CN118510608A

CN118510608A - 设置有具有斜壁和气体注入部的入口导管的用于化学链燃烧设施和方法的旋风分离器

Info

Publication number: CN118510608A
Application number: CN202280083628.5A
Authority: CN
Inventors: S·特比亚尼安; T·高捷; F·吉尤
Original assignee: Total Energy Technology; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: Total Energy Technology; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2024-08-16
Also published as: FR3130651B1; WO2023110590A1; FR3130651A1; CA3238175A1

Abstract

本发明涉及一种用于使用充当循环流化床的反应器对烃原料进行化学链燃烧的设备中的气固分离的旋风分离器。所述新颖旋风分离器包括特定入口导管，所述特定入口导管的侧向壁中的一者以及下壁是倾斜的并且具有在下壁处的至少一个辅助气体注入装置，这使得可以减少固体在所述旋风分离器的入口处的沉积，可以任选地在所述旋风分离器内执行化学反应，并且提高所述旋风分离器的效率。

Description

设置有具有斜壁和气体注入部的入口导管的用于化学链燃烧设施和方法的旋风分离器

技术领域

本发明涉及气/固分离的领域，并且更具体来说涉及在对烃原料进行化学链燃烧以产生能量、合成气体和/或氢气的背景下的旋风分离器的领域。

背景技术

一般来说，本发明处理在使用通过颗粒输送管线输送颗粒的工艺中固体颗粒积聚的问题，所述工艺诸如化学链氧化还原工艺、通常是化学链燃烧(“CLC”)，其使用多相循环床，该多相循环床包括与一种或多种通常为气态的流体相接触的反应性固体。

在此类工艺中，固体以高浓度积聚在停滞区带中的地方可能引起许多问题：颗粒可能堆积，从而有导致输送管线阻塞以及部分或全部堵塞的风险；颗粒可能暂时积聚，并且然后突然再次成批移动，这则引起压力波动和所输送的固体的流率的波动。

在利用与一种或多种气态流体相接触的反应性固体的多相循环床中发生的工艺(诸如CLC工艺)在常规上使用反应区带和用于分离所述相(固体/气体)的分离区带，反应区带通常由具有上升流体相的基本上竖直的反应器形成，分离区带通常具有基本上竖直的轴线，并且由利用离心力从气相中分离出固体颗粒的旋风分离器形成。这些气/固分离器为所属领域的技术人员所众所周知的。

这两个竖直区带(即，反应器和旋风分离器)通常通过过渡输送区带(通常是管)连接，其长度和倾斜由反应区带和分离区带的相对位置调节。常规上，气体/固体混合物在其中循环的这些过渡区带基本上是水平的，以保持旋风分离器中流的切向到达。因此，结果是方向变化，经由该方向变化，固体的减速促进颗粒沉积在管的底部处，并且这可能产生上述现象。

因此，固体颗粒有积聚风险的一个地方是通向旋风分离器的入口的管。因此，固体颗粒的积聚可能与反应区带与过渡输送区带之间的方向变化期间的气体的方向变化和固体的减速相关联。如果此管中的气体速度小于固体跳跃速率，则这也可能发生在输送区带中。在文献(于1991年10月在日本名古屋举办的第三届国际循环流化床会议的论文集中的Gauthier等人的“Gas-solid separation in a uniflow cyclone at high solidsloadings:effect of acceleration line”)中很好地描述此现象。

在许多应用中，固体颗粒沉积在过渡输送区带的底部处的后果是压力波动，这可能通过改变设备的压力平衡并且引起在设备中的回路中循环的固体的显著流率变化来干扰工艺的操作。还可以观察到旋风分离器的分离效率的下降。

在如CLC等应用中，可携带氧气或灰分的固体在高温下停滞可能导致颗粒的堆积，该堆积随着其他固体颗粒通过而逐渐增加。在极端情况下，此堆积可能堵塞旋风分离器的大部分入口，并且损害压力平衡。

在使用循环流化床反应器(例如燃烧室、气化器、流体催化裂化反应器(“FCC”))的设备中的气/固分离的领域中，已知使用具有倾斜入口的旋风分离器，特别是为改善气/固分离。因此，专利申请US2011146152和US2008246655公开一种具有倾斜入口的旋风分离器，其促进该旋风分离器的入口管内部的固体颗粒与气体之间的分离，同时最小化固体颗粒的侵蚀。该倾斜入口可以包括相对于水平面倾斜例如大于所输送的至少一些固体颗粒的休止角的角度的下壁。然而，这种类型的旋风分离器仍然可能出现固体颗粒积聚的问题。

发明内容

在此背景内，本发明旨在克服现有技术的上述问题，并且因此总体目标是减少固体颗粒在用于燃烧烃原料的CLC设备的旋风分离器的入口处的沉积，而且还任选地在旋风分离器内部执行化学反应，并且提高旋风分离器的效率。

因此，尤其是为实现上述目的中的至少一者，根据第一方面，本发明提出一种用于使用至少一个充当循环流化床的反应器对烃原料进行化学链氧化还原的设备的旋风分离器，其包括：

-用于来自所述设备的反应器的包括固体颗粒的气体混合物的入口管，此入口管在一端处具有带有矩形截面的入口开口，并且在其另一端处具有带有矩形截面的出口开口，

-柱锥式室(圆柱-圆锥形室，chambre cylindro-conique)，所述柱锥式室具有置于倒置截头圆锥形下部部分之上的柱形上部部分，所述柱形上部部分具有所述入口管的出口开口；

-用于贫颗粒气体流的出口管，此管定位在所述柱形上部部分的顶部处；

-用于排出固体颗粒流的排出管，此管定位在所述倒置截头圆锥形下部部分的底部处；并且其中所述入口管由以下定界：

-处于水平平面(XY)中的平坦上壁，

--相对于平坦上壁25倾斜角度α的平坦下壁，所述角度α限定在竖直平面(XZ)中，并且使得所述入口管的所述出口开口S的沿着竖直轴线(Z)的尺寸小于入口开口O的沿着轴线(Z)的尺寸，

--所述平面(XZ)中的竖直平坦外侧向壁，此壁与所述柱锥式室的所述柱形上部部分相切，以及

--相对于所述平坦外侧向壁倾斜角度β的竖直平坦内侧向壁，所述角度β限定在所述水平平面(XY)中，并且使得所述入口管的所述出口开口S的沿着轴线(Y)的尺寸小于入口开口O的沿着轴线(Y)的尺寸，并且

所述入口管具有至少一个辅助气体注入喷嘴，所述辅助气体注入喷嘴位于所述平坦下壁上。

根据本发明的一个或多个实施例，所述入口开口的截面面积等于所述出口开口的截面面积。

根据本发明的一个或多个实施例，角度α的绝对值在α’和α’+45°之间、优选地在α’+10°和α’+20°之间，其中α’是所述颗粒的休止角，并且角度α的绝对值优选地在15°和60°之间。

根据本发明的一个或多个实施例，角度β被确定成使得所述入口开口的截面面积等于所述出口开口的截面面积，并且角度β的绝对值优选地在5°和70°之间。

根据本发明的一个或多个实施例，所述旋风分离器在平坦下壁上具有1和10之间个喷嘴/m²、优选地在平坦下壁上具有2和5之间个喷嘴/m²，所述喷嘴均匀地分布在所述平坦下壁的表面上。

根据本发明的一个或多个实施例，所述出口开口的截面面积使得离开所述入口管并且进入所述旋风分离器的所述室的所述气体混合物的气体的表观速度UgS在5m/s和35m/s之间。

根据本发明的一个或多个实施例，所述至少一个喷嘴被配置成形成射流，所述射流与所述竖直平面(XZ)中的水平轴线(X)形成0°和90°之间、优选地0°和45°之间的角度。

根据本发明的一个或多个实施例，所述至少一个喷嘴被配置成使得所述喷嘴的出口处的气体速度在5m/s和100m/s之间、优选地在20m/s和40m/s之间。

根据第二方面，本发明提出一种用于使用呈颗粒形式的固态载氧剂燃烧烃原料的化学链燃烧设备，其至少包括：

-还原反应器，所述还原反应器充当流化床，以实施与所述固态载氧剂颗粒接触的所述烃原料的燃烧；

-氧化反应器，所述氧化反应器充当流化床，以通过使来自还原反应器(300)的固态载氧剂的经还原的颗粒与氧化气体接触来氧化所述颗粒；

-用于使所述载氧剂在所述还原反应器和氧化反应器之间循环的装置；以及

-根据本发明的旋风分离器，其定位在所述还原反应器的下游和/或所述氧化反应器的下游，以便接收来自所述还原反应器或氧化反应器的包括固体颗粒的气体混合物。

根据本发明的一个或多个实施例，所述旋风分离器定位在所述氧化反应器的下游，并且所述氧化反应器在其顶部部分中包括所述旋风分离器的所述入口管的入口开口，以便将来自所述氧化反应器的包括所述载氧剂颗粒的气体混合物输送到所述旋风分离器的所述入口管。

根据第三方面，本发明提出一种用于使用根据本发明的旋风分离器或根据本发明的设备对烃原料进行化学链燃烧的工艺，其中：

-通过使所述烃原料与充当流化床的还原反应器内部的载氧剂颗粒接触来燃烧所述烃原料；

-通过使留在还原反应器中的所述载氧剂颗粒与充当流化床的氧化反应器内部的氧化气体接触而借助于氧化气体、优选地空气来氧化所述载氧剂颗粒，并且然后将其输送到所述还原反应器；

-将来自所述还原反应器或所述氧化反应器的包括固体颗粒的气体混合物输送到所述旋风分离器的所述入口管；

-通过位于所述旋风分离器的所述入口管的倾斜下壁上的至少一个喷嘴注入辅助气体，以便分散所述固体颗粒；

-在所述旋风分离器内部实施气/固分离，以便形成经由所述旋风分离器的所述柱形上部部分的顶部处的所述出口管提取的贫颗粒气体流，并且形成经由所述旋风分离器的所述倒置截头圆锥形下部部分的底部处的所述排出管排出的固体颗粒流。

根据一个或多个实施例，被输送到所述旋风分离器的所述入口管的包括固体颗粒的所述气体混合物直接来自所述氧化反应器，并且所述辅助气体与所述氧化反应器的所述氧化气体、优选地空气相同，并且以所述氧化反应器中利用的氧化气体的流率的0.1％和30％之间的流率注入。

根据本发明的一个或多个实施例，被输送到所述旋风分离器的所述入口管的包括固体颗粒的所述气体混合物来自所述还原反应器，并且所述辅助气体是分子氧，以便还执行所述气体混合物中存在的残余未燃尽物质的还原，或者所述辅助气体是氨气，以便还执行所述气体混合物中存在的NOx的非催化还原。

根据本发明的一个或多个实施例，所述辅助气体通过所述至少一个喷嘴以5m/s和100m/s之间、优选地20m/s和40m/s之间的速度注入，并且形成射流，所述射流与所述竖直平面(XZ)中的轴线(X)形成0°和90°之间、优选地0°和45°之间的角度。

根据本发明的一个或多个实施例，所述气体混合物在所述入口管的入口处的表观气体速度等于所述气体混合物在所述入口管的出口处的表观气体速度，并且在5m/s和35m/s之间。

通过阅读下文描述的参考附图以非限制性实例方式给出的本发明的特定示例性实施例的以下具体实施方式，本发明的其他主题和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的旋风分离器以及其操作的示意性截面视图。

图2以顶视图图示与图1中所示的旋风分离器相同的旋风分离器。

图3是CLC工艺的实施方案的示意图。

图4以剖视图(A)、顶视图(B)和透视图(C)图示根据本发明的旋风分离器的实例。

图5图示图4中所示的操作期间的旋风分离器(B)以及具有呈水平导管形式的入口的常规旋风分离器(A)的模拟结果，并且特别是图示固体颗粒在旋风分离器的入口的下壁的内表面上的沉积。

图6图示图4中所示的操作期间的根据本发明的一个实施例的旋风分离器(B)以及具有呈水平导管形式的入口的常规旋风分离器(A)的模拟结果，并且特别是根据固体颗粒在旋风分离器的入口中的停留时间图示固体颗粒的量。

在附图中，相同附图标记表示相同或类似的元件。

具体实施方式

本发明的主题是提出一种用于对烃原料进行化学链燃烧的设备中、并且更广泛地使用充当循环流化床的反应器的化学链氧化还原设备中的气/固分离的旋风分离器。

根据本发明的旋风分离器具有特定入口管，用于减少固体颗粒在旋风分离器的入口处的沉积，用于任选地在旋风分离器内部执行化学反应，并且用于提高旋风分离器的效率、特别是颗粒收集效率。

使用至少一个充当循环流化床的反应器的化学链氧化还原设备/工艺被理解成意指如下文更详细描述的CLC设备/工艺，而且还意指其他化学链氧化还原设备/工艺，诸如化学链重整(CLR)设备/工艺或CLOU(“化学链氧解偶”)设备/工艺。

CLC设备通常包括两个单独的反应器：还原反应器(或燃烧反应器)和氧化反应器(或空气反应器)。在还原反应器中，固态载氧剂借助于燃料、或者更一般来说借助于还原气体、液体或固体被还原。来自还原反应器的流出物主要包含CO₂和水，从而允许容易捕获CO₂。在氧化反应器中，通过与空气或任何其他氧化气体接触而使固态载氧剂恢复到其氧化态使得可以相应地产生包括经再氧化的载氧剂的热载能流出物，以及贫氧或氧气耗尽的氮气流(如果利用空气)。

本说明书参考充当循环流化床的化学链氧化还原(CLC、CLR、CLOU)设备/工艺、特别是CLC设备/工艺，也就是说，在其中呈颗粒形式的固态载氧剂被流态化、使得其可以在该设备中被输送和循环的条件下。

稍后在对旋风分离器的以下描述之后描述使用这种旋风分离器的CLC设备和工艺。

在本说明书中，表述“活性氧化还原物质”或其缩写形式“活性物质”、“氧输送材料”、“固态载氧剂”或“载氧剂”是等效的。据说，氧化还原物质因其反应能力而是活性的，因为其能够通过捕获和释放氧气而在CLC工艺中充当氧气输送体。

应注意，通常，术语氧化和还原分别与载氧剂的氧化态或还原态相关使用。氧化反应器(也称为空气反应器)是载氧剂被氧化的反应器，并且还原反应器(也称为燃料反应器或燃烧反应器)是载氧剂被还原的反应器。这些反应器充当流化床，并且载氧剂在氧化反应器和还原反应器之间循环。利用循环流化床技术来使得载氧剂能够从其在氧化反应器中的氧化态连续进入其在还原反应器中的还原态。

除非另有说明，“截面”通常被理解为意指直的截面。

在整个说明书的其余部分和权利要求书中，各种元件的位置(“底部”、“顶部”、“在…上方”、“在…下方”、“水平”、“竖直”、“下半部”等等)是关于处于操作位置的旋风分离器来定义的。

本说明书参考轴线(X)，轴线(X)是平行于旋风分离器的入口管的侧向壁27的水平轴线。还参考平面(XY)和平面(XZ)，平面(XY)是水平平面，平面(XZ)是正交于平面(XY)的竖直平面。这些轴线和平面图示在附图中。

在本说明书中，术语“包括(to comprise)”与“包括(to include)”和“包含”同义(意思相同)，并且是包括性或开放式的，并且并不排除未提及的其他要素。应理解，术语“包括(to comprise)”包括排他性和封闭式术语“由…组成”。

另外，在本说明书中，术语“实质上”或“基本上”对应于±5％、优选地±1％的近似值。例如，覆盖基本上整个表面的元件对应于覆盖所述表面的至少95％的元件。

下文详细描述旋风分离器、CLC设备和CLC工艺的一些实施例。提出许多具体细节，以便提供对本发明的更深入理解。然而，所属领域的技术人员将显而易见，可以在没有所有这些具体细节的情况下利用旋风分离器、CLC设备和CLC工艺。在其他情况下，尚未详细描述众所周知的特性，以便避免不必要地使本说明书复杂化。

在本说明书中，除非另有说明，表述“在…与…之间”意指该区间的极限值包括在所描述的值范围内。

旋风分离器

为了减少固体颗粒在旋风分离器的入口处的沉积，提出一种适于CLC设备和工艺的用于气/固分离的新颖旋风分离器。这种类型的旋风分离器具有良好分离效率，并且可以有利地使得可以在旋风分离器内部执行化学反应。

图1和图2示意性地且非限制性地图示根据本发明的旋风分离器的一个实施例。

图4也图示根据图1和图2中所图示的实施例的旋风分离器的实例，其用于图示根据本发明的旋风分离器的某些性能方面，如将在“实例”部分中更详细地描述的。

在这些图中，相同附图标记表示相同或类似的元件。

参考这些图，根据本发明的旋风分离器包括：

-用于来自CLC设备的反应器100的包括固体颗粒的气体混合物2的入口管21，所述入口管21在一端处具有带有矩形截面So的入口开口O，并且在其另一端处具有带有矩形截面Ss的出口开口S，

-柱锥式室22，柱锥式室22具有置于倒置截头圆锥形下部部分22b(换句话说，该截头圆锥的最窄部分在下部部分中)之上的柱形上部部分22a，柱形上部部分22a具有入口管的出口开口S；

-用于贫颗粒气体流3的出口管23，此管定位在该柱形上部部分的顶部处；以及

-用于排出固体颗粒流4的排出管24，此管定位在倒置截头圆锥形下部部分22b的底部处。

在根据本发明的旋风分离器中，入口管21由以下定界：

-水平平面(XY)中的平坦上壁25，

-相对于平坦上壁25倾斜角度α的平坦下壁26，所述角度α限定在竖直平面(XZ)中，并且使得入口管的出口开口S的沿着竖直轴线(Z)的尺寸小于入口开口O的沿着轴线(Z)的尺寸(换句话说，在操作位置中，平坦下壁26的最高点紧邻入口管的入口开口O，并且平坦下壁26的最低点紧邻入口管的出口开口S)，

-平面(XZ)中的竖直平坦外侧向壁27，此壁与柱锥式室22的柱形上部部分相切，以及

-相对于平坦外侧向壁27倾斜角度β的竖直平坦内侧向壁28，所述角度β限定在水平平面(XY)中，并且使得入口管的出口开口S的沿着轴线(Y)的尺寸小于入口开口O的沿着轴线(Y)的尺寸。

根据本发明，入口管21具有至少一个辅助气体注入喷嘴29，辅助气体注入喷嘴29位于平坦下壁上。

根据本发明的旋风分离器是切向入口逆流旋风分离器类型。在这种类型的旋风分离器中，包含固体颗粒的气体混合物在顶部处进入旋风分离器，并且由于切向地进入而经受离心移动。这些颗粒被离心力推向旋风分离器的壁，并且然后在重力的作用下沿着该壁落下。在旋风分离器的底部处，在倒置截头圆锥形区段中，除去在该截头圆锥形区段的底部处排出的颗粒的气体流反转方向以形成内部涡流，该内部涡流经由旋风分离器的顶部处的轴向导管离开该旋风分离器。在根据本发明的旋风分离器中，出口管23优选地沿着旋风分离器的室的轴线定位，并且可以在高度h上具有内部柱形部分，其通常被称为“涡流探测器”，如逆流旋风分离器中常规的那样。

包括固体颗粒的气体混合物2通常来自包括上升多相气体/固体流1的CLC设备的反应器100。此上升流一旦已经通过入口开口O进入入口管21就改变方向，并且在本说明书中被表示为进入入口管的包括固体颗粒的气体混合物2。

根据本发明的旋风分离器的特定入口(其特征在于其特定几何形状和一个或多个辅助气体注入喷嘴29)使得可以限制固体颗粒在旋风分离器的入口管中的沉积。这是因为入口管21的下壁26的向下倾斜(角度α)促进固体颗粒在朝向旋风分离器的室的方向上朝向入口管21的出口开口S的流动和重新加速，并且一个或多个注入喷嘴29使得可以注入辅助气体，以便分散固体颗粒。特别地，所注入的辅助气体使得可以朝向入口管21中的主气体流重新取向落到下壁26上的固体颗粒，并且破坏可能存在的任何颗粒堆积。

根据本发明的旋风分离器的特定入口、特别是存在至少一个辅助气体注入喷嘴29还可以使得可以在旋风分离器内部执行化学反应。例如，如果需要，可以完成与固体颗粒(通常是固态载氧剂)的任何正在进行的反应，或者在旋风分离器内部执行不涉及固态载氧剂的化学反应。因此，当旋风分离器放置在CLC设备的空气反应器的出口处时，根据本发明，可以注入氧化气体(例如与空气反应器中用于再氧化载氧剂颗粒的氧化气体相同的氧化气体，例如空气)或另一氧化气体，以便完成载氧剂颗粒的氧化。下文关于对根据本发明的CLC设备和工艺的描述来详细描述通过注入辅助气体而准许的这些可能化学反应。

根据本发明的旋风分离器的特定入口(其特征在于其特定几何形状和一个或多个辅助气体注入喷嘴29)还使得可以提供具有良好分离效率的旋风分离器。一方面，凭借通过一个或多个注入喷嘴29注入辅助气体和入口管21的特定几何形状、特别是倾斜下壁26减少固体颗粒在入口管21中的沉积，从而使得可以不阻塞旋风分离器的入口，并且不干扰旋风分离器的操作，然后可以正确地进行气/固分离。相应地，固体颗粒在主气体流中的分散允许其被带入旋风分离器的室22，从而实现比在允许这些相同颗粒停滞和堆积在该管的下壁26上的情况下实现的气/固分离好的气/固分离。此外，入口管21的侧向壁28倾斜角度β使得可以优选地将颗粒引导到旋风分离器的室的入口处的壁，从而使得可以通过以下方式提高旋风分离器的收集效率：一方面最小化颗粒到达旋风分离器的室的壁需要行进的距离，而且还促进气体在旋风分离器中的迂回、从而限制颗粒被带回旋风分离器的入口区带中的出口23。

入口管21的入口开口O处的气体速度UgO取决于循环的固体颗粒的物理性质和旋风分离器的设计。

优选地，出口开口S的截面面积Ss使得离开所述入口管21并且进入旋风分离器的室的气体混合物的表观气体速度UgS在5m/s和35m/s之间、并且更优选地在15m/s和25m/s之间，以便实现良好分离性能。

在本说明书中，入口管21的截面、特别是入口开口O的截面So和入口管的出口开口S的截面Ss被理解成意指直截面。这清楚地示出在图2中。其特别是正交于入口管21的平坦外表面27。

有利地，入口管21的入口开口O的截面面积So等于所述入口管21的出口开口S的截面面积Ss。因此，进入所述入口管的气体混合物2的表观气体速度UgO等于离开所述管的气体的表观速度UgS。这特别是使得可以限制与对旋风分离器的壁的猛烈冲击相关联的对旋风分离器的任何侵蚀和颗粒的磨损，如果气体速度增加，则可能发生这种情况。

优选地，入口管的截面面积从入口管21的入口开口O到出口开口S是恒定的，从而确保沿着入口管的恒定表观气体速度。

虽然根据本发明，入口管的入口开口处的表观气体速度UgO优选地等于入口管的出口开口处的表观气体速度UgS，但是如果UgO小于UgS、特别是如果UgO在0.5倍和1倍UgS之间、或者甚至在0.75倍至1和UgS之间，则这将不构成对本发明的范围的背离。

平坦下壁26相对于水平平坦上壁25倾斜角度α，角度α限定在竖直平面(XZ)中，并且使得入口管的出口开口S的沿着竖直轴线(Z)的尺寸小于入口开口O的沿着轴线(Z)的尺寸，如图1中清楚地所示。由于此角度α，平坦下壁26相对于水平轴线(X)从入口开口O朝向位于入口管21的部分中的出口开口S向下倾斜。

角度α的绝对值优选地在α’和α’+45°之间、优选地在α’+10°和α’+20°之间，其中α’是颗粒的休止角。

颗粒的休止角或自然斜角在传统上被定义为未压实粉末堆阵的斜坡与水平方向之间的角度，并且可以以各种方式确定。例如，可以通过倾倒粉末通过漏斗以便形成小产品堆阵来测量此角度，此角度由相对于水平表面的斜坡表征。还可以通过以下方式来测量休止角：使固体沿着斜板滑动，该休止角被测量为固体材料开始滑动的角度；或者通过使用旋转圆筒来确定允许固体流动的角度。优选地，使用这最后两种方法来确定休止角，因为其涉及固体的移动。

角度α的绝对值可以在5°和80°之间、优选地在15°和60°之间、更优选地在15°和45°之间、并且更优选地仍在20°和45°之间。

入口管的下壁的倾斜使得可以降低颗粒的跳跃速率，并且因此减少颗粒的积聚。

平坦内侧向壁28相对于平坦外侧向壁27倾斜角度β，角度β限定在水平平面(XY)中，并且使得入口管的出口开口S的沿着轴线(Y)的尺寸(即，宽度)小于入口开口O的沿着轴线(Y)的尺寸(即，宽度)，如图2中清楚地所示。

优选地，角度β被确定成使得入口开口O的截面面积So等于出口开口S的截面面积Ss。以此方式，通过内侧向壁的给定倾斜，使得可以保持入口开口21的入口和出口截面面积，并且因此保持与其相关联的表观气体速度相同。因此，如上文已经提及的，减少旋风分离器的侵蚀和颗粒的磨损，并且同时限制固体颗粒在旋风分离器的入口管中的沉积和相关联的问题。

角度β的绝对值可以在5°和70°之间、优选地在10°和50°之间。

在入口管21中，一个或多个注入喷嘴使得可以注入辅助气体，以便分散固体颗粒，并且进一步限制固体颗粒在入口管中的沉积。存在这种气体(根据其性质以及在旋风分离器中存在的温度和压力条件)还可以使得可以在旋风分离器中执行化学反应。稍后关于对CLC设备和工艺的描述来详细描述这些反应。

用于注入辅助注入气体的喷嘴的数量取决于所注入的辅助气体的总流率。

有利地，旋风分离器的喷嘴密度为1和10之间个喷嘴/每平方米、并且优选地2和5之间个喷嘴/每平方米。喷嘴密度的参考表面是入口管21的平坦下壁26的参考表面。喷嘴可以例如沿着入口管21的下壁的纵向中心轴线从入口开口O到出口开口S均匀地分布。其优选地例如沿着一轴线或多个割线轴线(axes sécants)均匀地分布在下平坦表面上，例如以正方形、矩形、三角形等图案分布在割线轴线的交点处。

例如，根据本发明的旋风分离器具有入口管，该入口管具有沿着入口管21的下壁的纵向中心轴线分布在所述下壁上的三个等距注入喷嘴，如图4中所示。

一个或多个喷嘴被优选地配置成形成射流，该射流与竖直平面(XZ)中的水平轴线(X)形成0°和90°之间、优选地大于0°且小于90°、更更优选地0°(并且优选地大于0°)和45°之间的角度。因此，所形成的射流优选地沿着该管中的气体混合物的流动轴线引导，以便不过度干扰朝向旋风分离器的本体前进的流。

有利地，一个或多个喷嘴被配置成使得所述喷嘴的出口处的气体速度在5m/s和100m/s之间、优选地在20m/s和40m/s之间，从而防止固体颗粒返回喷嘴，以便获得固体颗粒的良好分散，并且分解任何堆积物。

根据本发明，旋风分离器有利地用于CLC设备中，并且通常在如下文详细描述的CLC工艺的压力和温度条件下操作。因此，其优选地由适于CLC中遇到的高温(通常例如在800℃和1000℃之间、或者甚至在600℃和1400℃之间)的材料制成，并且非限制性地由高温钢(诸如或类型的钢)或传统钢(例如与耐火材料相结合或者与诸如传热流体在其中流动的管的冷却装置相结合的不锈钢或碳钢类型的传统钢)制成。

该旋风分离器非常适于包括平均颗粒直径在20μm和1000μm之间的固体颗粒的气体混合物的气/固分离。

该旋风分离器非常适于包括优选地在0.1和50wt/wt之间(固体颗粒的重量相对于气体的重量)的固体颗粒含量的气体混合物的气/固分离。

为给出尺寸数量级，非限制性地，根据本发明的旋风分离器的总高度(柱锥式室的高度)可以为数米(例如5米)；柱锥式室的柱形上部部分(“桶”)的直径为大约一米(例如1米)，并且包括一米以下或一米的范围内(例如0.6米x 0.2米)的矩形截面和数米(例如2.5米)的长度的入口管。展现所提及的给定示例性值的旋风分离器例如使得能够处理0.9kg/s的气体和30kg/s的固体物质的流率。

CLC设备和工艺

图3是示出化学链燃烧的一般操作原理的图。其决不限制可以用于本发明的CLC设备和工艺中的根据本发明的旋风分离器。

使经还原的载氧剂8在上文定义为氧化反应器(或空气反应器)的反应区带100中与氧化气体流5(通常是空气)接触。这产生经耗尽的空气流3和经再氧化的颗粒流4。将经氧化的载氧剂颗粒流4传送到上文定义为燃烧反应器(或还原反应器)的还原区带300。使颗粒流4与燃料6(其是烃原料)接触。这产生燃烧流出物7和经还原的载氧剂颗粒流8。为简单起见，图3中的图解并不包括可以形成CLC单元的一部分的用于以下目的的各种装备物品：固/气分离、固/固分离、热交换、加压、反应器(例如虹吸管)之间的气密性、固体物质的存储、对固体物质流的控制(例如机械或气动阀)或材料在氧化反应器和燃烧反应器周围的任何再循环。特别地，图3并不包括本发明涉及并且图示在图1、图2和图4中的旋风分离器。

在燃烧区带300中，使烃原料6与呈颗粒形式的载氧剂并流接触，以便通过载氧剂的还原来实施所述原料的燃烧。

载氧剂M_xO_y(其中M代表金属)借助于C_nH_m烃原料被还原至M_xO_y-2n-m/2态，C_nH_m烃原料根据以下反应(1)被相应地氧化以产生CO₂和H₂O，或者任选地根据所使用的比例产生CO+H₂混合物。

[数学(反应式)1]

C_nH_m+M_xO_y→n CO₂+m/2H₂O+M_xO_y-2n-m/2 (1)

通常以烃原料的完全燃烧为目标。

通常在600℃和1400℃之间、优选地在800℃和1000℃之间的温度下执行与载氧剂接触的原料的燃烧。接触时间根据所使用的可燃原料的类型而变化。对于固体或液体原料，其通常在1秒和20分钟之间、例如优选地在1分钟和10分钟之间、并且更优选地在1分钟和8分钟之间变化；并且对于气态原料，其例如优选地为1至20秒。

包括由燃烧产生的气体和载氧剂颗粒的混合物在还原区带300的顶部处排出。诸如旋风分离器的气/固分离装置(未示出)使得可以使燃烧气体7与处于其最大程度还原态的载氧剂固体颗粒8分离。如果存在未燃尽残余物颗粒(如果烃原料是固体，则可能出现这种情况)，则可以在燃烧反应器的出口处使用用于使未燃尽残余物颗粒与载氧剂颗粒分离的固/固分离设备。这种类型的分离器可以与位于固/固分离器下游的一个或多个气/固分离器相结合，例如与根据本发明的旋风分离器相结合。留在燃烧反应器中并与燃烧气体分离的载氧剂颗粒被输送到氧化区带100，以便被再氧化。未燃尽残余物颗粒可以再循环到还原反应器300。

在氧化反应器100中，载氧剂在返回到还原反应器300之前在与氧化气体5(通常是空气或水蒸气，并且优选地是空气)接触时根据以下反应(2)恢复至其M_xO_y氧化态，并且在已经与氧气耗尽的气体3(通常是“经耗尽”空气)分离之后在氧化反应器100的顶部处排出。

[数学(反应式)2]

M_xO_y-2n-m/2+(n+m/4)O₂→M_xO_y (2)

在反应(2)中，n和m分别代表在燃烧反应器中与载氧剂已经发生反应的碳原子和氢原子的数量。

氧化反应器中的温度通常在600℃和1400℃之间、优选地在800℃和1000℃之间。

载氧剂交替地从其氧化形式变为其还原形式(反之亦然)描述氧化还原循环。

所加工的烃原料(或燃料)可以是固体、气态或液体烃原料，并且优选地是固体或气态原料。这些固体原料可以选自煤、焦炭、石油焦、生物质、沥青砂和家庭垃圾。这些气态原料优选地实质上由甲烷组成，例如天然气或沼气。这些液体原料可以选自石油、沥青、柴油或汽油。优选地，所加工的烃原料是固体或气态原料，如上文所陈述。

载氧剂可以由金属氧化物组成，诸如Fe、Ti、Ni、Cu、Mn、Co或V的氧化物(单独或作为混合物)，其可以源自矿石(例如钛铁矿或软锰矿)或者是合成的(例如负载在氧化铝上的氧化铜颗粒(CuO/Al₂O₃)或负载在氧化铝上的氧化镍颗粒(NiO/Al₂O₄))，有或没有粘合剂，并且展现所需的氧化还原性质和执行流化所需的特性。根据材料的类型，载氧剂的储氧能力有利地在按重量计0.5％和15％之间。有利地，通过金属氧化物有效传送的氧的量在按重量计0.5％和3％之间，这使得可以仅使用总氧传送能力的一部分，理想地小于总氧传送能力的30％，以便限制机械老化或颗粒堆积的风险。仅使用氧输送能力的一部分还具有如下优点：流化床充当热压载物，并且因此平滑载氧剂的路线上的温度变化。

载氧剂呈可流化颗粒的形式，属于Geldart分类的组A、B、C或D，优选地属于组A、B或D，单独或组合地。载氧剂颗粒优选地属于Geldart分类的组B。举例来说并且非限制性地，所使用的组B的颗粒展现如下粒径：该粒径使得超过90％的颗粒的大小在100μm和500μm之间、优选地在150μm和300μm之间。

优选地，载氧剂颗粒(其可以是金属氧化物，其是合成矿石或天然矿石，负载或未负载)的密度在1000kg/m³和5000kg/m³之间、并且优选地在1200kg/m³和4000kg/m³之间。

例如负载在氧化铝上的氧化镍颗粒(NiO/NiAl₂O₄)通常展现2500kg/m³和3500kg/m³之间、通常为大约3200kg/m³的粒子密度，这取决于载体的孔隙率和氧化镍含量。

钛铁矿(结合钛和铁的矿石(氧化钛铁))展现4700kg/m³的密度。

载氧剂可能经历活化阶段，以便增加其反应能力，该活化阶段可以包括温度上升阶段、优选地逐渐温度上升阶段、优选地在氧化气氛下(例如在空气下)。

氧化反应器和燃烧反应器充当流化床。其各自包括至少一个流化气体注入系统。在燃烧反应器中，该流化气体可以是CO₂(其可以是在燃烧期间产生并且被再循环的CO₂)，或水蒸气。在氧化反应器中，流化气体是氧化气体、优选地是空气。

氧化反应器100优选地包括输送流化床。有利地，气体(床的气相)的速度在2m/s和15m/s之间、并且优选地在3m/s和10m/s之间。举例来说，这样的氧化反应器针对10m和30m之间的高度可以具有1m和6m之间的直径。

因此，氧化反应器被配置成接收留在燃烧反应器中的载氧剂颗粒，以便氧化输送床内部的所述颗粒，并且将其输送到所述燃烧反应器。

燃烧反应器300可以被配置成包括密相流化床。优选地，该反应器的密相流化床中的表观气体速度(此处也称为操作表观气体速度Ug)在0.1m/s和3m/s之间、优选地在0.3m/s和2m/s之间。

举例来说，燃烧反应器300的直径D_R可以在1m和10m之间。根据本发明，燃烧反应器优选地具有0.5和8之间、优选地1和5之间、并且仍更优选地2和4之间的高度H_R与直径D_R的比值。该反应器中的密相流化床的高度与反应器的直径的比值也是如此。

密相流化床被理解为意指鼓泡床(鼓泡状态、也称为气泡状态)或湍流床(湍流状态)。在这种密相流化床中，固体物质的体积分数通常在0.20和0.50之间。

在其中燃烧固体烃原料的情况下，通常需要原料与载氧剂颗粒接触足够长接触时间，以便趋于完全燃烧，并且需要气化所述固体原料的第一阶段、之后燃烧该经气化的原料。这两个阶段可以在燃烧反应器的密相流化床中执行。在另一配置中，第一阶段可以在燃烧反应器的密相流化床中执行，并且第二阶段可以在另一燃烧区带中执行，例如在在置于密相床之上的区带中并且充当稀相流化床的相同反应器内，或者在接收经气化的原料并使其在密相或稀相流化床内与载氧剂接触的单独反应器中。

稀相流化床被理解为意指输送床。固体物质的体积分数通常小于0.20。

因此，燃烧反应器300可以被配置成包括稀相流化床。

在气态原料的化学链燃烧的情况下，例如，由于载氧剂颗粒与原料之间接触所需的接触时间比固体或液体原料的情况短，因此形成基本上细长且竖直的导管并且充当稀相流化床的提升管式反应器或反应器部分可能足以执行原料的燃烧，并且输运颗粒。

在充当稀相流化床的燃烧反应器或反应器部分中，速度优选地大于3m/s且小于30m/s、更优选地在5和15m/s之间，以便促进所有颗粒的输运，同时最大化压力降，以便优化该过程的能量效率。

反应器的几何形状可以是平行六面体、通常是长方体、柱形或优选地展现旋转对称性的任何其他三维几何形状。术语“柱形”是指旋转柱面。例如，燃烧反应器是柱形的，或者具有长方体形状。在此后一情况下，反应器的直径D_R必须被理解为当量直径，其被定义为在反应器的截面中内切的圆的直径。

用于构造反应器及其组成元件(入口、排出点、出口等等)的材料可以选自耐火材料(例如耐火混凝土、耐火砖或陶瓷类型的耐火材料)、高温钢(例如或类型的高温钢)或传统钢(例如与耐火材料相结合或者与诸如传热流体在其中循环的管的冷却装置相结合的不锈钢或碳钢类型的传统钢)。

本发明还涉及一种CLC设备，其至少包括：

-还原反应器300，还原反应器300充当流化床，以实施与固态载氧剂颗粒接触的烃原料的燃烧；

-氧化反应器100，氧化反应器100充当流化床，以通过使来自还原反应器300的经还原的固态载氧剂颗粒与氧化气体接触来氧化这些颗粒；

-用于使载氧剂在还原反应器300和氧化反应器100之间循环的装置；以及

-根据本发明的旋风分离器，如上所述，其定位在还原反应器300的下游和/或氧化反应器100的下游，以便接收来自还原反应器300或氧化反应器100的包括固体颗粒的气体混合物。

根据一个或多个优选实施例，该旋风分离器定位在氧化反应器100的下游，并且直接(即，无任何其他中间室或设备)连接到所述氧化反应器100，以便经由入口管21接收来自所述氧化反应器100的包括载氧剂颗粒的气体混合物。有利地，氧化反应器100在其顶部部分中包括所述旋风分离器的入口管的入口开口，以便将来自氧化反应器100的包括载氧剂颗粒的气体混合物直接输送到所述旋风分离器的入口管。这种配置特别是具有如下优点：如果注入到旋风分离器的入口管中的辅助气体与氧化反应器中利用的氧化气体(例如空气)具有相同性质，则其使得可以继续用于氧化载氧剂的氧化反应，由于旋风分离器的入口管中的载氧剂的浓度比氧化反应器100中高，因此特别是促进此反应。这具有提高(载氧剂的)反应的进展程度的效果，并且具有与在上游将此气体流添加到氧化反应器基本上相同的效果，而无需显著增加其大小以满足相同流化条件。此外，将辅助气体注入到旋风分离器的入口管中实际上是在比将氧化气体在上游注入到氧化反应器中低的压力下进行的，并且因此与其中辅助气体流将在上游引入到氧化反应器中的配置相比，使得可以节省能量。本发明还可以有利地在如下背景内使用：改造现有CLC单元、而不修改旋风分离器上游的氧化反应器，该旋风分离器被设计成借助一定流率的气体操作。在此情况下，将氧化辅助气体注入到旋风分离器的入口管中使得可以提高该单元的氧化能力。

根据一个或多个实施例，旋风分离器定位在燃烧反应器300的下游，并且接收来自还原反应器300的包括载氧剂颗粒的气体混合物。还原反应器300可以在其顶部部分中包括旋风分离器的入口管的入口开口，以便将该气体混合物(直接)输送到所述旋风分离器的入口管。

在燃烧固体原料的情况下，该设备可以包括如上文已经提及的固/固分离器，并且在此情况下，根据本发明的旋风分离器可以定位在该固/固分离器的下游。所述固/固分离器则可以在其顶部部分中包括旋风分离器的入口管的入口开口，以便将来自固/固分离器的气体混合物(直接)输送到所述旋风分离器的入口管。作为替代方案，固/固分离器可以具有用于具有最轻颗粒的气体流的出口管，该出口管包括旋风分离器的入口管的入口开口。

固/固分离器用于基于颗粒的不同大小和密度的物理性质来将未燃尽残余物颗粒与载氧剂颗粒分离。具体来说，上述载氧剂颗粒通常具有比未燃尽残余物颗粒的大小和密度以及来自燃烧反应器的飞灰的大小和密度大得多的大小和密度。

因此，固/固分离器可以用于一方面分离一些未燃尽残余物颗粒，并且另一方面分离密度大于或等于1000kg/m³、优选地大于或等于1200kg/m³、更优选地大于或等于2500kg/m³的载氧剂颗粒。通常，超过90％的载氧剂颗粒的大小在100μm和500μm之间、优选地在150μm和300μm之间。在燃烧反应器的出口处，估计，未燃尽残余物颗粒的大小小于100μm，并且大多数所述颗粒的大小在20和50μm之间。这些未燃尽残余物颗粒的密度通常在1000和1500kg/m³之间。

不同于未燃尽残余物颗粒并且由固体原料的燃烧产生的诸如飞灰的其他颗粒也可以与其余颗粒一起循环，并且特征在于比载氧剂颗粒小的粒径和小的密度(即，小于100μm)并且通常也比未燃尽残余物颗粒小。灰分由由固体燃料颗粒的完全燃烧产生的不可燃元素形成，对此，在燃烧反应器中的停留时间已经足够。灰分本质上主要是无机物。其通常包括以下化合物：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、K₂O、Na₂O、SO₃、P₂O₅。如果在该工艺中并且特别是在来自还原反应器的气体混合物中存在灰分，则可以将其分离出来并与未燃尽残余物颗粒一起带到固/固分离器。

本发明还涉及一种使用根据本发明的旋风分离器或包括这种旋风分离器的根据本发明的CLC设备的CLC工艺，其具有以下步骤：

-通过使烃原料与充当流化床的还原反应器300内部的载氧剂颗粒接触来燃烧该烃原料；

-通过使留在还原反应器300中的载氧剂颗粒与充当流化床的氧化反应器100内部的氧化气体接触而借助于氧化气体、优选地空气来氧化这些载氧剂颗粒，并且然后将其输送到还原反应器300；

-将来自还原反应器300或氧化反应器100的包括固体颗粒的气体混合物输送到旋风分离器的入口管；

-通过位于旋风分离器的入口管的倾斜下壁上的至少一个喷嘴注入辅助气体，以便分散固体颗粒；以及

-在该旋风分离器内部实施气/固分离，以便形成经由旋风分离器的出口管提取的贫颗粒气体流，并且形成经由旋风分离器的排出管排出的固体颗粒流。

根据一个或多个优选实施例，输送到旋风分离器的入口管的包括固体颗粒的气体混合物直接来自氧化反应器100(即，无任何中间设备或室)。固体颗粒是载氧剂固体颗粒。辅助气体可以与氧化反应器的氧化气体相同，并且优选地是空气。辅助气体也可以是分子氧。根据此优选实施例或这些优选实施例，辅助气体以氧化反应器中利用的氧化气体的流率的按体积计的0.1％和30％之间、或者甚至按体积计的1％和10％之间的流率注入。

根据一个或多个实施例，输送到旋风分离器的入口管的包括固体颗粒的气体混合物来自还原反应器。在此情况下，辅助气体可以有利地是分子氧，以便转化残余未燃尽物质或氨气，从而例如降低NOx浓度。辅助气体还可以是CO₂(优选地，经再循环的CO₂)，或水蒸气。根据此优选实施例或这些优选实施例，辅助气体以小于或等于氧化反应器中利用的流化气体的流率的按体积计的30％的流率注入，所属领域的技术人员可以确定执行所期望的化学反应(即，残余未燃尽物质的燃烧或NOx的选择性非催化还原)的最小流率。

当分子氧注入到旋风分离器的入口管中时，除分散该管中的固体颗粒以外，还使得可以减少该气体混合物中存在的残余未燃尽物质。残余未燃尽物质被理解为意指在并非所有原料都燃烧时产生的固体或气态化合物、主要是未燃尽气态化合物，例如CO和/或H₂，其源自与水接触的原料的转化(固体或液体原料的脱挥发分/气化以及甲烷的重整，从而产生CO和H₂)或例如CH₄的气态烃原料的未转化部分，或例如在固体原料的情况下烃原料的未转化固体部分。

当氨气注入到旋风分离器的入口管中时，除分散该管中的固体颗粒以外，还使得可以执行气体混合物中可能存在的NOx的非催化还原。

辅助气体优选地通过一个或多个喷嘴以5m/s和100m/s之间、优选地20m/s和40m/s之间的速度注入。

有利地，所注入的辅助气体形成射流，该射流与竖直平面(XZ)中的水平轴线(X)形成0°和90°之间、优选地0°和45°之间的角度。

离开入口管并且进入旋风分离器的室的气体混合物的表观气体速度UgS优选地在5m/s和35m/s之间、并且更优选地在15m/s和25m/s之间，以便实现良好分离性能。

气体混合物在入口管的入口处的表观气体速度可以有利地等于气体混合物在入口管的出口处的表观气体速度。

实例

以下实例的目的是证明根据本发明的旋风分离器的某些性能方面，特别是与设置有呈水平导管形式的传统入口管的常规旋风分离器相比，对固体物质在放置在CLC设备的空气反应器的出口处的旋风分离器的入口管中的沉积的限制。此实例基于使用软件(CPFD软件)的计算流体动力学(CFD)模拟，并且在不考虑CLC单元的实际温度条件的情况下对流体动力学方面进行建模(“冷”模型)。

图4图示所测试的根据本发明的示例性旋风分离器的3个不同示意图：(A)截面视图、(B)顶视图以及(C)透视图(C)。

根据本发明的旋风分离器的入口管像常规旋风分离器的入口管一样具有矩形截面。然而，与常规旋风分离器相比，根据本发明的旋风分离器具有入口管21，入口管21包括：

-三个氧化气体注入喷嘴29，氧化气体注入喷嘴29沿着入口管21的下壁的中心轴线相互等距分布，

-入口管21的下壁，此下壁倾斜20°的角度α，角度α对应于载氧剂颗粒的所测量的休止角(通过斜板方法测量)，以及

-内侧向壁28，内侧向壁28倾斜3.5°的角度β，以便在入口管中保持恒定截面(入口开口O和出口开口S的矩形截面的相同面积)。入口开口和出口开口的截面的面积为1.76m²。

这些注入喷嘴是通向入口管的竖直导管，以便产生相对于竖直平面(XZ)中的水平方向(X)成90°的射流。

固体载氧剂颗粒的平均直径为330μm，并且密度为2200kg/m³。

呈提升管形式的空气反应器100中的颗粒的质量流量为220kg/m²/s。

空气反应器中利用的气体为空气，处于26.85℃(300K)和0.1MPa(1atm)。

入口管21中的表观气体速度为15m/s。

通过三个喷嘴注入的辅助气体是空气，并且其流率等于空气反应器中利用的空气的流率的10％。通过喷嘴注入空气使得可以减少固体物质在入口管中的沉积，并且在将气体和颗粒输送到旋风分离器的室之前完成入口管中的氧化反应。

图5图示固体物质在根据本发明的旋风分离器(B)和常规旋风分离器(A)的入口管的下壁的内表面上的沉积：在根据本发明的一个实施例的示例性旋风分离器的情况下，在右侧的图像(B)中，入口管的下壁处的颗粒体积分数PVF远小于左侧的图像(A)中所示的常规旋风分离器的情况。

图6根据固体颗粒在根据本发明的一实施例的旋风分离器(B)和常规旋风分离器(A)的入口管中的停留时间在相同气体和颗粒流率条件下图示固体颗粒的量：在根据本发明的示例性旋风分离器的情况下，在右侧的图像(B)中，与左侧的图像(A)中所示的常规旋风分离器的情况相比，在入口管内部在停留时间超过2秒的情况下存在显著较少颗粒。凭借入口的经修改的形式和辅助气体的注入，在根据本发明的示例性旋风分离器的情况下，颗粒在旋风分离器的入口管的出口处的平均停留时间减少13％，这相当于旋风分离器的入口管中的颗粒平均减少44％。

Claims

1.一种用于使用至少一个充当循环流化床的反应器对烃原料进行化学链氧化还原的设备的旋风分离器(200)，其包括：

-用于来自所述设备的反应器(100、300)的包括固体颗粒的气体混合物(2)的入口管(21)，此入口管在一端处具有带有矩形截面的入口开口(O)，并且在其另一端处具有带有矩形截面的出口开口(S)，

-柱锥式室(22)，所述柱锥式室(22)具有置于倒置截头圆锥形下部部分(22b)之上的柱形上部部分(22a)，所述柱形上部部分(22a)具有所述入口管的所述出口开口(S)；

-用于贫颗粒气体流(3)的出口管(23)，此管定位在所述柱形上部部分的顶部处；

-用于排出固体颗粒流(4)的排出管(24)，此管定位在所述倒置截头圆锥形下部部分(22b)的底部处；并且其中所述入口管(21)由以下各者定界：

--水平平面(XY)中的平坦上壁(25)，

--相对于所述平坦上壁(25)倾斜角度α的平坦下壁(26)，所述角度α限定在竖直平面(XZ)中，并且使得所述入口管的所述出口开口S的沿着竖直轴线(Z)的尺寸小于所述入口开口O的沿着轴线(Z)的尺寸，

--所述平面(XZ)中的竖直平坦外侧向壁(27)，此壁与所述柱锥式室的所述柱形上部部分相切，以及

--相对于所述外侧向壁(27)倾斜角度β的竖直平坦内侧向壁(28)，所述角度β限定在所述水平平面(XY)中，并且使得所述入口管的所述出口开口S的沿着轴线(Y)的尺寸小于所述入口开口O的沿着轴线(Y)的尺寸，并且所述入口管(21)具有至少一个辅助气体注入喷嘴，所述辅助气体注入喷嘴位于所述平坦下壁上。

2.根据权利要求1所述的旋风分离器，其中所述入口开口(O)的截面面积(So)等于所述出口开口(S)的截面面积(Ss)。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的旋风分离器，其中所述角度α的绝对值在α’和α’+45°之间、优选地在α’+10°和α’+20°之间，其中α’是所述颗粒的休止角，并且所述角度α的绝对值优选地在15°和60°之间。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的旋风分离器，其中所述角度β被确定成使得所述入口开口(O)的所述截面面积(So)等于所述出口开口(S)的所述截面面积(Ss)，并且所述角度β的绝对值优选地在5°和70°之间。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的旋风分离器，其在所述平坦下壁上具有1和10之间个喷嘴/m²、优选地在所述平坦下壁上具有2和5之间个喷嘴/m²，所述喷嘴均匀地分布在所述平坦下壁(26)的表面上。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的旋风分离器，其中所述出口开口(S)的所述截面面积(Ss)使得离开所述入口管并且进入所述旋风分离器的所述室的所述气体混合物的气体的表观速度UgS在5m/s和35m/s之间。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的旋风分离器，其中所述至少一个喷嘴被配置成形成射流，所述射流与所述竖直平面(XZ)中的轴线(X)形成0°和90°之间、优选地0°和45°之间的角度。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的旋风分离器，其中所述至少一个喷嘴被配置成使得所述喷嘴的出口处的气体速度在5m/s和100m/s之间、优选地在20m/s和40m/s之间。

9.一种用于使用呈颗粒形式的固态载氧剂燃烧烃原料的化学链燃烧设备，其至少包括：

-还原反应器(300)，所述还原反应器(300)充当流化床，以实施与所述固态载氧剂颗粒接触的所述烃原料的燃烧；

-氧化反应器(100)，所述氧化反应器(100)充当流化床，以通过使来自所述还原反应器(300)的经还原的固态载氧剂颗粒与氧化气体接触来氧化所述经还原的固态载氧剂颗粒；

-用于使所述载氧剂在所述还原反应器(300)和所述氧化反应器(100)之间循环的装置；以及

-根据前述权利要求中的一项所述的旋风分离器，其定位在所述还原反应器的下游和/或所述氧化反应器的下游，以便接收来自所述还原反应器(300)或所述氧化反应器(100)的包括固体颗粒的气体混合物。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述旋风分离器定位在所述氧化反应器(100)的下游，并且所述氧化反应器(100)在其顶部部分中包括所述旋风分离器(200)的所述入口管(21)的所述入口开口(O)，以便将来自所述氧化反应器(100)的包括所述载氧剂颗粒的所述气体混合物输送到所述旋风分离器的所述入口管。

11.一种用于使用根据权利要求1至8中的任一项所述的旋风分离器或根据权利要求9和10中的任一项所述的设备对烃原料进行化学链燃烧的方法，其中：

-通过使所述烃原料与充当流化床的还原反应器(300)内部的载氧剂颗粒接触来燃烧所述烃原料；

-通过使留在所述还原反应器(300)中的所述载氧剂颗粒与充当流化床的氧化反应器(100)内部的氧化气体接触而借助于氧化气体、优选地空气来氧化所述载氧剂颗粒，并且然后将所述载氧剂颗粒输送到所述还原反应器(300)；

-将来自所述还原反应器(300)或所述氧化反应器(100)的包括固体颗粒的气体混合物输送到所述旋风分离器的所述入口管；

12.根据权利要求11所述的方法，其中被输送到所述旋风分离器的所述入口管的包括固体颗粒的所述气体混合物直接来自所述氧化反应器，并且所述辅助气体与所述氧化反应器的所述氧化气体、优选地空气相同，并且以所述氧化反应器中利用的氧化气体的流率的0.1％和30％之间的流率注入。

13.根据权利要求11所述的方法，其中被输送到所述旋风分离器的所述入口管的包括固体颗粒的所述气体混合物来自所述还原反应器，并且所述辅助气体是分子氧，以便还执行所述气体混合物中存在的残余未燃尽物质的还原，或者所述辅助气体是氨气，以便还执行所述气体混合物中存在的NOx的非催化还原。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中所述辅助气体通过所述至少一个喷嘴以5m/s和100m/s之间、优选地20m/s和40m/s之间的速度注入，并且形成射流，所述射流与所述竖直平面(XZ)中的轴线(X)形成0°和90°之间、优选地0°和45°之间的角度。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中所述气体混合物在所述入口管的入口处的表观气体速度等于所述气体混合物在所述入口管的出口处的表观气体速度，并且在5m/s和35m/s之间。