Production des gaz de synthèse

Le terme gaz de synthèse peut prêter à une interprétation très vaste. En réalité, il est d’usage de considérer qu’il s’applique à des mélanges gazeux susceptibles de se combiner pour réaliser la synthèse de composés organiques ou celle de l’ammoniac.

On trouve systématiquement, dans les gaz de synthèse, deux ou plusieurs, combinés ou non, des quatre éléments les plus répandus dans la nature : le carbone, l’oxygène, l’hydrogène et l’azote. L’oxygène est pratiquement toujours combiné au carbone sous forme de monoxyde ou de dioxyde de carbone. L’hydrogène est le composant essentiel du gaz de synthèse. L’azote est indispensable à la synthèse de l’ammoniac, mais serait inerte dans le cas des synthèses de produits organiques.

Les hydrocarbures (gaz naturel ou coupes pétrolières) sont la source principale de gaz de synthèse (le lecteur se reportera au tableau synoptique Pétrochimie dans le présent traité).

L’utilisation du charbon, après le regain d’intérêt au milieu des années 80, reste totalement marginale.

Dans la fabrication du gaz de synthèse, on opère donc la transformation de C et/ou C_nH_m en CO, CO₂ , H₂ avec parfois addition de N₂ , l’oxygène étant apporté soit directement, soit par la vapeur d’eau ou l’air.

— H₂ purifié, débarrassé des composés du soufre éventuellement présents, de CO et de CO₂ , est le composant essentiel de toutes les réactions d’hydrogénation.

— Le mélange CO + CO₂ + H₂ est à l’origine de la synthèse du méthanol.

— CO seul conduit aux réactions de carbonylation.

— Le mélange CO + H₂ est la base des synthèses oxo.

— H₂ et N₂ , débarrassés de tous les composés oxygénés, permettent la synthèse de l’ammoniac, base essentielle de la chimie de l’acide nitrique et des engrais azotés.

Diverses voies de production de gaz de synthèse sont industriellement utilisées ; leur classement par ordre d’importance décroissante est le suivant :

• reformage de gaz naturel ;

• oxydation partielle de fuel lourd ;

• reformage de naphta ;

• oxyvapogazéification du charbon ;

• oxydation partielle de gaz naturel.

Pour mémoire, citons l’obtention de gaz de biomasse par fermentation de déchets végétaux.

La production de gaz de synthèse par oxydation partielle des fuels lourds et par gazéification des combustibles fait l’objet de deux articles séparés dans le présent traité.

L’objet du présent article est l’étude des différentes opérations de production et de traitement des gaz de synthèse par la voie du reformage, sachant toutefois que certaines unités de ce traitement s’appliquent aussi aux installations produisant du gaz de synthèse par oxydation partielle de fuel lourd ou par gazéification de charbon. C’est le cas des unités de conversion et de décarbonatation.

Les années 80 ont vu se stabiliser, voire se réduire, les coûts de l’énergie conventionnelle (gaz et pétrole) dans le contexte d’un ralentissement généralisé de la croissance économique, qui réunit tous les éléments de frein à l’innovation et au développement des techniques. L’évolution technique des unités de production de gaz de synthèse a donc été relativement faible pendant cette période et, malgré une certaine reprise d’activité dans la première moitié de la décennie 90, il ne faut pas s’attendre à des révolutions techniques profondes pour la fin de ce siècle.

Dans ces périodes de difficultés, la tendance aux économies, amorcée à la suite des crises pétrolières, s’est accentuée : économiser l’énergie, c’est diminuer les coûts de production, c’est aussi lutter contre la pollution en diminuant les rejets dans l’atmosphère, serrer au plus près le dimensionnement des unités de production, rechercher des solutions techniques moins coûteuses, et également contribuer à réduire l’investissement.

Dans ces perspectives d’économie d’énergie, de lutte contre la pollution et de réduction des coûts d’investissement, les conceptions des unités de production de gaz de synthèse ont évolué et de nouveaux dispositifs ont été étudiés et mis en œuvre.

De plus, l’abondance du gaz naturel a pratiquement fait disparaître les autres matières premières (naphta, produits pétroliers lourds, charbon). L’utilisation du gaz naturel réunit les avantages d’un coût de production attractif, d’une pollution plus faible et d’un investissement moindre, les ateliers étant plus simples.