BR112012030797B1

BR112012030797B1 - Dispositivo de separaqao de particulas para um circuito de combustao quimica

Info

Publication number: BR112012030797B1
Application number: BR112012030797-5A
Authority: BR
Inventors: Ali HOTEIT; Florent Guillou; Sebastien Rifflart; Thierry Gauthier
Original assignee: Total S.A.; IFP Energies Nouvelles
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2020-11-17
Also published as: AU2011260164B2; US9388979B2; WO2011151537A3; ES2748513T3; CA2799139C; AU2011260164A1; CN103080649B; JP2013532268A; WO2011151537A2; RU2568017C2; PL2577163T3; FR2960941B1; RU2012156927A; EP2577163A2; BR112012030797A2; US20130118957A1; ZA201208629B; EP2577163B1; CN103080649A; FR2960941A1

Abstract

DISPOSITIVO DE SEPARAÇÃO DE PARTÍCULAS PARA UM CIRCUITO DE COMBUSTÃO QUÍMICA. A presente invenção refere-se a um dispositivo de combustão em circuito químico, utilizando um combustível sólido que gera partículas de não queimados e utilizando partículas de portador de oxigênio, tais como óxidos metálicos, e comportando pelo menos uma zona de combustão, no qual o separador compreende pelo menos um compartimento (1) com um conduto de admissão (4) dessa mistura, um conduto de evacuação (5) situado em parte inferior do compartimento e um conduto de saída (6) situado em parte superior do dispositivo, os parâmetros de admissão e de evacuação / série sendo escolhidos para criar no compartimento uma fase densa em parte inferior e uma fase diluída. A invenção se refere também a um método de combustão, utilizando o dispositivo, de acordo com a invenção.

Description

DOMÍNIO DA INVENÇÃO.

[001] O domínio da invenção é aquele da separação de partículas, e mais precisamente de partículas de óxidos metálicos,. Por um lado, e de partículas de não queimados, associadas eventualmente a cinzas volantes, por outro lado, no contexto da combustão em circuito químico para produzir energia, gás de síntese e/ou do hidrogênio.

TÉCNICA ANTECEDENTE

[002] A combustão em circuito químico (abreviada CLC para Chemical Looping Combustion) consiste em colocar em contato, em um compartimento à alta temperatura, uma carga hidrocarbonada gasosa, líquida e/ou sólida com um sólido de tipo óxido metálico e portador de oxigênio. O óxido metálico cede uma parte do oxigênio que ele contém, este participando da combustão dos hidrocarbonetos.

[003] Ao final da combustão, as fumaças contêm majoritariamen- te óxidos de carbono, água e eventualmente o hidrogênio. Com efeito, não é necessário colocar em contato a carga hidrocarbonada com o ar e as fumaças são, portanto, majoritariamente compostos dos gases de combustão e eventualmente de um gás de diluição que serve para o transporte e para a fluidização das partículas ou um gás (por exemplo, o vapor de água), favorecendo a gaseificação de combustível sólido.

[004] Assim, é possível produzir, após condensação, fumaças isentas majoritariamente de nitrogênio e contendo teores em CO2 elevados (geralmente superiores a 90% em vol., até mesmo 98%), permitindo considerar a captação, depois a estocagem de CO2. O óxido metálico que participou da combustão é em seguida transportado para um outro compartimento reacional onde é colocado em contato com o ar para ser reoxidado.

[005] A aplicação de um método de combustão em circuito químico requer quantidades de óxidos metálicos importantes para queimar a totalidade do combustível. Esses óxidos metálicos ficam geralmente contidos, seja em partículas de minério, seja em partículas que resultam de tratamento industriais (resíduos da indústria siderúrgica ou mineira, catalisadores usados da indústria química ou da refinação). Pode-se também utilizar materiais sintéticos, tais como, por exemplo, suportes de alumina ou de sílica-alumina ou de sílica-alumina sobre os quais metais que podem ser oxidados terão sido depositados (níquel, por exemplo). A capacidade máxima de oxigênio realmente disponível varia consideravelmente de óxido ao outro, e está geralmente compreendida entre 0,1 e 15%, e freqüentemente entre 0,3 e 6% em peso. A utilização em camada fluidizada é dessa forma particularmente vantajosa para levar a combustão. Com efeito, as partículas de óxidos finamente divididas circulam mais facilmente nos compartimentos reacio- nais de combustão e de oxidação, assim como entre esses compartimentos, casos e confira às partículas as propriedades de um fluido.

[006] O pedido de patente FR 2 850 156 descreve um método de combustão em circuito químico para o qual o combustível é moído antes da entrada no reator de redução que funciona em camada fluidizada circulante. O tamanho reduzido das partículas de combustível sólido permite uma combustão mais completa e mais rápida. A separação a jusante da camada circulante é inicialmente assegurada por um ciclone, depois por um dispositivo que permite separar as partículas de não queimados das partículas de óxido metálico. Assim, evita-se o acionamento de não queimados na zona de oxidação e, portanto, as emissões de CO2 nos efluentes do reator de oxidação.

[007] O dispositivo de separação é fluidizado pelo vapor d'água,q eu permite separar as partículas finas e leves, tais como o resíduo carbonado, e de reintroduzir este no reator, enquanto que as partículas mais densas e mais grossas de óxidos são transferidos para o reator de oxidação.

[008] O pedido de patente FR 2 896 709 tem por objeto um separador de partículas que funcionam em um método em circuito químico. Esse separador é alimentado pelo fluxo de partículas que transporta o oxigênio e misturadas ao combustível sólido. No separador, as partículas escoam em fase densa, seguindo um caminho tortuoso e passando através de chicanas, o que permite controlar o tempo de permanência e de favorecer a separação das partículas leves (partículas de não queimados) das partículas pesadas (óxidos metálicos). Asa partículas são em seguida introduzidas em uma zona de fluidização, essa fluidi- zação sendo controlada por meios situados na base do separador, mas também em parede dos defletores, o que permite arrastar as partículas as mais leves que são em seguida recicladas para o reator de fluidização.

[009] O funcionamento do separador segundo FR 2 896 709 induz vários inconvenientes não desprezíveis.

[0010] Assim, a eficácia de separação é reduzida, considerando- se uma limitação no nível da capacidade de arrastamento das partículas na fase gasosa. Com efeito, para arrastar quantidades de partículas importantes, é preciso utilizar quantidades de gás, assim como seções livres importantes.

[0011] Além disso, em fase densa, é impossível separar totalmente duas fases sólidas diferentes. Com efeito, o movimento ascendente das bolhas de gás provoca paradoxalmente uma nova descida das partículas leves para a fase densa e impede uma separação total.

[0012] Além disso, a geometria do separador de FR 2 896 709 é muito complicada pela presença de internos, notadamente dos internos assimétricos. Essa geometria é problemática, considerando-se esforços mecânicos que sofrem os materiais que constituem o separa dor nas condições de temperatura do método CLC, geralmente além de 800 °C. Com efeito, se as paredes externas forem freqüentemente protegidas por um cimento refratário e permanecem à baixa temperatura, este não é o caso das paredes internas que são levadas às condições do método.

[0013] Os requerentes desenvolveram um novo separador no qual a mistura de partículas provenientes da zona de combustão é colocada em contato com um fluxo gasoso proveniente da zona de combustão e/ou de uma fonte gasosa externa. Essa mistura entra em, seguida na fase diluída do separador. No separador, a velocidade do escoamento gasoso é controlada, de forma a permitir a sedimentação das partículas as mais pesadas (essencialmente partículas de óxidos metálicos), as partículas as mais leves (essencialmente das partículas de não queimados) sendo arrastadas em direção à parte superior do separador para serem recicladas em direção à zona de combustão.

[0014] O separador, de acordo com a invenção, apresenta uma eficácia melhorada de separação das partículas não queimadas e das partículas de óxidos metálicos.

[0015] Além disso, a concepção relativamente simples do separador permite se livrar dos problemas ligados aos esforços térmicos.

[0016] Para isso, a presente invenção se refere a um dispositivo de combustão em circuito químico, utilizando um combustível sólido que gera partículas de não queimados e utilizando partículas de portador de oxigênio, tais como óxidos metálicos, e comportando pelo menos uma zona de combustão e um separador das partículas contidas em uma mistura gasosa proveniente dessa zona de combustão, no qual o separador compreende um compartimento com pelo menos um conduto de admissão dessa mistura, um conduto de evacuação situado em parte inferior do compartimento e um conduto de saída situado em parte superior do dispositivo, os parâmetros de admissão e de evacuação / saída sendo escolhidos para criar no compartimento uma fase densa em parte inferior e uma fase diluída em parte superior, e no qual esse conduto de admissão desemboca na fase diluída.

[0017] O compartimento do separador pode compreender, além disso, uma conduto de alimentação para um gás proveniente de uma fonte externa.

[0018] O conduto de saída pode ser ligado a um separador gás- sólido para evacuar um gás empobrecido em partículas de não queimados por umconduto e reciclar as partículas de não queimados por um conduto de comunicação com a zona de combustão.

[0019] O conduto de admissão pode penetrar no compartimento de maneira sensivelmente axial e de um comprimento compreendido entre 1 a 5 vezes o diâmetro do compartimento.

[0020] O conduto de admissão pode penetra pela parte inferior do compartimento.

[0021] A parte inferior do compartimento pode compreender um espaço anular entre a parede externa do conduto de admissão e a parede do separador.

[0022] A zona de combustão pode compreender pelo menos um conduto de alimentação com carga sólida, um conduto de alimentação com partículas de portador de oxigênio, um conduto de alimentação com gás de fluidização, para formar essa mistura gasosa.

[0023] A invenção se refere também a um método de combustão em circuito químico utilizando um combustível sólido gerando partículas de não queimados e utilizando partículas de portador de oxigênio, tais como óxidos metálicos, e comportando pelo menos uma zona de combustão e um separador de partículas contidas em uma mistura gasosa proveniente da zona de combustão, método segundo o qual se admite uma mistura de partículas e de gás no compartimento do separador, extraem-se as partículas por uma saída na parte alta do com- partimento e uma evacuação em parte baixa desse compartimento, os parâmetros de admissão e de extração sendo escolhidos para criar no compartimento uma fase densa inferior e uma fase diluída superior, fase diluída na qual é admitida essa mistura.

[0024] O compartimento do separador pode ser alimentado por um gás proveniente de uma fonte externa.

[0025] A velocidade superficial do gás na fase diluída do compartimento do dispositivo pode ser fixada em um valor compreendido entre 30 e 300% da velocidade terminal de queda média das partículas de portador de oxigênio.

[0026] A velocidade superficial do gás na fase diluída do compartimento do dispositivo pode ser fixada em um valor compreendido entre 75 e 125% da velocidade terminal de queda média das partículas de portador de oxigênio.

[0027] A velocidade do gás na parte superior da zona de combustão pode estar compreendida entre 3 e 10 m/s.

[0028] O separador pode ser alimentado por um gás proveniente de uma fonte externa que representa menos de 20% da vazão de gás total no separador.

[0029] A zona de combustão pode operar em camada fluidizada em fase densa, cujas partículas são transportadas para o separador, o transporte sendo controlado por uma válvula em L.

[0030] A zona de combustão pode operar em camada fluidizada em fase densa, cujas partículas são transportadas para o separador, através de um separador gás / sólido à saída do qual as partículas escoam no interior do separador.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0031] A invenção é ilustrada com o auxílio das figuras 1 a 5 que representam, unicamente a título de exemplo e de maneira não limitativa, diferentes utilizações e integração do dispositivo, de acordo com a invenção, à saída de uma zona de combustão de uma unidade CLC.

[0032] A figura 5 ilustra uma geometria particular do dispositivo, de acordo com a invenção.

[0033] A figura 1 descreve a invenção integrada em um esquema global.

[0034] A zona (2) representa a zona de combustão de um método de combustão em circuito químico (CLC: abreviatura pra o grupo de palavras em inglês Chemical Looping Combustion), na qual são introduzidos uma carga sólida por um conduto (7), partículas de portador de oxigênio por um conduto (8) provenientes da zona de oxidação (não representada) do método CLC e um gás de fluidização levado por um conduto (17), tal como, por exemplo, o vapor d'água ou o CO2 para favorecer a fluidização das partículas de óxidos.

[0035] A carga (ou combustível) sólida tratada na zona de combustão é geralmente constituída de uma fonte sólida hidrocarbonada, contendo majoritariamente carbono e o hidrogênio. A carga é vantajosamente escolhida dentre o carvão, o coque, o pet-coque, a biomassa, as areias betuminosas e os dejetos domésticos.

[0036] Essa zona de combustão (2) pode funcionar em uma camada fluidizada em fase densa ou em camada fluidizada circulante ou ainda segundo uma disposição de camadas constituídas de uma fase densa e de uma fase de transporte.

[0037] De maneira vantajosa, a velocidade do gás na parte superior da zona de combustão está compreendido entre 3 e 10 m/s.

[0038] Um fluxo de partículas contendo partículas de óxidos metálicos, ditas partículas pesadas, e partículas leves compreendendo partícula de não queimados e eventualmente cinzas volantes, o todo em um fluxo gasoso é extraído da zona (2) para ser é em seguida introduzido em um separador (1) por um conduto de admissão (4).

[0039] O fluxo gasoso provém totalmente ou em parte da zona de combustão (2) e é majoritariamente constituído de CO, CO2 , H2 e H2O, o complemento pode provir de uma fonte externa contendo, por exemplo, o CO2 reciclado e/ou vapor d'água, introduzida pelo conduto (11) em parte inferior do separador (1).

[0040] De maneira preferida, utilizam-se todos os efluentes gasosos de combustão para a separação e de maneira muito preferida, é constituído com pelo menos 80% dos efluentes da zona de combustão.

[0041] A separação entre as partículas pesadas e as partículas leves ocorre nesse separador (1), as partículas pesadas depositando- se na parte inferior do separador antes de serem extraídas por um conduto de evacuação (5), e as partículas leves sendo arrastadas para a parte superior antes de serem extraídas por um conduto de saída (6), depois de serem introduzidas em um separador gás-sólido (3), por exemplo um ciclone.

[0042] Esse ciclone tem por finalidade separar o gás empobrecido em partículas de não queimados que é em seguida extraído por um conduto (10) e as partículas de não queimados arrastadas com as partículas de óxido metálicos extraídas por um conduto (9) e reciclados para a zona de combustão (2).

[0043] As partículas pesadas extraídas em parte inferior do separador são constituídas majoritariamente de óxidos metálicos e podem ser enviadas para uma segunda zona de combustão, na qual o portador de oxigênio será mais reduzido, ou para uma zona de oxidação, permitindo ao portador de oxigênio encontra pelo menos uma parte do grau de oxidação que tinha à entrada da zona de combustão (2) e as partículas de não queimados mais leves são reciclados para a zona de combustão, após separação do efluente gasoso.

[0044] Assim, os parâmetros de admissão e de evacuação / saída são escolhidos para criar no compartimento uma fase densa em parte inferior e uma fase diluída em parte superior, e o conduto de admissão (4) desemboca na fase diluída.

[0045] As partículas que se sedimentam na parte inferior formam uma fase densa constituída das partículas as mais pesadas, de altura mais ou menos importante no separador em função, entre outros, da densidade das partículas, dos fluxos de alimentação e de extração, mas o nível dessa fase densa, formando a interface com a fase diluída, é em todos os casos situada embaixo da admissão (4) que desemboca no separador, permitindo a introdução da mistura de partículas extraída da zona de combustão.

[0046] Para isto, introduzindo-se a mistura de partículas extraída da zona de combustão diluída em um fluxo gasoso - fração volúmica das partículas na corrente gasosa sendo geralmente inferior a 5%, de preferência entre 1 e 2% - na fase diluída do separador, segundo a invenção, é possível obter uma separação rápida com melhor eficácia de separação possível, por um lado, das partículas de portador de oxigênio que se sedimentam na parte inferior, ou fase densa, desse separador e, por outro lado, das partículas de não queimados, eventualmente de cinzas volantes e do gás, que são arrastadas na parte superior, ou fase diluída, desse separador, tendo uma boa eficácia de separação.

[0047] Por separação rápida, entende-se uma separação que se opera em menos de 1 minuto e preferencialmente em menos de 20 segundos, essa duração correspondendo ao tempo de permanência das partículas leves na fase diluída do separador.

[0048] Por parâmetros, são entendidas todas as condições que permitem controlar a circulação do fluido e/ou dos sólidos referidos, como a velocidade,a vazão, a massa...

[0049] A fase diluída apresenta geralmente uma taxa de sólido inferior a 5%, até mesmo inferior a 1 % vol.

[0050] Pode-se então definir a eficácia de separação pela fórmula: X = quantidade de partículas de não queimados arrastadas com o gás / quantidade total de partículas de não queimados na mistura de partículas que entram no separador.

[0051] Graças à invenção, uma eficácia de separação geralmente superior a70%, até mesmo superior a 80%, pode ser obtida.

[0052] Por essa boa eficácia de separação, é possível otimizar a taxa de captação do CO2 a um valor superior a 90%, este sendo definido pela razão quantidade de CO2 emitido no nível da zona de combustão / quantidade total de CO2 emitido no circuito CLC.

[0053] Além disso, a velocidade superficial do escoamento na zona de separação deve ser superior à velocidade terminal de queda das partículas de combustível não queimados para permitir seu arrastamento com o gás.

[0054] A velocidade superficial do gás na fase diluída da zona de separação é fixada em um valor geralmente compreendida entre 30 e 300% da velocidade terminal de queda média das partículas de portador de oxigênio, de preferência compreendida entre 75 e 125%. Para essa faixa de velocidade, o fluxo de partículas arrastado na fase diluída do separador continua inferior a 5 kg/s/ m2, de preferência inferior a 1 kg/s/ m2.

[0055] A velocidade terminal de queda média é obtida a partir da fórmula (*):

[0056] na qual:

[0057] dp é o diâmetro médio das partículas

[0058] ps é a massa volúmica das partículas (kg/ma)

[0059] pg é a massa volúmica do gás (kg/ma)

[0060] CD é o coeficiente de arrasto.

[0061] (*): extraída de Fluidization Engineering, Butterworth- Heinemann, Daizo Kunii, Octave Levenspiel, p.80).

[0062] A geometria do separador pode ser paralelepipédico, cilíndrico ou qualquer outra geometria tridimensional e, de preferência, esta apresenta uma simetria de revolução.

[0063] Em geral, o material utilizado para realizar o compartimento do separador pode ser escolhido dentre os aços especiais, tais como o hastelloy ou ainda as cerâmicas.

[0064] Para limitar os custos de fabricação, é também possível considerar para s apartes externas do separador dos aços padrões sobre os quais se terão depositadas camadas de cimento refratário armado (com espessuras geralmente compreendidas entre 2 e 50 cm, geralmente próximas de 20 cm) sobre as faces internas expostas ao escoamento e às altas temperaturas.

[0065] Quando a geometria do separador apresenta uma simetria de revolução, a saída do conduto (4) penetra no compartimento sobre uma profundidade axial preferencialmente compreendida entre 1 a 5 vezes o diâmetro do compartimento, de preferência de 1 a 2 vezes o diâmetro do compartimento.

[0066] Além disso, quando o compartimento apresenta uma simetria de revolução, a altura do compartimento disponível acima da saída do conduto de admissão (4) no compartimento está em geral compreendida entre 1,5 a 10 vezes o diâmetro do compartimento.

[0067] As partículas de óxidos metálicos, tais como, por exemplo, óxidos de Fé, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, V são utilizados sozinhos ou em mistura, e têm um tamanho médio em geral superior a 50 microns, de preferência compreendido entre 100 e 500 microns.

[0068] Os óxidos metálicos, sintéticos ou minerais, suportados ou não, têm em geral uma massa volúmica superior a 1500 kg/m3. Por exemplo, as partículas de óxido de níquel suportadas sobre alumina (NiO/Ni AI2O4) apresentam geralmente uma massa volúmica de grão compreendida entre 2500 e 3500 kg/m3 em função da porosidade do suporte e do teor em óxido de níquel, tipicamente de 3200 kg/m3 aproximadamente.

[0069] A ilmenita, minério associando o titânio e o ferro, apresenta uma massa volúmica de 4700 kg/m3.

[0070] O dispositivo de separação, segundo a presente invenção, é vantajosamente utilizado para separar partículas de não queimados de partículas de óxido metálicos que apresentam uma massa volúmica superior a 2500 kg/m3, de preferência superior a 400 kg/m3.

[0071] As partículas de transportador de oxigênio têm, em geral, um tamanho e uma massa volúmica bem mais importante que aquelas das cinzs volantes e das partículas de não queimados tendo estado já em contato com partículas que transportam o oxigênio na zona de combustão á alta temperatura. Na saída da zona de combustão, esti- ma-se que ao tamanho das partículas não queimadas de carvão é inferior a 100 microns e que a maioria das partículas tem um tamanho inferior a 50 microns. A massa volúmica dessas partículas está em geral compreendida entre 1000 e 1500 kg/m3.

[0072] Outras partículas como as cinzas volantes resultantes da combustão da carga sólida podem também circular com o resto das partículas e são caracterizadas por um tamanho de partículas e uma massa volúmica menores que as partículas de portador de oxigênio e freqüentemente menores também que as partículas de não queimadas.

[0073] A figura 2 difere da figura 1 pelo fato de o conduto de admissão (4) desemboca de maneira axial diretamente no separador (1) que é colocado acima da zona de combustão (2).

[0074] Segundo esse modo de realização, a parte superior da zo- na de combustão é estreitada, o que permite acelerar e transportar a mistura gás -partículas que saem da zona de combustão, e compreendendo fumaças de combustão, partículas de não queimados e eventualmente cinzas volantes.

[0075] A velocidade do gás na parte superior da zona de combustão está preferencial mente compreendida entre 3 e 10m/s e o fluxo de partículas transportadas nessa parte está compreendido entre 25 e 500 kg/s/ m2, de preferência entre 60 e 300 kg/s/ m2.

[0076] O conduto (4) desemboca no separador em uma fase diluída composta essencialmente gás (pelo menos 95% em volume). Pela velocidade imposta do gás, no separador e são extraídas pelo conduto (5), enquanto que as partículas leves são arrastadas na parte superior do separador (1) e são evacuadas pelo conduto (6).

[0077] O fluxo de partículas arrastadas levado à seção do separador (1) é inferior a 5 kg/e/ m2 está geralmente compreendido entre 0,02 e 1,0 kg/s/ m2 e contém pelo menos 50% das partículas de não queimados oriundos da zona de combustão (2).

[0078] Pode ser considerado formar uma fase densa fluidizada na parte inferior do separador (1), à condição que o nível da interface entre a fase densa e a fase diluída seja mantida embaixo da extremidade do conduto (4) que desemboca no separador (1).

[0079] Nesse caso, a fluidização da fase densa é operada por fornecimento de um gás externo à zona de combustão por um conduto (11). Esse gás atravessa a zona de separação (1) e participa vantajosamente do processo físico de separação das partículas antes de sair do separador pelo conduto (6).

[0080] Os outros elementos da figura 2 são análogos àqueles da figura 1 portando o mesmo número de referência.

[0081] A figura 3 difere da figura 2 pelo fato de a zona de combustão (2), na qual a carga sólida introduzida pelo conduto (7) é queimada ao contato com partículas de portador de oxigênio levadas por um conduto (8) em uma camada fluidizada em fase densa, a fluidização sendo operada, graças à introdução de um gás levado por um conduto (17) e contendo, por exemplo, vapor de água e/ou dióxido de carbono. As fumaças de combustão são evacuadas da zona de combustão (2) por um conduto (15) situado na parte superior da camada fluidizada dessa zona.

[0082] Segundo essa configuração, as partículas são estiradas na fase densa das camada fluidizada e transportadas independentemente das fumaças de combustão em condutos (4) e (4') para a zona de separação (1). Os meios de transporte representados pelos condutos (4) e (4') incluem, por exemplo, um dispositivo de estiramento em fase densa, um tubo vertical, no qual as partículas escoam para baixo, uma válvula não mecânica, de tipo válvula em L, permitindo controlar a vazão de partículas por injeção controlada de um gás de insuflação a montante de uma curva em um lift de transporte, no qual um gás externo na zona de combustão (2) injetado para transportar as partículas.

[0083] Segundo esse modo de realização, as partículas chegam, portanto, no separador (1) em presença de um gás que permite seu transporte ascendente.

[0084] A mistura gás- partículas oriunda da zona de combustão (2) desemboca no separador (1) pela extremidade do conduto (4') em uma fase diluída constituída essencialmente de gás (pelo menos 95% em volume), na qual a velocidade superficial é controlada por acréscimo de gás pelo conduto (11).

[0085] O ajuste da velocidade superficial no separador (1) permite controlar a quantidade de partículas arrastadas para a saída (6). As partículas não arrastadas para essa saída (6) se sedimentam na fase densa do separador (1) e são coletadas na parte inferior do separador (1) e evacuadas por um conduto (5) para uma outra zona reacional.

[0086] Os outros elementos da figura 3 são análogos àqueles da figura 2 portando o mesmo número de referência.

[0087] A figura 4 descreve um outro modo de realização da invenção, que difere daquele da figura 3 pelo fato de as partículas que entram no separador (1) são introduzidas a partir de um conduto descendente (4") no qual as partículas chegam em um modo de transporte descendente em fase densa, o movimento das partículas dependente da gravidade e não da velocidade do gás ambiente.

[0088] Para isto, uma separação prévia da mistura transportada no conduto de admissão (4) é realizada, por exemplo, em um separador gás -sólido (12). As partículas sólidas escoam em seguida pelo conduto (4") no interior do separador (1) e são repartidas sobre toda a seção do separador (1), graças a um defletor (14), tal como, por exemplo, um "chapéu chinês", com um cone alargado de seção mais importante do que aquela do conduto (4"). Devido a esse novo modo de introdução, o gás que participa da separação das partículas no separador (1) é introduzida na quase totalidade na base do compartimento por um conduto (11), o gás intersticial introduzido pelo conduto (4") com as partículas que representam uma quantidade desprezível. O gás introduzido pelo conduto (11) atravessa eventualmente uma fase densa de partículas fluidizadas, o nível dessa fase densa sendo mantido sob o defletor (14) de forma que as partículas que entram no separador escoam na fase diluída.

[0089] A figura 5 descreve uma geometria particular do dispositivo, de acordo com a invenção. Este compreende em sua parte inferior uma cavidade circular ou espaço anular (200) entre a parede do conduto (4) que desemboca em fase diluída e a parede externa (300) do separador situado sobre o menor diâmetro. Dessa forma, todas as su-perfícies do dispositivo comportam uma face externa, que pode ser facilmente resfriada, e é possível recobrir todas as faces internas com um cimento refratário (100). Nessas condições, as paredes externas não são mais expostas a níveis de temperatura importantes e são protegidas dos contatos com as correntes de gás e de partículas. Assim, é possível utilizar aços baratos para fabricar o dispositivo, o que é muito vantajoso para os dispositivos de grande tamanho (desde que o diâmetro interno do conduto (4) é superior a 15 cm). Além disso, adap- tando-se a forma do depósito de material refratário depositado à saída do conduto (4), é possível gerar um divergente (400), permitindo homogeneizar o perfil de velocidade sobre toda a seção do dispositivo.

EXEMPLO (de acordo com a invenção).

[0090] A aplicação da invenção é ilustrada, segundo o modo associado à figura 2.

[0091] Os testes visando quantificar o desempenho do dispositivo, de acordo com a invenção, foram conduzidos sobre uma maquete fria simulando os escoamentos.

[0092] A maquete compreende um tubo de transporte de um diâmetro interno de 2 cm, no qual as partículas são transportadas pelo ar nas condições ambientais, o ar simulando as fumaças de combustão.

[0093] O tubo de transporte desemboca na fase diluída de um compartimento cilíndrico de separação de seção constante (diâmetro interno de 12,5 cm). O tubo penetra no compartimento sobre uma profundidade de 20 cm, o que deixa uma altura de 80 cm acima da saída do conduto na fase diluída para efetuar a separação. O compartimento de separação é equipado em sua base de uma caixa de distribuição de gás, permitindo a fluidização das partículas em torno do conduto de transporte. O nível da fase densa fluidizada é mantido sob a saída do conduto de transporte que desemboca no compartimento de separação.

[0094] A velocidade superficial do gás na fase diluída acima da saída do tubo de transporte é denominada Vsg.

[0095] A velocidade de gás no tubo de transporte é igual a 3 m/s.

[0096] A vazão de sólidos que circula no tubo de transporte, alimentando a zona de separação é igual a 140 kg/h, o que corresponde a um fluxo de 123 kg/s/ m2.

[0097] A concentração mássica em partículas leves no conjunto das partículas que entram no separador é denominada Cl.

[0098] A separação entre partículas foi simulada nas condições ambientais, utilizando dois tipos de partículas: - ••• partículas de transportador de oxigênio constituído de um minério pesado de ferro e de titânio (ilmenita), cujas propriedades são as seguintes: - diâmetro de partículas médio, diâmetro de Sauter: 112 microns - massa volúmica de partículas: 4740 kg/m3 - velocidade terminal de queda média às condições: 1,07 m/s - ••• partículas de catalisador de FCC, menores e menos densas, simulando as partículas de coque ou de carvão não queimadas nas condições do método, cujas propriedades são as seguintes: - diâmetro de partículas médio, diâmetro de Sauter: 52 microns - massa volúmica de partículas: 1450 kg/m3 - velocidade terminal de queda média às condições = 0,12 m/s

[0099] Na tabela abaixo, foram reportadas as eficácias de separação (E%) das partículas leves de FCC, correspondentes à fração dessas partículas arrastadas na saída de gás do separador em relação à quantidade de partículas que entram no separador.

[00100] Constata-se que se a velocidade superficial na fase diluída está próxima da velocidade terminal de queda das partículas pesadas (1,07 m/s em média), então a eficácia de separação é importante. Assim, quando a velocidade do gás na fase diluída é de 1,0 ou 1,1 m/s, a eficácia de recuperação das partículas leves pode ser superior a 70%.

Claims

1. Dispositivo de combustão em circuito químico, utilizando um combustível sólido, gerando partículas de não queimados e utilizando partículas de portador de oxigênio, tais como óxidos metálicos, e comportando pelo menos uma zona de combustão (2), um separador (1) das partículas contidas em uma mistura gasosa, proveniente dessa zona de combustão, e um separador gás-sólido (3), caracterizado pelo fato de que: - o separador (1) é colocado acima da zona de combustão (2) e compreende um compartimento com pelo menos um conduto de admissão (4) dessa mistura, um conduto de evacuação (5) situado em parte inferior do compartimento e um conduto de saída (6) situado em parte superior do dispositivo, os parâmetros de admissão e de evacuação / saída sendo escolhidos para criar no compartimento uma fase densa em parte inferior e uma fase diluída em parte superior e no qual esse conduto de admissão desemboca na fase diluída; - o separador gás-sólido (3) é alimentado por esse conduto de saída (6) e compreende um conduto (10) para evacuar um gás empobrecido em partículas leves de não queimados, e um conduto (9) de comunicação com a zona de combustão (2) para reciclar as partículas de não queimados para a zona de combustão (2).

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compartimento do separador (1) compreende, além disso, um conduto de alimentação (11) para um gás proveniente de uma fonte externa.

3. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que esse conduto de admissão (4) penetra no compartimento de maneira sensivelmente axial e de um comprimento compreendido entre 1 a 5 vezes o diâmetro do compartimento.

4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o conduto de admissão penetra pela parte inferior do compartimento.

5. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a parte inferior do compartimento compreende um espaço anular (200) entre a parede externa do conduto de admissão (4) e a parede do separador.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a zona de combustão (2) compreende pelo menos um conduto de alimentação (7) em carga sólida, um conduto de alimentação (8) em partículas de portador de oxigênio, um conduto de alimentação (17) com gás de fluidização, para formar essa mistura po-rosa.

7. Método de combustão em circuito químico, utilizando um combustível sólido, gerando partículas de não queimados, utilizando partículas de portador de oxigênio, tais como óxidos metálico, e utilizando pelo menos uma zona de combustão (2), um separador de partículas (1) e um separador gás-sólido (3), o método caracterizado pelo fato de que: - se admite uma mistura gasosa proveniente dessa zona de combustão (2), compreendendo partículas e gases de combustão, no compartimento do separador de partículas (1), - se extraem as partículas as mais leves por uma saída (6) em parte alta desse compartimento e evacuam-se as partículas as mais pesadas por uma saída (5) na parte baixa desse compartimento, os parâmetros de admissão e de extração sendo escolhidos para criar no compartimento uma fase densa inferior e uma fase diluída superior, fase diluída na qual é admitida essa mistura; - se envia a mistura constituída majoritariamente de partículas leves de não queimados extraída pela saída (6) em parte alta do compartimento para um separador gás-partículas (3); - se evacua do separador gás-partículas (3) um gás pobre em partículas de não queimados por um conduto (10); - se reciclam as partículas de não queimados para a zona de combustão (2) por um conduto de comunicação (9).

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o compartimento do separador (1) é alimentado por um gás proveniente de uma fonte externa (11).

9. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a velocidade superficial do gás na fase diluída do compartimento do dispositivo é fixada em um valor compreendido entre 30 e 300% da velocidade terminal de queda média das partículas de portador de oxigênio.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a velocidade superficial do gás na fase diluída do compartimento do dispositivo é fixada em um valor compreendida entre 75 e 125% da velocidade terminal de queda média das partículas de portador de oxigênio.

11. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a velocidade do gás na parte superior da zona de combustão (2) está compreendida entre 3 e 10 m/s.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizado pelo fato de que o compartimento é alimentado por um gás proveniente de uma fonte externa que representa menos de 20% da vazão de gás total no separador.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que a zona de combustão (2) opera em camada fluidizada em fase densa, cujas partículas são transportadas para o separador (1), o transporte sendo controlado por uma válvula em L.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 13, caracterizado pelo fato de que a zona de combustão (2) opera em camada fluidizada em fase densa, cujas partículas são transportadas para o separador (1) através de um separador gás / sólido (12) à saída do qual as partículas escoam no interior do separador (1)