Les températures extrêmes et la forte concentration d’hydrogène dans les réacteurs d’oxydation partielle (POX) créent un environnement difficile pour les instruments de mesure qui ne sont pas équipés pour relever de tels défis.
L’oxydation partielle (POX), le process initial de transformation d’hydrocarbures bruts en composants de plus grande valeur, nécessite des températures très élevées et produit une chaleur importante.
Associé aux milieux difficiles présents dans les unités de traitement, comme l’hydrogène, cet environnement extrême réduit considérablement la durée de vie de la plupart des instruments de mesure, y compris les thermocouples.
Aperçu technologique d’une usine d’oxydation partielle
La plupart des usines d’oxydation partielle utilisent un process intégré pour la génération de gaz de synthèse, suivi de la purification des composés constitutifs résultants.
Étape 1 : Oxydation partielle
L’oxydation partielle (POX), également appelée gazéification, est le process dans lequel le combustible d’alimentation – méthane, huile résiduelle, charbon pulvérisé ou autre hydrocarbure – réagit de manière exothermique en présence d’une petite quantité d’oxygène. La combustion étant volontairement incomplète, la POX produit un gaz contenant de l’hydrogène et du monoxyde de carbone. Voici la réaction générale de la POX en utilisant le méthane comme matière première :
CH4 + ½O2 -> CO + 2H2 (+ chaleur)
Le syngaz (gaz de synthèse) qui en résulte contient des produits utiles. Par exemple, l’hydrogène injecté dans le mélange air-carburant d’un moteur diesel permet une combustion plus complète, ce qui se traduit par un meilleur rendement énergétique et une réduction des émissions. L’hydrogène est également utilisé comme carburant.
Le monoxyde de carbone est essentiel à la fabrication des métaux et autres matériaux de base, des produits chimiques et pétrochimiques, des produits pharmaceutiques et des semi-conducteurs. Si la réaction POX utilise de l’air plutôt que de l’O2 pur, le gaz de synthèse obtenu contiendra également du N2 du CO2, etc.
Si la matière première contient du soufre, le gaz de synthèse contiendra également du H2S (sulfure d’hydrogène) et d’autres composés soufrés.
Il existe deux types d’oxydation partielle.
- L’oxydation partielle thermique (TPOX) nécessite au moins 1200°C pour une réaction.
- L’oxydation partielle catalytique (CPOX) ne nécessite que 800-900°C, car un catalyseur stimule la réaction chimique.
Le type de POX utilisé dépend largement de la quantité de soufre contenue dans le carburant. Si sa teneur en soufre est supérieure à 50 ppm (0,005 %), elle empoisonnerait le catalyseur pendant le CPOX ; le CPOX n’est donc pas recommandé pour les charges d’alimentation à forte teneur en soufre. D’autre part, les températures élevées requises pour le TPOX signifient que les équipements et les instruments de mesure ont généralement une durée de vie plus courte.
Bien que le gaz de synthèse puisse être utilisé comme combustible, son rôle principal est de servir de ressource intermédiaire dans la production d’ammoniac (pour les engrais), de méthanol et d’autres composants précieux. Ce procédé nécessite d’enrichir le gaz de synthèse en utilisant une réaction de transfert eau-gaz ou une autre méthode.
Étape 2 : réaction de transfert eau-gaz
Une partie du gaz de synthèse chaud, à la sortie du générateur POX, est détournée pour générer la vapeur à haute pression nécessaire à la réaction de déplacement du gaz vers l’eau (DRGE), tandis que le reste est refroidi dans un bain d’eau et utilisé comme matière première dans cette deuxième étape. Au cours de la RCEG, le monoxyde de carbone contenu dans le gaz de synthèse refroidi se combine avec l’eau en présence d’un catalyseur à base de cuivre pour produire du dioxyde de carbone et davantage d’hydrogène.
CO + H2O <-> CO2 + H2 (+ un peu de chaleur)
Étape 3 : purification et séparation du gaz de synthèse
Avant de pouvoir utiliser l’hydrogène et le dioxyde de carbone, une purification et une séparation supplémentaires sont nécessaires. Ces process reposent sur une série de membranes, de tamis moléculaires et de lavages gazeux acides.
Cet article se poursuit avec une étude de cas sur les problèmes d’une usine de gaz de synthèse avec des thermocouples défaillants dans ses réacteurs POX.