas to have H 2 /CO > 2 and (H 2 -CO 2 )/(CO+CO 2 ) > 2.
  • the second reducing flow comprises methane (CH 4 ) and optionally water vapor (H 2 O) and a molar ratio between the water vapor (H 2 O) and the CH 4 is included between 0 and 2.
  • the second reducing flow further comprises water vapor.
  • the generation of the second gas comprising the synthesis gas in the second zone of the reactor is carried out in the absence of catalyst.
  • the oxygen (O 2 ) present in the oxidizing flow results from a water electrolysis reaction.
  • the oxygen (O 2 ) present in the oxidizing flow comes from an air separation unit (ASU).
  • ASU air separation unit
  • the present technology relates to the use of a synthesis gas produced by the method as defined in the present description or by the system as defined in the present description, for the manufacture of chemicals or fuels .
  • the use allows the manufacture of synthetic hydrocarbons.
  • the present technology relates to the use of a synthesis gas produced by the method as defined in the present description or by the system as defined in the present description, as a reducing agent for the metallurgical industry .
  • the present technology relates to the use of a system as defined in the present description for the treatment of gaseous industrial effluents containing CO 2 .
  • Figure 1 represents a schematic vertical sectional view of a reactor which can be used to carry out the method according to one embodiment.
  • Figure 2 represents a schematic vertical sectional view of a reactor which can be used to carry out the method according to an embodiment where the oxy-flame extends towards the second zone.
  • Figure 3 represents a schematic vertical sectional view of a reactor which can be used to carry out the method according to another embodiment.
  • Figure 4 represents a schematic vertical sectional view of a system comprising several reactors in parallel, which can be used to carry out the method according to another embodiment.
  • Figure 5 represents a schematic vertical sectional view of a reactor comprising several first reaction zones and a second common zone, which can be used to carry out the method according to yet another embodiment.
  • Figure 6 shows a bottom view of the reactor in Figure 5.
  • Figure 7 represents a schematic vertical sectional view of a reactor which can be used to carry out the present method and which is used for the examples. The figure shows the general arrangement of the tubes for this reactor.
  • synthesis gas reducing gas
  • syngas a gas mixture comprising at least carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2).
  • the synthesis gas, reducing gas or syngas may include CO2.
  • flow is used to describe the different gas flows which are involved in the production of the synthesis gas, in the different zones, inside the reactor.
  • carbon source describes the chemical compound(s) that are used to provide the carbon found in the syngas produced.
  • the carbon source provides at least the carbon that is found in the carbon monoxide (CO) produced.
  • CO carbon monoxide
  • Different chemical compounds can be used as a carbon source.
  • the present method uses at least CO2 and at least one hydrocarbon (Le., a compound based on carbon and hydrogen essentially) as a carbon source to produce the synthesis gas.
  • the hydrocarbon used as one of the carbon sources is methane (CH 4 ) or fossil or renewable natural gas (GNR).
  • other sources of carbon such as organic compounds comprising carbon, hydrogen and oxygen, can be used, as will be explained below.
  • electricality from renewable sources or “electricity produced from renewable sources” mean electricity produced from solar energy, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy.
  • gas natural gas designates a mixture of gaseous hydrocarbons (essentially methane) originating from the natural transformation of organic materials from underground deposits.
  • RNG renewable natural gas
  • gaseous fuel also called biomethane or first generation RNG, which can generally contain between 55 and 99% methane, produced from biogas. resulting from the anaerobic digestion of organic matter.
  • the method for producing synthesis gas comprises: feeding an oxidizing flow comprising oxygen (O2) and a first reducing flow comprising hydrogen into at least a first reaction zone d at least one reactor, where the oxidizing flow and/or the first reducing flow further comprises a first carbon source which is CO2; the generation of an oxy-flame in the first zone by reaction between the oxygen of the oxidizing flow and the hydrogen of the first reducing flow, and production of a first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O) by bringing the oxidizing flow and the first reducing flow into contact with the oxy-flame; feeding the reactor with a second reducing flow comprising a second carbon source comprising at least one hydrocarbon; and the generation in a second zone of the reactor of a second gas comprising the synthesis gas, from the first gas coming from
  • the method uses at least CO2 as a carbon source to produce the synthesis gas.
  • CO2 can have various origins.
  • the method can use CO2 coming from an industrial discharge, biogenic CO2 coming from biogas, or CO2 captured directly from ambient air, e.g., according to the process called “Direct Air Capture” (DAC).
  • DAC Direct Air Capture
  • the carbon source includes CO2 captured from ambient air or CO2 coming from biomass, this carbon is then qualified as “carbon neutral” or “biogenic”.
  • Figure 1 illustrates the general principle of how the method works. According to certain embodiments, the method can therefore be carried out in at least one reactor 10 having two reaction zones 12 and 14. According to certain embodiments, the reactor is provided with a thermal insulation (not shown in the figures).
  • the second reaction zone can be described as a downstream zone of the first reaction zone since the products resulting from the reaction(s) involved in the first zone can serve as inputs for the reaction(s) occurring in the second reaction zone. As will be explained in more detail below, the reactions occurring in the second reaction zone are different from those occurring in the first reaction zone.
  • the reaction(s) involve at least CO2 as the first source of carbon and in the second zone, a second carbon source comprising a hydrocarbon is involved.
  • the method can be carried out in at least one reactor provided with two reaction zones 12 and 14, an inlet zone 20 and an outlet zone 28.
  • the first reaction zone 12 is supplied by at least two gas flows.
  • the flow 16 which is fed into the first reaction zone 12 is an oxidizing flow which comprises at least oxygen (O2).
  • the gas flow 18 which is fed into the first reaction zone 12 is a first reducing flow which comprises at least hydrogen (H 2 ).
  • at least one of the oxidizing flow 16 and the first reducing flow 18 further comprise a first carbon source which is CO2.
  • the oxy-flame 22 is produced by the combustion of hydrogen (H 2 ) from the first reducing flow 18 in the presence of oxygen (O2) from the oxidizing flow 16 according to reaction (B) mentioned previously.
  • This flame is lively and radiant and makes it possible to provide the heat required to support the reaction which will produce a first gas comprising carbon monoxide (CO) produced from the first carbon source comprising at least CO2, and also comprising water vapor, according to reaction (A) of the RWGS.
  • the first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O) is obtained by “bringing the oxidizing flow and the first reducing flow into contact” with the oxy-flame.
  • the expression "contacting" according to the present method is understood as a distance “d” between the oxidizing flow and the reducing flow which can range from 0 to 50 mm, and preferably from 0 to 30 mm.
  • the distance “d” between the oxidizing flow and the reducing flow in can be 0 mm, 5. mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm, 50 mm or any value between these.
  • distance “d” can range from 0 to 50 mm, 0 to 40 mm, 0 to 30 mm, 0 to 20 mm, or 0 to 10 mm.
  • the oxy-flame can generate ionic species and free radicals that can promote the conversion of the carbon source to CO.
  • the production of carbon monoxide and water vapor in the first reaction zone 12 can be carried out in the absence of a catalyst such as solid catalysts used conventionally.
  • the combustion of hydrogen (H 2 ) in the presence of oxygen (O 2 ) which produces the oxy-flame can be initiated using an ignition device.
  • the oxy-flame can make it possible to reach a temperature, in the first reaction zone, of at least 600°C.
  • the temperature reached in the first zone 12 is at least 1000°C and at most 2400°C.
  • the reactor can be provided with thermal insulation around the reactive zones to minimize heat loss and thus maintain the temperature in the reactor at a high enough level to support the reactions.
  • the production of the first gas comprising at least carbon monoxide (CO) and water vapor (H 2 O) in the first zone 12 can be carried out at a temperature between approximately 1000°C and approximately 2300°C, or between approximately 1000°C and approximately 2200°C, or between approximately 1000°C and approximately 2100°C, or between approximately 1000°C and approximately 2000°C, or between approximately 1000°C and approximately 1900°C.
  • the temperature in the first zone 12 can also vary between approximately 1000°C and approximately 1800°C, between approximately 1000°C and approximately 1700°C, between approximately 1000°C and approximately 1600°C, or between approximately 1000°C and approximately 1500°C.
  • the oxy-flame which is generated in the first zone 12 can extend into the second zone 14 of the reactor.
  • Figures 1 and 2 generally show a reactor where the reaction zones 12 and 14 appear one above the other (zones in series), but other configurations are possible.
  • the two reaction zones 12 and 14 can be found at least partially adjacent to each other (parallel zones).
  • the oxygen (O 2 ) used in the oxidizing flow is pure oxygen.
  • the oxygen-based mixture comprises substantially O2 and can be accompanied by certain impurities such as N 2 , H 2 O for example.
  • the oxygen present in the oxidizing flow 16 results from a water electrolysis reaction.
  • the oxygen (O 2 ) present in the oxidizing flow 16 can come from an air separation unit (ASU). It would also be possible to use oxygen which would be a mixture of oxygen resulting from a water electrolysis reaction and coming from an air separation unit.
  • the first carbon source which includes CO 2
  • the first carbon source is fed into the first zone of the reactor with oxygen from the oxidizing flow.
  • the first carbon source, which comprises CO 2 is fed into the first zone of the reactor with hydrogen from the first reducing flow.
  • part of the first carbon source, which includes CO 2 is fed into the first zone of the reactor with oxygen from the oxidizing flow and another part of the first carbon source is fed into the first zone of the reactor with the hydrogen from the first reducing flow.
  • the first carbon source, which comprises CO 2 is supplied in the first zone only with oxygen from the oxidizing flow.
  • CO 2 can have various origins.
  • the CO 2 comes from an industrial discharge, is biogenic CO 2 coming from biogas, or is CO 2 captured directly from ambient air.
  • the CO 2 which is used as the first carbon source is biogenic CO 2 originating from a biogas.
  • the hydrogen required in the present method may be hydrogen qualified as low carbon footprint hydrogen.
  • the hydrogen required in the present method to produce the oxy-flame in the first zone that is to say the hydrogen present in the first reducing flow 18, can, at least in part , result from a water electrolysis reaction.
  • This hydrogen is qualified as “green hydrogen” if the electrolyser in which the electrolysis of water is carried out is powered by electricity produced from a renewable source, such as from energy solar, wind energy, hydraulic energy, biomass or geothermal energy.
  • the electricity used for the electrolysis of the water can come from nuclear energy which is an energy source that does not emit greenhouse gases, and this hydrogen can also be referred to as "pink hydrogen" in the context of the present technology.
  • the hydrogen present in the first reducing flow 18 fed into the first zone of the reactor can be "blue hydrogen", that is to say hydrogen resulting from a reaction steam reforming of natural gas or methane in a process for which the CO2 generated is at least partly captured and sequestered.
  • the hydrogen present in the first reducing flow 18 fed into the first zone of the reactor can be "turquoise hydrogen", that is to say hydrogen resulting from a methane pyrolysis reaction.
  • the hydrogen present in the first reducing flow 18 fed into the first zone of the reactor can be "pink hydrogen", that is to say hydrogen resulting from a reaction water electrolysis powered by nuclear energy.
  • the first reducing flow 18 may comprise a mixture of green hydrogen and blue hydrogen, or a mixture of green hydrogen and turquoise hydrogen, a mixture of blue hydrogen and turquoise hydrogen, a mixture of green hydrogen, blue hydrogen and turquoise hydrogen.
  • the quantities of hydrogen supplied in the first zone 12 are dosed so as to reduce operating costs as much as possible while ensuring that at the exit of the reactor, the molar composition of the synthesis gas satisfies the following equations (C) and (D):
  • hydrogen, oxygen and CO2 are supplied into the first zone 12 in an H2/O2 molar ratio of at least 2, and an H2/CO2 molar ratio of at least 1.8 .
  • hydrogen, oxygen and CO2 can be supplied into the first zone in an H2/O2 molar ratio of between 2 and 10, and an H2/CO2 molar ratio of between 1.8 and 9.
  • hydrogen and oxygen can be supplied into the first zone 12 with an H2/O2 molar ratio of approximately 2, approximately 3, approximately 4, approximately 5, approximately 6, d 'about 7, about 8, about 9, or about 10, or any value between these values.
  • the quantity of hydrogen and the quantity of CO2 supplied to the first zone can be adjusted such that the H2/CO2 molar ratio is approximately 1.8, or approximately 2, or approximately 3, or approximately 4, or about 5, or about 6, or about 7, or about 8, or about 9, or any value between these values.
  • oxygen and CO2 can be supplied to the first zone in an O2/CO2 molar ratio of at least 0.5.
  • oxygen and CO2 can be supplied to the first zone in an O2/CO2 molar ratio of between 0.5 and 6.
  • the quantity of oxygen and the quantity of CO2 supplied to the first can be adjusted.
  • the O2/CO2 molar ratio is approximately 0.5, or approximately 1, or approximately 2, or approximately 3, or approximately 4, or approximately 6, or no matter what value is between these values.
  • the H2/O2, H2/O2 and O2/CO2 molar ratios can be adjusted according to the quantity of other gases sent into the reactor if necessary, and according to the ratio of CO and H 2 desired in the final synthesis gas.
  • the oxidizing flow 16 and/or the reducing flow 18 may contain, in addition to the inputs described above, a certain quantity of impurities and water vapor.
  • the reducing flow 18 can contain water vapor up to an H2O/H2 molar ratio of 0.5.
  • the reactor 10 comprises a second reaction zone 14 generally configured in series with respect to the first zone 12.
  • the oxy-flame 22 which is generated in the first zone can extend into the second zone 14.
  • the two zones 12 and 14 can also be find at least partly parallel to each other.
  • the flows are fed into each of the reaction zones in a substantially parallel manner.
  • the first reducing flow and the second reducing flow are substantially parallel in the reactor.
  • the first reducing flow and the second reducing flow could be fed at an angle substantially perpendicular to each other.
  • the second reaction zone receives the gas formed in the first reaction zone which comprises at least CO and water vapor generated by reactions (A) and (B) and possibly a certain quantity of residual CO2 and/or of hydrogen H 2 .
  • This second reaction zone 14 is further supplied by a second reducing flow 24 comprising a second carbon source comprising at least one hydrocarbon.
  • the reducing flow 24 may include water vapor.
  • the second reducing flow 24 comprises at least one hydrocarbon as a second carbon source, and the generation of the synthesis gas, in the second reaction zone 14, is carried out in part by steam reforming of the hydrocarbon(s) with the water vapor included in the first gas and/or water vapor possibly present in the reducing flow 24 as mentioned above.
  • This carbon source can be a fossil or renewable hydrocarbon, preferably methane or fossil or renewable natural gas (RNG).
  • RNG fossil or renewable natural gas
  • the second source of carbon is methane which comes from biogas.
  • the reaction (E), and the reaction (F) in the presence of residual CO2 occur in the second zone 14.
  • hydrogen can also be supplied to the second zone 14 to produce the synthesis gas.
  • additional hydrogen is supplied into zone 14 by the reducing flow 24, on the one hand it is possible to balance the composition of the synthesis gas in order to respect equations (C) and (D) as mentioned previously and, on the other hand, on the other hand, reduce water vapor and residual CO 2 in this area.
  • the hydrogen which is supplied via the second reducing flow 24 in the second zone 14 can be blue hydrogen as described above, that is to say hydrogen resulting from a steam reforming reaction of natural gas or methane in a process for which the CO 2 generated is at least partly captured and sequestered.
  • the second reducing flow 24 may comprise methane (CH 4 ) and optionally hydrogen (H 2 ) in an H 2 /CH 4 molar ratio of between 0 and 2.5.
  • the second zone can be supplied with a second reducing flow 24 comprising methane (CH 4 ) and optionally hydrogen (H 2 ), such that the molar ratio between the CH 4 supplied and a total quantity of H 2 supplied in the two zones is between 0.1 and 1.
  • a second reducing flow 24 comprising methane (CH 4 ) and optionally hydrogen (H 2 ), such that the molar ratio between the CH 4 supplied and a total quantity of H 2 supplied in the two zones is between 0.1 and 1.
  • the second reducing flow 24 may contain, in addition to the inputs described above, water vapor and a small quantity of impurities.
  • the reducing flow 24 fed into the second zone 14 may comprise methane (CH 4 ) and optionally water vapor (H 2 O) with a molar ratio of water vapor (H 2 O) compared to CH 4 which can be between 0 and 2.
  • the reducing flow 24 fed into the second zone 14 may also comprise organic compounds derived from biomass, that is to say comprising biogenic carbon.
  • organic compounds comprising biogenic carbon can have the formula CJHpOy with a varying from 1 to 5, p varying from 2 to 10 and y varying from 1 to 4.
  • the reaction in the second zone 14 of the reactor is carried out at a temperature which is lower than the temperature in the first zone 12.
  • the generation of the synthesis gas, in the second zone 12 can be carried out at a temperature of at least 700°C and at most 1500°C.
  • the temperature in the second reaction zone may be between about 700°C and about 1000°C.
  • the temperature in the second reaction zone can also be between approximately 700°C and approximately 1400°C, between approximately 700°C and approximately 1300°C, between approximately 700°C and approximately 1200°C, between approximately 700°C and approximately 1200°C.
  • the desired temperature can be reached in the second reaction zone 14 by using a wall that is less insulated than, for example, the wall of the reactor in the first zone. It is also possible, in certain cases, to use a cooling system to have the desired temperature in the second zone of the reactor.
  • the production of synthesis gas in the second zone 14 of the reactor can be carried out in the absence of catalyst such as solid catalysts (e.g., metal catalysts) as used conventionally.
  • catalyst such as solid catalysts (e.g., metal catalysts) as used conventionally.
  • a return loop 30 as shown in Figure 3 can be activated to return part of the gas generated in the second zone 14 to the first zone 12 of the reactor.
  • the part of the second gas which is recycled can be mixed with the first reducing flow 18 before feeding into the first zone 12.
  • the part of the second gas which is recycled can be cooled at the outlet 28 of the reactor before to have returned to the first zone.
  • the cooling must allow over-pressurization of the gas at outlet 28 using a fan.
  • the production of synthesis gas according to the present method may comprise the supply, in the first zone 12, of an oxidizing flow 16 comprising oxygen and a renewable carbon source and of a first reducing flow 18 comprising green hydrogen, and, in the second zone 14, the supply of blue hydrogen as well as a source of fossil carbon.
  • the renewable carbon source is CO2 and the fossil carbon source is methane, the reactions involved can enable the efficient and lower-cost production of syngas. Equation (G) below presents a typical overall reaction scheme that can be carried out:
  • the method although able to use fossil carbon sources as inputs, also uses CO2 as an input, the net GHG emissions from the reactor can be zero or very close to zero; This method can be considered as a carbon capture and utilization method (CCU-carbon capture and utilization).
  • FIG. 1 to 3 A schematic representation of a reactor which can be used for the implementation of the present method, is shown in Figures 1 to 3.
  • the design of the reactor can vary and/or a system comprising several reactors can be used.
  • Other examples of designs are shown in Figures 4 to 7 which will be discussed below.
  • the design of the reactor or system is not limited to the representations of Figures 1 to 7, and this design can be adjusted as long as it allows the reactions involved for the production of the synthesis gas to be carried out, according to the parameters described. above.
  • a cylindrical reactor can be used which includes two reaction zones, as described above. According to certain embodiments, each of the two zones can itself be cylindrical.
  • the reactor 10 may comprise a first means for supplying the oxidizing flow 16 in a lower and central part of the first zone 12 and a second means for supplying the first reducing flow 18 in the lower part of the first zone on the periphery of the oxidizing flow.
  • the reactor may comprise a first central tube through which the oxidizing flow 16 is supplied into the first zone 12 and an annular space extending perpendicularly between an external wall of the central tube and an internal wall of the first zone 12 to supply the first reducing flow 18.
  • the reactor may comprise a third means for supplying the second reducing flow 24 in the second zone 14.
  • this third means may consist of an opening formed by an annular space extending between an external wall of the first zone 12 and an internal wall of the second zone 14.
  • the annular space through which the second reducing flow 24 is supplied into the reactor can extend between the external wall of the first zone 12 and the internal wall of the second zone 14 in an upper region of the first zone and a lower region of the second zone.
  • the inputs of each of the streams 16, 18 and 24 can be at the same level as shown in Figure 7 for example.
  • the reactor can also include an outlet 28 in an upper part of the second zone 14 to recover the gas formed in the second zone which includes the synthesis gas.
  • the reactor can be provided with a return loop 30 (Figure 3 to possibly return part of the gas formed in the second zone 14.
  • the production of the synthesis gas can be carried out using a plurality of reactors positioned in parallel, as shown in Figure 4.
  • Each of the reactors can correspond to one of the reactors represented in Figures 1 to 3 for example.
  • the reactors in Figure 4 can have a different design as long as each reactor has a first zone where the oxidizing flow and the first reducing flow are supplied to produce the first gas, and a second zone where the second reducing flow is supplied to generate the second gas comprising the synthesis gas, according to the parameters and conditions described above.
  • the production of the synthesis gas can be carried out using a reactor comprising a plurality of first zones 12 and a second common zone 14 ( Figures 5 and 6). More particularly, in this embodiment, each first zone 12 of the reactor is supplied by the oxidizing flow and the first reducing flow to produce the first gas in each first zone, and the second common zone 14 is supplied by the second reducing flow 24 and receives the first gas produced in each first zone to generate the second gas in the second common zone.
  • the first zones 12 operate in parallel and each has an oxy-flame.
  • the second reducing flow 24 can be fed into the second common zone 14 by at least one input which can be located in a peripheral zone of the second zone.
  • several inputs can be provided to supply the second reducing flow 24 in the second zone. For example, entrances can be provided at several locations in a peripheral zone of the second zone and near the lower part of its internal wall.
  • the synthesis gas which is obtained at the outlet of the reactor is generally cooled and then used in a subsequent chemical synthesis.
  • the method described in this document can make it possible to produce synthesis gases based on CO and H 2 which are balanced, ie, with appropriate proportions of CO and H 2 , to then allow the production of a variety of products by conventional chemical syntheses.
  • It is also possible to adjust the proportion of CO and H 2 in the synthesis gas by controlling the temperature and possibly the pressure in each reaction zone of the reactor.
  • This pressure is generally around atmospheric pressure and can typically vary between 1 and 5 bars (absolute pressure), for each zone.
  • the absolute pressure in the first zone can range from 1 to 5 bars, or from 1 to 4 bars, or from 1 to 3 bars, or from 1 to 2 bars.
  • the absolute pressure in the first zone may be about 1 bar, about 2 bar, about 3 bar, about 4 bar, about 5 bar, or any pressure value in between.
  • the absolute pressure in the second zone can range from 1 to 5 bars, or from 1 to 4 bars, or from 1 to 3 bars, or from 1 to 2 bars.
  • the absolute pressure in the second zone may be about 1 bar, about 2 bar, about 3 bar, about 4 bar, about 5 bar, or any pressure value in between.
  • the pressure in the first zone and the pressure in the second zone are very close, or even the same.
  • the syngas produced by the present method can be used to produce a large number of commodity chemicals and fuels.
  • these products we find in particular methanol and hydrocarbons such as those found in motor gasoline, diesel, kerosene, to name a few examples.
  • the synthesis gas produced by the present method is used as a reducing agent for the metallurgical industry, among others, for the direct reduction of metal oxides, particularly iron oxides.
  • the method of producing synthesis gas described above and the reactor that can be used to carry out this method therefore have several advantages.
  • the reagents are easily accessible and can be derived from renewable sources and the method is simple to implement. It is not necessary to resort to the use of solid catalysts.
  • a low carbon footprint eg, green, blue, turquoise and/or pink hydrogen.
  • the method also makes it possible to take advantage of the water vapor generated during the reduction of CO2, by using it to produce the synthesis gas. This avoids having to condense a large quantity of water as is done in other known methods and avoids an indirect loss of hydrogen via water vapor.
  • the method has a beneficial environmental effect by recycling CO2 while allowing the efficient conversion of other carbon sources such as fossil hydrocarbons, such as methane for example.
  • the method allows for an overall conversion to CO of the carbon entering the reactor, which is significant while being flexible through the relative and in situ conversions of CO2 and hydrocarbon(s).
  • the reactor consists of an external alumina tube (99.8% AI2O3) with 13.54 mm internal diameter and 19.05 mm external diameter over a length of 212 mm.
  • the reaction volume is 33 cm 3 .
  • the gas entry is achieved by means of three spaces, a central space and two annular spaces defined by the end of two concentric alumina tubes: a central tube and a middle tube.
  • These two concentric tubes respectively have the following dimensions: an internal diameter of 6.31 mm with an external diameter of 4.11 mm for the central tube, and an internal diameter of 8.48 mm with an external diameter of 12.34 mm for the middle tube.
  • the end of the central tube defines the passage of the oxidizing flow 16 of the first zone of the reactor, while the annular space between the external diameter of the central tube and the internal diameter of the middle tube is found to define the passage of the reducing flow 18 of the first reaction zone. Finally, the annular space between the inner diameter of the outer tube and the outer diameter of the middle tube is found to define the passage of the second reducing flow of the second reaction zone 24.
  • the external alumina tube which defines the wall of the reaction chamber, is itself surrounded - over the entire length of the reactor - by an insulating envelope based on calcium silicate (thermal conductivity of 0.3 W/ mK, density of 1.36 g/cm 3 ) of cylindrical shape having an external diameter of 132 mm and an internal diameter of 20 mm (not shown in Figure 7).
  • the purpose of the insulating envelope is to ensure a certain thermal insulation of the reactor so as to minimize heat losses.
  • oxygen is mixed with CO2 and this mixture constitutes the oxidizing flow 16 of the first reaction zone.
  • the hydrogen supplied constitutes the reducing flow 18 of the first zone.
  • methane is supplied to constitute the reducing flow 24 of the second zone while for the second example, it is a mixture of methane and water vapor which constitutes the reducing flow 24 of the second zone.
  • the methane-water vapor mixture is produced by a device for hot saturation of the methane flow in the presence of a controlled flow of water.
  • the table provides the analysis of the gas exiting the reactor as determined by mass spectrometry. From the volume composition of the gas, the ratio S equal to (H 2 -CO2)/(CO+CO2) is calculated on the basis of the respective volume fraction of each of the gases H 2 , CO2 and CO of the dry gas obtained . The conversion rate of methane and that of CO2 are calculated from the atomic balances and from the composition of the gas (dry basis) as obtained by gas analysis by mass spectrometry. In the table, we also present the conversion rate into CO, of the total carbon entering in the reactor, i.e. the carbon contained in the CO2 supplied plus the carbon contained in the CH 4 supplied.
  • the table also presents the temperature as measured using a thermocouple located 25 mm from outlet 28 of the reactor.
  • the measured temperature value is used to calculate the average residence time of the reactants (i.e. all of the gases supplied) in the reactor, based on the reaction volume as described above and considering that the reactor operates at atmospheric pressure.
  • Examples 1, 2 and 3 as presented in Table 1 demonstrate the flexibility of the method and the system according to the present description. This flexibility essentially results from the geometric distinction of the reactive zones in the reactor.
  • the configuration used in these examples offers the advantage of obtaining a fairly wide and flexible range of relative and in situ conversions of CH 4 and CO2 while ensuring an overall and significant conversion of the incoming carbon. in the reactor (at least 70%).
  • the results of Examples 1 and 2 show that the supply of water vapor is not critical for achieving high methane conversion. Indeed, adding water to the second zone only slightly increases the conversion of methane (from 79% to 83%) (by reaction (E)) but promotes a reduction in the conversion of CO2 probably into favoring the opposite of reaction (A).
  • Example 3 show that a high and equivalent conversion of CH 4 and CO2 is achievable by the addition of a certain quantity of excess hydrogen in the first zone (9 vs. 6 sL/min). Indeed, this excess hydrogen seems to help convert CO2 more efficiently in the first zone by reaction (A)).
  • the conversion of CH 4 is not significantly affected by the increase in the conversion of CO2 due to the fact that this CH 4 is supplied separately in the second zone.

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Abstract

Méthode pour produire un gaz de synthèse comprenant du CO et H2 comprenant: alimentation d'un flux oxydant comprenant O2 et d'un premier flux réducteur comprenant H2 dans une première zone de réaction d'un réacteur, où le flux oxydant et/ou le premier flux réducteur comprend du CO2; génération d'une oxy-flamme dans la première zone par réaction entre O2 et H2, et production d'un premier gaz comprenant du CO et H2Ov apeur par mise en contact du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l'oxy-flamme; alimentation dans le réacteur d'un deuxième flux réducteur comprenant une source de carbone comprenant un hydrocarbure; génération dans une deuxième zone de réaction du réacteur d'un second gaz comprenant le gaz de synthèse à partir du premier gaz issu de la première zone de réaction et du deuxième flux réducteur à l'aide d'une réaction impliquant l'hydrocarbure.

Description

MÉTHODE ET SYSTÈME POUR LA PRODUCTION DE GAZ DE SYNTHÈSE PAR UNE OXYFLAMME À PARTIR DE DIVERSES SOURCES DE CARBONE ET D’HYDROGÈNE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente demande se rapporte à une méthode et un système pour produire un gaz de synthèse ou réducteur comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2) à partir de diverses sources de carbone et d’hydrogène (H2). Plus particulièrement, la méthode de production du gaz de synthèse ou réducteur utilise au moins une première source de carbone qui est du CO2 et au moins une deuxième source de carbone comprenant un hydrocarbure.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les mélanges gazeux à base de monoxyde de carbone et d’hydrogène - communément appelés gaz de synthèse ou réducteur - sont utilisés dans la fabrication d’un large spectre de produits de base tels que des hydrocarbures liquides synthétiques et des alcools. De plus, ils peuvent être utilisés pour la production de gaz réducteurs dans l’industrie métallurgique (par exemple, la réduction directe d’oxydes de fer). Pour produire de tels gaz, comprenant du monoxyde de carbone (CO), il faut une source de carbone pour alimenter le procédé. La source de carbone peut provenir de ressources fossiles telles que le gaz naturel ou encore le charbon. En utilisant une source de carbone et de la vapeur d’eau, on peut en produire un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Parmi les approches bien connues pour ce faire, mentionnons les techniques de reformage du gaz naturel et la vapo-gazéification du charbon.
La lutte contre les changements climatiques va devoir impliquer, entre autres, une diminution substantielle des émissions de Gaz à Effet de Serre (GES), notamment celles de CO2 et méthane. À l’heure actuelle, des efforts considérables sont réalisés pour minimiser la consommation de ressources fossiles en tant que source d’énergie et aussi en tant qu’ingrédient de base pour plusieurs synthèses chimiques. L’utilisation du CO2 comme source de carbone dans la production de gaz de synthèse est une approche considérée pour diminuer ces émissions de GES. Le CO2 se retrouve dans l’air ambiant, mais aussi dans les rejets atmosphériques issus de procédés industriels émetteurs de CO2 (ex : cimenterie, aluminerie, aciérie, etc.). Le procédé de capture de CO2 de l’air ambiant, provenant de sources biogéniques, ou rejeté par des procédés industriels pour le recycler pour une utilisation ultérieure est aussi connu sous le nom « Carbone Capture Utilization » (CCU). Le CO2 ainsi capté peut être utilisé en tant que source de carbone pour la production de gaz de synthèse pour la production d’un large spectre de produits présentant une carboneutralité améliorée, i.e. , dont le cycle de production et d’utilisation implique peu d’émission nette de GES, lorsque le CO2 provient de sources biogéniques ou de l’air ambiant. Il est ainsi possible de produire des carburants synthétiques à caractère carboneutre accru, pouvant être utilisés dans les infrastructures existantes. Il est également possible de produire des gaz de synthèse pouvant servir pour la formulation de gaz réducteurs pour l’industrie métallurgique (e.g., pour la réduction directe d’oxydes métalliques).
Il y a plusieurs moyens d’utiliser du CO2 en tant que réactif de base pour fournir du carbone pour la production de gaz de synthèse. Le moyen le plus pratique consiste à transformer le CO2 en monoxyde de carbone (CO) selon la réaction (A) appelée « Reverse Water Gas Shift » ou RWGS.
(A) CO2 + H2 -> CO + H2O (vapeur)
En faisant réagir du CO2 avec un excès d’hydrogène (H2), on peut produire des mélanges à base d’hydrogène et de CO.
Pour réaliser la réaction du RWGS (A), on a généralement recours à des réacteurs à lits catalytiques. Or, l’usage de catalyseurs conventionnels pour réaliser la réaction (A) n’est pas sans présenter certaines limites en lien avec le taux de conversion désiré pour le CO2. En effet, pour obtenir des taux élevés de conversion, il faut procéder à une température élevée (par exemple, plus de 1200°C), mais l’usage de catalyseurs conventionnels s’avère problématique pour des niveaux de température élevés.
Une autre méthode pour la production du gaz de synthèse s’appuie sur la combustion d’hydrogène avec l’oxygène pur en présence d’une oxy-flamme. L’oxy-flamme génère de la chaleur et de la vapeur d’eau, suivant la réaction (B). (B) (vapeur) + CHALEUR
La vapeur d’eau générée par l’oxy-flamme suivant la réaction (B) et également par la réaction du RWGS (A), lors de la production du gaz de synthèse, peut être considérée comme une « perte » d’hydrogène et avoir un impact sur les coûts d’opération. Une méthode qui puisse prendre avantage de cette vapeur d’eau générée, en la mettant à contribution pour produire un gaz de synthèse, serait souhaitable.
SOMMAIRE
Selon un premier aspect, la présente technologie concerne une méthode de production de gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2), la méthode comprenant : alimentation d’un flux oxydant comprenant de l’oxygène (O2) et d’un premier flux réducteur comprenant de l’hydrogène (H2) dans au moins une première zone d’au moins un réacteur, où le flux oxydant et/ou le premier flux réducteur comprend en outre une première source de carbone qui est du CO2; génération d’une oxy-flamme dans la première zone par réaction entre l’oxygène du flux oxydant et l’hydrogène du premier flux réducteur, et production d’un premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O) par mise en contact du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l’oxy-flamme; alimentation dans le réacteur d’un deuxième flux réducteur comprenant une deuxième source de carbone comprenant au moins un hydrocarbure; génération dans une deuxième zone de réaction du réacteur d’un second gaz comprenant le gaz de synthèse, à partir du premier gaz issu de la première zone de réaction et du deuxième flux réducteur par une réaction impliquant l’hydrocarbure.
Selon une réalisation, la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O), dans la première zone, est réalisée à une température d’au moins 1000°C et d’au plus 2400°C.
Selon une autre réalisation, la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O), dans la première zone, est réalisée à une température comprise entre environ 1000°C et environ 1900°C. Selon une autre réalisation, la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température d’au moins 700°C et d’au plus 1500°C.
Selon une autre réalisation, la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température comprise entre environ 700°C et environ 1000°C.
Selon une autre réalisation, la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température inférieure à une température dans la première zone.
Selon une autre réalisation, le flux oxydant est alimenté dans une partie inférieure et centrale de la première zone et le premier flux réducteur est alimenté dans la partie inférieure de la première zone en périphérie du flux oxydant.
Selon une autre réalisation, le second gaz généré dans la deuxième zone comprend le gaz de synthèse et du CO2 résiduel et la méthode comprend en outre un recyclage d’une partie du second gaz dans la première zone.
Selon une autre réalisation, une partie du second gaz est recyclée dans le premier flux réducteur.
Selon une autre réalisation, la méthode comprend en outre un refroidissement de la partie du second gaz à recycler, avant le recyclage.
Selon une autre réalisation, la méthode est réalisée dans une pluralité de réacteurs en parallèle, chaque réacteur possédant la première zone qui reçoit le flux oxydant et le premier flux réducteur et où est produit le premier gaz, et la seconde zone qui reçoit le deuxième flux réducteur et où est généré le second gaz.
Selon une autre réalisation, le réacteur comprend une pluralité de premières zones et une seconde zone commune, et dans laquelle : le flux oxydant et le premier flux réducteur sont alimentés dans chaque première zone de la pluralité de premières zones et le premier gaz est produit dans chaque première zone, le deuxième flux réducteur est alimenté dans la deuxième zone commune qui reçoit le premier gaz produit dans chaque première zone et le second gaz est généré dans la deuxième zone commune. Selon un autre aspect, la présente technologie concerne un système pour produire un gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2), le système comprenant au moins un réacteur et ledit réacteur comprenant au moins une première zone de réaction et au moins une deuxième zone de réaction, dans lequel: la première zone de réaction est alimentée par un flux oxydant comprenant de l’oxygène (O2) et un premier flux réducteur comprenant de l’hydrogène (H2), où le flux oxydant et/ou le premier flux réducteur comprend en outre une première source de carbone qui est du CO2, et dans la première zone une oxy-flamme est générée par réaction entre l’oxygène du flux oxydant et l’hydrogène du premier flux réducteur, pour produire un premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O) par mise en contact du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l’oxy-flamme; la deuxième zone de réaction est alimentée par un deuxième flux réducteur comprenant une deuxième source de carbone comprenant au moins un hydrocarbure, pour générer dans la deuxième zone de réaction un second gaz comprenant le gaz de synthèse à partir du premier gaz issu de la première zone de réaction et du deuxième flux réducteur par une réaction impliquant l’hydrocarbure.
Selon une réalisation, la première zone est à une température d’au moins 1000°C et d’au plus 2400°C lors de la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O).
Selon une autre réalisation, la première zone est à une température comprise entre environ 1000°C et environ 1900°C lors de la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O).
Selon une autre réalisation, la deuxième zone est à une température d’au moins 700°C et d’au plus 1500°C lors de la génération du gaz de synthèse.
Selon une autre réalisation, la deuxième zone est à une température comprise entre environ 700°C et environ 1000°C lors de la génération du gaz de synthèse.
Selon une autre réalisation, la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température inférieure à une température dans la première zone. Selon une autre réalisation, le second gaz généré dans la deuxième zone comprend le gaz de synthèse et du CO2 résiduel et le système comprend en outre un moyen de recyclage d’une partie du second gaz dans la première zone.
Selon une autre réalisation, le moyen de recyclage comprend un conduit acheminant la partie du second gaz pour être mélangée avec le premier flux réducteur.
Selon une autre réalisation, le système comprend en outre un dispositif de refroidissement de la partie du second gaz à recycler, avant le recyclage.
Selon une autre réalisation, la première zone et la deuxième zone sont chacune de forme cylindrique.
Selon une autre réalisation, le système comprend un premier moyen pour alimenter le flux oxydant dans une partie inférieure et centrale de la première zone et un second moyen pour alimenter le premier flux réducteur dans la partie inférieure de la première zone en périphérie du flux oxydant.
Selon une autre réalisation, le premier moyen consiste en un premier tube central et le second moyen consiste en un espace annulaire s’étendant perpendiculairement entre une paroi externe du tube central et une paroi interne de la première zone.
Selon une autre réalisation, le système comprend un troisième moyen pour alimenter le deuxième flux réducteur dans la deuxième zone.
Selon une autre réalisation, la première zone et la deuxième zone sont chacune de forme cylindrique et le troisième moyen consiste en une ouverture formée par un espace annulaire s’étendant entre une paroi externe de la première zone et une paroi interne de la deuxième zone, optionnellement dans une région supérieure de la première zone et une région inférieure de la deuxième zone.
Selon une autre réalisation, le système comprend une pluralité de réacteurs en parallèle, chaque réacteur possédant la première zone recevant le flux oxydant et le premier flux réducteur et où est produit le premier gaz, et la seconde zone recevant le deuxième flux réducteur et où est généré le second gaz. Selon une autre réalisation, le réacteur comprend une pluralité de premières zones et une seconde zone commune, et dans lequel : chaque première zone de la pluralité de premières zones est alimentée par le flux oxydant et le premier flux réducteur pour produire le premier gaz dans chaque première zone, et la deuxième zone commune est alimentée par le deuxième flux réducteur et reçoit le premier gaz produit dans chaque première zone pour générer le second gaz dans la deuxième zone commune.
Selon certains aspects, la méthode et/ou le système selon la présente technologie peuvent comprendre les réalisations suivantes.
Selon une réalisation, le flux oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
Selon une autre réalisation, le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène (H2) et du CO2, et optionnellement de la vapeur d’eau dans un rapport H2O/H2 allant de 0 à 1 , préférablement dans un rapport H2O/H2 allant de 0 à 0,5.
Selon une autre réalisation, le flux oxydant et le premier flux réducteur comprennent chacun du CO2.
Selon une autre réalisation, seul le flux oxydant comprend du CO2.
Selon une autre réalisation, le CO2 provient d’un rejet industriel, est du CO2 biogénique provenant d’un biogaz, est du CO2 capté directement de l’air ambiant ou un mélange de ceux-ci.
Selon une autre réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
Selon une autre réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau dans un électrolyseur qui est alimenté par de l’électricité produite à partir de source renouvelable (e.g., produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie) ou d’énergie nucléaire. Selon une autre réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
Selon une autre réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène résultant d’une réaction d’électrolyse de l’eau dans un électrolyseur qui est alimenté par de l’électricité produite à partir de source renouvelable (e.g., produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie) ou d’énergie nucléaire, et de l’hydrogène résultant d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
Selon une autre réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend en outre de l’hydrogène résultant d’une réaction de pyrolyse de méthane.
Selon une autre réalisation, l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 d’au moins 2, et un ratio molaire H2/CO2 d’au moins 1 ,8.
Selon une autre réalisation, l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 compris entre 2 et 10, et un ratio molaire H2/CO2 compris entre 1 ,8 et 9.
Selon une autre réalisation, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 d’au moins 0,5.
Selon une autre réalisation, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,5 et 6.
Selon une autre réalisation, la génération du gaz de synthèse comprend un vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend en outre de la vapeur d’eau et la génération du gaz de synthèse comprend un vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz et la vapeur d’eau comprise dans le deuxième flux réducteur.
Selon une autre réalisation, la deuxième source de carbone comprend un hydrocarbure fossile ou renouvelable.
Selon une autre réalisation, la deuxième source de carbone comprend du gaz naturel fossile ou renouvelable.
Selon une autre réalisation, la deuxième source de carbone comprend du méthane.
Selon une autre réalisation, la deuxième source de carbone comprend du méthane provenant d’un biogaz.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend en outre un composé organique issue de la biomasse.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend en outre un composé de formule CaHpOY avec a variant de 1 à 5, p variant de 2 à 10 et y variant de 1 à 4.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) dans un ratio molaire H2/CH4 compris entre 0 et 2,5.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) et un ratio molaire entre le CH4 alimenté et une quantité totale de H2 alimenté dans les deux zones est compris entre 0,1 et 1 .
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend en outre de l’hydrogène (H2).
Selon une autre réalisation, l’hydrogène présent dans le deuxième flux réducteur résulte d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend une quantité d’hydrogène pour balancer la composition molaire du gaz de synthèse pour avoir H2/CO > 2 et (H2-CO2)/(CO+CO2) > 2. Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de la vapeur d’eau (H2O) et un ratio molaire entre la vapeur d’eau (H2O) et le CH4 est compris entre 0 et 2.
Selon une autre réalisation, le deuxième flux réducteur comprend en outre de la vapeur d’eau.
Selon une autre réalisation, laquelle la production du monoxyde de carbone et de la vapeur d’eau dans la première zone est réalisée en l’absence de catalyseur.
Selon une autre réalisation, la génération du second gaz comprenant le gaz de synthèse dans la deuxième zone du réacteur est réalisée en l’absence de catalyseur.
Selon une autre réalisation, l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
Selon une autre réalisation, l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant provient d’une unité de séparation d’air (ASU).
Selon encore un autre aspect, la présente technologie concerne l’utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode telle que définie dans la présente description ou par le système tel que défini dans la présente description, pour la fabrication de produits chimiques ou carburants.
Selon une réalisation, l’utilisation permet la fabrication d’hydrocarbures synthétiques.
Selon encore un autre aspect, la présente technologie concerne l’utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode telle que définie dans la présente description ou par le système tel que défini dans la présente description, comme agent réducteur pour l’industrie métallurgique.
Selon encore un autre aspect, la présente technologie concerne l’utilisation d’un système tel que défini dans la présente description pour le traitement d’effluents industriels gazeux contenant du CO2. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode selon un mode de réalisation.
La Figure 2 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode selon un mode de réalisation où l’oxy-flamme s’étend vers la deuxième zone.
La Figure 3 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la méthode selon un autre mode de réalisation.
La Figure 4 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un système comprenant plusieurs réacteurs en parallèle, qui peut être utilisé pour réaliser la méthode selon un autre mode de réalisation.
La Figure 5 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un réacteur comprenant plusieurs premières zones de réaction et une deuxième zone commune, qui peut être utilisé pour réaliser la méthode selon encore un autre mode de réalisation.
La Figure 6 représente une vue de dessous du réacteur de la Figure 5.
La Figure 7 représente une vue schématique en coupe selon la verticale d’un réacteur qui peut être utilisé pour réaliser la présente méthode et qui est utilisé pour les exemples. La figure présente l’arrangement général des tubes pour ce réacteur.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Tous les termes et expressions techniques et scientifiques utilisés ici ont la même signification que celle généralement comprise par la personne versée dans l’art de la présente technologie. La définition de certains termes et expressions utilisés est néanmoins fournie ci-dessous.
Le terme « environ » tel qu'utilisé dans le présent document signifie approximativement, dans la région de, et autour de. Lorsque le terme « environ » est utilisé en lien avec une valeur numérique, il la modifie, par exemple, au-dessus et en dessous par une variation de 10% par rapport à la valeur nominale. Ce terme peut aussi tenir compte, par exemple, de l'erreur expérimentale d'un appareil de mesure ou de l’arrondissement d’une valeur.
Lorsqu'un intervalle de valeurs est mentionné dans la présente demande, les bornes inférieures et supérieures de l'intervalle sont, à moins d'indications contraires, toujours incluses dans la définition.
Dans la présente description, les termes « gaz de synthèse », « gaz réducteur » et « syngas » sont utilisés de manière interchangeable pour identifier un mélange gazeux comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2). Dans certaines réalisations, le gaz de synthèse, gaz réducteur ou syngas peut comprendre du CO2.
Le terme « flux » est utilisé pour décrire les différents flux gazeux qui sont mis en jeu pour la production du gaz de synthèse, dans les différentes zones, à l’intérieur du réacteur.
Le terme « source de carbone » décrit le ou les composés chimiques qui sont utilisés pour fournir le carbone qui se retrouve dans le gaz de synthèse produit. Ainsi, la source de carbone fournit au moins le carbone qui se retrouve dans le monoxyde de carbone (CO) produit. Différents composés chimiques peuvent être utilisés comme source de carbone. La présente méthode utilise au moins du CO2 et au moins un hydrocarbure (Le., composé à base de carbone et d’hydrogène essentiellement) comme source de carbone pour produire le gaz de synthèse. Selon certaines réalisations, l’hydrocarbure utilisé comme une des sources de carbone est du méthane (CH4) ou du gaz naturel fossile ou renouvelable (GNR). Selon certaines réalisations, d’autres sources de carbone tel que des composés organiques comprenant du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène, peuvent être utilisée, comme cela va être expliqué ci-après.
Les expressions « électricité de source renouvelable » ou « électricité produite à partir de source renouvelable » désigne une électricité produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie.
L’expression « gaz naturel fossile » telle qu’utilisée dans la présente description, désigne un mélange d’hydrocarbures gazeux (essentiellement du méthane) provenant de la transformation naturelle de matières organiques provenant de gisements souterrains. L’expression « gaz naturel renouvelable » (GNR) telle qu’utilisée dans la présente description, désigne un carburant gazeux également appelé biométhane ou GNR de première génération, qui peut généralement contenir entre 55 et 99 % de méthane, produit à partir du biogaz résultant de la digestion anaérobie de matières organiques.
Le présent document présente donc une méthode innovante pour la production de gaz de synthèse à partir d’au moins du CO2 comme source de carbone et impliquant une oxy- flamme générée par réaction entre de l’oxygène et de l’hydrogène. Plus précisément, la méthode de production de gaz de synthèse comprend : l’alimentation d’un flux oxydant comprenant de l’oxygène (O2) et d’un premier flux réducteur comprenant de l’hydrogène dans au moins une première zone de réaction d’au moins un réacteur, où le flux oxydant et/ou le premier flux réducteur comprend en outre une première source de carbone qui est du CO2; la génération d’une oxy-flamme dans la première zone par réaction entre l’oxygène du flux oxydant et l’hydrogène du premier flux réducteur, et production d’un premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O) par mise en contact du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l’oxy-flamme; l’alimentation du réacteur par un deuxième flux réducteur comprenant une deuxième source de carbone comprenant au moins un hydrocarbure; et la génération dans une deuxième zone du réacteur d’un second gaz comprenant le gaz de synthèse, à partir du premier gaz issu de la première zone et du deuxième flux réducteur à l’aide d’une réaction impliquant l’hydrocarbure.
Comme indiqué ci-dessus la méthode utilise au moins du CO2 comme source de carbone pour produire le gaz de synthèse. Le CO2 peut avoir diverses origines. Ainsi, la méthode peut utiliser du CO2 provenant d’un rejet industriel, du CO2 biogénique provenant d’un biogaz, ou du CO2 capté directement de l’air ambiant, e.g., selon le procédé appelé « Direct Air Capture » (DAC). Dans certaines réalisations, la source de carbone comprend du CO2 capté de l’air ambiant ou du CO2 provenant de la biomasse, ce carbone est alors qualifié de « carboneutre » ou « biogénique ».
La Figure 1 illustre le principe général du fonctionnement de la méthode. Selon certaines réalisations, la méthode peut donc être réalisée dans au moins un réacteur 10 possédant deux zones de réactions 12 et 14. Selon certaines réalisations, le réacteur est muni d’une isolation thermique (non montrée sur les figures). La deuxième zone de réaction peut être qualifiée d’une zone en aval (« downstream ») de la première zone de réaction puisque les produits issus de la(des) réaction(s) impliquée(s) dans la première zone peuvent servir dïntrants pour la(les) réaction(s) se produisant dans la deuxième zone de réaction. Comme cela va être expliqué plus en détail ci-après, les réactions se produisant dans la deuxième zone de réaction sont différentes de celles se produisant dans la première zone de réaction. Dans la première zone, la(les)réactions implique(nt) au moins du CO2 comme première source de carbone et dans la deuxième zone, une deuxième source carbone comprenant un hydrocarbure est mise en jeu. Plusieurs sources et types de carbone et/ou d’hydrogène peuvent être utilisés à des endroits stratégiques du réacteur. Selon certaines réalisations, le choix de la source de carbone et/ou d’hydrogène et l’endroit où ces gaz sont alimentés dans le réacteur, peut permettre de réduire les coûts d’opération. Selon certaines réalisations, la méthode peut être réalisée dans au moins un réacteur muni de deux zones de réaction 12 et 14, d’une zone d’entrée 20 et d’une zone de sortie 28. La première zone de réaction 12 est alimentée par au moins deux flux gazeux. Le flux 16 qui est alimenté dans la première zone de réaction 12 est un flux oxydant qui comprend au moins de l’oxygène (O2). Le flux gazeux 18 qui alimenté dans la première zone de réaction 12 est un premier flux réducteur qui comprend au moins de l’hydrogène (H2). Selon la présente méthode, au moins l’un du flux oxydant 16 et du premier flux réducteur 18 comprennent en outre une première source de carbone qui est du CO2.
Dans la première zone de réaction 12, l’oxy-flamme 22 est produite par la combustion d’hydrogène (H2) du premier flux réducteur 18 en présence de l’oxygène (O2) du flux oxydant 16 selon la réaction (B) mentionnée précédemment. Cette flamme est vive et rayonnante et permet de fournir la chaleur requise pour soutenir la réaction qui va produire un premier gaz comprenant du monoxyde de carbone (CO) produit à partir de la première source de carbone comprenant au moins du CO2, et comprenant aussi de la vapeur d’eau, selon la réaction (A) du RWGS. Ainsi, le premier gaz comprenant au moins le monoxyde de carbone (CO) et la vapeur d’eau (H2O) est obtenu par « mise en contact » du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l’oxy-flamme. L’expression « mise en contact » selon la présente méthode s’entend par une distance « d » entre le flux oxydant et le flux réducteur qui peut aller de 0 à 50 mm, et de préférence de 0 à 30 mm. La distance « d » entre le flux oxydant et le flux réducteur dans peut être de 0 mm, 5, mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm, 50 mm ou n’importe quelle valeur entre celles-ci. Par exemple, la distance « d » peut aller de 0 à 50 mm, de 0 à 40 mm, de 0 à 30 mm, de 0 à 20 mm, ou de 0 à 10 mm. En outre, l’oxy-flamme peut générer des espèces ioniques et des radicaux libres qui peuvent favoriser la conversion de la source de carbone en CO. Ainsi, il est aussi à noter que la production du monoxyde de carbone et de la vapeur d’eau dans la première zone de réaction 12 peut être réalisée en l’absence de catalyseur tel que des catalyseurs solides utilisés conventionnellement. La combustion d’hydrogène (H2) en présence d’oxygène (O2) qui permet de produire l’oxy-flamme peut être initiée à l’aide d’un dispositif d’allumage. Selon certaines réalisations, l’oxy-flamme peut permettre d’atteindre une température, dans la première zone de réaction, d’au moins 600°C. Selon d’autres réalisations, la température atteinte dans la première zone 12 est d’au moins 1000°C et d’au plus 2400°C. Selon certaines réalisations, le réacteur peut être muni d’une isolation thermique autour des zones réactives pour minimiser la perte de chaleur et ainsi maintenir la température dans le réacteur à un niveau assez élevé pour soutenir les réactions. Selon certaines réalisations, la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O) dans la première zone 12, peut être réalisée à une température comprise entre environ 1000°C et environ 2300°C, ou entre environ 1000°C et environ 2200°C, ou entre environ 1000°C et environ 2100°C, ou entre environ 1000°C et environ 2000°C, ou encore entre environ 1000°C et environ 1900°C. La température dans la première zone 12 peut aussi varier entre environ 1000°C et environ 1800°C, entre environ 1000°C et environ 1700°C, entre environ 1000°C et environ 1600°C, ou entre environ 1000°C et environ 1500°C. Dans certaines réalisations, comme le montre la Figure 2, l’oxy-flamme qui est générée dans la première zone 12 peut se prolonger jusque dans la deuxième zone 14 du réacteur. Les Figures 1 et 2 montrent généralement un réacteur où les zones de réactions 12 et 14 apparaissent l’une au-dessus de l’autre (zones en série), mais d’autres configurations sont envisageables. Ainsi, selon certaines réalisations, les deux zones de réactions 12 et 14 peuvent se retrouver au moins partiellement adjacentes l’une par rapport à l’autre (zones en parallèle). Dans un mode de réalisation, l’oxygène (O2) utilisé dans le flux oxydant est de l’oxygène pur. Par oxygène « pur », on comprend que cela ne signifie pas nécessairement une pureté de 100 %, mais que le mélange à base d’oxygène comprend substantiellement de l’O2 et peut être accompagné de certaines impuretés telles que N2, H2O par exemple. Selon certaines réalisations, l’oxygène présent dans le flux oxydant 16 résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau. Selon certaines autres réalisations, l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant 16 peut provenir d’une unité de séparation d’air (ASU). Il serait aussi possible d’utiliser de l’oxygène qui serait un mélange d’oxygène résultant d’une réaction d’électrolyse de l’eau et provenant d’une unité de séparation d’air.
Dans certaines réalisations, la première source de carbone, qui comprend du CO2, est alimentée dans la première zone du réacteur avec l’oxygène du flux oxydant. Dans un autre mode de réalisation, la première source de carbone, qui comprend du CO2, est alimentée dans la première zone du réacteur avec l’hydrogène du premier flux réducteur. Dans certains cas, une partie de la première source de carbone, qui comprend du CO2, est alimentée dans la première zone du réacteur avec l’oxygène du flux oxydant et une autre partie de la première source de carbone est alimentée dans la première zone du réacteur avec l’hydrogène du premier flux réducteur. Selon une réalisation préférée, la première source de carbone, qui comprend du CO2, est alimentée dans la première zone uniquement avec l’oxygène du flux oxydant.
Comme mentionné précédemment, le CO2 peut avoir diverses origines. Dans certaines réalisations, le CO2 provient d’un rejet industriel, est du CO2 biogénique provenant d’un biogaz, ou est du CO2 capté directement de l’air ambiant. Dans certaines réalisations préférées, le CO2 qui est utilisé comme première source de carbone est du CO2 biogénique provenant d’un biogaz.
Selon un mode de réalisation, l’hydrogène requis dans la présente méthode peut être de l’hydrogène qualifié d’hydrogène à faible empreinte de carbone. Selon un mode de réalisation, l’hydrogène requis dans la présente méthode pour produire l’oxy-flamme dans la première zone, c’est-à-dire l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur 18, peut, au moins en partie, résulter d’une réaction d’électrolyse de l’eau. Cet hydrogène est qualifié d’« hydrogène vert » si l’électrolyseur dans lequel est réalisé l’électrolyse de l’eau est alimenté par de l’électricité produite à partir d’une source renouvelable, comme par exemple à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie. Dans certaines réalisations, l’électricité utilisée pour l’électrolyse de l’eau peut provenir de l’énergie nucléaire qui est une source d'énergie qui n'émet pas de gaz à effet de serre, et cet hydrogène peut également être qualifié d’« hydrogène rose » dans le contexte de la présente technologie.
Selon un autre mode de réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur 18 alimenté dans la première zone du réacteur peut être de l’« hydrogène bleu », c’est-à-dire de l’hydrogène résultant d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
Selon encore un autre mode de réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur 18 alimenté dans la première zone du réacteur peut être de l’« hydrogène turquoise », c’est-à-dire de l’hydrogène résultant d’une réaction de pyrolyse de méthane.
Selon encore un autre mode de réalisation, l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur 18 alimenté dans la première zone du réacteur peut être de l’« hydrogène rose » c’est-à-dire de l’hydrogène résultant d’une réaction d’électrolyse de l’eau alimentée par une énergie nucléaire.
Il est aussi possible d’utiliser des mélanges d’hydrogène de diverses sources pour alimenter la première zone, pour produire l’oxy-flamme et former le premier gaz comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O). Ainsi, dans certaines réalisations, le premier flux réducteur 18 peut comprendre un mélange d’hydrogène vert et d’hydrogène bleu, ou un mélange d’hydrogène vert et d’hydrogène turquoise, un mélange d’hydrogène bleu et d’hydrogène turquoise, un mélange d’hydrogène vert, d’hydrogène bleu et d’hydrogène turquoise.
Dans certaines réalisations, les quantités d’hydrogène fournis dans la première zone 12 (e.g., hydrogène vert, bleu, rose et/ou turquoise) sont dosées de façon à réduire au maximum les coûts d’opération tout en assurant qu’à la sortie du réacteur, la composition molaire du gaz synthèse satisfasse les équations (C) et (D) suivantes :
(C) H2/CO > 2
(D) (H2-CO2)/(CO+CO2) > 2 Ces équations prennent également en compte le fait que de l’hydrogène additionnel peut être introduit dans la deuxième zone 14 du réacteur via le flux 24, comme cela va être discuté ci-dessous, pour balancer la composition du gaz synthèse.
Dans certaines réalisations en particulier, l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone 12 dans un ratio molaire H2/O2 d’au moins 2, et un ratio molaire H2/CO2 d’au moins 1 ,8. Selon une autre réalisation, l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 peuvent être alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 compris entre 2 et 10, et un ratio molaire H2/CO2 compris entre 1 ,8 et 9. Ainsi, l’hydrogène et l’oxygène peuvent être alimentés dans la première zone 12 avec un rapport molaire H2/O2 d’environ 2, d’environ 3, d’environ 4, d’environ 5, d’environ 6, d’environ 7, d’environ 8, d’environ 9, ou d’environ 10, ou n’importe quelle valeur comprise entre ces valeurs. De plus, on peut ajuster la quantité d’hydrogène et la quantité de CO2 alimentés dans la première zone tel que le rapport molaire H2/CO2 soit d’environ 1 ,8, ou environ 2, ou environ 3, ou environ 4, ou environ 5, ou environ 6, ou environ 7, ou environ 8, ou environ 9, ou n’importe quelle valeur comprise entre ces valeurs. Selon certaines réalisations, l’oxygène et le CO2 peuvent être alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 d’au moins 0,5. Par exemple, l’oxygène et le CO2 peuvent être alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,5 et 6. Ainsi, on peut ajuster la quantité d’oxygène et la quantité de CO2 alimentés dans la première zone tel que le rapport molaire O2/CO2 soit d’environ 0,5, ou d’environ 1 , ou d’environ 2, ou d’environ 3, ou d’environ 4, ou d’environ 6 , ou n’importe quelle valeur comprise entre ces valeurs. Les rapports molaires H2/O2, H2/O2 et O2/CO2 peut être ajustés selon la quantité des autres gaz envoyés dans le réacteur le cas échéant, et selon le ratio de CO et H2 désiré dans le gaz de synthèse final.
Il est à noter que dans certaines réalisations, le flux oxydant 16 et/ou le flux réducteur 18 peuvent contenir en plus des intrants décrit ci-dessus, une certaine quantité d’impuretés et de vapeur d’eau. Selon certaines réalisations, le flux réducteur 18 peut contenir de la vapeur d’eau jusqu’à un ratio molaire H2O/H2 de 0,5.
Toujours en se référant aux Figures 1 et 2, le réacteur 10 comprend une deuxième zone de réaction 14 généralement configurée en série par rapport à la première zone 12. Dans certaines réalisations, comme mentionné précédemment et illustré sur la Figure 2 en particulier, l’oxy-flamme 22 qui est générée dans la première zone peut s’étendre jusque dans la deuxième zone 14. Ainsi, les deux zones 12 et 14 peuvent également se retrouver au moins en partie parallèles l’une par rapport à l’autre. Dans les Figures 1 et 2, les flux sont alimentés dans chacune des zones de réaction de manière substantiellement parallèles. Ainsi, le premier flux réducteur et le deuxième flux réducteur sont substantiellement parallèles dans le réacteur. Cependant, dans d’autres réalisations, il pourrait être envisagé d’avoir une alimentation des flux « en angle », c’est-à-dire que le premier flux réducteur et le deuxième réducteur pourraient être alimentés à un certain angle l’un par rapport à l’autre. Dans certaines réalisations, le premier flux réducteur et le deuxième réducteur pourraient être alimentés à un angle substantiellement perpendiculaire l’un par rapport à l’autre.
La deuxième zone de réaction reçoit le gaz formé dans la première zone de réaction qui comprend au moins du CO et de la vapeur d’eau générés par les réactions (A) et (B) et possiblement une certaine quantité de CO2 résiduel et/ou d’hydrogène H2. Cette deuxième zone de réaction 14 est en outre alimentée par un deuxième flux réducteur 24 comprenant une deuxième source de carbone comprenant au moins un hydrocarbure. En outre, le flux réducteur 24 peut comprendre de la vapeur d’eau. Après réaction du deuxième flux réducteur avec le premier gaz dans la deuxième zone de réaction du réacteur, on récupère un second gaz 26 comprenant le gaz de synthèse à la sortie du réacteur 28.
Le deuxième flux réducteur 24 comprend au moins un hydrocarbure comme deuxième source de carbone, et la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone de réaction 14, est réalisée en partie par vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz et/ou de la vapeur d’eau éventuellement présente dans le flux réducteur 24 comme mentionné ci-dessus. Cette source de carbone peut être un hydrocarbure fossile ou renouvelable, de préférence du méthane ou du gaz naturel fossile ou renouvelable (GNR). Dans certaines réalisations, la deuxième source de carbone est du méthane qui provient de biogaz. Dans le cas où on utilise un hydrocarbure qui est du méthane, la réaction (E), et la réaction (F) en présence de CO2 résiduel, se produisent dans la deuxième zone 14.
(F) CH4 + CO2 -> 2 CO + 2H2
Par vaporeformage du ou des hydrocarbures alimentés dans la deuxième zone, un gaz de synthèse respectant les critères présentés par les équations (C) et (D) peut être obtenu.
Comme expliqué ci-dessus, de l’hydrogène peut aussi être fourni dans la deuxième zone 14 pour produire le gaz de synthèse. Lorsque de l’hydrogène additionnel est alimenté dans la zone 14 par le flux réducteur 24, on peut d’une part balancer la composition du gaz de synthèse afin de respecter les équations (C) et (D) comme mentionné précédemment et, d’autre part, réduire la vapeur d’eau et le CO2 résiduel dans cette zone.
En outre, on peut également jouer sur les proportions molaires de CO et H2 dans le gaz de synthèse en alimentant la deuxième zone 14 à la fois avec un ou des hydrocarbures et de l’hydrogène.
Selon certaines réalisations, l’hydrogène qui est alimenté via le deuxième flux réducteur 24 dans la deuxième zone 14 peut être de l’hydrogène bleu tel que décrit ci-dessus, c’est- à-dire de l’hydrogène résultant d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
Selon certaines réalisations, le deuxième flux réducteur 24 peut comprendre du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) dans un ratio molaire H2/CH4 compris entre 0 et 2,5.
Selon une autre réalisation, on peut alimenter la deuxième zone d’un deuxième flux réducteur 24 comprenant du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2), tel que le ratio molaire entre le CH4 alimenté et une quantité totale de H2 alimenté dans les deux zones est compris entre 0,1 et 1 .
Il est à noter que dans certaines réalisations, le deuxième flux réducteur 24 peut contenir en plus des intrants décrit ci-dessus, de la vapeur d’eau et une faible quantité d’impuretés. Selon certaines réalisations, le flux réducteur 24 alimenté dans la deuxième zone 14 peut comprendre du méthane (CH4) et optionnellement de la vapeur d’eau (H2O) avec un ratio molaire de la vapeur d’eau (H2O) par rapport au CH4 qui peut être compris entre 0 et 2.
Selon certaines réalisations, le flux réducteur 24 alimenté dans la deuxième zone 14 peut comprendre en outre des composés organiques issus de la biomasse, c’est-à-dire comprenant du carbone biogénique. Ces composés organiques comprenant du carbone biogénique peuvent présenter la formule CJHpOy avec a variant de 1 à 5, p variant de 2 à 10 et y variant de 1 à 4.
Selon certaines réalisations, la réaction dans la deuxième zone 14 du réacteur est réalisée à une température qui est inférieure à la température dans la première zone 12. Dans certaines réalisations, la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone 12, peut être réalisée à une température d’au moins 700°C et d’au plus 1500°C. Dans certains cas, la température dans la deuxième zone de réaction peut être comprise entre environ 700°C et environ 1000°C. Ainsi, la température dans la deuxième zone de réaction peut aussi être comprise entre environ 700°C et environ 1400°C, entre environ 700°C et environ 1300°C, entre environ 700°C et environ 1200°C, entre environ 700°C et environ 1100°C, entre environ 700°C et environ 1000°C, entre environ 700°C et environ 900°C, ou encore entre environ 700°C et environ 800°C. Il est possible d’atteindre une température inférieure dans la deuxième zone 14 de diverses manières comme par exemple en ajustant l’isolation et/ou le système de chauffe ou de refroidissement du réacteur. Selon certaines réalisations, on peut atteindre la température désirée dans la deuxième zone de réaction 14 en utilisant une paroi moins isolée que, par exemple, la paroi du réacteur dans la première zone. Il est aussi possible, dans certains cas, d’utiliser un système de refroidissement pour avoir la température désirée dans la deuxième zone du réacteur.
Selon certaines réalisations, la production du gaz de synthèse dans la deuxième zone 14 du réacteur peut être réalisée en l’absence de catalyseur tel que des catalyseurs solides (e.g., catalyseurs métalliques) comme utilisés conventionnellement.
Avec l’utilisation de la deuxième zone de réaction 14, la quantité de vapeur d’eau qui résulte de la réaction qui a lieu dans la première zone 12 et la quantité de vapeur d’eau éventuellement présente dans le flux 24 alimenté dans cette deuxième zone, sont réduites substantiellement. Ce qui présente un avantage important. De plus, dans certaines réalisations, si du CO2 persiste dans la zone 14 à la suite des réactions qui s’y produisent, et qu’il est préférable d’en réduire davantage, une boucle de retour 30 comme montrée sur la Figure 3, peut être activée pour retourner une partie du gaz généré dans la deuxième zone 14 dans la première zone 12 du réacteur. Selon certaines réalisations, la partie du second gaz qui est recyclée peut être mélangée avec le premier flux réducteur 18 avant alimentation dans la première zone 12. En outre, la partie du second gaz qui est recyclée peut être refroidit à la sortie 28 du réacteur avant d’être retournée dans la première zone. Selon certaines réalisations, le refroidissement doit permettre une sur-pressurisation du gaz à la sortie 28 à l’aide d’un ventilateur.
Selon une réalisation particulière, la production de gaz de synthèse selon la présente méthode peut comprendre l’alimentation dans la première zone 12, d’un flux oxydant 16 comprenant de l’oxygène et une source de carbone renouvelable et d’un premier flux réducteur 18 comprenant de l’hydrogène vert, et, dans la deuxième zone 14, l’alimentation d’hydrogène bleu ainsi que qu’une source de carbone fossile. Si la source de carbone renouvelable est du CO2 et la source de carbone fossile est du méthane, les réactions mises en jeu peuvent permettre la production efficace et à moindre coût du gaz de synthèse. L’équation (G) ci-dessous présente un schéma réactionnel global typique qui peut être réalisé :
(G) 1/202 + H2(vert) + CO2(renouvelable) + 2CH4(fossile) + H2(bleu) 3 (CO+ 2H2)
Considérant que la méthode bien que pouvant utiliser des sources de carbone fossile comme intrants, se trouve à utiliser également du CO2 comme intrant, l’émission nette de GES du réacteur peut être nulle ou très proche de zéro; la présente méthode peut être considérée comme une méthode de captage et de valorisation du carbone (CCU- carbon capture and utilization).
Une représentation schématique d’un réacteur qui peut être utilisé pour l’implantation de la présente méthode, est représenté sur les Figures 1 à 3. Cependant, le design du réacteur peut varier et/ou un système comprenant plusieurs réacteurs peut être utilisé. D’autres exemples de designs sont présentés sur les Figures 4 à 7 qui seront discutées ci-après. Cependant, le design du réacteur ou du système n’est pas limité aux représentations des Figures 1 à 7, et ce design peut être ajusté tant qu’il permet de réaliser les réactions impliquées pour la production du gaz de synthèse, selon les paramètres décrits ci-dessus.
Dans certaines réalisations, on peut utiliser un réacteur de forme cylindrique qui comprend deux zones de réaction, comme décrites ci-dessus. Selon certaines réalisations, chacune des deux zones peut elle-même être cylindrique.
Le réacteur 10 peut comprendre un premier moyen pour alimenter le flux oxydant 16 dans une partie inférieure et centrale de la première zone 12 et un second moyen pour alimenter le premier flux réducteur 18 dans la partie inférieure de la première zone en périphérie du flux oxydant. Dans certaines réalisations, le réacteur peut comprendre un premier tube central par lequel le flux oxydant 16 est alimenté dans la première zone 12 et un espace annulaire s’étendant perpendiculairement entre une paroi externe du tube central et une paroi interne de la première zone 12 pour alimenter le premier flux réducteur 18. En outre, le réacteur peut comprendre un troisième moyen pour alimenter le deuxième flux réducteur 24 dans la deuxième zone 14. Dans certaines réalisations, ce troisième moyen peut consister en une ouverture formée par un espace annulaire s’étendant entre une paroi externe de la première zone 12 et une paroi interne de la deuxième zone 14. Selon certaines réalisations, l’espace annulaire par lequel le deuxième flux réducteur 24 est alimenté dans le réacteur peut s’étendre entre la paroi externe de la première zone 12 et la paroi interne de la deuxième zone 14 dans une région supérieure de la première zone et une région inférieure de la deuxième zone. Dans certaines réalisations, les entrées de chacun des flux 16, 18 et 24 peuvent être au même niveau comme représenté dans la Figure 7 par exemple. Le réacteur peut aussi comprendre une sortie 28 dans une partie supérieure de la deuxième zone 14 pour récupérer le gaz formé dans la deuxième zone qui comprend le gaz de synthèse. En outre, comme mentionné ci-dessus, le réacteur peut être muni d’une boucle de retour 30 (Figure 3 pour éventuellement retourner une partie du gaz formé dans la deuxième zone 14. Selon un autre mode de réalisation, la production du gaz de synthèse peut être réalisée en utilisant une pluralité de réacteurs positionnés en parallèle, comme montré sur la Figure 4. Chacun des réacteurs peut correspondre à l’un des réacteurs représentés sur les Figures 1 à 3 par exemple. Cependant, les réacteurs de la Figure 4 peuvent avoir un design différent tant que chaque réacteur possède une première zone où sont alimentés le flux oxydant et le premier flux réducteur pour produire le premier gaz, et une seconde zone où est alimenté le deuxième flux réducteur pour générer le second gaz comprenant le gaz de synthèse, selon les paramètres et conditions décrites précédemment.
Selon encore un autre mode de réalisation, la production du gaz de synthèse peut être réalisée en utilisant un réacteur comprenant une pluralité de premières zones 12 et une seconde zone 14 commune (Figures 5 et 6). Plus particulièrement, dans ce mode de réalisation, chaque première zone 12 du réacteur est alimentée par le flux oxydant et le premier flux réducteur pour produire le premier gaz dans chaque première zone, et la deuxième zone commune 14 est alimentée par le deuxième flux réducteur 24 et reçoit le premier gaz produit dans chaque première zone pour générer le second gaz dans la deuxième zone commune. Ainsi, les premières zones 12 fonctionnent en parallèle et chacune comporte une oxy-flamme. Selon certaines réalisations, le deuxième flux réducteur 24 peut être alimenté dans la deuxième zone commune 14 par au moins une entrée qui peut se situer dans une zone périphérique de la deuxième zone. Cependant, plusieurs entrées peuvent être prévues pour alimenter le deuxième flux réducteur 24 dans la deuxième zone. Par exemple, des entrées peuvent être prévues à plusieurs endroits dans une zone périphérique de la deuxième zone et à proximité de la partie inférieure de sa paroi interne.
Le gaz de synthèse qui est obtenu en sortie du réacteur est généralement refroidi pour ensuite être utilisé dans une synthèse chimique ultérieure. La méthode décrite dans le présent document peut permettre de produire des gaz de synthèse à base de CO et de H2 qui sont balancés, i.e. , avec des proportions de CO et H2 appropriées, pour ensuite permettre la production d’une variété de produits par des synthèses chimiques conventionnelles. Ainsi, il est possible en contrôlant la nature et la quantité de réactifs utilisés (e.g., le débit des courants gazeux), de produire un gaz de synthèse où la proportion de CO et H2 est adaptée pour que le mélange soit utilisable dans une synthèse chimique ultérieure. Il est également possible de jouer sur la proportion de CO et H2 dans le gaz de synthèse en contrôlant la température et éventuellement la pression dans chaque zone de réaction du réacteur. Cette pression est généralement autour de la pression atmosphérique et peut typiquement varier entre 1 et 5 bars (pression absolue), pour chaque zone. Selon certaines réalisations, la pression absolue dans la première zone peut aller de 1 à 5 bars, ou de 1 à 4 bars, ou de 1 à 3 bars, ou de 1 à 2 bars. La pression absolue dans la première zone peut être environ 1 bar, environ 2 bars, environ 3 bars, environ 4 bars, environ 5 bars, ou n’importe quelle valeur de pression entre ces valeurs. Selon certaines réalisations, la pression absolue dans la deuxième zone peut aller de 1 à 5 bars, ou de 1 à 4 bars, ou de 1 à 3 bars, ou de 1 à 2 bars. La pression absolue dans la deuxième zone peut être environ 1 bar, environ 2 bars, environ 3 bars, environ 4 bars, environ 5 bars, ou n’importe quelle valeur de pression entre ces valeurs. Selon certaines réalisations, la pression dans la première zone et la pression dans la deuxième zone sont très proches, voire les mêmes.
Dans certaines réalisations, le gaz de synthèse produit par la présente méthode peut être utilisé pour produire un grand nombre de produits chimiques de base et des carburants. Parmi ces produits, on retrouve notamment le méthanol et les hydrocarbures tels que ceux qu’on retrouve dans l’essence à moteur, le diesel, le kérosène, pour nommer quelques exemples. Dans certaines réalisations, le gaz de synthèse produit par la présente méthode est utilisé comme agent réducteur pour l’industrie métallurgique, entre autres, pour la réduction directe d’oxydes métalliques notamment des oxydes de fer.
La méthode de production de gaz de synthèse décrite ci-dessus et le réacteur que l’on peut utiliser pour réaliser cette méthode présentent donc plusieurs avantages. Les réactifs sont facilement accessibles et peuvent dériver de sources renouvelables et la méthode est simple à mettre en œuvre. Il n’est pas nécessaire d’avoir recours à l’utilisation de catalyseurs solides. Il est possible d’utiliser de l’hydrogène provenant de diverses sources et il est donc possible de réduire les coûts en utilisant de l’hydrogène produit à plus faible coût. Il est possible d’utiliser de l’hydrogène à faible empreinte de carbone (e.g., hydrogène vert, bleu, turquoise et/ou rose). Ainsi, si l’hydrogène vert est produit à coût plus élevé que l’hydrogène bleu par exemple, on peut diminuer la quantité d’hydrogène vert utilisé dans la méthode en utilisant de l’hydrogène bleu en plus de l’hydrogène vert, ou simplement en utilisant uniquement de l’hydrogène bleu. La méthode permet aussi de prendre avantage de la vapeur d’eau générée lors de la réduction du CO2, en la mettant à contribution pour produire le gaz de synthèse. Ceci évite d’avoir à condenser une quantité importante d’eau comme cela se fait dans d’autres méthodes connues et évite une perte indirecte d’hydrogène via la vapeur d’eau. La méthode a un effet environnemental bénéfique en recyclant le CO2 tout en permettant la conversion efficace d’autres sources de carbone comme des hydrocarbures fossiles, tel que le méthane par exemple. Finalement, la méthode permet d’avoir une conversion globale en CO du carbone entrant dans le réacteur, qui est significative tout en étant flexible par le biais des conversions relatives et in situ du CO2 et hydrocarbure(s).
EXEMPLES
A titre d’exemples, des essais ont été réalisés en laboratoire pour démontrer le concept proposé dans la présente demande. Ces exemples sont basés sur un arrangement qui s’apparente à celui présenté par la Figure 7. Les entrées de chacun des flux 16, 18 et 24 sont physiquement au même niveau. Les flux 16 et 18 définissent la première zone de réaction alors que le flux 24 définit la deuxième zone de réaction, cette dernière en périphérie de la première zone de réaction.
Le réacteur est constitué d’un tube externe d’alumine (99,8 % AI2O3) avec 13,54 mm de diamètre interne et 19,05 mm de diamètre externe sur une longueur de 212 mm. Le volume réactionnel est de 33 cm3. L’entrée des gaz est réalisée au moyen de trois espaces, un espace central et deux espaces annulaires définis par l’extrémité de deux tubes d’alumines concentriques: un tube central et un tube médian. Ces deux tubes concentriques ont respectivement les dimensions suivantes: un diamètre interne de 6,31 mm avec un diamètre externe de 4,11 mm pour le tube central, et un diamètre interne de 8,48 mm avec un diamètre externe de 12,34 mm pour le tube médian. L’extrémité du tube central définit le passage du flux oxydant 16 de la première zone du réacteur, alors que l’espace annulaire entre le diamètre externe du tube central et le diamètre interne du tube médian se trouve à définir le passage du flux réducteur 18 de la première zone de réaction. Enfin, l’espace annulaire entre le diamètre interne du tube externe et le diamètre externe du tube médian se trouve à définir le passage du deuxième flux réducteur de la deuxième zone de réaction 24.
Le tube externe d’alumine, lequel définit la paroi de la chambre de réaction, est lui-même entouré - sur toute la longueur du réacteur - d’une enveloppe isolante à base de silicate de calcium (conductivité thermique de 0,3 W/m.K, densité de 1 ,36 g/cm3) de forme cylindrique ayant un diamètre externe de 132 mm et un diamètre interne de 20 mm (non montrée sur la Figure 7). L’enveloppe isolante a pour but d’assurer une certaine isolation thermique du réacteur de manière à minimiser les pertes de chaleur.
Pour chacun de ces exemples, l’oxygène est mélangé avec du CO2 et ce mélange constitue le flux oxydant 16 de la première zone de réaction. Dans les exemples, l’hydrogène alimenté constitue le flux réducteur 18 de la première zone. Pour le premier et le troisième exemples, du méthane est alimenté pour constituer le flux réducteur 24 de la deuxième zone alors que pour le deuxième exemple, c’est un mélange de méthane et de vapeur d’eau qui constitue le flux réducteur 24 de la deuxième zone. Le mélange méthane-vapeur d’eau est produit par un dispositif de saturation à chaud du débit de méthane en présence d’un débit contrôlé d’eau.
Chacun des exemples est présenté dans le Tableau 1. Dans ce tableau, pour chacun des gaz alimentés, le numéro du flux de gaz en question (16, 18 ou 24) est indiqué entre parenthèses, à côté du débit volumique de ce gaz (sL/min, soit le débit à 25°C, 1 atm). Un échantillon du gaz sortant du réacteur est asséché par refroidissement rapide (à -1 °C) avant d’être acheminé vers un système d’analyse par spectrométrie de masse. L’analyse des gaz est donc donnée sur une base sèche.
Le tableau fournit l’analyse du gaz sortant du réacteur telle que déterminée par la spectrométrie de masse. À partir de la composition volumique du gaz, le rapport S égal à (H2-CO2)/(CO+CO2) est calculé sur la base de la fraction volumique respective de chacun des gaz H2, CO2 et CO du gaz sec obtenu. Le taux de conversion du méthane et celui du CO2 sont calculés à partir des bilans atomiques et à partir de la composition du gaz (base sèche) telle qu’obtenue par l’analyse des gaz par spectrométrie de masse. Dans le tableau, on présente également le taux de conversion en CO, du carbone total entrant dans le réacteur, soit le carbone contenu dans le CO2 alimenté plus le carbone contenu dans le CH4 alimenté.
Le tableau présente aussi la température telle que mesurée à l’aide d’un thermocouple localisé à 25 mm de la sortie 28 du réacteur. La valeur de température mesurée est utilisée pour calculer le temps de séjour moyen des réactifs (soit l’ensemble des gaz alimentés) dans le réacteur, en se basant sur le volume de réaction tel que décrit plus haut et en considérant que le réacteur fonctionne à pression atmosphérique.
Il est à noter qu’il n’a pas été observé de carbone en quantité mesurable dans le réacteur après les essais. Le tableau 1 présente les résultats obtenus pour chacun des deux exemples.
Tableau 1
Les résultats des exemples 1 , 2 et 3 comme présentés dans le Tableau 1 démontrent la flexibilité de la méthode et du système selon la présente description. Cette flexibilité résulte essentiellement de la distinction géométrique des zones réactives dans le réacteur. Notamment, la configuration utilisée dans ces exemples (voir Fig. 7) offre l’avantage d’obtenir une gamme assez élargie et flexible des conversions relatives et in situ du CH4 et du CO2 tout en assurant une conversion globale et significative du carbone entrant dans le réacteur (d’au moins 70%). Les résultats des exemples 1 et 2 montrent que l’alimentation de la vapeur d’eau n’est pas critique pour atteindre une conversion élevée du méthane. En effet, un ajout d’eau dans la deuxième zone ne fait qu’augmenter légèrement la conversion du méthane (de 79% à 83%) (par la réaction (E)) mais vient favoriser une diminution de la conversion du CO2 probablement en favorisant l’inverse de la réaction (A). Les résultats de l’exemple 3 montrent qu’une conversion élevée et équivalente de CH4 et du CO2 est atteignable par l’ajout d’une certaine quantité d’hydrogène excédentaire dans la première zone (9 vs. 6 sL/min). En effet, cet hydrogène excédentaire semble aider à convertir le CO2 plus efficacement dans la première zone par la réaction (A)). Dans ce même exemple 3, on constate que la conversion du CH4 n’est pas significativement affectée par l’augmentation de la conversion du CO2 dû au fait que ce CH4 est alimenté séparément dans la deuxième zone.
Bien que certaines réalisations de la technologie aient été décrites ci-dessus, la technologie n’est pas limitée à ces seules réalisations. Plusieurs modifications pourraient être effectuées à l’un ou l’autre des modes de réalisations décrits ci-dessus, et ce, sans sortir du cadre de la présente technologie telle qu’envisagée.

Claims

REVENDICATIONS
1- Une méthode de production de gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2), la méthode comprenant : alimentation d’un flux oxydant comprenant de l’oxygène (O2) et d’un premier flux réducteur comprenant de l’hydrogène (H2) dans au moins une première zone de réaction d’au moins un réacteur, où le flux oxydant et/ou le premier flux réducteur comprend en outre une première source de carbone qui est du CO2; génération d’une oxy-flamme dans la première zone par réaction entre l’oxygène du flux oxydant et l’hydrogène du premier flux réducteur, et production d’un premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O) par mise en contact du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l’oxy-flamme; alimentation dans le réacteur d’un deuxième flux réducteur comprenant une deuxième source de carbone comprenant au moins un hydrocarbure; génération dans une deuxième zone de réaction du réacteur d’un second gaz comprenant le gaz de synthèse, à partir du premier gaz issu de la première zone réaction et du deuxième flux réducteur par une réaction impliquant l’hydrocarbure.
2- La méthode selon la revendication 1 , dans laquelle le flux oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
3- La méthode selon la revendication 1 , dans laquelle le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène (H2) et du CO2, et optionnellement de la vapeur d’eau dans un rapport H2O/H2 allant de 0 à 1 , préférablement dans un rapport H2O/H2 allant de 0 à 0,5.
4- La méthode selon la revendication 1 , dans laquelle le flux oxydant et le premier flux réducteur comprennent chacun du CO2.
5- La méthode selon la revendication 1 , dans laquelle seul le flux oxydant comprend du CO2.
6- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le CO2 provient d’un rejet industriel, est du CO2 biogénique provenant d’un biogaz, est du CO2 capté directement de l’air ambiant ou un mélange de ceux-ci. 7- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
8- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau dans un électrolyseur qui est alimenté par de l’électricité produite à partir de source renouvelable (e.g., produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie) ou d’énergie nucléaire.
9- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
10- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène résultant d’une réaction de pyrolyse de méthane.
11- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène résultant d’une réaction d’électrolyse de l’eau dans un électrolyseur qui est alimenté par de l’électricité produite à partir de source renouvelable (e.g., produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie) ou d’énergie nucléaire, et de l’hydrogène résultant d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
12- La méthode selon l’une quelconque des revendications 8, 9 et 11 , dans laquelle l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend en outre de l’hydrogène résultant d’une réaction de pyrolyse de méthane.
13- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 d’au moins 2, et un ratio molaire H2/CO2 d’au moins 1 ,8.
14- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 compris entre 2 et 10, et un ratio molaire H2/CO2 compris entre 1 ,8 et 9.
15- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans laquelle l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 d’au moins 0,5.
16- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans laquelle l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,5 et 6.
17- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 16, dans laquelle la génération du gaz de synthèse comprend un vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz.
18- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend en outre de la vapeur d’eau et la génération du gaz de synthèse comprend un vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz et la vapeur d’eau comprise dans le deuxième flux réducteur.
19- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans laquelle la deuxième source de carbone comprend un hydrocarbure fossile ou renouvelable.
20- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans laquelle la deuxième source de carbone comprend du gaz naturel fossile ou renouvelable.
21- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans laquelle la deuxième source de carbone comprend du méthane.
22- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans laquelle la deuxième source de carbone comprend du méthane provenant d’un biogaz. 23- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 22, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend en outre un composé organique issue de la biomasse.
24- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 23, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend en outre un composé de formule CaHpOY avec a variant de 1 à 5, p variant de 2 à 10 et y variant de 1 à 4.
25- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 24, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) dans un ratio molaire H2/CH4 compris entre 0 et 2,5.
26- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 25, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) et un ratio molaire entre le CH4 alimenté et une quantité totale de H2 alimenté dans les deux zones est compris entre 0,1 et 1 .
27- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 26, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend en outre de l’hydrogène (H2).
28- La méthode selon la revendication 27, dans laquelle l’hydrogène présent dans le deuxième flux réducteur résulte d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
29- La méthode selon la revendication 27 ou 28, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend une quantité d’hydrogène pour balancer la composition molaire du gaz de synthèse pour avoir H2/CO > 2 et (H2-CO2)/(CO+CO2) > 2.
30- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 29, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de la vapeur d’eau (H2O) et un ratio molaire entre la vapeur d’eau (H2O) et le CH4 est compris entre 0 et 2.
31- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 30, dans laquelle le deuxième flux réducteur comprend en outre de la vapeur d’eau. 32- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 31 , dans laquelle la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O), dans la première zone, est réalisée à une température d’au moins 1000°C et d’au plus 2400°C.
33- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 32, dans laquelle la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O), dans la première zone, est réalisée à une température comprise entre environ 1000°C et environ 1900°C.
34- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 33, dans laquelle la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température d’au moins 700°C et d’au plus 1500°C.
35- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 34, dans laquelle la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température comprise entre environ 700°C et environ 1000°C.
36- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 35, dans laquelle la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température inférieure à une température dans la première zone.
37- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 36, dans laquelle la production du monoxyde de carbone et de la vapeur d’eau dans la première zone est réalisée en l’absence de catalyseur.
38- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 37, dans laquelle la génération du second gaz comprenant le gaz de synthèse dans la deuxième zone du réacteur est réalisée en l’absence de catalyseur.
39- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 38, dans laquelle l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
40- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 39, dans laquelle l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant provient d’une unité de séparation d’air (ASU). 41- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 40, dans laquelle le flux oxydant est alimenté dans une partie inférieure et centrale de la première zone et le premier flux réducteur est alimenté dans la partie inférieure de la première zone en périphérie du flux oxydant.
42- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 41 , dans laquelle le second gaz généré dans la deuxième zone comprend le gaz de synthèse et du CO2 résiduel et la méthode comprend en outre un recyclage d’une partie du second gaz dans la première zone.
43- La méthode selon la revendication 42, dans laquelle la partie du second gaz est recyclée dans le premier flux réducteur.
44- La méthode selon la revendication 42 ou 43, comprenant en outre un refroidissement de la partie du second gaz à recycler, avant le recyclage.
45- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 44, dans laquelle la méthode est réalisée dans une pluralité de réacteurs en parallèle, chaque réacteur possédant la première zone qui reçoit le flux oxydant et le premier flux réducteur et où est produit le premier gaz, et la seconde zone qui reçoit le deuxième flux réducteur et où est généré le second gaz.
46- La méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 44, dans laquelle le réacteur comprend une pluralité de premières zones et une seconde zone commune, et dans laquelle : le flux oxydant et le premier flux réducteur sont alimentés dans chaque première zone de la pluralité de premières zones et le premier gaz est produit dans chaque première zone, le deuxième flux réducteur est alimenté dans la deuxième zone commune qui reçoit le premier gaz produit dans chaque première zone et le second gaz est généré dans la deuxième zone commune.
47- Un système pour produire un gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone (CO) et de l’hydrogène (H2), le système comprenant au moins un réacteur et ledit réacteur comprenant au moins une première zone de réaction et au moins une deuxième zone de réaction, dans lequel: la première zone de réaction est alimentée par un flux oxydant comprenant de l’oxygène (O2) et un premier flux réducteur comprenant de l’hydrogène (H2), où le flux oxydant et/ou le premier flux réducteur comprend en outre une première source de carbone qui est du CO2, et dans la première zone une oxy-flamme est générée par réaction entre l’oxygène du flux oxydant et l’hydrogène du premier flux réducteur, pour produire un premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O) par mise en contact du flux oxydant et du premier flux réducteur avec l’oxy-flamme; la deuxième zone de réaction est alimentée par un deuxième flux réducteur comprenant une deuxième source de carbone comprenant au moins un hydrocarbure, pour générer dans la deuxième zone de réaction un second gaz comprenant le gaz de synthèse à partir du premier gaz issu de la première zone de réaction et du deuxième flux réducteur par réaction avec l’hydrocarbure.
48- Le système selon la revendication 47, dans lequel le flux oxydant comprend de l’oxygène et du CO2.
49- Le système selon la revendication 47, dans lequel le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène (H2) et du CO2, et optionnellement de la vapeur d’eau dans un rapport H2O/H2 allant de 0 à 1 , préférablement dans un rapport H2O/H2 allant de 0 à 0,5.
50- Le système selon la revendication 47, dans lequel le flux oxydant et le premier flux réducteur comprennent chacun du CO2.
51- Le système selon la revendication 47, dans lequel seul le flux oxydant comprend du CO2.
52- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 51 , dans lequel le CO2 provient d’un rejet industriel, est du CO2 biogénique provenant d’un biogaz, est du CO2 capté directement de l’air ambiant, ou un mélange de ceux-ci. 53- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 52, dans lequel l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau.
54- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 52, dans lequel l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau dans un électrolyseur qui est alimenté par de l’électricité produite à partir de source renouvelable (e.g., produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie) ou d’énergie nucléaire.
55- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 52, dans lequel l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur résulte d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
56- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 52, dans lequel l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène résultant d’une réaction de pyrolyse de méthane.
57- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 52, dans lequel l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend de l’hydrogène résultant d’une réaction d’électrolyse de l’eau dans un électrolyseur qui est alimenté par de l’électricité produite à partir de source renouvelable (e.g., produite à partir de l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, la biomasse ou la géothermie) ou d’énergie nucléaire, et de l’hydrogène résultant d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
58- Le système selon l’une quelconque des revendications 54, 55 et 57, dans lequel l’hydrogène présent dans le premier flux réducteur comprend en outre de l’hydrogène résultant d’une réaction de pyrolyse de méthane. 59- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 58, dans lequel l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 d’au moins 2, et un ratio molaire H2/CO2 d’au moins 1 ,8.
60- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 58, dans lequel l’hydrogène, l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire H2/O2 compris entre 2 et 10, et un ratio molaire H2/CO2 compris entre 1 ,8 et 9.
61- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 60, dans lequel l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 d’au moins 0,5.
62- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 60, dans lequel l’oxygène et le CO2 sont alimentés dans la première zone dans un ratio molaire O2/CO2 compris entre 0,5 et 6.
63- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 62, dans lequel la génération du gaz de synthèse comprend un vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz.
64- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 63, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend en outre de la vapeur d’eau et la génération du gaz de synthèse comprend un vaporeformage du ou des hydrocarbures avec la vapeur d’eau comprise dans le premier gaz et la vapeur d’eau comprise dans le deuxième flux réducteur.
65- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 64, dans lequel la deuxième source de carbone comprend un hydrocarbure fossile ou renouvelable.
66- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 64, dans lequel la deuxième source de carbone comprend du gaz naturel fossile ou renouvelable.
67- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 64, dans lequel la deuxième source de carbone comprend du méthane. 68- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 64, dans lequel la deuxième source de carbone comprend du méthane provenant d’un biogaz.
69- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 68, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend en outre un composé organique issue de la biomasse.
70- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 69, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend en outre un composé de formule CaHpOY avec a variant de 1 à 5, p variant de 2 à 10 et y variant de 1 à 4.
71- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 70, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) dans un ratio molaire H2/CH4 compris entre 0 et 2,5.
72- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 71 , dans lequel le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de l’hydrogène (H2) et un ratio molaire entre le CH4 alimenté et une quantité totale de H2 alimenté dans les deux zones est compris entre 0,1 et 1 .
73- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 72, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend en outre de l’hydrogène (H2).
74- Le système selon la revendication 73, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend de l’hydrogène résultant d’une réaction de vaporeformage de gaz naturel ou de méthane dans un procédé pour lequel le CO2 généré est au moins en partie capté et séquestré.
75- Le système selon la revendication 73 ou 74, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend une quantité d’hydrogène pour balancer la composition molaire du gaz de synthèse pour avoir H2/CO > 2 et (H2-CO2)/(CO+CO2) > 2.
76- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 75, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend du méthane (CH4) et optionnellement de la vapeur d’eau (H2O) et un ratio molaire entre la vapeur d’eau (H2O) et le CH4 est compris entre 0 et 2. 77- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 76, dans lequel le deuxième flux réducteur comprend en outre de la vapeur d’eau.
78- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 77, dans lequel la première zone est à une température d’au moins 1000°C et d’au plus 2400°C lors de la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O).
79- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 77, dans lequel la première zone est à une température comprise entre environ 1000°C et environ 1900°C lors de la production du premier gaz comprenant au moins du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d’eau (H2O).
80- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 79, dans lequel la deuxième zone est à une température d’au moins 700°C et d’au plus 1500°C lors de la génération du gaz de synthèse.
81- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 79, dans lequel la deuxième zone est à une température comprise entre environ 700°C et environ 1000°C lors de la génération du gaz de synthèse.
82- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 81 , dans lequel la génération du gaz de synthèse, dans la deuxième zone, est réalisée à une température inférieure à une température dans la première zone.
83- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 82, dans lequel la production du monoxyde de carbone et de la vapeur d’eau dans la première zone est réalisée en l’absence de catalyseur.
84- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 83, dans lequel la génération du second gaz comprenant le gaz de synthèse dans la deuxième zone du réacteur est réalisée en l’absence de catalyseur.
85- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 84, dans lequel l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant résulte d’une réaction d’électrolyse de l’eau. 86- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 85, dans lequel l’oxygène (O2) présent dans le flux oxydant provient d’une unité de séparation d’air (ASU).
87- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 86, dans lequel le second gaz généré dans la deuxième zone comprend le gaz de synthèse et du CO2 résiduel et le système comprend en outre un moyen de recyclage d’une partie du second gaz dans la première zone.
88- Le système selon la revendication 87, dans lequel le moyen de recyclage comprend un conduit acheminant la partie du second gaz pour être mélangée avec le premier flux réducteur.
89- Le système selon la revendication 87 ou 88, comprenant en outre un dispositif de refroidissement de la partie du second gaz à recycler, avant le recyclage.
90- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 89, dans lequel la première zone et la deuxième zone sont chacune de forme cylindrique.
91- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 90, comprenant un premier moyen pour alimenter le flux oxydant dans une partie inférieure et centrale de la première zone et un second moyen pour alimenter le premier flux réducteur dans la partie inférieure de la première zone en périphérie du flux oxydant.
92- Le système selon la revendication 91 , dans lequel le premier moyen consiste en un premier tube central et le second moyen consiste en un espace annulaire s’étendant perpendiculairement entre une paroi externe du tube central et une paroi interne de la première zone.
93- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 92, comprenant un troisième moyen pour alimenter le deuxième flux réducteur dans la deuxième zone.
94- Le système selon la revendication 93, dans lequel la première zone et la deuxième zone sont chacune de forme cylindrique et le troisième moyen consiste en une ouverture formée par un espace annulaire s’étendant entre une paroi externe de la première zone et une paroi interne de la deuxième zone, optionnellement dans une région supérieure de la première zone et une région inférieure de la deuxième zone.
95- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 94, comprenant une pluralité de réacteurs en parallèle, chaque réacteur possédant la première zone recevant le flux oxydant et le premier flux réducteur et où est produit le premier gaz, et la seconde zone recevant le deuxième flux réducteur et où est généré le second gaz.
96- Le système selon l’une quelconque des revendications 47 à 92, dans lequel le réacteur comprend une pluralité de premières zones et une seconde zone commune, et dans lequel : chaque première zone de la pluralité de premières zones est alimentée par le flux oxydant et le premier flux réducteur pour produire le premier gaz dans chaque première zone, et la deuxième zone commune est alimentée par le deuxième flux réducteur et reçoit le premier gaz produit dans chaque première zone pour générer le second gaz dans la deuxième zone commune.
97- Utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 46 ou par le système tel que défini selon l’une quelconque des revendications 47 à 96, pour la fabrication de produits chimiques ou carburants.
98- Utilisation selon la revendication 97, pour la fabrication d’hydrocarbures synthétiques.
99- Utilisation d’un gaz de synthèse produit par la méthode telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 46 ou par le système tel que défini selon l’une quelconque des revendications 47 à 96, comme agent réducteur dans l’industrie métallurgique.
100- Utilisation d’un système tel que défini selon l’une quelconque des revendications
47 à 96 pour le traitement d’effluents industriels gazeux contenant du CO2.
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