Dispositifs de reformage assisté par plasma hors équilibre

Dans ce paragraphe, nous présentons les principales équipes qui ont étudié le reformage assisté par plasma [Table. 3]. Nous nous intéressons en particulier aux différents procédés et aux combustibles utilisés. Nous avons pu constater qu’au sein de chaque équipe les procédés développés ont évolué au cours du temps dans le but de répondre à la problématique générale des plasmas réactifs à savoir l’optimisation énergétique et technologique des procédés. Les torches non thermiques ont été alimentées par des sources haute tension pouvant fournir jusqu’à plusieurs dizaines de kilovolts et des courants (DC, AC et RF) compris entre 10 mA et 2 A. Lors des réactions de reformage, de nombreux précurseurs hydrocarbonés ont été étudiés : méthane, propane, iso-octane, diesel, éthanol et différentes huiles végétales (maïs, soja et colza). Les hydrocarbures ont été reformés à l’air (oxydation partielle) ou avec un mélange d’air et d’eau (reformage autotherme). L’utilisation de systèmes catalytiques couplés au réacteur plasma a également été étudiée. Fig.35] représente le reformeur qui utilise la torche plasma non thermique “Plasmatron gen.2”. Ce dispositif possède un volume de 2 L, il pèse 3 kg. Il est alimenté par des courants de 15 à 120 mA, correspondant à des puissances dans le plasma comprises entre 50 W et 300 W. Les réactifs sont préchauffés et prémélangés avant d’être injectés en phase gazeuse dans la torche.

La figure [Fig.36] représente la dernière génération de reformeur assisté par plasma développée par l’équipe du PSFC-MIT. Le reformeur est composé de la torche plasma “Plasmatron gen.3” et d’un réacteur de post décharge. Ce dispositif est relativement compact, sa hauteur et son diamètre extérieur sont respectivement voisins de 12 et 5 cm. Les travaux de l’équipe du PSFC-MIT ont conduit à une technologie qui a été commercialisée par l’équipementier ARVIN MERITOR [75]. Cette technologie permet la production de gaz de synthèse qui est injecté simultanément avec le carburant dans un moteur à explosion classique, dans le but d’améliorer la combustion (réduction de la consommation ainsi que des émissions de particules et d’oxydes d’azote). L’équipe du Drexel Plasma Institute, a d’abord étudié l’oxydation partielle et le reformage autotherme de l’iso-octane dans un réacteur à décharges corona négatives [85]. Le réacteur plasma d’une longueur de 1.2 m est constitué d’une électrode centrale en inconel de faible diamètre (0.5 mm) située sur l’axe d’un tube de 22.2 mm de diamètre interne en acier inoxydable [Fig.37]. Le réacteur plasma est placé dans un four qui permet de contrôler la température. L’électrode tubulaire est branchée à la masse et l’électrode centrale est alimentée par des impulsions de tension ajustables jusqu’à 20 kV à des fréquences variables de 200 Hz à 2 kHz. La puissance nette maximum fournie par la source est de 20 W. Cette puissance peut varier en ajustant la tension maximale des impulsions et / ou leur fréquence. Cette équipe a également étudié le couplage d’un réacteur plasma avec un réacteur catalytique classique, situé en aval ou en amont du réacteur plasma.

Les résultats expérimentaux [86] montrent que l’action des décharges corona n’est sensible que lorsque le réacteur catalytique fonctionne à basse température (<800 °C). Le rendement de conversion du reformage est alors augmenté par la décharge. Cette augmentation est légèrement plus importante lorsque le réacteur plasma est situé en amont du système catalytique. Les travaux effectués avec le réacteur à décharges corona concluent que ce procédé ne fournit pas suffisamment de puissance et qu’il faut utiliser des procédés plasmas hors équilibre de plus forte puissance. Le coût excessif et la complexité des systèmes micro-ondes et des canons d’électrons ont conduit cette équipe à évoluer vers des procédés d’arcs non thermiques dont les réacteurs plasmas ont été présentés précédemment : Les travaux présentés dans ce qui suit [59] concernent l’oxydation partielle du méthane. Le système [Fig.38] est constitué d’un réacteur à arcs glissants “tornado” (GAT) de 0.2 L et d’un échangeur thermique dans lequel la température des produits permet de chauffer les réactifs. Le GAT est alimenté par une source haute tension capable de fournir un courant de un ampère et des tensions pouvant atteindre dix kilovolts.