FR3118134A1 - Process and chemical looping combustion reactor comprising staged fluidization - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé et une installation CLC dans lesquels le réacteur de combustion (10) opère en lit fluidisé dense (5) pour la combustion de la charge au contact de particules d’une masse active oxydo-réductrice (3). Le lit dense est formé par :- l’injection d’un gaz primaire (1) à la base du réacteur, selon un débit tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit dense est comprise entre Umf et 0,8xUg (Umf : vitesse minimale de fluidisation, Ug : vitesse superficielle du gaz opérationnelle du lit dense), et - l’injection d’un gaz secondaire (2) au sein du lit dense par au moins un point d’injection situé au-dessus de l’injection du gaz primaire et de l’injection des particules de la masse active, et situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, selon un débit complémentaire au débit du gaz primaire de manière à atteindre Ug. Figure 2 à publierThe present invention relates to a process and a CLC installation in which the combustion reactor (10) operates in a dense fluidized bed (5) for the combustion of the charge in contact with particles of an oxido-reducing active mass (3). The dense bed is formed by:- the injection of a primary gas (1) at the base of the reactor, at a rate such that the superficial gas velocity in the dense bed is between Umf and 0.8xUg (Umf: minimum fluidization velocity, Ug: superficial velocity of the operational gas of the dense bed), and - the injection of a secondary gas (2) within the dense bed by at least one injection point located above the injection of the primary gas and the injection of the particles of the active mass, and located at a height of between 0.05×H and 0.7×H, according to a flow rate complementary to the flow rate of the primary gas so as to reach Ug. Figure 2 to be published
Description
La présente invention concerne le domaine de la combustion de charges hydrocarbonées par oxydo-réduction en boucle chimique (CLC pour Chemical Looping Combustion selon la terminologie anglo-saxonne) opérant en lit fluidisé, et plus spécifiquement concerne un procédé CLC et une installation CLC comportant des injections de gaz sur plusieurs étages dans le réacteur de combustion pour former un lit fluidisé dense du réacteur où s’opère la combustion, et permettant de limiter la formation de bulles de grande taille dans le lit fluidisé dense néfastes à la stabilité mécanique et à la qualité de combustion.The present invention relates to the field of the combustion of hydrocarbon feedstocks by oxidation-reduction in a chemical loop (CLC for Chemical Looping Combustion according to the English terminology) operating in a fluidized bed, and more specifically relates to a CLC process and a CLC installation comprising injections of gas over several stages in the combustion reactor to form a dense fluidized bed of the reactor where the combustion takes place, and making it possible to limit the formation of large bubbles in the dense fluidized bed which are detrimental to the mechanical stability and to the burning quality.
Un procédé CLC consiste à mettre en œuvre des réactions d’oxydo-réduction d’une masse active, typiquement un oxyde métallique, pour décomposer la réaction de combustion d’une charge hydrocarbonée en deux réactions successives : une première réaction d’oxydation de la masse active au contact d’un gaz oxydant, typiquement de l’air, dans au moins une zone d’oxydation, et une deuxième réaction de réduction de la masse active au contact de la charge dont on souhaite la combustion, dans au moins une zone de combustion.A CLC process consists in implementing oxidation-reduction reactions of an active mass, typically a metal oxide, to break down the combustion reaction of a hydrocarbon charge into two successive reactions: a first oxidation reaction of the active mass in contact with an oxidizing gas, typically air, in at least one oxidation zone, and a second reduction reaction of the active mass in contact with the charge whose combustion is desired, in at least one burning area.
La masse active oxydo-réductrice, qui cède une partie de l'oxygène qu'elle renferme au contact avec la charge dans la zone de combustion, joue ainsi un rôle de transporteur d’oxygène entre ladite zone de combustion et la zone d’oxydation où elle est à nouveau oxydée.The redox active mass, which releases part of the oxygen it contains on contact with the charge in the combustion zone, thus plays the role of oxygen carrier between said combustion zone and the oxidation zone. where it is oxidized again.
Ce matériau solide se présente sous la forme de particules fluidisables, appartenant aux groupes A, B ou D, voire C de la classification de Geldart qui est basée sur la taille des particules et sur leur écart de masse volumique avec le gaz, et souvent au groupe B, avec une taille de particules typique comprise entre 50 et 500 µm. Les particules sont mises en contact dans les zones réactionnelles, avec soit le gaz oxydant, soit la charge, sous forme de lits fluidisés à haute température, et sont généralement transportées d’une zone à l’autre sous une forme fluidisée. L’ensemble des particules transportées sous une forme fluidisée est communément appelé lit fluidisé circulant.This solid material is in the form of fluidizable particles, belonging to groups A, B or D, or even C of the Geldart classification which is based on the size of the particles and on their difference in density with the gas, and often at group B, with a typical particle size between 50 and 500 µm. The particles are brought into contact in the reaction zones, with either the oxidant gas or the feed, in the form of fluidized beds at high temperature, and are generally transported from one zone to another in a fluidized form. The set of particles transported in a fluidized form is commonly called a circulating fluidized bed.
Ces particules sont oxydées au contact d’un gaz oxydant, typiquement de l’air (ou de la vapeur d’eau), dans au moins une première zone réactionnelle, appelée réacteur d’oxydation ou réacteur air. Elles sont ensuite transportées dans au moins une seconde zone réactionnelle appelée réacteur de réduction ou réacteur de combustion ou encore réacteur fuel, où elles sont mises en contact avec une charge hydrocarbonée solide (ex : charbon, le coke, le coke de pétrole appelé « pet-coke » en anglais, la biomasse, les sables bitumineux, les déchets ménagers), liquide (ex. : fuel, bitume, diesel, essences, huile de schiste, etc.) ou gazeuse (ex. : gaz naturel, syngas, biogaz, gaz de schiste) dont on souhaite effectuer la combustion. L’oxygène transporté par les particules de la masse active alimente la combustion de la charge. Il en résulte un effluent gazeux formé par la combustion de la charge et un flux de particules réduites. Les particules sont renvoyées au réacteur air pour y être ré-oxydées, fermant ainsi la boucle.These particles are oxidized in contact with an oxidizing gas, typically air (or steam), in at least a first reaction zone, called oxidation reactor or air reactor. They are then transported to at least a second reaction zone called a reduction reactor or combustion reactor or fuel reactor, where they are brought into contact with a solid hydrocarbon feedstock (e.g. coal, coke, petroleum coke called "pet -coke” in English, biomass, oil sands, household waste), liquid (e.g.: fuel, bitumen, diesel, gasoline, shale oil, etc.) or gaseous (e.g.: natural gas, syngas, biogas , shale gas) whose combustion is desired. The oxygen transported by the particles of the active mass fuels the combustion of the charge. This results in a gaseous effluent formed by the combustion of the charge and a flow of reduced particles. The particles are sent back to the air reactor to be re-oxidized there, thus closing the loop.
Le procédé CLC permet de produire de l'énergie (vapeur, électricité...) par récupération de la chaleur dégagée par les réactions de combustion tout en facilitant la capture du dioxyde de carbone (CO2) émis lors de la combustion grâce à la production de fumées riches en CO2. Le captage du CO2peut en effet se faire après condensation de la vapeur d’eau et compression des fumées, et celui-ci peut alors être stocké, par exemple dans un aquifère profond, ou être valorisé, par exemple en l’employant pour améliorer le rendement des exploitations pétrolières dans des procédés de récupération assistée du pétrole (EOR pour Enhanced Oil Recovery en anglais) ou de gaz (EGR pour Enhanced Gas Recovery en anglais).The CLC process makes it possible to produce energy (steam, electricity, etc.) by recovering the heat given off by combustion reactions while facilitating the capture of carbon dioxide (CO 2 ) emitted during combustion thanks to the production of fumes rich in CO 2 . The capture of CO 2 can in fact take place after condensation of the water vapor and compression of the fumes, and this can then be stored, for example in a deep aquifer, or be recovered, for example by using it for improve the performance of oil operations in enhanced oil recovery (EOR for Enhanced Oil Recovery in English) or gas (EGR for Enhanced Gas Recovery in English) processes.
Le procédé CLC peut également permettre la production de gaz de synthèse, voire d'hydrogène, en contrôlant la combustion et en mettant en œuvre les purifications requises en aval du procédé de combustion. Ce mode particulier de combustion a aussi pour avantage de produire un flux très riche en azote, qui est l’air appauvri obtenu à l’issue de l’oxydation de la masse active dans le réacteur air. Selon le degré de pureté atteint, ce flux d’azote peut être valorisé dans diverses applications, notamment dans le domaine de l’industrie pétrolière. Il peut par exemple être utilisé en raffinerie en tant que gaz inerte dans différents procédés de raffinage du pétrole ou pour le traitement des eaux de production, ou en tant que gaz injecté dans le sous-sol dans des procédés EOR.The CLC process can also allow the production of synthesis gas, or even hydrogen, by controlling the combustion and implementing the purifications required downstream of the combustion process. This particular mode of combustion also has the advantage of producing a stream very rich in nitrogen, which is the depleted air obtained following the oxidation of the active mass in the air reactor. Depending on the degree of purity achieved, this nitrogen flow can be recovered in various applications, particularly in the field of the oil industry. It can for example be used in refineries as an inert gas in various petroleum refining processes or for the treatment of produced water, or as gas injected into the subsoil in EOR processes.
Différents régimes de fluidisation peuvent être mis en œuvre dans les différentes unités de l’installation CLC. Le régime de fluidisation appliqué dépend en effet de l’opération à réaliser (combustion de la charge, oxydation des particules du porteur d’oxygène, transport des particules, séparation solide/solide, séparation solide/gaz) et du type de charge traitée.Different fluidization regimes can be implemented in the different units of the CLC installation. The fluidization regime applied depends on the operation to be carried out (combustion of the charge, oxidation of the particles of the oxygen carrier, transport of the particles, solid/solid separation, solid/gas separation) and the type of charge treated.
Par exemple, la combustion d’une charge solide elle-même sous forme de particules, nécessite un temps de contact avec les particules du porteur d’oxygène plus grand que la combustion d’une charge gazeuse, ce qui se traduit généralement par la mise en œuvre dans le réacteur de combustion d’une zone comportant un lit fluidisé dense, opérant selon un régime de fluidisation hétérogène (contenant par définition des bulles) correspondant à un lit dit bouillonnant (aussi appelé régime de bullage) ou turbulent (vitesse superficielle de gaz supérieure à celle du lit bouillonnant, forte agitation particulaire), dans lequel les particules du porteur d’oxygène et de la charge solide sont mises en contact pour leur combustion.For example, the combustion of a solid charge itself in the form of particles, requires a longer contact time with the particles of the oxygen carrier than the combustion of a gaseous charge, which generally results in the setting implementation in the combustion reactor of a zone comprising a dense fluidized bed, operating according to a heterogeneous fluidization regime (containing by definition bubbles) corresponding to a so-called bubbling bed (also called bubbling regime) or turbulent (superficial velocity of gas greater than that of the bubbling bed, strong particulate agitation), in which the particles of the oxygen carrier and the solid charge are brought into contact for their combustion.
Dans le cas de la combustion en boucle chimique de charges gazeuses, le temps de contact nécessaire entre les particules de la masse active et la charge étant moins important que dans le cas de charges solides ou liquides, un réacteur ou une partie de réacteur de type riser, formant un conduit sensiblement allongé et vertical, et opérant en lit fluidisé dilué (aussi appelé transporté), peut suffire pour réaliser la combustion de la charge, et transporter les particules. Les réacteurs d’oxydation de particules de la masse active opèrent également en général en lit fluidisé transporté.In the case of chemical loop combustion of gaseous feedstocks, the contact time necessary between the particles of the active mass and the feedstock being less important than in the case of solid or liquid feedstocks, a reactor or a reactor part of the type riser, forming a substantially elongated and vertical duct, and operating in a dilute fluidized bed (also called transported), may be sufficient to carry out the combustion of the charge, and transport the particles. Particle oxidation reactors of the active mass also generally operate in a transported fluidized bed.
Les réacteurs de combustion opérant en lit fluidisé dense, peuvent souffrir de fluctuations de pression élevées dues à la formation de grosses bulles. Ce problème affecte particulièrement les réacteurs de ce type ayant un rapport hauteur/diamètre élevé, par exemple supérieur à 2 ou 3.Combustion reactors operating in a dense fluidized bed can suffer from high pressure fluctuations due to the formation of large bubbles. This problem particularly affects reactors of this type having a high height/diameter ratio, for example greater than 2 or 3.
En plus des problèmes de fluctuations de pression et de stabilité mécanique du système, des bulles de taille importante peuvent détériorer la qualité de la fluidisation et entraîner une mauvaise mise en contact solide-gaz et une faible efficacité de réaction.In addition to the problems of pressure fluctuations and mechanical stability of the system, large bubbles can deteriorate the quality of the fluidization and lead to poor solid-gas contacting and low reaction efficiency.
La qualité de la fluidisation peut être détériorée, que les particules de solide présentes dans le lit fluidisé appartiennent au groupe B ou au groupe A de la classification de Geldart, classiquement rencontrés dans le domaine du CLC. Pour les particules du groupe B, une croissance illimitée des bulles en fonction de la hauteur peut résulter en des bulles qui occupent la majeure partie de la section transversale du réacteur, entraînant un écoulement en « bouchons » connu sous le nom pistonnage ou « slugging » selon la terminologie anglo-saxonne, se traduisant par un mauvais contact gaz-solide. Le phénomène de pistonnage apparaît à la transition entre le régime bouillonnant et le régime turbulent : il se produit en effet lorsque les bulles grossissent en s’élevant dans le réacteur et que leur diamètre devient comparable au diamètre du réacteur. Dans ce cas, des écoulements en ‘bouchons’ se produisent. Les grosses bulles éclatent à la surface du lit ou en paroi, avec des agglomérats denses de solides entrainés dans leur sillage, générant de fortes hétérogénéités d’écoulement, et se traduisant par de fortes fluctuations de pression et des vibrations. Pour les particules du groupe A et certaines particules du groupe B (de petite taille avec une faible perméabilité), dans des réacteurs opérant en lit fluidisé dense, à rapport hauteur/largeur élevé, il peut aussi y avoir un contournement de gaz, c’est-à-dire la formation de chemins préférentiels du gaz sans fluidisation des particules, et donc une mauvaise qualité de fluidisation.The quality of the fluidization can be deteriorated, whether the solid particles present in the fluidized bed belong to group B or to group A of the Geldart classification, conventionally encountered in the field of CLC. For group B particles, unlimited growth of bubbles with height can result in bubbles occupying most of the cross-section of the reactor, resulting in "plugged" flow known as slugging. according to Anglo-Saxon terminology, resulting in poor gas-solid contact. The pistoning phenomenon appears at the transition between the bubbling regime and the turbulent regime: it occurs when the bubbles grow larger as they rise in the reactor and their diameter becomes comparable to the diameter of the reactor. In this case, ‘plug’ flows occur. The large bubbles burst on the surface of the bed or on the wall, with dense agglomerates of solids entrained in their wake, generating strong flow heterogeneities, and resulting in strong pressure fluctuations and vibrations. For group A particles and some group B particles (small size with low permeability), in reactors operating in a dense fluidized bed, with a high aspect ratio, there can also be gas bypass, that is that is to say the formation of preferential paths of the gas without fluidization of the particles, and therefore a poor quality of fluidization.
Dans le cas de lits fluidisés circulants où il y a une alimentation continue en particules de solide dans le réacteur, la production de bulles sous la zone d'alimentation de solide peut produire des points de haute pression qui se propagent à travers le système.In the case of circulating fluidized beds where there is a continuous feed of solid particles into the reactor, the production of bubbles below the solid feed zone can produce high pressure points which propagate through the system.
Le régime turbulent est quant à lui particulièrement intéressant pour les procédés industriels car il présente un mélange beaucoup plus homogène des phases et un transfert de masse et thermique très important, par rapport aux régimes bouillonnant et de pistonnage. C’est un régime qui correspond à une forte agitation des particules : au fur et à mesure que la vitesse de fluidisation augmente, la taille et le nombre des bulles croissent progressivement et l’agitation de la suspension devient de plus en plus violente. Cette agitation est produite par l’ascension des bulles et par le fait qu’elles entraînent dans leur sillage une partie de la suspension. À des vitesses importantes, la forme des bulles devient irrégulière. Néanmoins, même si les grosses bulles formées n’atteignent pas le diamètre du réacteur, celles-ci peuvent engendrer de grosses fluctuations de pression et des vibrations au sein du lit, typiquement lors de leurs brisures au sein du lit, en surface du lit et en parois du réacteur.The turbulent regime is particularly interesting for industrial processes because it presents a much more homogeneous mixing of the phases and a very significant mass and heat transfer, compared to the bubbling and swabbing regimes. It is a regime which corresponds to a strong agitation of the particles: as the fluidization speed increases, the size and the number of the bubbles increase progressively and the agitation of the suspension becomes more and more violent. This agitation is produced by the rise of the bubbles and by the fact that they carry part of the suspension in their wake. At high speeds, the shape of the bubbles becomes irregular. Nevertheless, even if the large bubbles formed do not reach the diameter of the reactor, these can cause large pressure fluctuations and vibrations within the bed, typically when they break within the bed, at the surface of the bed and in the walls of the reactor.
La formation de grosses bulles dans un lit fluidisé dense, que ce soit en régime bouillonnant avec l’apparition de pistonnage, ou en régime turbulent, est donc indésirable pour plusieurs raisons : le mélange du solide et gaz est moins bon (moins homogène), l’homogénéité de la température du réacteur n’est plus assurée, et les fortes fluctuations de pression et vibrations sur les parois et le fond du réacteur sont nuisibles à la tenue mécanique du réacteur.The formation of large bubbles in a dense fluidized bed, whether in a bubbling regime with the appearance of pistoning, or in a turbulent regime, is therefore undesirable for several reasons: the mixture of solid and gas is less good (less homogeneous), the homogeneity of the temperature of the reactor is no longer ensured, and the strong pressure fluctuations and vibrations on the walls and the bottom of the reactor are detrimental to the mechanical strength of the reactor.
Il est connu des dispositifs pour diminuer le phénomène de pistonnage. Par exemple le brevet US9512364 B2 portant sur un procédé d’hydropyrolyse pour la transformation de la biomasse sous forme de particules en carburants liquides mettant en œuvre des lits bouillonnants catalytiques, divulgue un réacteur anti-pistonnage comportant des inserts latéraux, qui sont des éléments d’obstacle, d’obstruction ou de constriction placés à intervalles réguliers dans le lit afin d’inhiber le pistonnage dans le réacteur. De tels inserts ne sont pas toujours simples à mettre en œuvre, et ce type de réacteur peut nécessiter une maintenance importante lié au possible cokage des inserts.Devices are known for reducing the swabbing phenomenon. For example, patent US9512364 B2 relating to a hydropyrolysis process for the transformation of biomass in the form of particles into liquid fuels using catalytic bubbling beds, discloses an anti-pistoning reactor comprising side inserts, which are elements of obstacle, obstruction or constriction placed at regular intervals in the bed in order to inhibit swabbing in the reactor. Such inserts are not always easy to implement, and this type of reactor may require significant maintenance linked to the possible coking of the inserts.
Dans le domaine du CLC, la demande WO2020/126704 divulgue des injections de gaz de fluidisation pour diminuer les problèmes liés au phénomène de pistonnage. Cependant, ces injections sont réalisées dans des réacteurs de combustion spécifiques, en particulier afin de limiter les fortes fluctuations de pression dans la partie riser de réacteurs de combustion comportant une partie inférieure opérant en lit fluidisé dense surmontée d’un riser. Ces injections sont réalisées au sommet de la partie inférieure du réacteur, qui est connectée à la partie riser supérieure par un toit plat, pour briser les gros agglomérats de solide formés lors de l’éclatement de bulles avant leur arrivée dans le riser.In the field of CLC, application WO2020/126704 discloses injections of fluidization gas to reduce the problems associated with the pistoning phenomenon. However, these injections are carried out in specific combustion reactors, in particular in order to limit the strong pressure fluctuations in the riser part of combustion reactors comprising a lower part operating in a dense fluidized bed surmounted by a riser. These injections are carried out at the top of the lower part of the reactor, which is connected to the upper riser part by a flat roof, to break up the large agglomerates of solid formed during the bursting of bubbles before they arrive in the riser.
Objectifs et Résumé de l’inventionObjects and Summary of the Invention
La présente invention a pour objectif de surmonter les problèmes de l’art antérieur, et en particulier vise à fournir un procédé et une installation CLC dans lesquels les effets néfastes de la présence de bulles de grandes dimensions dans un réacteur de combustion opérant en lit fluidisé dense sont diminués, e.g, fluctuations importantes de pression et mauvaise qualité de fluidisation, contribuant ainsi à une meilleure stabilité mécanique du réacteur de combustion et une meilleure efficacité de la combustion.The present invention aims to overcome the problems of the prior art, and in particular aims to provide a CLC process and installation in which the harmful effects of the presence of large bubbles in a combustion reactor operating in a fluidized bed dense are reduced, e.g., significant pressure fluctuations and poor fluidization quality, thus contributing to better mechanical stability of the combustion reactor and better combustion efficiency.
La présente invention vise en outre, par certains de ces modes de réalisations, à atteindre cet objectif tout en évitant l’usage d’inserts pour casser les bulles de grandes dimensions. En effet, tout insert dans un réacteur de combustion CLC, qui opère à très forte température, implique des couts et une complexité importants des structures et des matériaux à employer pour former ces inserts, ainsi qu’une maintenance importante notamment liée à l’érosion des inserts dans le lit fluidisé, et des risques d’encrassement desdits inserts pouvant perturber la fluidisation par une réduction de la section du réacteur.The present invention also aims, by some of these embodiments, to achieve this objective while avoiding the use of inserts to break the bubbles of large dimensions. Indeed, any insert in a CLC combustion reactor, which operates at very high temperature, involves significant costs and complexity of the structures and materials to be used to form these inserts, as well as significant maintenance, particularly related to erosion. inserts in the fluidized bed, and risks of fouling of said inserts which can disturb the fluidization by a reduction in the section of the reactor.
Les inventeurs ont mis en évidence que la formation du lit fluidisé dense dans le réacteur de combustion CLC au moyen d’un système d’injections de gaz étagées, avec notamment au moins une injection de gaz secondaire tel que détaillé plus bas ayant notamment pour effet de réduire la formation de bulles de grandes dimensions, permettait d’atteindre ces objectifs.The inventors have demonstrated that the formation of the dense fluidized bed in the CLC combustion reactor by means of a system of staged gas injections, with in particular at least one injection of secondary gas as detailed below having in particular the effect to reduce the formation of large bubbles, made it possible to achieve these objectives.
Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d’autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un procédé CLC d’une charge hydrocarbonée dans lequel :
- on injecte des particules d’une masse active oxydo-réductrice au sein d’un réacteur de combustion ;
- on effectue la combustion de la charge hydrocarbonée au sein du réacteur de combustion par une mise en contact desdites particules de la masse active oxydo-réductrice avec la charge hydrocarbonée au sein d’un lit fluidisé dense de hauteur H, le lit fluidisé dense étant formé dans le réacteur de combustion :
-- par l’injection d’un gaz primaire à la base du réacteur de combustion, le débit dudit gaz primaire étant tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre Umfet 0,8xUg, Umfétant la vitesse minimale de fluidisation des particules et Ugétant la vitesse superficielle du gaz opérationnelle du lit fluidisé dense, et
-- par l’injection d’un gaz secondaire au sein du lit fluidisé dense par au moins un point d’injection situé au-dessus de l’injection du gaz primaire et au-dessus d’une injection des particules de la masse active oxydo-réductrice, et situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, selon un débit complémentaire au débit du gaz primaire de manière à atteindre Ug;
- on envoie les particules de la masse active oxydo-réductrice ayant séjourné dans le réacteur de combustion vers un réacteur d'oxydation opérant en lit fluidisé pour les oxyder, avant de les renvoyer vers le réacteur de combustion.Thus, to achieve at least one of the aforementioned objectives, among others, the present invention proposes, according to a first aspect, a CLC process for a hydrocarbon feedstock in which:
- particles of an active redox mass are injected into a combustion reactor;
- the combustion of the hydrocarbon charge is carried out within the combustion reactor by bringing said particles of the redox active mass into contact with the hydrocarbon charge within a dense fluidized bed of height H, the dense fluidized bed being formed in the combustion reactor:
-- by the injection of a primary gas at the base of the combustion reactor, the flow rate of said primary gas being such that the superficial velocity of the gas in the dense fluidized bed is between U mf and 0.8xU g , U mf being the minimum fluidization velocity of the particles and U g being the superficial gas velocity operational of the dense fluidized bed, and
-- by the injection of a secondary gas within the dense fluidized bed by at least one injection point located above the injection of the primary gas and above an injection of the particles of the active mass redox, and located at a height of between 0.05xH and 0.7xH, according to a flow rate complementary to the flow rate of the primary gas so as to reach U g ;
- the particles of the redox active mass which have stayed in the combustion reactor are sent to an oxidation reactor operating in a fluidized bed to oxidize them, before sending them back to the combustion reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le débit de l’injection du gaz secondaire est tel que la contribution du gaz secondaire à la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre 0,2xUget (Ug-Umf).According to one or more implementations, the secondary gas injection rate is such that the contribution of the secondary gas to the superficial gas velocity in the dense fluidized bed is between 0.2xU g and (U g -U mf ).
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le débit dudit gaz primaire est tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre 5xUmfet 0,6xUg, de préférence entre 10xUmfet 0,4xUg, et le débit du gaz secondaire est tel que la contribution du gaz secondaire à la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre 0,4xUget (Ug-5xUmf), de préférence entre 0,6xUget (Ug-10xUmf).According to one or more implementations, the flow rate of said primary gas is such that the superficial gas velocity in the dense fluidized bed is between 5xU mf and 0.6xU g , preferably between 10xU mf and 0.4xU g , and the flow rate of the secondary gas is such that the contribution of the secondary gas to the superficial gas velocity in the dense fluidized bed is between 0.4xU g and (U g -5xU mf ), preferably between 0.6xU g and (U g -10xU mf ).
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, Ugest telle que le régime du lit fluidisé dense est turbulent ou bouillonnant, de préférence Ugest comprise entre 0,1 m/s et 3 m/sAccording to one or more implementations, U g is such that the regime of the dense fluidized bed is turbulent or bubbling, preferably U g is between 0.1 m/s and 3 m/s
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection du gaz secondaire est réalisée dans la moitié inférieure dudit réacteur de combustion.According to one or more implementations, the injection of the secondary gas is carried out in the lower half of said combustion reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection du gaz secondaire est réalisée à une distance comprise entre 0,1xD et 5xD au-dessus d’une ouverture d’une ligne d’injection des particules de la masse active oxydo-réductrice, D étant le diamètre de ladite ligne d’injection.According to one or more implementations, the injection of the secondary gas is carried out at a distance of between 0.1xD and 5xD above an opening of a line for injecting the particles of the redox active mass, D being the diameter of said injection line.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection du gaz secondaire est réalisée selon plusieurs points d’injection répartis, de préférence uniformément, autour du réacteur de combustion.According to one or more implementations, the injection of the secondary gas is carried out according to several injection points distributed, preferably uniformly, around the combustion reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection du gaz secondaire est réalisée selon plusieurs points d’injection au sein du lit fluidisé dense répartis selon des couronnes situées à des hauteurs différentes le long du réacteur de combustion.According to one or more implementations, the injection of the secondary gas is carried out according to several injection points within the dense fluidized bed distributed according to crowns located at different heights along the combustion reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, la hauteur entre les couronnes est comprise entre 0,1xD et 5xD, de préférence entre 0,5xD et 1,5xD.According to one or more implementations, the height between the rings is between 0.1xD and 5xD, preferably between 0.5xD and 1.5xD.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection de gaz secondaire est réalisée perpendiculairement à la paroi du réacteur de combustion au moyen d’au moins un tube comportant à l’une de ses extrémités une ouverture contenue par la paroi du réacteur de combustion formant ledit au moins un point d’injection, de préférence au moyen de quatre tubes comportant chacun à l’une de leur extrémités une ouverture contenue par la paroi du réacteur de combustion.According to one or more implementations, the injection of secondary gas is carried out perpendicular to the wall of the combustion reactor by means of at least one tube comprising at one of its ends an opening contained by the wall of the combustion reactor forming said at least one injection point, preferably by means of four tubes each comprising at one of their ends an opening contained by the wall of the combustion reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection de gaz secondaire est réalisée tangentiellement à la paroi du réacteur de combustion au moyen d’au moins un tube comportant à l’une de ses extrémités une ouverture contenue par la paroi dudit réacteur de combustion formant ledit au moins un point d’injection, de préférence au moyen de quatre tubes comportant chacun à l’une de leur extrémités une ouverture contenue par la paroi du réacteur de combustion .According to one or more implementations, the injection of secondary gas is carried out tangentially to the wall of the combustion reactor by means of at least one tube comprising at one of its ends an opening contained by the wall of said combustion reactor forming said at least one injection point, preferably by means of four tubes each comprising at one of their ends an opening contained by the wall of the combustion reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l’injection de gaz secondaire est réalisée parallèlement à la paroi du réacteur de combustion au moyen d’au moins un tube vertical disposé à la base du réacteur, se prolongeant dans ledit réacteur et s’ouvrant par ledit au moins un point d’injection au sein du lit fluidisé dense dans ledit réacteur.According to one or more implementations, the injection of secondary gas is carried out parallel to the wall of the combustion reactor by means of at least one vertical tube arranged at the base of the reactor, extending into said reactor and opening by said at least one injection point within the dense fluidized bed in said reactor.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, la charge hydrocarbonée est une charge hydrocarbonée solide sous forme de particules, et l’injection du gaz secondaire comprend l’injection de la charge hydrocarbonée solide.According to one or more implementations, the hydrocarbon feedstock is a solid hydrocarbon feedstock in the form of particles, and the injection of the secondary gas comprises the injection of the solid hydrocarbon feedstock.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, la charge hydrocarbonée est une charge hydrocarbonée gazeuse et l’injection du gaz primaire et/ou secondaire, de préférence l’injection du gaz secondaire, comprend l’injection de ladite charge hydrocarbonée.According to one or more implementations, the hydrocarbon charge is a gaseous hydrocarbon charge and the injection of the primary and/or secondary gas, preferably the injection of the secondary gas, comprises the injection of said hydrocarbon charge.
Selon un deuxième aspect, l’invention porte sur une installation CLC pour réaliser la combustion d’une charge hydrocarbonée selon le procédé CLC, l’installation CLC comportant :
- un réacteur de combustion apte à comprendre un lit fluidisé dense de hauteur H comportant des particules d’une masse active oxydo-réductrice et ladite charge hydrocarbonée, et muni d’un système de fluidisation pour former ledit lit fluidisé dense,
le système de fluidisation comportant :
-- des premiers moyens d’injection d’un gaz primaire positionnés à la base dudit réacteur de combustion situés au-dessous d’une ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active , et
-- des seconds moyens d’injection d’un gaz secondaire comportant au moins un point d’injection dans ledit réacteur situé au-dessus des premiers moyens d’injection et au-dessus de l’ouverture d’une ligne d’injection des particules de la masse active oxydo-réductrice dans ledit réacteur de combustion, et situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, et
- un réacteur d’oxydation configuré pour recevoir les particules de la masse active oxydo-réductrice ayant séjourné dans le réacteur de combustion, pour oxyder lesdites particules au sein d’un lit fluidisé, et pour les renvoyer vers le réacteur de combustion.According to a second aspect, the invention relates to a CLC installation for carrying out the combustion of a hydrocarbon feedstock according to the CLC process, the CLC installation comprising:
- a combustion reactor capable of comprising a dense fluidized bed of height H comprising particles of an oxido-reducing active mass and said hydrocarbon charge, and provided with a fluidization system to form said dense fluidized bed,
the fluidization system comprising:
-- first means for injecting a primary gas positioned at the base of said combustion reactor located below an opening of the line for injecting the particles of the active mass, and
-- second means for injecting a secondary gas comprising at least one injection point in said reactor situated above the first injection means and above the opening of a line for injecting particles of the redox active mass in said combustion reactor, and located at a height of between 0.05xH and 0.7xH, and
- an oxidation reactor configured to receive the particles of the redox active mass having stayed in the combustion reactor, to oxidize said particles within a fluidized bed, and to return them to the combustion reactor.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins un point d’injection des seconds moyens d’injection du gaz secondaire est situé dans la moitié inférieure du réacteur de combustion.According to one or more embodiments, at least one injection point of the second secondary gas injection means is located in the lower half of the combustion reactor.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire sont situés à une distance comprise entre 0,1xD et 5xD, de préférence comprise entre 0,5xD et 1,5xD, au-dessus de ladite ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active oxydo-réductrice, D étant le diamètre de ladite ligne d’injection.According to one or more embodiments, the second secondary gas injection means are located at a distance between 0.1xD and 5xD, preferably between 0.5xD and 1.5xD, above said opening of the injection line for the particles of the redox active mass, D being the diameter of said injection line.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire comportent plusieurs points d’injection répartis, de préférence uniformément, autour du réacteur de combustion.According to one or more embodiments, the second secondary gas injection means comprise several injection points distributed, preferably uniformly, around the combustion reactor.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire comportent plusieurs points d’injection au sein du lit fluidisé dense répartis selon des couronnes situées à des hauteurs différentes le long du réacteur de combustion, la hauteur entre lesdites couronnes étant de préférence comprise entre 0,1xD et 5xD.According to one or more embodiments, the second secondary gas injection means comprise several injection points within the dense fluidized bed distributed according to crowns located at different heights along the combustion reactor, the height between said crowns preferably being between 0.1xD and 5xD.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire comprennent au moins un tube perpendiculaire à la paroi du réacteur de combustion au point d’injection et comportant à l’une de ses extrémités une ouverture contenue par la paroi dudit réacteur de combustion et formant ledit au moins un point d’injection, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire comprenant de préférence quatre desdits tubes perpendiculaires à la paroi d’injection.According to one or more embodiments, the second secondary gas injection means comprise at least one tube perpendicular to the wall of the combustion reactor at the injection point and comprising at one of its ends an opening contained by the wall said combustion reactor and forming said at least one injection point, the second secondary gas injection means preferably comprising four of said tubes perpendicular to the injection wall.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire comprennent au moins un tube tangentiel à la paroi du réacteur de combustion au point d’injection et comportant à l’une de ses extrémités une ouverture contenue par la paroi dudit réacteur de combustion formant ledit au moins un point d’injection, lesdits seconds moyens d’injection du gaz secondaire comprenant de préférence quatre desdits tubes tangentiels.According to one or more embodiments, the second secondary gas injection means comprise at least one tube tangential to the wall of the combustion reactor at the injection point and comprising at one of its ends an opening contained by the wall said combustion reactor forming said at least one injection point, said second secondary gas injection means preferably comprising four of said tangential tubes.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les seconds moyens d’injection du gaz secondaire comprennent au moins un tube vertical disposé à la base dudit réacteur, se prolongeant dans ledit réacteur et s’ouvrant par ledit au moins un point d’injection au sein du lit fluidisé dense dans ledit réacteur.According to one or more embodiments, the second secondary gas injection means comprise at least one vertical tube arranged at the base of said reactor, extending into said reactor and opening via said at least one injection point within dense fluidized bed in said reactor.
D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’exemples de réalisations particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après.Other objects and advantages of the invention will appear on reading the following description of examples of particular embodiments of the invention, given by way of non-limiting examples, the description being made with reference to the appended figures described below. -After.
Liste des figuresList of Figures
La
La
La
La
La
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La
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.In the figures, the same references designate identical or similar elements.
Avant de décrire plus en détail le fonctionnement du réacteur de combustion utilisé dans l’installation et le procédé CLC selon l’invention, ladite installation et ledit procédé CLC selon l’invention sont décrits ci-après de manière générale, en relation avec la
Dans la présente description, les expressions «masse active oxydo-réductrice» ou de manière abrégée « masse active », «matériau transporteur d'oxygène», « solide porteur d’oxygène » ou « porteur d’oxygène » sont équivalentes. La masse oxydo-réductrice est dite active en rapport avec ses capacités réactives, dans le sens où elle est apte à jouer son rôle de transporteur d'oxygène dans le procédé CLC en captant et relarguant de l'oxygène.In the present description, the expressions “redox active mass” or, for abbreviated form, “active mass”, “oxygen carrier material”, “oxygen carrier solid” or “oxygen carrier” are equivalent. The redox mass is said to be active in relation to its reactive capacities, in the sense that it is capable of playing its role of oxygen carrier in the CLC process by capturing and releasing oxygen.
Il convient de noter que, de manière générale, les termes oxydation et réduction sont utilisés en relation avec l'état respectivement oxydé ou réduit de la masse active. Le réacteur d'oxydation, aussi appelé réacteur air, est celui dans lequel la masse oxydo-réductrice est oxydée et le réacteur de réduction, aussi appelé réacteur fuel ou réacteur de combustion, est le réacteur dans lequel la masse oxydo-réductrice est réduite. Les réacteurs opèrent en lit fluidisé et la masse active circule entre le réacteur d’oxydation et le réacteur de réduction. La technologie du lit fluidisé circulant est utilisée pour permettre le passage continu de la masse active de son état oxydé dans le réacteur d’oxydation à son état réduit dans le réacteur de réduction.It should be noted that generally the terms oxidation and reduction are used in relation to the respectively oxidized or reduced state of the active mass. The oxidation reactor, also called air reactor, is the one in which the redox mass is oxidized and the reduction reactor, also called fuel reactor or combustion reactor, is the reactor in which the redox mass is reduced. The reactors operate in a fluidized bed and the active mass circulates between the oxidation reactor and the reduction reactor. Circulating fluidized bed technology is used to allow the continuous passage of the active mass from its oxidized state in the oxidation reactor to its reduced state in the reduction reactor.
Dans la suite de la description et dans les revendications, les positions (« fond », « sommet », « au-dessus », « en-dessous », « horizontal », « vertical », « moitié inférieure », etc.) des différents éléments sont définies par rapport au réacteur en position de fonctionnement.In the following description and in the claims, the positions ("bottom", "top", "above", "below", "horizontal", "vertical", "lower half", etc.) of the various elements are defined with respect to the reactor in the operating position.
Installation et procédé CLCInstallation and CLC process
La
Un porteur d’oxygène réduit 25 est mis au contact d’un flux d’air 20 dans une zone réactionnelle 11 précédemment définie comme le réacteur d’oxydation (ou réacteur air). Il en résulte un flux d’air appauvri 21 et un flux de particules ré-oxydées 24. Le flux de particules de porteur d’oxygène oxydé 24 est transféré dans la zone de réduction 100 précédemment définie comme le réacteur de combustion (ou réacteur de réduction). Le flux de particules 24 est mis au contact d’un combustible 22, qui est une charge hydrocarbonée. Il en résulte un effluent de combustion 23 et un flux de particules de porteur d’oxygène réduit 25. Dans un souci de simplification, la représentation de la
Dans la zone de combustion 10, la charge hydrocarbonée 22 est mise en contact à co-courant avec la masse active oxydo-réductrice sous forme de particules pour réaliser la combustion de ladite charge par réduction de la masse active oxydo-réductrice.In the combustion zone 10, the hydrocarbon charge 22 is brought into cocurrent contact with the redox active mass in the form of particles to carry out the combustion of said charge by reduction of the redox active mass.
La masse active oxydo-réductrice MxOy, M représentant un métal, est réduite à l’état MxOy-2n-m/2, par l’intermédiaire de la charge hydrocarbonée CnHm, qui est corrélativement oxydée en CO2et H2O, selon la réaction (1) ci-dessous, ou éventuellement en mélange CO + H2selon les proportions utilisées.The redox active mass M x O y , M representing a metal, is reduced to the state M x O y-2n-m/2 , via the hydrocarbon charge C n H m , which is correlatively oxidized in CO 2 and H 2 O, according to reaction (1) below, or optionally in a CO + H 2 mixture according to the proportions used.
La combustion totale de la charge hydrocarbonée est généralement visée.Total combustion of the hydrocarbon charge is generally targeted.
La combustion de la charge au contact de la masse active est réalisée à une température généralement comprise entre 600°C et 1400°C, préférentiellement entre 800°C et 1000°C. Le temps de contact varie selon le type de charge combustible utilisée. Il varie typiquement entre 1 seconde et 20 minutes, par exemple de préférence entre 1 minute et 10 minutes, et plus préférentiellement entre 1 minute et 8 minutes pour une charge solide ou liquide, et par exemple de préférence de 1 à 20 secondes pour une charge gazeuse.The combustion of the charge in contact with the active mass is carried out at a temperature generally between 600°C and 1400°C, preferably between 800°C and 1000°C. The contact time varies according to the type of combustible charge used. It typically varies between 1 second and 20 minutes, for example preferably between 1 minute and 10 minutes, and more preferably between 1 minute and 8 minutes for a solid or liquid load, and for example preferably from 1 to 20 seconds for a load carbonated.
Un mélange comprenant les gaz issus de la combustion et les particules de la masse active est évacué au sommet de la zone de réduction 10. Des moyens de séparation de gaz/solide (non représentés), tels qu’un cyclone, permettent de séparer les gaz de combustion 23 des particules solides de la masse active dans leur état le plus réduit 25. Dans le cas de la présence d’imbrûlés pouvant survenir si la charge hydrocarbonée est solide, un dispositif de séparation solide/solide permettant de séparer les particules d’imbrûlés des particules de la masse active peut être mis en œuvre en sortie du réacteur de combustion. Ce type de séparateur peut être associé à un ou plusieurs séparateurs gaz/solide disposés en aval du séparateur solide/solide. Les particules de la masse active ayant séjourné dans le réacteur de combustion, et séparées des gaz de combustion, sont envoyées vers la zone d’oxydation 11 pour être ré-oxydées. Les imbrûlés peuvent être recyclés vers le réacteur de réduction 10.A mixture comprising the gases resulting from the combustion and the particles of the active mass is evacuated at the top of the reduction zone 10. Gas/solid separation means (not shown), such as a cyclone, make it possible to separate the combustion gas 23 of the solid particles of the active mass in their most reduced state 25. In the case of the presence of unburned matter which may occur if the hydrocarbon charge is solid, a solid/solid separation device making it possible to separate the particles of unburned particles of the active mass can be implemented at the outlet of the combustion reactor. This type of separator can be associated with one or more gas/solid separators arranged downstream of the solid/solid separator. The particles of the active mass having stayed in the combustion reactor, and separated from the combustion gases, are sent to the oxidation zone 11 to be re-oxidized. The unburnt can be recycled to the reduction reactor 10.
Dans le réacteur d’oxydation 11, la masse active est restaurée à son état oxydé MxOyau contact d’un gaz oxydant 20, typiquement de l’air ou de la vapeur d’eau, et de préférence de l’air, selon la réaction (2) ci-dessous, avant de retourner vers le réacteur de réduction 10, et après avoir été séparée du gaz appauvri en oxygène 21, typiquement de l‘air dit « appauvri », évacué au sommet du réacteur d’oxydation 11.In the oxidation reactor 11, the active mass is restored to its oxidized state M x O y in contact with an oxidizing gas 20, typically air or steam, and preferably air. , according to reaction (2) below, before returning to the reduction reactor 10, and after having been separated from the oxygen-depleted gas 21, typically so-called "depleted" air, evacuated at the top of the oxidation 11.
Où n et m représentent respectivement le nombre d’atomes de carbone et d’hydrogène ayant réagi avec la masse active dans le réacteur de combustion.Where n and m represent respectively the number of carbon and hydrogen atoms having reacted with the active mass in the combustion reactor.
La température dans le réacteur d’oxydation est généralement comprise entre 600°C et 1400°C, préférentiellement entre 800°C et 1000°C.The temperature in the oxidation reactor is generally between 600°C and 1400°C, preferably between 800°C and 1000°C.
La masse active, passant alternativement de sa forme oxydée à sa forme réduite et inversement, décrit un cycle d'oxydo-réduction.The active mass, passing alternately from its oxidized form to its reduced form and vice versa, describes an oxidation-reduction cycle.
Les charges hydrocarbonées (ou combustibles) traitées peuvent être des charges hydrocarbonées solides, gazeuses ou liquides, et de préférence des charges solides ou gazeuses. Les charges solides peuvent être choisies parmi le charbon, le coke, le coke de pétrole (« pet-coke » en anglais), la biomasse, les sables bitumineux et les déchets ménagers. Les charges gazeuses sont de préférence composées essentiellement de méthane, par exemple du gaz naturel ou un biogaz. Les charges liquides peuvent être choisies parmi du pétrole, du bitume, le diesel, l’essence. De préférence la charge hydrocarbonée traitée est une charge solide ou gazeuse, telle qu’énoncée ci-dessus.The hydrocarbon feedstocks (or fuels) treated can be solid, gaseous or liquid hydrocarbon feedstocks, and preferably solid or gaseous feedstocks. The solid fillers can be chosen from among coal, coke, pet-coke, biomass, bituminous sands and household waste. The gaseous feeds are preferably composed essentially of methane, for example natural gas or a biogas. The liquid fillers can be chosen from oil, bitumen, diesel, gasoline. Preferably, the hydrocarbon feedstock treated is a solid or gaseous feedstock, as stated above.
La masse oxydo-réductrice peut être composée d'oxydes métalliques, tels que par exemple des oxydes de Fe, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, V, seuls ou en mélange, pouvant provenir de minerais (par exemple l'ilménite ou la pyrolusite) ou être synthétiques (par exemple des particules d'oxyde de cuivre supportées sur alumine CuO/Al2O3ou des particules d’oxyde de nickel supportées sur alumine NiO/Al2O4, de préférence des particules d’oxyde de cuivre supportées sur alumine CuO/Al2O3), avec ou sans liant, et présente les propriétés d'oxydo-réduction requises et les caractéristiques nécessaires à la mise en œuvre de la fluidisation. La capacité de stockage en oxygène de la masse oxydo-réductrice est avantageusement comprise, suivant le type de matériau, entre 0,5 % et 15 % poids. Avantageusement, la quantité d'oxygène effectivement transférée par l'oxyde métallique est comprise entre 0,5 % et 3 % poids, ce qui permet de n'utiliser qu'une fraction de la capacité totale de transfert d'oxygène, idéalement moins de 30 % de celle-ci afin de limiter les risques de vieillissement mécanique ou d'agglomération des particules. L’utilisation d’une fraction seulement de la capacité de transport en oxygène a également pour avantage que le lit fluidisé joue un rôle de ballast thermique et lisse ainsi les variations de températures sur le parcours du porteur d’oxygène.The redox mass may be composed of metal oxides, such as for example oxides of Fe, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, V, alone or as a mixture, which may come from ores (for example ilmenite or pyrolusite) or be synthetic (for example particles of copper oxide supported on alumina CuO/Al 2 O 3 or particles of nickel oxide supported on alumina NiO/Al 2 O 4 , preferably particles of oxide of copper supported on CuO/Al 2 O 3 alumina), with or without a binder, and has the required oxidation-reduction properties and the characteristics necessary for the implementation of fluidization. The oxygen storage capacity of the redox mass is advantageously comprised, depending on the type of material, between 0.5% and 15% by weight. Advantageously, the quantity of oxygen actually transferred by the metal oxide is between 0.5% and 3% by weight, which makes it possible to use only a fraction of the total oxygen transfer capacity, ideally less than 30% of it in order to limit the risks of mechanical aging or particle agglomeration. The use of only a fraction of the oxygen transport capacity also has the advantage that the fluidized bed acts as a thermal ballast and thus smooths the temperature variations on the path of the oxygen carrier.
La masse active est sous la forme de particules fluidisables, appartenant aux groupes A, B, C ou D de la classification de Geldart, de préférence aux groupes A, B, ou D, seuls ou en combinaison. De préférence, les particules de la masse active oxydo-réductrice appartiennent au groupe B de la classification de Geldart. A titre d’exemple, et de manière non limitative, les particules du groupe B utilisées présentent une granulométrie telle que plus de 90 % des particules ont une taille comprise entre 100 µm et 500 µm, de préférence comprise entre 150 µm et 300 µm.The active mass is in the form of fluidizable particles, belonging to groups A, B, C or D of the Geldart classification, preferably to groups A, B, or D, alone or in combination. Preferably, the particles of the redox active mass belong to group B of the Geldart classification. By way of example, and in a non-limiting way, the particles of group B used have a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 100 μm and 500 μm, preferably between 150 μm and 300 μm.
De préférence, les particules de la masse active oxydo-réductrice, qui peuvent être des oxydes métalliques, synthétiques ou minérais naturels, supportés ou non, ont une densité comprise entre 1000 kg/m3et 5000 kg/m3et préférentiellement entre 1200 kg/m3et 4000 kg/m3.
Par exemple, les particules d'oxyde de nickel supportées sur alumine (NiO/NiAl2O4) présentent généralement une masse volumique de grain comprise entre 2500 kg/m3et 3500 kg/m3en fonction de la porosité du support et de la teneur en oxyde de nickel, typiquement de 3200 kg/m3environ.
L'ilménite, minerai associant le titane et le fer (oxyde de fer et titane), présente une masse volumique de 4700 kg/m3.Preferably, the particles of the redox active mass, which may be metal oxides, synthetic or natural minerals, supported or not, have a density of between 1000 kg/m 3 and 5000 kg/m 3 and preferentially between 1200 kg /m 3 and 4000 kg/m 3 .
For example, nickel oxide particles supported on alumina (NiO/NiAl 2 O 4 ) generally have a grain density of between 2500 kg/m 3 and 3500 kg/m 3 depending on the porosity of the support and the the nickel oxide content, typically approximately 3200 kg/m 3 .
Ilmenite, an ore combining titanium and iron (iron oxide and titanium), has a density of 4700 kg/m 3 .
La masse active oxydo-réductrice peut subir une phase d'activation de manière à augmenter ses capacités réactives, pouvant consister en une phase de montée en température, de préférence progressive, et de préférence sous atmosphère oxydante (par exemple sous air).The redox active mass can undergo an activation phase so as to increase its reactive capacities, which can consist of a temperature rise phase, preferably progressive, and preferably under an oxidizing atmosphere (for example under air).
Les réacteurs d’oxydation et de combustion opèrent en lit fluidisés. Ils comprennent chacun au moins un système d’injection d’un gaz de fluidisation. Dans le réacteur de combustion, le gaz de fluidisation peut être du CO2, qui peut être du CO2produit lors de la combustion et recyclé, ou de la vapeur d’eau. Dans le réacteur d’oxydation, le gaz de fluidisation est un gaz oxydant, de préférence de l’air.The oxidation and combustion reactors operate in fluidized beds. They each comprise at least one fluidization gas injection system. In the combustion reactor, the fluidization gas can be CO 2 , which can be CO 2 produced during combustion and recycled, or steam. In the oxidation reactor, the fluidizing gas is an oxidizing gas, preferably air.
Le réacteur d’oxydation 11 comprend de préférence un lit fluidisé transporté. Avantageusement, la vitesse du gaz (phase gaz du lit) est comprise entre 2 m/s et 15 m/s, et préférentiellement comprise entre 3 m/s et 10 m/s. A titre d’exemple, un tel réacteur d’oxydation peut avoir un diamètre compris entre 1 m et 6 m pour une hauteur comprise entre 10 m et 30 m.The oxidation reactor 11 preferably comprises a transported fluidized bed. Advantageously, the gas velocity (gas phase of the bed) is between 2 m/s and 15 m/s, and preferably between 3 m/s and 10 m/s. By way of example, such an oxidation reactor can have a diameter of between 1 m and 6 m for a height of between 10 m and 30 m.
Le réacteur d’oxydation est ainsi configuré pour recevoir les particules de la masse active oxydo-réductrice ayant séjourné dans le réacteur de combustion, pour oxyder lesdites particules au sein du transporté, et pour les renvoyer vers ledit réacteur de combustion.The oxidation reactor is thus configured to receive the particles of the redox active mass having stayed in the combustion reactor, to oxidize said particles within the transported material, and to return them to said combustion reactor.
Le réacteur de combustion 10 est configuré de manière à comprendre un lit fluidisé dense. De préférence, la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense du réacteur, qu’on appelle aussi ici vitesse superficielle du gaz opérationnelle Ug, est comprise entre 0,1 m/s et 3 m/s, de préférence entre 0,3 m/s et 2 m/s.
A titre d’exemple, le réacteur de combustion 10 peut avoir un diamètre DRcompris entre 1 m et 10 m. Selon l’invention, le réacteur de combustion a de préférence un rapport hauteur HRsur diamètre DRcompris entre 0,5 et 8, de préférence compris entre 1 et 5, encore plus préférentiellement compris entre 2 et 4. Il en est de même pour le rapport de la hauteur du lit fluidisé dense dans le réacteur sur le diamètre du réacteur.The combustion reactor 10 is configured to include a dense fluidized bed. Preferably, the superficial velocity of the gas in the dense fluidized bed of the reactor, which is also referred to here as the superficial velocity of the operational gas U g , is between 0.1 m/s and 3 m/s, preferably between 0. 3m/s and 2m/s.
By way of example, the combustion reactor 10 can have a diameter D R of between 1 m and 10 m. According to the invention, the combustion reactor preferably has a height H R to diameter D R ratio of between 0.5 and 8, preferably between 1 and 5, even more preferably between 2 and 4. same for the ratio of the height of the dense fluidized bed in the reactor to the diameter of the reactor.
Par lit fluidisé dense on entend un lit bouillonnant (régime bouillonnant aussi appelée régime à bulles ou bullage) ou un lit turbulent (régime turbulent). La fraction volumique de solide dans un tel lit fluidisé dense est généralement comprise entre 0,25 et 0,50.By dense fluidized bed is meant a bubbling bed (bubbling regime also called bubble regime or bubbling) or a turbulent bed (turbulent regime). The volume fraction of solid in such a dense fluidized bed is generally between 0.25 and 0.50.
Par lit fluidisé dilué on entend un lit transporté. La fraction volumique de solide est généralement inférieure à 0,25.By dilute fluidized bed is meant a transported bed. The volume fraction of solid is generally less than 0.25.
Dans le cas de la combustion de charges hydrocarbonées solides, un temps de contact de la charge avec les particules de la masse active suffisamment long est généralement nécessaire pour tendre vers la combustion totale, et implique une première phase de gazéification de la charge solide, suivie d’une combustion de la charge gazéifiée. Les deux phases peuvent être effectuées dans le lit fluidisé dense du réacteur de combustion. Selon une autre configuration, la première phase peut être effectuée dans le lit fluidisé dense du réacteur de combustion, et la deuxième phase être effectuée dans une autre zone de combustion, par exemple au sein du même réacteur dans une zone surmontant le lit dense et opérant en lit fluidisé dilué ou dans un réacteur distinct recevant la charge gazéifiée et la mettant au contact de la masse active, au sein d’un lit fluidisé dense ou dilué.In the case of the combustion of solid hydrocarbon feedstocks, a sufficiently long contact time of the feedstock with the particles of the active mass is generally necessary to tend towards total combustion, and involves a first phase of gasification of the solid feedstock, followed by of a combustion of the gasified charge. Both phases can be carried out in the dense fluidized bed of the combustion reactor. According to another configuration, the first phase can be carried out in the dense fluidized bed of the combustion reactor, and the second phase can be carried out in another combustion zone, for example within the same reactor in a zone overcoming the dense bed and operating in a dilute fluidized bed or in a separate reactor receiving the gasified charge and bringing it into contact with the active mass, within a dense or dilute fluidized bed.
La géométrie des réacteurs peut être parallélépipédique, typiquement un parallélépipède rectangle, cylindrique ou toute autre géométrie tridimensionnelle comprenant de préférence une symétrie de révolution. Par cylindrique on fait référence à un cylindre de révolution. Par exemple, le réacteur de combustion est cylindrique ou a une forme de parallélépipède rectangle. Dans ce dernier cas, le diamètre DRdu réacteur doit être compris comme un diamètre équivalent, défini comme le diamètre du cercle inscrit à la section du réacteur.The geometry of the reactors can be parallelepipedic, typically a rectangular parallelepiped, cylindrical or any other three-dimensional geometry preferably comprising a symmetry of revolution. Cylindrical refers to a cylinder of revolution. For example, the combustion reactor is cylindrical or has the shape of a rectangular parallelepiped. In the latter case, the diameter D R of the reactor must be understood as an equivalent diameter, defined as the diameter of the circle inscribed in the section of the reactor.
Les matériaux utilisés pour réaliser les réacteurs et ses éléments constitutifs (admission(s), évacuation(s), sortie(s), etc.) peuvent être choisis parmi les matériaux réfractaires, par exemple de type béton réfractaire, brique réfractaire ou céramique, les aciers haute température, par exemple de type Hastelloy®, Incoloy®, Inconel® ou Manaurite®, ou des aciers conventionnels, par exemple de type acier inoxydable ou acier au carbone combinés à des matériaux réfractaires ou combinés à des moyens de refroidissement tels que des tubes dans lesquels circulent un fluide caloporteur.The materials used to make the reactors and their constituent elements (intake(s), evacuation(s), outlet(s), etc.) can be chosen from refractory materials, for example of the refractory concrete, refractory brick or ceramic type, high temperature steels, for example of the Hastelloy®, Incoloy®, Inconel® or Manaurite® type, or conventional steels, for example of the stainless steel or carbon steel type combined with refractory materials or combined with cooling means such as tubes in which a heat transfer fluid circulates.
Etape de combustion dans le réacteur de combustion CLC à fluidisation étagéeCombustion stage in the CLC staged fluidization combustion reactor
Le fonctionnement du réacteur de combustion est à présent décrite plus en détails, en relation avec les figures 2 à 8.The operation of the combustion reactor is now described in more detail, in relation to Figures 2 to 8.
La
Le réacteur de combustion 10 est configuré pour comprendre un lit fluidisé dense 5 de hauteur H.The combustion reactor 10 is configured to comprise a dense fluidized bed 5 of height H.
Le lit fluidisé dense comporte les particules de la masse active, ainsi que la charge hydrocarbonée, qui peut être sous forme de particules solides, sous forme liquide ou sous forme gazeuse.The dense fluidized bed comprises the particles of the active mass, as well as the hydrocarbon feedstock, which may be in the form of solid particles, in liquid form or in gaseous form.
Le réacteur 10 comporte ainsi une ligne d’injection des particules de la masse active 3 provenant du réacteur d’oxydation, ladite ligne comportant une ouverture dans le réacteur de combustion, située à la base du réacteur. Cette ligne d’injection des particules 3 a un diamètre D. Pour donner un ordre de grandeur, D peut aller de quelques centimètres à 2 ou 3 mètres. Le réacteur comprend aussi une entrée pour la charge hydrocarbonée.The reactor 10 thus comprises a line for injecting the particles of the active mass 3 coming from the oxidation reactor, said line comprising an opening in the combustion reactor, located at the base of the reactor. This particle injection line 3 has a diameter D. To give an order of magnitude, D can range from a few centimeters to 2 or 3 meters. The reactor also includes an inlet for the hydrocarbon charge.
Le réacteur de combustion 10 est configuré pour réaliser la combustion de la charge hydrocarbonée au sein du lit fluidisé dense, et donc est ainsi configuré pour évacuer du gaz (gaz de fluidisation et gaz issus de la combustion de la charge hydrocarbonée et éventuellement une partie de la charge non convertie sous forme gaz) et des particules solides (masse active et éventuellement imbrulés et cendres en cas de charge hydrocarbonée solide) issues du lit fluidisé dense 5. Il comporte ainsi avantageusement une sortie pour le gaz 7, de préférence au sommet du réacteur, une évacuation pour les particules de masse active 6, lesdites sortie 7 et évacuation 6 pouvant former un seul et même conduit pour évacuer gaz et solide, de préférence au sommet du réacteur.The combustion reactor 10 is configured to carry out the combustion of the hydrocarbon charge within the dense fluidized bed, and therefore is thus configured to evacuate gas (fluidization gas and gas resulting from the combustion of the hydrocarbon charge and possibly part of the feed not converted into gas form) and solid particles (active mass and possibly unburned matter and ash in the case of solid hydrocarbon feed) from the dense fluidized bed 5. It thus advantageously comprises an outlet for the gas 7, preferably at the top of the reactor, an evacuation for the particles of active mass 6, said outlet 7 and evacuation 6 being able to form a single and same conduit for evacuating gas and solid, preferably at the top of the reactor.
Le réacteur de combustion 10 est muni d’un système de fluidisation pour former le lit fluidisé dense 5, ledit système comportant :
- des premiers moyens d’injection d’un gaz primaire 1 positionnés en fond du réacteur 10, en-dessous d’une ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active 3, et
- des seconds moyens d’injection d’un gaz secondaire 2 comportant au moins un point d’injection dans le réacteur. Ledit au moins un point d’injection est situé au-dessus des moyens d’injection du gaz primaire 1 et également au-dessus de l’ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active 3. Ledit au moins un point d’injection est aussi situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH.The combustion reactor 10 is provided with a fluidization system to form the dense fluidized bed 5, said system comprising:
- first means for injecting a primary gas 1 positioned at the bottom of the reactor 10, below an opening of the line for injecting the particles of the active mass 3, and
- second means for injecting a secondary gas 2 comprising at least one injection point in the reactor. Said at least one injection point is located above the primary gas injection means 1 and also above the opening of the active mass particle injection line 3. Said at least one point injection is also located at a height of between 0.05xH and 0.7xH.
Ainsi le gaz permettant de fluidiser les particules de solide et former le lit dense comprend le gaz primaire 1 et le gaz secondaire 2, injectés à des hauteurs différentes dans le réacteur de combustion 10, prenant ainsi la forme d’une fluidisation étagée.Thus the gas making it possible to fluidize the solid particles and form the dense bed comprises the primary gas 1 and the secondary gas 2, injected at different heights into the combustion reactor 10, thus taking the form of a staged fluidization.
L’entrée pour la charge hydrocarbonée dans le réacteur 10 se fait avantageusement par les moyens d’injection du gaz primaire 1 et/ou les moyens d’injection du gaz secondaire 2.
Dans le cas d’une charge hydrocarbonée solide, l’entrée de ladite charge se fait avantageusement par les moyens d’injection du gaz secondaire 2. Dans ce cas les moyens d’injection du gaz secondaire 2 comprennent de préférence une ligne multi-phase (solide/gaz) de transport pneumatique.The entry for the hydrocarbon charge into the reactor 10 is advantageously made by the means for injecting the primary gas 1 and/or the means for injecting the secondary gas 2.
In the case of a solid hydrocarbon feedstock, said feedstock advantageously enters through the secondary gas injection means 2. In this case, the secondary gas injection means 2 preferably comprise a multi-phase line (solid/gas) pneumatic transport.
Dans le cas d’une charge hydrocarbonée gazeuse, l’entrée de ladite charge peut se faire par les moyens d’injection du gaz primaire 1, par les moyens d’injection du gaz secondaire 2, ou par les deux, et de préférence par les moyens d’injection du gaz secondaire 2 afin de notamment limiter encore la formation de bulles en bas du réacteur au niveau de la ligne d’injection des particules de la masse active 3 si une augmentation du débit de gaz se produit du fait de la combustion de la charge.In the case of a gaseous hydrocarbon feedstock, said feedstock may enter through the primary gas injection means 1, through the secondary gas injection means 2, or through both, and preferably through the secondary gas injection means 2 in order in particular to further limit the formation of bubbles at the bottom of the reactor at the level of the injection line for the particles of the active mass 3 if an increase in the gas flow occurs due to the combustion of the load.
Dans le cas d’une charge hydrocarbonée liquide, la charge est injectée dans le réacteur, et est de préférence atomisée au sein du lit fluidisé pour former de fines gouttelettes. L’entrée de ladite charge liquide peut se faire par des moyens d’injection dédiés, pouvant comprendre des moyens de mélange de la charge liquide avec un gaz d'atomisation et des moyens d'atomisation de la charge liquide. Ces moyens d’atomisation permettant de former des gouttelettes de petite taille sur des débits importants de liquide en présence de gaz sont bien connu de l’Homme du métier, et sont par exemple décrits dans le brevet FR2936301. On peut par exemple utiliser des injecteurs de type venturi, des injecteurs de type impact, ou d’autres systèmes plus complexes déjà bien décrits dans la littérature. Ces injecteurs permettent de former sur des débits unitaires importants des gouttelettes dont la taille est voisine de 100 microns ou moins. Plusieurs injecteurs peuvent être disposés autour du réacteur pour injecter les gouttelettes selon un jet dirigé vers le centre du réacteur, au-dessus de la ligne d’injection des particules 3.In the case of a liquid hydrocarbon feed, the feed is injected into the reactor, and is preferably atomized within the fluidized bed to form fine droplets. The entry of said liquid feedstock can be done by dedicated injection means, which may include means for mixing the liquid feedstock with an atomizing gas and means for atomizing the liquid feedstock. These atomization means making it possible to form small-sized droplets on high flow rates of liquid in the presence of gas are well known to those skilled in the art, and are for example described in patent FR2936301. One can for example use venturi-type injectors, impact-type injectors, or other more complex systems already well described in the literature. These injectors make it possible to form droplets whose size is close to 100 microns or less over high unit flows. Several injectors can be arranged around the reactor to inject the droplets in a jet directed towards the center of the reactor, above the particle injection line 3.
Le réacteur de combustion 10 peut aussi comporter une ou plusieurs conduites de recyclage de particules d’imbrûlés reliées à des systèmes de séparation solide/solide (dispositifs de séparation par élutriation) et/ou gaz/solide (ex : cyclones), dans le cas de la combustion d’une charge hydrocarbonée solide. Pour des raisons de simplification, ces éléments ne sont pas représentés sur la
Dans le système et le procédé CLC selon l’invention, on injecte donc les particules de la masse active oxydo-réductrice 3 au sein du réacteur de combustion 10, typiquement de manière continue, et on réalise la combustion de la charge hydrocarbonée, qui peut être introduite avec les moyens d’injection du gaz primaire 1 et/ou avec les moyens d’injection du gaz secondaire 2, au sein du réacteur 10 par une mise en contact des particules de la masse active oxydo-réductrice avec la charge hydrocarbonée au sein du lit fluidisé dense 5.In the CLC system and process according to the invention, the particles of the redox active mass 3 are therefore injected into the combustion reactor 10, typically continuously, and the combustion of the hydrocarbon charge is carried out, which can be introduced with the primary gas injection means 1 and/or with the secondary gas injection means 2, within the reactor 10 by bringing the particles of the redox active mass into contact with the hydrocarbon charge at the within the dense fluidized bed 5.
Le lit fluidisé dense 5 est formé dans le réacteur 10 :
- d’une part par l’injection du gaz primaire 1 au fond du réacteur de combustion, le débit du gaz primaire étant tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre Umfet 0,8xUg, et
- d’autre part par l’injection du gaz secondaire 2 au sein du lit fluidisé dense 5 par ledit au moins un point d’injection situé au-dessus de l’injection du gaz primaire 1 et au-dessus de l’injection des particules de la masse active oxydo-réductrice 3, et situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, selon un débit complémentaire au débit du gaz primaire de manière à atteindre Ug.The dense fluidized bed 5 is formed in the reactor 10:
- on the one hand by the injection of the primary gas 1 at the bottom of the combustion reactor, the flow rate of the primary gas being such that the superficial velocity of the gas in the dense fluidized bed is between U mf and 0.8xU g , and
- on the other hand by the injection of the secondary gas 2 within the dense fluidized bed 5 by said at least one injection point located above the injection of the primary gas 1 and above the injection of the particles of the redox active mass 3, and located at a height comprised between 0.05×H and 0.7×H, according to a flow rate complementary to the flow rate of the primary gas so as to reach U g .
Umfest la vitesse minimale de fluidisation des particules, et on rappelle que Ugest la vitesse superficielle du gaz opérationnelle dudit lit fluidisé dense.U mf is the minimum fluidization velocity of the particles, and it is recalled that U g is the superficial velocity of the operational gas of said dense fluidized bed.
L’injection du gaz primaire 1 au fond du réacteur de combustion est bien-entendu réalisée en-dessous de l’ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active 3.The injection of the primary gas 1 at the bottom of the combustion reactor is of course carried out below the opening of the injection line for the particles of the active mass 3.
La base du lit dense est formée sensiblement au même niveau que l’injection des particules de la masse active 3.The base of the dense bed is formed substantially at the same level as the injection of the particles of active mass 3.
La vitesse superficielle du gaz opérationnelle Ugdans le lit dense du réacteur de combustion 10 est telle que le régime du lit est celui d’un lit bouillonnant, ou d’un lit en régime turbulent correspondant à une plus grande vitesse du gaz. La vitesse superficielle du gaz opérationnelle Ugdépend des particules à fluidiser (taille et densité) et des conditions opératoires. De préférence, Ugest comprise entre 0,1 m/s et 3 m/s, plus préférentiellement comprise entre 0,3 m/s et 2 m/s.The surface velocity of the operational gas U g in the dense bed of the combustion reactor 10 is such that the bed regime is that of a bubbling bed, or a bed in a turbulent regime corresponding to a higher gas velocity. The superficial velocity of the operational gas U g depends on the particles to be fluidized (size and density) and on the operating conditions. Preferably, U g is between 0.1 m/s and 3 m/s, more preferably between 0.3 m/s and 2 m/s.
Dans de tels régimes de fluidisation hétérogène, la formation de bulles de grandes dimensions, pouvant aller jusqu’à s’approcher de la taille de la section de passage du réacteur (phénomène de pistonnage à la transition entre le régime du lit bouillonnant et le régime turbulent), peut poser les problèmes de fluctuation de pression, de vibration, d’hétérogénéité de température et de mauvais mélange solide/gaz tels que déjà décrits, et néfastes pour l’intégrité de l’installation CLC et les performances du procédé CLC.In such heterogeneous fluidization regimes, the formation of large bubbles, possibly approaching the size of the flow section of the reactor (pistoning phenomenon at the transition between the bubbling bed regime and the turbulent), can pose problems of pressure fluctuation, vibration, temperature heterogeneity and poor solid/gas mixture as already described, and harmful to the integrity of the CLC installation and the performance of the CLC process.
Selon l’invention, la formation du lit dense par le système d’injections de gaz étagées permet de réduire la formation de bulles de grandes dimensions, et ainsi limiter les fluctuations de pression dans le réacteur et améliorer le contact entre la charge hydrocarbonée et la masse active, permettant une meilleure stabilité mécanique de l’installation CLC et de meilleures performances de combustion.According to the invention, the formation of the dense bed by the stepped gas injection system makes it possible to reduce the formation of large bubbles, and thus limit the pressure fluctuations in the reactor and improve the contact between the hydrocarbon charge and the active mass, allowing better mechanical stability of the CLC installation and better combustion performance.
Le gaz primaire 1 peut être injecté dans le réacteur par tout type de distributeur de gaz connu de l'homme du métier. Le distributeur de gaz primaire 1 peut comprendre, sans être limitatif, des plaques perforées, des plateaux à clapets (« bubble cap » selon la terminologie anglo-saxonne), des plaques poreuses, des diffuseurs (« spargers » en anglais) tel que des tubes en réseau munis d’orifices et/ou de fentes, des tubes de dispersion de gaz en anneau. Par exemple, le gaz primaire est introduit par des plaques perforées disposées en aval d’un distributeur qui peut être une boîte à vent alimentée par un conduit d’alimentation du gaz. De préférence, ces plaques sont disposées horizontalement. Dans certains cas, ces plaques peuvent être inclinées d'un angle généralement compris entre 30° et 70° par rapport à l'horizontale. Cela peut être avantageux notamment dans le cas de combustion de charges solides, car ainsi les plaques peuvent laisser dans la partie centrale un espace libre à l'écoulement des particules, permettant de soutirer à travers le distributeur une partie des particules sédimentant dans cette zone et constituées en majorité de cendres agglomérées.The primary gas 1 can be injected into the reactor by any type of gas distributor known to those skilled in the art. The primary gas distributor 1 can comprise, without being limiting, perforated plates, valve plates (“bubble cap” according to the English terminology), porous plates, diffusers (“spargers” in English) such as network tubes provided with orifices and/or slots, ring gas dispersion tubes. For example, the primary gas is introduced by perforated plates arranged downstream of a distributor which may be a wind box supplied by a gas supply conduit. Preferably, these plates are arranged horizontally. In some cases, these plates can be inclined at an angle generally between 30° and 70° relative to the horizontal. This can be advantageous in particular in the case of combustion of solid loads, because thus the plates can leave in the central part a free space for the flow of the particles, making it possible to extract through the distributor part of the particles sedimenting in this zone and mainly made up of agglomerated ashes.
Le débit du gaz primaire 1 doit être suffisant pour fluidiser les particules ; il est tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre Umfet 0,8xUg, et de préférence tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre 5xUmfet 0,6xUg, et plus préférentiellement comprise entre 10xUmfet 0,4xUg.The flow rate of primary gas 1 must be sufficient to fluidize the particles; it is such that the superficial gas velocity in the dense fluidized bed is between U mf and 0.8xU g , and preferably such that the superficial gas velocity in the dense fluidized bed is between 5xU mf and 0.6xU g , and more preferably between 10×U mf and 0.4×U g .
La vitesse opérationnelle Ugdans le lit fluidisé dense est atteinte grâce au débit de gaz complémentaire apporté par l’injection de gaz secondaire 2.The operational speed U g in the dense fluidized bed is reached thanks to the complementary gas flow provided by the injection of secondary gas 2.
Ainsi, le débit de gaz secondaire 2 est tel que la contribution du gaz secondaire à la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé est comprise entre 0,2xUget (Ug-Umf), de préférence comprise entre 0,4xUget (Ug-5xUmf), et plus préférentiellement comprise entre 0,6xUget (Ug-10xUmf).Thus, the flow rate of secondary gas 2 is such that the contribution of the secondary gas to the superficial gas velocity in the fluidized bed is between 0.2xU g and (U g -U mf ), preferably between 0.4xU g and (U g -5xU mf ), and more preferably between 0.6xU g and (U g -10xU mf ).
L’injection du gaz secondaire 2 dans le lit fluidisé dense 5 peut comprendre plusieurs points d’injection, soit à une même hauteur dans le réacteur, soit à des hauteurs différentes dans le réacteur, soit les deux. Par exemple, les moyens d'injection de gaz secondaire 2 comprennent plusieurs points d’injection, typiquement 2 à 8 points d’injection, et de préférence 2 à 4 points d’injection, répartis, de préférence uniformément, autour du réacteur de combustion. Un exemple d’un tel mode de réalisation est illustré aux figures 3 et 4 détaillées plus bas. Les moyens d'injection de gaz secondaire 2 peuvent également comprendre plusieurs points d’injection répartis selon des couronnes situées à des hauteurs différentes le long du réacteur de combustion, de préférence 2 à 4 couronnes comportant chacune entre 2 et 8 points d’injection, et de préférence entre 2 à 4 points d’injection. Dans tous les cas, l’injection du gaz secondaire est réalisée dans le lit fluidisé dense 5, à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, et plus préférentiellement comprise 0,05xH et 0,5xH.The injection of the secondary gas 2 into the dense fluidized bed 5 can comprise several injection points, either at the same height in the reactor, or at different heights in the reactor, or both. For example, the secondary gas injection means 2 comprise several injection points, typically 2 to 8 injection points, and preferably 2 to 4 injection points, distributed, preferably uniformly, around the combustion reactor . An example of such an embodiment is illustrated in Figures 3 and 4 detailed below. The secondary gas injection means 2 can also comprise several injection points distributed according to crowns located at different heights along the combustion reactor, preferably 2 to 4 crowns each comprising between 2 and 8 injection points, and preferably between 2 to 4 injection points. In all cases, the injection of the secondary gas is carried out in the dense fluidized bed 5, at a height comprised between 0.05×H and 0.7×H, and more preferably comprised 0.05×H and 0.5×H.
De préférence, l’injection du gaz secondaire est réalisée dans la moitié inférieure du réacteur de combustion 10. Pour cela, le ou les points d’injection de gaz secondaire 2 sont situés dans la moitié inférieure du réacteur de combustion. De préférence, le ou les points d’injection de gaz secondaire 2 sont situés à une hauteur comprise entre 0,05xHRet 0,7xHR, et plus préférentiellement comprise entre 0,05xHRet 0,5xHR.Preferably, the injection of the secondary gas is carried out in the lower half of the combustion reactor 10. For this, the secondary gas injection point(s) 2 are located in the lower half of the combustion reactor. Preferably, the secondary gas injection point(s) 2 are located at a height of between 0.05×H R and 0.7×H R , and more preferably between 0.05×H R and 0.5×H R .
Avantageusement, l’injection du gaz secondaire 2 est réalisée à une distance comprise entre 0,1xD et 5xD, de préférence comprise entre 0,5xD et 1,5xD, au-dessus de l’ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active 3 (D= diamètre de la ligne d’injection des particules 3). Pour cela, le ou les points d’injection de gaz secondaire 2 sont situés à une distance comprise entre 0,1xD et 5xD, de préférence comprise entre 0,5xD et 1,5xD, au-dessus de l’ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active 3. Dans le cas, où l’injection du gaz secondaire comprend plusieurs points d’injection répartis selon des couronnes situées à des hauteurs différentes le long du réacteur de combustion, la hauteur entre lesdites couronnes est de préférence comprise entre 0,1xD et 5xD, et plus préférentiellement comprise entre 0,5xD et 1,5xD.Advantageously, the injection of the secondary gas 2 is carried out at a distance comprised between 0.1xD and 5xD, preferably comprised between 0.5xD and 1.5xD, above the opening of the injection line of the particles of the active mass 3 (D= diameter of the particle injection line 3). For this, the secondary gas injection point(s) 2 are located at a distance between 0.1xD and 5xD, preferably between 0.5xD and 1.5xD, above the opening of the line d injection of the particles of the active mass 3. In the case where the injection of the secondary gas comprises several injection points distributed according to crowns located at different heights along the combustion reactor, the height between said crowns is preferably between 0.1xD and 5xD, and more preferably between 0.5xD and 1.5xD.
Le gaz secondaire 2 peut être injecté dans le réacteur 10 par tout moyen adéquat connu de l'homme du métier. Les moyens d’injections du gaz secondaire 2 peuvent comprendre un ou plusieurs tubes qui pénètrent dans le lit fluidisé dense 5, ou qui, de préférence, s’ouvrent dans le lit sans y pénétrer, le ou les tubes comprenant alors à l’une de leurs extrémités une ouverture contenue par la paroi du réacteur de combustion. Le ou les tubes sont alimentés par du gaz secondaire 2. Le ou les tubes peuvent être horizontaux, inclinés par rapport à la verticale, ou verticaux (angle α formé, dans un plan vertical, entre l’axe du tube et la tangente à la paroi du réacteur au point d’injection). Le ou les tubes peuvent aussi former un angle avec la paroi du réacteur au point d’injection, défini dans le plan horizontal (angle β formé entre l’axe du tube et la tangente à la paroi au point d’injection, défini dans un plan horizontal), et par exemple être perpendiculaire(s) à la paroi du réacteur 10 au point d’injection (β = 90°) de manière à former un jet dans le lit qui soit perpendiculaire à la paroi (jet selon un direction radiale), ou encore être incliné(s) par rapport à la paroi du réacteur 10 au point d’injection de manière à former un jet dans le lit qui soit tangentiel à la paroi.The secondary gas 2 can be injected into the reactor 10 by any suitable means known to those skilled in the art. The secondary gas injection means 2 may comprise one or more tubes which penetrate into the dense fluidized bed 5, or which, preferably, open into the bed without entering it, the tube(s) then comprising on one from their ends an opening contained by the wall of the combustion reactor. The tube or tubes are supplied with secondary gas 2. The tube or tubes can be horizontal, inclined with respect to the vertical, or vertical (angle α formed, in a vertical plane, between the axis of the tube and the tangent to the wall of the reactor at the injection point). The tube or tubes can also form an angle with the wall of the reactor at the injection point, defined in the horizontal plane (angle β formed between the axis of the tube and the tangent to the wall at the injection point, defined in a horizontal plane), and for example be perpendicular to the wall of the reactor 10 at the injection point (β = 90°) so as to form a jet in the bed which is perpendicular to the wall (jet in a radial direction ), or even be inclined with respect to the wall of the reactor 10 at the injection point so as to form a jet in the bed which is tangential to the wall.
La
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Selon un autre mode de réalisation, le ou les tubes peuvent être verticaux et disposés à la base du réacteur, se prolongeant dans le réacteur 10 et s’ouvrant au sein du lit fluidisé dense 5 par une de leurs extrémités constituant le ou les points d’injection du gaz secondaire 2. Lesdites tubes verticaux peuvent avoir différentes hauteurs pour procéder à des injections à des hauteurs différentes dans le lit dense 5. Les tubes verticaux sont de préférence répartis au fond du réacteur de manière uniforme. Le nombre de tubes verticaux peut être tel que les tubes couvrent de 0,1 à 0,7 fois la section du réacteur. Par exemple le réacteur comprend entre 1 et 8 tubes, de préférence entre 2 et 4 tubes, couvrant une telle surface.
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L’injection de gaz secondaire 2 peut comprendre une combinaison de ces différentes géométries des tubes. Par exemple, les injections peuvent se faire au moyen d’une combinaison de tubes perpendiculaires et de tubes tangentiels à la paroi du réacteur de combustion au point d’injection. D’autres combinaisons sont encore possibles.The secondary gas injection 2 can comprise a combination of these different tube geometries. For example, injections can be made by means of a combination of tubes perpendicular and tubes tangential to the wall of the combustion reactor at the point of injection. Other combinations are still possible.
Les modes de réalisations comportant des tubes ne pénétrant pas dans le réacteur ont pour avantage d’éviter l’usure des moyens d’injection du gaz secondaire 2, et de limiter ainsi les couts de maintenance, voire d’investissement du système.The embodiments comprising tubes that do not penetrate into the reactor have the advantage of avoiding wear of the secondary gas injection means 2, and thus of limiting the maintenance costs, or even the investment costs of the system.
De préférence, le gaz secondaire 2 est injecté dans le lit fluidisé dense 5 à une vitesse comprise entre 3 m/s et 90 m/s, et de manière plus préférée entre 5 m/s et 30 m/s. Il s’agit typiquement de la vitesse en sortie du ou des tubes.Preferably, the secondary gas 2 is injected into the dense fluidized bed 5 at a speed of between 3 m/s and 90 m/s, and more preferably between 5 m/s and 30 m/s. This is typically the speed at the exit of the tube(s).
Dans le cas où la charge hydrocarbonée est solide, un ou plusieurs tubes des moyens d’injections du gaz secondaire peuvent être utilisés pour introduire ladite charge en mélange avec le gaz secondaire 2. La charge solide sous forme de particules est alors être transportée de manière pneumatique, sous forme de transport pneumatique dense ou dilué. De préférence, la vitesse du gaz secondaire dans le ou les tubes de transport pneumatique de la charge hydrocarbonée solide est de 0,05 à 10 fois la vitesse de saltation Usaltdes particules de la charge hydrocarbonée.In the case where the hydrocarbon charge is solid, one or more tubes of the secondary gas injection means can be used to introduce said charge mixed with the secondary gas 2. The solid charge in the form of particles is then to be transported in a manner pneumatic, in the form of dense or dilute pneumatic transport. Preferably, the velocity of the secondary gas in the tube(s) for the pneumatic transport of the solid hydrocarbon feedstock is from 0.05 to 10 times the saltation velocity U salt of the particles of the hydrocarbon feedstock.
Le gaz primaire 1 et le gaz secondaire 2 comprennent un gaz de fluidisation qui peut être du CO2, par exemple le CO2produit lors de la combustion et recyclé, ou de la vapeur d’eau, ou un mélange des deux.The primary gas 1 and the secondary gas 2 comprise a fluidization gas which can be CO 2 , for example the CO 2 produced during combustion and recycled, or steam, or a mixture of the two.
Dans le cas de la combustion d’une charge hydrocarbonée gazeuse, le gaz primaire et/ou le gaz secondaire peuvent comprendre ladite charge, et de préférence le gaz secondaire car les moyens d’injections du gaz secondaire sont préférés pour injecter une telle charge dans le réacteur 10.In the case of the combustion of a gaseous hydrocarbon feedstock, the primary gas and/or the secondary gas can comprise said feedstock, and preferably the secondary gas because the secondary gas injection means are preferred for injecting such a feedstock into reactor 10.
Dans le cas de la combustion d’une charge hydrocarbonée solide ou liquide, le gaz primaire 1 et le gaz secondaire 2 peuvent être constitués de CO2ou de vapeur d’eau.In the case of the combustion of a solid or liquid hydrocarbon feedstock, the primary gas 1 and the secondary gas 2 can consist of CO 2 or water vapour.
Dans le procédé CLC selon l’invention, on envoie les particules de la masse active oxydo-réductrice ayant séjourné dans le réacteur de combustion 10 vers le réacteur d'oxydation (non représenté sur la
L’exemple qui suit vise à montrer certaines performances du procédé et de l’installation CLC selon l’invention, en particulier l’efficacité du système de fluidisation étagée formant le lit fluidisé dense pour limiter la formation de bulles de grande dimension et diminuer les fluctuations de pression dans un réacteur opérant en lit fluidisé dense.The following example aims to show certain performances of the CLC process and installation according to the invention, in particular the effectiveness of the staged fluidization system forming the dense fluidized bed to limit the formation of large bubbles and reduce the pressure fluctuations in a dense fluidized bed reactor.
Selon cet exemple, on compare la distribution de solide (
Cet exemple est réalisé par simulation à l'aide du logiciel Barracuda d’un lit fluidisé dense dans les deux réacteurs.This example is carried out by simulation using the Barracuda software of a dense fluidized bed in the two reactors.
Les caractéristiques géométriques des réacteurs sont les mêmes dans les deux cas, à l’exception du système de fluidisation :The geometric characteristics of the reactors are the same in both cases, with the exception of the fluidization system:
Les réacteurs RIet RPAont un rapport hauteur/diamètre égal à 4, et le lit fluidisé dense occupe tout le réacteur. Le diamètre des réacteurs est de 1,5 m. Le gaz de fluidisation est de la vapeur d’eau. La pression de sortie est de 0,11 MPa, la température de 950°C, la vitesse superficielle de gaz opérationnelle Ugde 1 m/s.The R I and R PA reactors have a height/diameter ratio equal to 4, and the dense fluidized bed occupies the entire reactor. The diameter of the reactors is 1.5 m. The fluidizing gas is water vapour. The outlet pressure is 0.11 MPa, the temperature 950° C., the operational superficial gas velocity U g 1 m/s.
Dans le réacteur RPA, tout le gaz de fluidisation est injectée à la base du réacteur.In the R PA reactor, all the fluidization gas is injected at the base of the reactor.
Dans le réacteur RI, 30% (0,147 kg/s) du gaz de fluidisation est injecté à la base du réacteur et 70% (0,34 kg/s) est injecté par quatre tubes répartis uniformément autour du réacteur tel qu’illustré à la
La
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Claims (22)
- on injecte des particules d’une masse active oxydo-réductrice (3) au sein d’un réacteur de combustion (10);
- on effectue la combustion de ladite charge hydrocarbonée au sein du réacteur de combustion (10, 100, 110, 120) par une mise en contact desdites particules de la masse active oxydo-réductrice (3) avec ladite charge hydrocarbonée au sein d’un lit fluidisé dense (5) de hauteur H, ledit lit fluidisé dense (5) étant formé dans ledit réacteur de combustion :
-- par l’injection d’un gaz primaire (1) à la base dudit réacteur de combustion, le débit dudit gaz primaire étant tel que la vitesse superficielle du gaz dans le lit fluidisé dense est comprise entre Umfet 0,8xUg, Umfétant la vitesse minimale de fluidisation des particules et Ugétant la vitesse superficielle du gaz opérationnelle dudit lit fluidisé dense (5), et
-- par l’injection d’un gaz secondaire (2) au sein dudit lit fluidisé dense (5) par au moins un point d’injection situé au-dessus de l’injection du gaz primaire (1) et d’une injection des particules de ladite masse active oxydo-réductrice (3), et situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, selon un débit complémentaire au débit du gaz primaire de manière à atteindre Ug;
- on envoie les particules de la masse active oxydo-réductrice ayant séjourné dans le réacteur de combustion vers un réacteur d'oxydation (11) opérant en lit fluidisé pour les oxyder, avant de les renvoyer vers le réacteur de combustion (10, 100, 110, 120).Process for the combustion of a hydrocarbon charge by oxidation-reduction in a chemical loop, in which:
- particles of an active redox mass (3) are injected into a combustion reactor (10);
- combustion of said hydrocarbon charge is carried out within the combustion reactor (10, 100, 110, 120) by bringing said particles of the redox active mass (3) into contact with said hydrocarbon charge within a dense fluidized bed (5) of height H, said dense fluidized bed (5) being formed in said combustion reactor:
-- by injecting a primary gas (1) at the base of said combustion reactor, the flow rate of said primary gas being such that the superficial gas velocity in the dense fluidized bed is between U mf and 0.8xU g , U mf being the minimum fluidization velocity of the particles and U g being the surface velocity of the operational gas of said dense fluidized bed (5), and
-- by the injection of a secondary gas (2) within said dense fluidized bed (5) by at least one injection point located above the injection of the primary gas (1) and an injection particles of said redox active mass (3), and located at a height comprised between 0.05×H and 0.7×H, according to a flow rate complementary to the flow rate of the primary gas so as to reach U g ;
- the particles of the redox active mass which have stayed in the combustion reactor are sent to an oxidation reactor (11) operating in a fluidized bed to oxidize them, before returning them to the combustion reactor (10, 100, 110, 120).
- un réacteur de combustion (10, 100, 110, 120) apte à comprendre un lit fluidisé dense (5) de hauteur H comportant des particules d’une masse active oxydo-réductrice (3) et ladite charge hydrocarbonée, et muni d’un système de fluidisation pour former ledit lit fluidisé dense,
ledit système de fluidisation comportant :
-- des premiers moyens d’injection d’un gaz primaire (1) positionnés à la base dudit réacteur de combustion situés au-dessous d’une ouverture de la ligne d’injection des particules de la masse active (3), et
-- des seconds moyens d’injection d’un gaz secondaire (2, 200, 210, 220) comportant au moins un point d’injection dans ledit réacteur situé au-dessus des premiers moyens d’injection et au-dessus de l’ouverture d’une ligne d’injection des particules de la masse active oxydo-réductrice (3) dans ledit réacteur de combustion, et situé à une hauteur comprise entre 0,05xH et 0,7xH, et
- un réacteur d’oxydation (11) configuré pour recevoir les particules de la masse active oxydo-réductrice ayant séjourné dans le réacteur de combustion, pour oxyder lesdites particules au sein d’un lit fluidisé, et pour les renvoyer vers ledit réacteur de combustion (10, 100, 110, 120).Installation for carrying out the process for the combustion of a hydrocarbon charge by oxidation-reduction in a chemical loop according to any one of the preceding claims comprising:
- a combustion reactor (10, 100, 110, 120) capable of comprising a dense fluidized bed (5) of height H comprising particles of an oxido-reducing active mass (3) and said hydrocarbon charge, and provided with a fluidization system for forming said dense fluidized bed,
said fluidization system comprising:
-- first means for injecting a primary gas (1) positioned at the base of said combustion reactor located below an opening of the line for injecting the particles of the active mass (3), and
-- second means for injecting a secondary gas (2, 200, 210, 220) comprising at least one injection point in said reactor located above the first injection means and above the opening of a line for injecting particles of the redox active mass (3) into said combustion reactor, and located at a height of between 0.05xH and 0.7xH, and
- an oxidation reactor (11) configured to receive the particles of the redox active mass having stayed in the combustion reactor, to oxidize said particles within a fluidized bed, and to return them to said combustion reactor (10, 100, 110, 120).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR2013648A FR3118134B1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Process and chemical looping combustion reactor comprising staged fluidization |
Applications Claiming Priority (2)
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Patent Citations (6)
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---|---|---|---|---|
US20090072538A1 (en) * | 2006-03-16 | 2009-03-19 | Alstom Technology Ltd | Plant for the generation of electricity |
FR2936301A1 (en) | 2008-09-23 | 2010-03-26 | Inst Francais Du Petrole | OPTIMIZED CHEMICAL LOOP COMBUSTION METHOD AND DEVICE ON LIQUID HYDROCARBON LOADS |
US9512364B2 (en) | 2011-04-18 | 2016-12-06 | Gas Technology Institute | Bubbling bed catalytic hydropyrolysis process utilizinig larger catalyst particles and small biomass particles featuring an anti-slugging reactor |
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