CN112739956A - 具有设置有倾斜进气管的颗粒分离器的用于化学循环燃烧的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于化学循环燃烧的装置和方法，对于该装置和方法，在分离器(1)的腔室内开口的进气管道(4)端部相对于水平面(H)倾斜。

Description

具有设置有倾斜进气管的颗粒分离器的用于化学循环燃烧的 装置和方法

本发明涉及颗粒分离领域，更具体地涉及在用于产生能量、合成气和/或氢的化学循环燃烧的情况下，适当时与飞灰一起从未燃颗粒中分离出金属氧化物颗粒。

化学循环燃烧(CLC)涉及在高温下使气态、液态和/或固态烃原料与载氧金属氧化物固体在腔室内接触。金属氧化物释放了其所含的一部分氧，并且该氧参与了烃的燃烧。

在燃烧结束时，烟雾主要包含碳的氧化物、水和任选的氢。这是因为不需要使烃原料与空气接触。因此，烟雾主要由燃烧气体和任选的用于颗粒输送和流化的稀释气体或促进固体燃料气化的气体(例如水蒸气)组成。

因此，在冷凝后可以产生主要不含氮且具有高二氧化碳CO₂含量(通常超过90体积％或甚至98％)的烟雾，从而提供了捕获、然后储存CO₂的可能性。参与燃烧后，金属氧化物随后被输送到另一个反应室，在该反应室中，金属氧化物与空气或另一种氧化气体接触，从而被重新氧化。

化学循环燃烧方法的实施需要大量金属氧化物以燃烧所有燃料。这些金属氧化物通常存在于矿石颗粒中，或存在于工业处理(金属加工或采矿工业残余物、来自化学工业或精炼的废催化剂)产生的颗粒中。也可以使用合成材料，例如氧化铝或二氧化硅-氧化铝载体，其上可能沉积有氧化金属(例如，镍)。从一种氧化物到另一种氧化物实际可获得的最大氧容量差异很大，通常为0.1-15重量％，通常为0.3-6重量％。因此，为了进行燃烧，在流化床中进行操作是特别有利的。原因是，如果颗粒被赋予了流体性质，则细碎氧化物颗粒更容易在氧化反应室和燃烧反应室中以及在这些室之间循环。

专利申请FR 2 850 156描述了化学循环燃烧工艺，固体燃料在进入还原反应器之前进行研磨，所述还原反应器用作循环流化床。尺寸减小的固体燃料颗粒能够更完全更快速地燃烧。循环床下游的分离首先通过旋风分离器完成，然后通过使未燃颗粒与金属氧化物颗粒分离的装置完成。这防止了未燃物被带入氧化区中，并因此防止了氧化反应器流出物中的CO₂排放。

颗粒分离器用蒸汽流化，这允许分离细且轻的颗粒(例如碳质残余物)并将其重新引入反应器中，同时将更致密且更粗的氧化物颗粒输送至氧化反应器中。

专利申请FR 2 896 709涉及在化学循环过程中运行的颗粒分离器。该分离器进料有输送氧的颗粒流，该颗粒流与固体燃料混合。在分离器中，颗粒以密相形式沿着扭曲路径流动并通过弯道(chicanes)，因此能够控制停留时间，并促进轻颗粒(未燃颗粒)与重颗粒(金属氧化物)分离。然后将颗粒引入流化区，该流化通过位于分离器基底部但也位于导流板壁中的装置来控制，从而允许夹带最轻的颗粒，这些颗粒随后再循环至流化反应器。

根据专利申请FR 2 896 709的分离器的运行引起许多明显的缺点。

例如，由于对将颗粒夹带到气相的能力限制而降低了分离效率。原因是，为了夹带大量颗粒，必须使用大量气体以及大量游离部分。

此外，在密相中，不能完全分离两个不同的固相。原因是气泡向上运动具有使轻颗粒回落到密相并阻止完全分离的悖论。

此外，由于存在内部构件、特别是不对称内部构件，FR 2 896 709中的分离器的几何形状非常复杂。由于构成分离器的材料在CLC工艺的温度条件(通常大于800℃)下所承受的机械应力，这种几何形状存在问题。确实，尽管外壁通常由耐火水泥保护并保持在低温下，但内壁却并非如此，内壁经受加工条件。

为了克服这些缺点，专利申请FR 2 960 941(WO 2011/151537)涉及一种颗粒分离器，其中，来自燃烧区的颗粒混合物与来自燃烧区和/或来自外部气体源的气流接触。该混合物随后进入颗粒分离器的稀相。在颗粒分离器中，控制气流的速度，以使最重的颗粒(基本上是金属氧化物颗粒)沉降，而最轻的颗粒(基本上是未燃颗粒)被夹带到颗粒分离器的上部部分，循环到燃烧区。

该类型的颗粒分离器是令人满意的，特别是由于颗粒的有效分离。然而，期望使分离器中的颗粒流动分布更均匀，从而优化颗粒分离器的性能。

为此目的，本发明涉及如专利申请FR 2 960 941(WO 2011/151537)中所述的用于化学循环燃烧的装置和方法，为此在分离器的腔室内开口的进气管道端部相对于水平面倾斜。该进气端倾斜允许根据部分横向方向(即，具有水平分量的方向)接纳材料，从而允许颗粒分离器中的颗粒流更均匀地分布。因此，提高了颗粒分离器的性能，特别是在颗粒分离方面，并且可以降低颗粒分离器的高度，因此限制了其成本，并且还改进性能并降低装置和化学循环燃烧过程的成本。

根据本发明的装置和方法

本发明涉及一种使用固体燃料进行化学循环燃烧的装置，其产生未燃颗粒并使用氧载体颗粒，如金属氧化物，并且该装置至少包括：燃烧区、用于分离来自燃烧区的气体混合物中所含颗粒的分离器、和气固分离器，所述颗粒分离器包括装备有至少一个与所述燃烧区相连的进气管道的腔室，位于所述腔室下部部分的至少一个排放管道，位于所述腔室上部部分并与所述气固分离器连接的至少一个出口管道，所述腔室包括在下部部分中的密相和在上部部分中的稀相。所述进气管道包括相对于水平面以角α倾斜的进气端，所述进气端在所述腔室内开口。

根据一个实施方式，所述角α为10°至70°，优选30°至50°。

有利的是，所述进气管道沿进气方向依续包括：竖直部、弯部和所述倾斜进气端。

优选地，所述进气管道的所述竖直部与所述腔室的中心之间的距离为D，D严格为正的且小于4A，优选小于2A，更优选小于1.5A，其中，A是所述腔室中心与所述腔室侧壁之间的尺寸。

根据一个实施方式，所述倾斜进气端的直径C为0.5L至4L，优选1L至3L，更优选1L至2L，其中，L是所述进气管道的所述竖直部的直径。

根据一个方面，所述进气管道完全在所述腔室的外部，进气端在所述腔室的侧壁上开口。

或者，所述进气管道至少部分在所述腔室的内部，所述进气管道穿过所述腔室的下壁。

有利的是，所述颗粒分离器包括1至20个、优选1至10个、更优选1至4个进气管道。

根据一个实施方式，所述进气管道在所述腔室中开口、在包括所述稀相的所述腔室上部部分中开口。

根据一个特征，所述进气管道的所述进气端的倾斜指向所述腔室的纵轴。

此外，本发明涉及一种使用产生未燃颗粒的固体燃料进行化学循环燃烧的方法，其采用了氧载体颗粒，如金属氧化物，并且采用了如前述特征中任一项所述的用于化学循环燃烧的装置。对于该方法，进行以下步骤：

a)来自所述燃烧区的包含颗粒和燃烧气体的气体混合物通过至少一个进气管道进入所述颗粒分离器的腔室；

b)主要由未燃颗粒组成的最轻颗粒通过所述腔室上部部分中的出口抽出，主要由氧载体颗粒组成的最重颗粒通过所述腔室下部部分中的所述排放管道排放；

c)包括通过腔室上部部分中的所述出口管道抽出的未燃轻颗粒的气流被送至所述气固分离器；

d)耗尽未燃颗粒的气体通过管道从所述气固分离器排出；以及

e)在所述气固分离器中分离的未燃颗粒通过连通管道循环至所述燃烧区。

附图说明

在阅读以下非限制性示例性实施方式的描述之后，参考在下文中所描述的附图，根据本发明的方法和装置的其它特征和优点将变得显而易见。

图1显示了根据本发明一个实施方式的用于化学循环燃烧的装置和方法。

图2a至2d显示了根据本发明四个实施方式的颗粒分离器的进气管道。

图3显示了根据本发明的一个实施方式的颗粒分离器。

图4以平面图显示了根据图3的本发明实施方式的颗粒分离器。

图5a、5b和5c显示了两个现有技术实施方式(图5a和5b)和根据本发明变体的一个实施方式(图5c)的分离器中的速度分布的比较。

发明详述

图1示意性且非限制性地显示了根据本发明一个实施方式的用于化学循环燃烧的装置和方法。

区2代表化学循环燃烧(CLC)方法的燃烧区；引入该区的是经由管道7引入的固体燃料，经由管道8从CLC方法的氧化区(未显示)引入的载氧颗粒，以及经由管道12供应的流化气体，例如，蒸汽或CO₂，以促进氧化物颗粒的流化。

在燃烧区中处理的固体原料(或燃料)通常由主要包含碳和氢的固体烃源组成。原料有利地选自煤、焦炭、石油焦、生物质、沥青砂和家庭垃圾。

该燃烧区2能够在密相的流化床中或在循环流化床中进行操作，或者根据由密相和输送相组成的床的设置进行操作。

有利的是，燃烧区上部部分的气体速度为1m/s至10m/s。

含有金属氧化物颗粒(称为重颗粒)和含有未燃颗粒和可能的飞灰的轻颗粒的颗粒流全部以气态流形式从燃烧区2中抽出，随后通过至少一根进气管道4引入颗粒分离器1中。

气态流全部或部分地来自燃烧区2，并且主要由CO、CO₂、H₂和H₂O组成，其余部分可能来自外部来源，该外部来源包括：例如，通过分离器1的下部部分中的管子11引入的再循环CO₂和/或蒸汽。

优选地，所有气态燃烧流出物都用于颗粒分离，并且非常优选地，分离器1中的总气流可以由至少60％来自燃烧区的流出物组成。重颗粒和轻颗粒之间的分离在该颗粒分离器1中进行，其中，重颗粒沉积在颗粒分离器的下部部分，然后通过排放管道5从分离器中抽出，并且轻颗粒被带到上部部分中，然后通过出口管道6抽出，随后引入气固分离器3(例如，旋风分离器)中。

该旋风分离器3的目的是分离已耗尽未燃颗粒的气体，该气体随后通过管道10抽出，而未燃颗粒被通过管道9抽出的金属氧化物颗粒夹带并再循环到燃烧区2。

在颗粒分离器1下部部分抽出的重颗粒主要由金属氧化物组成，可以被送至第二燃烧区(在该区域中氧载体将被进一步还原)，或被送至氧化区，从而使氧载体能够恢复进入燃烧区2时的至少部分氧化状态，最轻的未燃颗粒在与气态流出物分离后被再循环到燃烧区。

因此，如专利申请FR 2 960 941(WO 2011/151537)所述，选择进气和排出/出口参数，以在颗粒分离器1的腔室中产生颗粒分离器腔室的下部部分中的密相，以及颗粒分离器腔室的上部部分中的稀相，并且进气管道4优选在稀相中开口。

在下部部分沉降的颗粒形成了由最重颗粒组成的密相，其在分离器中的高度高低取决于一些因素(包括，颗粒密度、进料速率和抽取速率)；然而，与稀相形成界面的所述密相的水平位优选地位于分离器中开口的进气口4的下方，以允许引入从燃烧区抽出的颗粒混合物。

本发明更具体地涉及颗粒分离器。根据本发明，化学循环燃烧装置的颗粒分离器包括：

-腔室，其中，对颗粒进行分离，所述腔室包括在其下部部分中的密相和在其上部部分中的稀相，并且颗粒通过淘析进行分离；

-至少一个进气管道，其连接至所述燃烧区，用于使来自燃烧区的流转移至颗粒分离器的腔室；

-至少一个排出管道，其位于腔室的下部部分，用于排出重颗粒；以及

-至少一个出口管道，其位于腔室的上部部分，用于排出轻颗粒和气体。

在本说明书中，包括其下部部分中密相和其上部部分中稀相的腔室是指当分离器不运行时适于包括其下部部分中密相和其上部部分中稀相的腔室。在运行时，腔室有效地包括其下部部分中的密相和其上部部分中的稀相。

根据本发明，进气管道包括相对于水平面倾斜(以角α倾斜)的进气端。进气端是开口至颗粒分离器腔室中的进气管道的端部。由于进气端既不是垂直的也不是水平的，因此被认为是倾斜的。换言之，角α为1°至89°。进气端的倾斜使流动根据一个方向进入，所述方向包括横向分量(即，水平分量)。这种流动的倾斜允许腔室横截面上的均匀分布，从而能够改善颗粒分离器的性能(改进分离并降低成本)。

根据本发明的一个实施方式，所述角α可以为10°至70°，优选30°至50°。进气端倾斜的这些角度范围允许优化分配，同时避免了过度水平进气，过度水平进气会带来将流夹带向底部的风险，并防止过度垂直进气，过度垂直进气会带来有喷射形式的进气风险，类似于具体在专利申请FR 2 960 941(WO 2011/151537)中描述的现有技术中的效果。此外，这些角度范围使得可以限制进气管道的腐蚀影响，这可能存在于如果角α太小时。

倾斜的进气端可优选地指向腔室中心(或其纵轴)，以促进分离。

此外，倾斜的进气端可以指向腔室的上部部分，以将颗粒携带至腔室的上部部分。

根据本发明的一个实施方式，进气管道沿进气方向可以依次包括：竖直部、弯部和倾斜进气端。进气管道的该类型设计允许进气管道的简单制造。

根据本发明的一个优选实施方式，进气管道可以完全在腔室外部。在该情况下，进气端在腔室侧壁上开口。在该实施方式中，可以限制腔室中的内部构件，意味着进气管道的任意元件都并未穿过腔室壁。此外，该实施方式能够在没有特定内部元件的情况下运行：具体来说，圆锥形元件位于进气管道上方，其在现有技术中以某些解决方案提供(参见将在说明书中稍后描述的图5b)。实际上，该圆锥形元件可能会破坏流动，这不一定是所希望的，并且受到腐蚀。

作为变体，进气管道可以至少部分在腔室内部。在该情况下，进气管道穿过腔室下壁。对于进气管道包括竖直部、弯部和进气端的实施方式，可以是通过腔室下壁的竖直部。在该变体中，不需要破坏流动的圆锥形元件。

根据本发明的一个方面，颗粒分离器可以包括1至20个、优选1至10个、更优选1至4个进气管道。

颗粒分离器可以有利地包括多个进气管道。该构造促进腔室中的流动均匀性。

当颗粒分离器包括多个进气管道时，进气管道可优选在腔室侧壁或壁上或在腔室中规律地间隔开，以优化腔室内的流动均匀性。

该腔室可以包括外部气体源的入口，该外部气体源使密区流化。

优选地，为了对颗粒进行分离，进气管道在对应于腔室内稀相的高度处，在腔室上部部分中开口。

根据本发明的一个实施方式，进气端还可以包括经由垂直平面成角ε的倾斜部。

分离器的几何形状可以是平行六面体形、圆柱形或任意其它三维几何形状。

一般而言，用于制造分离器腔室的材料可以选自高温钢(例如

或

型)，或者陶瓷。

为了限制制造成本，还可以考虑在暴露于流动和高温的内表面上的增强耐火水泥的标准钢轴承应用层(其厚度通常为2至50cm，通常接近20cm)，用于分离器的外部部分。同样可以使用耐火砖。

另一构造由包括管的壁构成，其中，热交换流体(例如蒸汽)进行循环，并且这些管还可以用标准钢生产。

金属氧化物颗粒(例如Fe、Ti、Ni、Cu、Mn、Co和V的氧化物)可以单独使用或作为混合物使用，并且其平均尺寸通常大于50微米，优选100微米至500微米。

负载型或非负载型合成或矿物金属氧化物的密度通常大于1200kg/m³。例如，取决于载体的孔隙率和氧化镍含量，负载在氧化铝上的氧化镍颗粒(NiO/NiAl₂O₄)的颗粒密度通常为2500kg/m³至3500kg/m³，通常约为3200kg/m³。

钛铁矿是钛和铁结合的矿石，密度为4700kg/m³。

根据本发明的颗粒分离器有利地用于分离未燃颗粒与密度大于1200kg/m³、优选地大于2500kg/m³的金属氧化物颗粒。

与高温下在燃烧区中已经与氧输送颗粒接触的飞灰和未燃颗粒相比，氧输送颗粒的尺寸和密度通常大得多。例如，在燃烧区出口处，认为未燃煤颗粒的尺寸小于100微米，并且大多数颗粒的尺寸小于50微米。这些颗粒的密度通常为1000kg/m³至1500kg/m³。

固体原料燃烧产生的其它颗粒(如飞灰)也可与其余颗粒一起循环，并且其特征是，粒径和密度均低于氧载体颗粒，并且通常也低于未燃颗粒。

图2a至2d示意性且非限制性地显示了本发明的四个实施方式。这些附图仅显示了颗粒分离器1的腔室和两个进气管道4。

图2a对应于两个进气管道4完全在外部的实施方式。进气管道4沿进气方向依次包括：竖直部19、弯部20和相对于水平面H倾斜了角α的进气端21。进气端21在腔室侧壁上开口。对于该实施方式，竖直部19、弯部20和进气端21完全在腔室外部。

图2b对应于两个进气管道4部分在颗粒分离器1腔室内部的实施方式。进气管道4沿进气方向依次包括：竖直部19、弯部20和相对于水平面H倾斜了角α的进气端21。竖直部19穿过腔室下壁。对于该实施方式，一部分竖直部19、弯部20和进气端21在腔室内部。

图2c对应于两个进气管道4部分在颗粒分离器1腔室内部的实施方式。进气管道4沿进气方向依次包括：竖直部19、弯部20和相对于水平面H倾斜了角α的进气端21。进气端21穿过腔室的侧壁。对于该实施方式，竖直部19、弯部20和一部分进气端21在腔室外部，同时另一部分进气端21在腔室内部。

图2d对应于两个进气管道4部分在颗粒分离器1腔室内部的实施方式。进气管道4沿进气方向依次包括：竖直部19、弯部20和相对于水平面H倾斜了角α的进气端21。进气端穿过腔室下壁。对于该实施方式，竖直部19、弯部20和一部分进气端21在腔室外部，同时另一部分进气端21在腔室内部。

图3和图4示意性且非限制性地显示了根据本发明一个实施方式的颗粒分离器。图3是颗粒分离器1的平面(xz)中的纵向截面，图4是颗粒分离器1的平面(xy)中的平面图。x轴和y轴限定了水平面；z轴对应于垂直轴(在当前情况下，是颗粒分离器腔室的纵轴)。

这两个图的参数是为了限定颗粒分离器1的某些特征尺寸。

这两个图详述了一种或多种装载有固体颗粒17的燃烧烟雾进料的特征，所述固体颗粒通过一个或多个进气管道进入颗粒分离器1(为简化附图，仅显示了一个进气管道4)。这些图还显示了一个或多个出口13，用于通过一个或多个出口管道6从颗粒分离器1出来装载有固体燃料未燃物和灰烬的气体。对于该实施方式，颗粒分离器1是圆柱形的，并且直径为2A。作为变体，颗粒分离器1还可以具有矩形横截面或任意类似形式，在该情况下，A是腔室的中心/纵轴与腔室侧壁之间的距离。

进气管道4和出口管道6的数量可以为1至20个，优选1至10个，更优选1至4个。管道4和6的直径分别标记为L和G。管道4和6中的表观气体速度为2m/s至30m/s，优选3m/s至25m/s，并且更优选4m/s至15m/s。

根据关于图1所示的运行，经由一个或多个进气管道4进入颗粒分离器1的气体/固体混合物17来自燃烧区2。该燃烧区进料有来自氧化区的氧输送物8、固体燃料颗粒7和流化气体12。固体燃料与氧输送物以及流化气体的反应产生了包含金属氧化物颗粒、未燃物和飞灰的燃烧烟雾，其通过一个或多个进气管道4输送到颗粒分离器1。

悬浮液在颗粒分离器1中通过进气管道4进入稀相16，稀相16基本由气体(优选至少95体积％)组成，其中，可以对表观速度进行控制，并且表示为氧输送颗粒的平均终端下降速度(terminal falling velocity)的30％至300％。区1中表观速度的精确调节允许控制携带至出口管道6的颗粒数量。相对于分离器1的横截面，颗粒分离器1中所携带到出口管道6的颗粒流量可以小于10kg/s/m²，通常为0.02kg/s/m²至5kg/s/m²，并且可以包含至少一半的经一根或多根进气管道4进入的未燃颗粒。

未被携带到一个或多个出口管道(6'、6”)的颗粒沉降在颗粒分离器1的密相15中，并收集在颗粒分离器1的下部部分中，通过排放管道5排放，形成致密颗粒流14，排放到另一个反应区，用于另外燃烧或用于使氧输送颗粒再氧化。可以在颗粒分离器1的基底部形成流化的密相15。在该情况下，可以通过在颗粒分离器1中提供外部气体11来使密相15流化。该气体通过颗粒分离器并参与稀相16中通过淘析进行的颗粒分离物理过程，然后通过出口管道6排出。颗粒分离器1顶部和密相15顶部之间的距离标记为N。根据本发明的一个实施方式，N为2A至40A，优选2A至30A，更优选2A至20A。

进气管道4位于离颗粒分离器中心的距离D处。例如，距离D可以对应于进气管道4竖直部的轴线与颗粒分离器中心的轴线之间的距离。根据本发明的一个实施方式，距离D是严格正的，并且可以为0至4A，优选0至2A，更优选0至1.5A。

进气管道4借助于直径为C的窗口18在腔室的稀部分16中开口。根据本发明的一个方面，直径C为0.5L至4L，优选1L至3L，更优选1L至2L，其中，L是进气管道的竖直部的直径。进气管道21的端部变宽使气体速度低于进气管道4中的气体速度。因此，可以在进气管道4中使用较高的速度(减少与颗粒加速相关的压头损失(head loss))，并可以减小将气体引入分离器1的速度，从而可以防止气体喷射，并改善稀相16内的分布。

进气管道4的竖直部借助于弯部连接至直径为C的窗口，该弯部在平面(xz)中具有角α，并且任选地在平面(xy)中具有角ε。角α为1°至89°，优选10°至70°，并且更优选30°至50°。角ε为0°至360°。

此外，角β限定了进气管道4在平面(xy)中相对于轴线y的取向。角β为0°至360°。

窗口18底部的位置设定为距离密区15的距离B(密区15和稀区16的界限)。该距离B为0至N-C，优选0.1(N-C)至0.9(N-C)，更优选0.2(N-C)至0.8(N-C)。因此，该设计使得可以防止致密部分中的颗粒被以较高速度到达的气体裹挟。

在这些附图中，标识了两种类型的出口管道6，其中，管道6'位于颗粒分离器1的上壁上，管道6”位于颗粒分离器1的侧壁上。管道6'位于离颗粒分离器1中心的距离F处。F可以为0至A。

在平面(xy)中，γ限定了y轴与位于分离器1上壁处的出口管道6'的位置之间的角。角γ可以为0°至360°。

管道6”位于离颗粒分离器1上壁的距离E处。距离E为0至N。

在平面(xy)中，δ限定了y轴与位于分离器1侧部部分上的出口管道6'的位置之间的角。角δ为0°至360°。

部分管道6'和6”可以穿透到颗粒分离器1的稀区16中。管道6'的穿透长度H'为0至N，优选0至0.5N，并且更优选为0至0.2N。管道6”的穿透长度H”为0至A，优选0至0.5A，并且更优选为0至0.2A。

根据一个实施方式的示例，在出口13之前的稀相16中，可以将内部构件装备在颗粒分离器1中。该内部构件可以改善分离。

根据本发明的化学循环燃烧方法采用了根据上述任意实施方式或所述实施方式的任意组合的化学循环燃烧装置。对于该方法，进行以下步骤：

a)允许来自所述燃烧区的包含未燃颗粒、氧载体颗粒和燃烧气体的气体混合物通过至少一个进气管道进入颗粒分离器的腔室，进气管道包括至少一个相对于水平面倾斜的进气端；

b)主要由未燃颗粒组成的最轻颗粒通过颗粒分离器腔室上部部分中的出口抽出，主要由氧载体颗粒组成的最重颗粒通过颗粒分离器腔室下部部分中的排放管道排放；

c)包括通过腔室上部部分中的出口管道抽出的最轻颗粒的气流被送至所述气固分离器；

d)耗尽未燃颗粒的气体通过管道从所述气固分离器排出；以及

e)在气固分离器中分离的未燃颗粒通过连通管道循环至燃烧区。

比较例

通过阅读下文的比较例，根据本发明的装置和方法的特征和优点将变得更加明显。

通过CFD(计算流体动力学)模拟研究了三种颗粒分离装置，这三种装置如图5a至图5c的顶部部分所示：

-第一装置(图5a)：根据现有技术(如专利申请WO 2011/151537中所述)，进气管道4通过颗粒分离器1的底部进入并在分离器中居中。

-第二装置(图5b)：根据现有技术(对专利申请WO 2011/151535A2中所述的解决方案进行改进)，其中，进气管道4通过颗粒分离器1的底部进入，在分离器中居中，并且在该管道顶点处采用圆锥体22。

-第三装置(图5c)：根据本发明，更具体地说根据图2a的实施方式。

使用FLUENT软件进行CFD模拟。首先，仅模拟进气管道4和稀部分16中的气相。在第二阶段中，将轻颗粒(灰烬或未燃颗粒)和重颗粒(氧载体)注入采用DPM(离散粒子法)方法的模拟中，其中，只有气体通过阻力(drag force)与颗粒相互作用。在该方法中，颗粒对气体速度场没有影响。因为认为气体/颗粒流以小于1体积％的颗粒体积百分比被稀释，所以使用该假设。颗粒在进气管道4的入口处注入，并且能够通过出口管道6'或通过稀相16的底部经出口管道6”(未显示)离开。通过分离器1顶部处的出口管道6'离开的颗粒百分比由以下类型的公式进行限定：

表1列出了模拟条件以及所使用的尺寸(参考图3和4中所示的尺寸)。

表1–颗粒分离器的特性

图5a至5c的底部部分显示了颗粒分离器中6m高度处气体的速度分布。在这些图中，灰色阴影对应于颗粒分离器中气体速度的梯度，最暗的区对应于气体速度最高的区，最亮的区对应于气体速度最低的区。观察到，本发明使得可以限制颗粒分离器中的速度梯度，并且允许颗粒分离器中的气体更好的均匀性。

表2列出了从颗粒分离器1通过上部出口管道离开的轻颗粒和重颗粒的百分比。

表2-对比

表2表明，本发明能够在轻颗粒和重颗粒之间进行更好的分离，仅1％的重颗粒通过装置顶部离开。

Claims (11)

1.一种使用固体燃料进行化学循环燃烧的装置，其产生未燃颗粒并使用氧载体颗粒，如金属氧化物，并且该装置至少包括：燃烧区(2)、用于分离来自所述燃烧区(2)的气体混合物中所含颗粒的分离器(1)、和气固分离器(3)，所述颗粒分离器(1)包括装备有至少一个与所述燃烧区(2)相连的进气管道(4)的腔室，位于所述腔室下部部分的至少一个排放管道(5)，和位于所述腔室上部部分并与所述气固分离器(3)连接的至少一个出口管道(6)，所述腔室包括在下部部分中的密相(15)和在上部部分中的稀相(16)，其特征在于，所述进气管道(4)包括相对于水平面(H)以角α倾斜的进气端(21)，所述进气端(21)在所述腔室内开口。

2.如权利要求1所述的燃烧装置，其中，所述角α为10°至70°，优选30°至50°。

3.如前述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其中，所述进气管道(4)沿进气方向依次包括：竖直部(19)、弯部(20)和所述倾斜进气端(21)。

4.如权利要求3所述的燃烧装置，其中，所述进气管道(4)的所述竖直部(19)与所述腔室的中心之间的距离为D，D严格为正的且小于4A，优选小于2A，更优选小于1.5A，其中，A是所述腔室中心与所述腔室侧壁之间的尺寸。

5.如权利要求3和4中任一项所述的燃烧装置，其中，所述倾斜进气端(21)的直径C为0.5L至4L，优选1L至3L，更优选1L至2L，其中L是所述进气管道的所述竖直部(19)的直径。

6.如前述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其中，所述进气管道(4)完全在所述腔室的外部，进气端(21)在所述腔室的侧壁上开口。

7.如权利要求1-5中任一项所述的燃烧装置，其中，所述进气管道(4)至少部分在所述腔室的内部，所述进气管道(4)穿过所述腔室的下壁。

8.如前述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其中，所述颗粒分离器(1)包括1至20个、优选1至10个、更优选1至4个进气管道(4)。

9.如前述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其中，所述进气导管(4)在所述腔室中开口、在包括所述稀相(16)的所述腔室的上部部分中开口。

10.如前述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其中，所述进气管道(4)的所述进气端(21)的倾斜指向所述腔室的纵轴。

11.一种使用固体燃料进行化学循环燃烧的方法，其产生未燃颗粒，并且采用氧载体颗粒，如金属氧化物，并且采用了如前述权利要求中任一项所述的用于化学循环燃烧的装置，其特征在于，进行以下步骤：

a)来自所述燃烧区(2)的包含颗粒和燃烧气体的气体混合物通过至少一个进气管道(4)进入所述颗粒分离器(1)的腔室；

b)主要由未燃颗粒组成的最轻颗粒通过所述腔室上部部分中的出口抽出，主要由氧载体颗粒组成的最重颗粒通过所述腔室下部部分中的所述排放管道(5)排放；

c)包括通过腔室上部部分中的所述出口管道(6)抽出的未燃轻颗粒的气流被送至所述气固分离器(3)；

d)耗尽未燃颗粒的气体通过管道(10)从所述气固分离器(3)排出；以及

e)在所述气固分离器(3)中分离的未燃颗粒通过连通管道(9)循环至所述燃烧区(2)。

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