Étude des paramètres fondamentaux entourant le reformage à sec du méthane sous courant électrique

Abstract

Le développement à l’échelle industrielle d’une technologie de conversion du méthane (CH4) en présence de dioxyde de carbone (CO2), deux résidus récurrents, permettrait à l’industrie thermochimique des biocarburants d’augmenter ses rendements d’utilisation de la matière première et à la fois de réduire ses émissions de gaz à effet de serre. Il a été démontré au cours de ce projet de recherche qu’il était possible de reformer le CH4 en présence de CO2 en utilisant un lit catalytique de fer sous forme de fibres afin de produire du CO et de l’H2. L’hydroélectricité, une source d’énergie renouvelable, a été utilisée afin de chauffer spécifiquement par effet Joule le catalyseur (lit d’acier) pour atteindre une conversion du CH4 quasi-complète (près de 100%). Lorsque le reformeur a été chauffé uniquement par une source de chaleur externe (i.e. un four), une conversion maximale de 30% a été obtenue à 1000°C pour un même débit d’alimentation (1575 SL/ h/ kg cat.). Or l’utilisation d’une puissance Joule ciblée sur la laine d’acier s’est avérée nécessaire à l’atteinte de hauts rendements de conversion. Le passage de l’électricité directement au travers du lit d’acier mène à la formation de points chauds essentiels à la bonne performance du reformeur. Toutefois, à 950°C, il a été montré que la laine d’acier exerçait un pouvoir catalytique non négligeable. La contribution seule des points chauds formés au coeur du reformeur n’est pas suffisante à l’atteinte de bons rendements de conversion. Cet aspect a été confirmé suite à une modification de la nature du catalyseur, soit l’utilisation d’une laine d’acier inoxydable 316L. Il a également été démontré que la combinaison des deux sources de chaleur (Joule et externe) permettait d’améliorer l’efficacité de conversion du reformeur. Pour une plage d’opération où la conversion était proportionnelle à l’apport en puissance électrique (Joule), une augmentation de la température de préchauffe des réactifs de 800°C à 950°C a permise de réduire l’apport électrique de 34% au niveau adiabatique. La diminution de la puissance Joule requise a pour effet de réduire la facture énergétique. Par l’étude des paramètres du reformeur, il a également été montré que le procédé pouvait être opéré sur une période prolongée de plus de 200 heures. La puissance électrique appliquée au catalyseur, la température de préchauffe des gaz et les débits d’alimentation de CO2 et CH4 doivent être ajustés de concert afin de minimiser à la fois l’oxydation du catalyseur (par le CO2) et la formation de carbone. À conversion supérieure à 60%, un ratio d’alimentation CO2/CH4 de 0.95 a permis de stabiliser l’opération du reformeur. Le principal défi d’un reformeur sous courant électrique consiste à l’amélioration de la configuration du catalyseur chauffé par effet Joule et le contrôle précis des conditions d’opération. Au final, des pistes de recherche et d’amélioration ont été proposées.