Reformage du gaz à la vapeur

Le reformage du gaz à la vapeur, ou steam methane reforming (SMR), désigne la filière de production d'hydrogène la plus répandue dans l'industrie des engrais azotés. Ce procédé convertit les hydrocarbures légers, principalement le méthane du gaz naturel, en un gaz de synthèse riche en hydrogène, lequel est ensuite associé à l'azote atmosphérique dans la boucle de synthèse de l'ammoniac pour former NH₃. La réaction globale théorique s'écrit : 0,88 CH₄ + 1,26 air + 1,24 H₂O → 0,88 CO₂ + N₂ + 3 H₂, puis N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃^[1]. La production du gaz de synthèse se déroule à 25-35 bar, tandis que la synthèse de l'ammoniac s'opère entre 100 et 250 bar^[1].

Description du procédé conventionnel

Le schéma comporte plusieurs étapes : désulfuration, reformage primaire, reformage secondaire, conversion du CO, décarbonatation, méthanation, compression et synthèse^[2].

La désulfuration est cruciale car les catalyseurs sont sensibles aux composés soufrés. Le gaz, qui peut contenir jusqu'à 5 mg S/Nm³, est préchauffé à 350-400 °C puis traité : les composés soufrés sont hydrogénés en H₂S sur catalyseur cobalt-molybdène, puis adsorbés sur oxyde de zinc pelletisé^[1][2]. Le soufre est abaissé à moins de 0,1 ppm^[1], l'hydrogène nécessaire provenant du recyclage de la section synthèse^[1][2].

Le gaz épurié est mélangé à de la vapeur de procédé selon un rapport vapeur/carbone (S/C) d'environ 3,0 pour les procédés MTD^[1]. Le mélange est porté à 500-600 °C avant d'entrer dans le reformage primaire^[1], constitué de tubes en alliage nickel-chrome avec catalyseur au nickel. La réaction endothermique nécessite un apport de chaleur pour atteindre 780-830 °C en sortie^[1]. Seuls 30-40 % de l'alimentation sont reformés à ce stade^[3].

Le reformage secondaire élève la température par combustion interne avec l'air de procédé, qui apporte l'azote pour la synthèse. L'air est réchauffé à environ 600 °C et injecté via un brûleur ; la sortie atteint environ 1 000 °C avec 0,2-0,3 % de méthane résiduel sur base sèche^[3]. Le refroidissement s'effectue dans une chaudière de récupération à 330-380 °C^[4].

La conversion du CO (12-15 % sur base sèche^[3][4]) se déroule en deux étapes : d'abord sur catalyseur fer-chrome à 350-380 °C^[4]. La réaction CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ libère 41 kJ/mol^[3][4].

Variantes et optimisations

Le reformage à primaire allégée transfère une partie du chargement thermique vers le secondaire^[5]. La température de sortie du primaire est abaissée à environ 700 °C, allongeant la durée de vie des équipements^[5]. L'air au secondaire augmente jusqu'à 50 % de plus que dans le procédé classique^[6]. Une purification cryogénique à environ -180 °C élimine l'excès d'azote et le méthane résiduel^[6].

L'installation d'un pré-reformeur adiabatique réduit la charge thermique de 5-10 %^[7].

Intégration énergétique

Les unités disposent d'un excédent de chaleur récupéré pour produire de la vapeur haute pression entraînant les turbocompresseurs^[5]. Une installation moderne peut atteindre l'autosuffisance énergétique^[5]. Les consommations des procédés conventionnels avancés se situent entre 29,2 et 31,5 GJ (PCI)/t NH₃, contre 32,7 GJ/t pour des procédés standard^[8].

Le CO₂ généré, de 1,15 à 1,30 kg par kg d'ammoniac^[9], peut être capté pour l'urée^[10]. L'ammoniac, liquéfié à -33 °C, contient 82 % d'azote^[10].