包括具有气-固混合物分配装置的固/固分离器的CLC设施

摘要

本发明涉及用于燃烧固体烃原料产生未燃尽残余物颗粒的CLC装置，所述CLC装置包括：在燃烧反应器上方的固/固分离器，以便有效分离从燃烧反应器排出的气/固混合物(14)中所含的载氧固体颗粒与未燃尽残余物颗粒。固/固分离器的腔室(1)、燃烧反应器和该腔室的气/固混合物(14)的入口(2)具有平行六面体形状。入口(2)在其顶部装备有用于使所述气/固混合物分布在腔室中的装置(3)，该装置在入口的整个长度上延伸，从而改善了固/固的分离。

说明书

技术领域

本发明涉及通过化学环路氧化/还原(CLC)作为流化床运行进行烃原料燃烧的领域，更具体地涉及化学环路燃烧作为固体烃原料的流化床运行的领域。

背景

化学环路燃烧(CLC)过程是包括在活性物质(通常是金属氧化物)进行氧化还原反应来将燃烧反应分割为两个连续反应的过程：活性物质与氧化气体(通常是空气)接触的第一反应；以及活性物质与需要燃烧的原料接触的第二反应。在CLC过程中，氧化/还原活性物质因此用作氧载体。该固体材料以颗粒形式提供，其根据环路中不同流化床输送条件进行循环。这些颗粒在第一反应区(称为空气反应器)中与空气接触进行氧化。随后，将其输送至第二反应区(称为燃料反应器)中，在第二反应区中与需要进行燃烧的固态烃原料(例如：煤、焦炭、石油焦炭(petroleum coke)或“石油焦”(pet-coke)、生物质、油砂、家庭垃圾)、液态烃原料(例如：燃料油、沥青、柴油、汽油、页岩油等)或气态烃原料(例如：天然气、合成气、生物气、页岩气)接触。通过氧输送体材料的颗粒所输送的氧提供了原料的燃烧。这获得了通过原料燃烧所形成的气态流出物和经还原的颗粒流。使得颗粒返回空气反应器，以在其中进行再氧化，由此结束回路。

借助产生富含二氧化碳的烟道气，CLC过程可以通过回收由燃烧反应所提供热量来产生能量(蒸汽、电力等)，同时帮助捕获在的燃烧期间所排放的二氧化碳(CO

通过控制燃烧并在燃烧过程的下游进行所需的净化，CLC过程还可以生产合成气，甚至是氢气。

由该燃烧模式产生了另一优点：产生极为富含氮气的流，这是空气反应器中活性物质氧化结束后获得的损耗的空气。取决于所获得的纯度，可以在各种应用中，特别是在石油工业领域中，对该氮气流进行提升。例如，其可以在炼油厂中用作各种炼油工艺中的惰性气体，或者用于处理采出水(production water)，或者作为在EOR工艺中注入地下的气体。

在固体烃原料(如，煤)的燃烧期间，通常形成未燃尽残余物颗粒，其随后构成不同于氧载体颗粒的颗粒群。

在通过循环流化床的实施方式中，这些未燃尽残余物颗粒可以从燃烧反应器夹带到用于氧载体氧化的反应器中，可以导致在氧化反应器中形成CO

术语“未燃尽残余物颗粒”理解为是指未经受完全燃烧且因此仍含有烃化合物的固体烃原料(燃料)颗粒。未燃尽残余物颗粒不同于灰分，灰分本质上基本是无机的(灰分通常包含以下化合物：SiO

已知有各种系统用于防止未燃尽残余物颗粒夹带在燃烧烟道气中或进入CLC的氧化反应器中。

申请WO11151537描述了一种用于分离未燃尽残余物颗粒与源自CLC装置燃烧区的气态混合物中所含的氧载体颗粒的装置。为了区分该装置(可以称为固/固分离器)与传统的“气/固”分离器(如旋风分离器)，该装置位于燃烧区上方，并包括腔室，该腔室包括按稀相运行的上部部分和按密相运行的下部部分。包含这两种颗粒群的气体混合物通过在出现在固/固分离器腔室稀相中的入口管道进入，密度最高的颗粒(例如，氧载体颗粒)通过位于腔室下部部分的排放管道排放，而最轻的颗粒(例如，未燃尽残余物颗粒)通过位于分离器腔室上部部分的出口管道与气体一起排出。然后将氧载体颗粒送入氧化反应器，并且将未燃尽残余物颗粒送入气/固分离器(通常为旋风分离器)，从而可以使未燃尽残余物颗粒在燃烧反应器中再循环。根据WO11151537的固/固分离器优选表现出旋转对称性，该腔室是圆柱形的。

基于相同的原理，申请WO11151535描述了一种用于分离未燃尽残余物颗粒与源自CLC装置燃烧区的气态混合物中所含的氧载体颗粒的装置。申请WO11151535具体公开了位于第二燃烧区上方的固/固分离器，其由进入分离器腔室的细长形状的反应器构成。尽管未指定分离器的形状，但某些附图暗含涉及圆柱形形状设备。根据WO11151535的固/固分离器还可以包括在进入分离器腔室的燃烧反应器出口处的扩张锥体形式的插入物，以使包含颗粒的气体混合物分布在整个区段上。这些圆柱形形状的固/固分离器并不总是适合于涉及大型设备的工业用途。这是因为在高温和低压下进行燃烧操作的大型工业装置通常构造成具有矩形截面的几何形状，例如，如蒸汽重整炉(steam reforming furnace)、蒸汽裂化炉、流化床燃烧锅炉、煤粉锅炉等那样。该构造特别有利于简化安装设置在整个内表面上的耐火材料，以保护金属腔室免受高温的影响。该构造还可以帮助装置的规模操作，因为其足以在一个维度中复制单元元件，以增加设备项目的容量。

发明目的和概述

申请人因此开发了集成到CLC装置的燃烧反应器中的新型固/固分离器，其适合于CLC的工业实施。根据本发明，固/固分离器的几何形状是平行六面体，就像安装在固/固分离器下方的燃烧反应器一样，并且该分离器包括至少一个入口用于由燃烧反应器(其形状也是平行六面体)产生的气/固混合物，该入口在其顶部装备有用于使所述混合物分布在腔室中的装置，所述装置在所述入口的整个长度上延伸。

本发明的目标具体在于提供一种固/固分离器，该固/固分离器使得可以高效分离未燃尽残余物颗粒和氧载体颗粒，同时适合于涉及大型项目设备的工业用途。

此外，本发明的目标在于降低制造固/固分离器的成本并简化其构造，以及提高固/固分离器的寿命。

因此，为了实现上述目标中的至少一个，尤其是根据第一方面，本发明提供了用于固体烃原料化学环路燃烧的装置，所述化学环路燃烧产生未燃尽残余物颗粒并采用载氧固体颗粒，所述装置包括：

-按流化床运行的还原反应器，以使所述固体烃原料与载氧固体颗粒接触而燃烧，所述反应器具有平行六面体形状；

-按流化床运行的氧化反应器，以使源自还原反应器的经还原的载氧固体颗粒与氧化气体接触；

-在所述还原反应器上方的固/固分离器，以分离由所述还原反应器得到的气/固混合物中所含的载氧固体颗粒与未燃尽残余物颗粒，所述固/固分离器包括平行六面体形状的腔室，其包括：

-按密相运行的下部部分和按稀相运行的上部部分；

-用于源自还原反应器的气/固混合物的至少一个平行六面体形状的入口，所述入口出现在腔室的上部部分，并且在其顶部装备有用于使所述气/固混合物分布在腔室内的装置，所述装置在所述入口的整个长度上延伸；

-设置在腔室下部部分的至少一个排出部；

-位于腔室上部部分的至少一个出口。

优选地，装置另外包括配置在固/固分离器腔室出口处的气/固分离器，气/固分离器包括不含未燃尽残余物轻质颗粒的气体的排放管道和与还原反应器连通以使未燃尽残余物颗粒再循环至还原反应器的输送管道。

有利的是，固/固分离器的腔室及其入口具有矩形平行六面体形状。

优选地，还原反应器具有矩形平行六面体形状。

固/固分离器的腔室可以包括两个排出部，所述排出部位于入口任一侧的腔室底部处。

优选地，入口在腔室中央。

根据第一实施方式，用于使气/固混合物分布在固/固分离器腔室内的装置包括向腔室顶部敞开的V形截面的梁。

有利的是，梁的V形截面的张开角α为10°至150°，并且优选10°至90°，并且还优选10°至40°。

有利的是，梁的顶部与入口顶部的距离H为0.5x L

有利的是，梁的顶部的宽度L

根据第二实施方式，固/固分离器包括用于冷却入口和梁的装置。

优选地，冷却装置是用于热交换流体通过的金属管，所述管固定至入口形成壁的外表面和梁形成壁的内表面。

根据第三实施方式，用于使所述气/固混合物分布在固/固分离器腔室内的装置包括弯曲板，该弯曲板具有面向腔室底部的凹面，该弯曲板连接至形成入口的两个壁，并设置有位于所述弯曲板的中央部分的任一侧上的至少两个槽，用于气/固混合物通过及使其向腔室周边分布。

有利的是，该固/固分离器另外包括用于对入口和弯曲板进行冷却的装置，优选所述冷却装置是用于热交换流体通过的金属管，所述管固定至入口形成壁的外表面和梁形成壁的内表面。

根据另一实施方式中，用于使所述气/固混合物分布在固/固分离器腔室内的装置包括圆柱形梁。

通过阅读通过非限制性示例给出的本发明的特定示例性实施方式的以下描述，本发明的其他主题和优点将变得显而易见，该描述是参考下面描述的附图进行的。

附图说明

图1是根据本发明的CLC装置的框图。

图2显示了根据第一实施方式的CLC装置的固/固分离器的示意性透视图；

图3显示了如图2所示的根据第一实施方式的一部分固/固分离器的示意性截面图；

图4显示了根据第二实施方式的一部分固/固分离器的示意性截面图；

图5显示了根据第三实施方式的CLC装置的固/固分离器的示意性透视图；

图6显示了根据第一实施方式的一部分分离器示例的示意性截面图；

图7是表示根据现有技术的固/固分离器示例和根据本发明固/固分离器多个示例的固体颗粒流速(横坐标上的Ds)与夹带的固体颗粒的流速(纵坐标上的Dse)的函数关系的图。

在附图中，相同的附图标记表示相同或类似元件。

发明详述

本发明的主题涉及用于燃烧固体烃原料产生未燃尽残余物颗粒的CLC装置，其可以用于高生产能力的工业规模使用，并且包括固/固分离器，以有效分离载氧固体颗粒与离开燃烧反应器的气体混合物中所含的未燃尽残余物颗粒。固/固分离器、燃烧反应器和用于气体混合物进入固/固分离器的入口具有平行六面体形状，并且入口包括用于使气体混合物分布在分离器中的装置，所述装置沿着入口顶部延伸。

在本说明书中，表达“载氧材料”、“氧化/还原活性物质”和“氧载体”是同意义的。氧化/还原物质据说具有与其反应能力相关的活性，就此意义而言是指能够通过捕捉和释放氧来作为CLC过程中的氧输送体。也可使用简写表述“氧载体”或“活性物质”或术语“载氧固体”。

应注意，通常来说，术语氧化和还原分别与活性物质的氧化态或还原态对应使用。氧化反应器也称为空气反应器，其中氧化还原物质进行氧化，还原反应器也称为燃料反应器，其中氧化还原物质进行还原。反应器作为流化床运行，并且活性物质在氧化反应器和还原反应器之间循环。使用循环流化床技术能够使得活性物质从氧化反应器中的氧化状态连续进行至还原反应器中的还原状态。

根据本发明的CLC装置的一般操作原理表示于图1。

在更详细地描述其运行之前，根据本发明的CLC装置包括以下主要元件：

-按流化床运行的还原反应器110，以使固体烃原料12与载氧固体颗粒19接触而燃烧，所述反应器110具有平行六面体形状；

-按流化床运行的氧化反应器100，通过与氧化气体10接触以氧化源自还原反应器110上方的固/固分离器120中的经还原的载氧固体颗粒；

-还原反应器110上方的固/固分离器120，以分离由还原反应器110得到的气/固混合物中所含的载氧固体颗粒与未燃尽残余物颗粒。根据本发明，固/固分离器120如下文所述更详细地显示于图2至图5中，其包括平行六面体形状的腔室，该腔室的下部部分按密相运行，而上部部分按稀相运行。其包括：用于源自还原反应器110的气/固混合物的至少一个平行六面体形状的入口，该入口出现在腔室的上部部分，并且在其顶部装备有用于使所述气/固混合物分布在腔室内的装置，所述装置在所述入口的整个长度上延伸。固/固分离器还包括：位于腔室下部部分的至少一个排出部，以排放载氧颗粒；以及位于腔室上部部分的至少一个出口，以排放包括未燃尽残余物颗粒的较轻颗粒，和燃烧气体。固/固分离器120的腔室还可包括用于外部源气体23的进料管道，以有助于流化和固/固分离。

CLC装置还可包括配置在固/固分离器120腔室的出口处的气/固分离器130(通常是旋风型)，所述气/固分离器130包括不含未燃尽残余物轻质颗粒的气体21的排放管道和与还原反应器110连通以使含未燃尽残余物颗粒的料流18再循环至还原反应器110的输送管道。

在CLC装置中，使得颗粒形式的经还原的氧载体15在如上定义为空气反应器(或氧化反应器)的反应区100中与氧化气体(通常为空气)流10接触。这产生了贫氧流11(贫氧空气流)和再氧化颗粒流19。将氧化的载氧颗粒流19输送至如上定义为还原反应器(也称为燃烧反应器或燃料反应器)的还原区110中。使得颗粒流19与燃料12(其是固体烃原料)接触。这产生了含有燃烧产物(也就是说，由燃烧所产生的气体，如果燃烧完全，主要是CO

在燃烧反应器110中，使固体烃原料12与颗粒形式的氧化/还原活性物质19以并流形式接触，以通过氧化/还原活性物质的还原使所述原料燃烧。

根据下文的反应(1)，氧化/还原物质M

C

与活性物质接触的原料12的燃烧在通常为600℃至1400℃、优选800℃至1000℃的温度下进行。接触时间根据所用原料的类型而变化。相对于固体原料，接触时间通常在1秒至20分钟之间变化，例如，优选在1分钟至10分钟之间变化。

气体混合物14具体包括由燃烧产生的气体以及活性物质颗粒和未燃尽残余物颗粒，其在还原区110的顶部处排出，并引入固/固分离器120中，它可以将通过流15全部或部分地从固/固分离器120底部排出至氧化反应器100的较重的氧载体颗粒与通过流17从固/固分离器120的上部分中(优选顶部处)排出的较轻的未燃尽残余物颗粒和燃烧气体分离。大部分未燃尽残余物颗粒可在气/固分离器130中与燃烧气体分离，并可通过流18送回至燃烧反应器110。下面描述固/固分离器120的运行。

在氧化反应器100中，在依照流19返回至还原区域110之前，且在已与由氧化反应器100顶部处排出的贫氧空气11分离后，根据下述反应(2)，活性物质与空气10接触而恢复到其M

M

其中，n和m分别表示与燃烧反应器中的活性物质反应的碳原子和氢原子的数量。

氧化反应器中的温度通常为600℃至1400℃，优选800℃至1000℃。

活性物质描绘了氧化还原循环，交替地从其氧化形式到其还原形式，反之亦然。

使化学环路燃烧反应的实施成为可能的反应区通常由流化床或循环流化床(也称为输送床)构成。

在本发明中，经处理的烃原料是固体烃原料，例如煤、焦炭、石油焦、生物质、油砂、家庭垃圾。

氧化/还原物质可由金属氧化物构成，所述金属氧化物为例如单独使用或作为混合物使用的Fe、Ti、Ni、Cu、Mn、Co、V氧化物，其来源于矿物(例如钛铁矿或软锰矿)或者是合成的(例如，负载于氧化铝上的氧化铜颗粒CuO/Al

活性物质是可流化颗粒形式的，其属于格尔达特分类的A、B或C组。举例来说，并且以非限制性方式，氧化/还原活性物质的颗粒可以属于格尔达特分类的B组，并且可以呈现出粒度，使得超过90％颗粒的尺寸为100μm至500μm，优选在150μm至300μm。优选地，氧化/还原活性物质的颗粒的密度为1000kg/m

氧化/还原活性物质可以经受活化阶段以增加其反应能力，所述活化阶段可由升温阶段构成，优选是渐进的升温阶段，并且优选是在氧化气氛(例如空气)中进行。

燃烧反应器110可以包括密相流化床或输送流化床，或者甚至包括由密相和输送相构成的床设置，例如，如申请WO11151537中所述。在后一情况中，燃烧反应器随后可以包括狭窄的上部部分，可以加速和输送由燃烧反应器排出的气体/颗粒混合物。

尽管仅显示了单一燃烧反应器，但CLC装置可包括串联的两个燃烧反应器，特别是以密相运行的第一反应器、其上方的第二反应器。在第一反应器中固体原料基本经受了挥发性化合物的脱挥发分以及与氧载体颗粒19接触时的气化。取决于其来源，所述挥发性化合物通常占固体原料的5重量％至50重量％。第二反应器确保由以稀流化床运行的第一反应器产生的气体混合物燃烧，其通常是细长形状的反应器，其中气体具有比第一反应器中更高的表观速度，如申请WO11151535中所述。根据该构造，第一还原反应器中的标称条件优选如下：固相(固体燃料和氧载体)的平均停留时间为0.25分钟至20分钟，优选2分钟至10分钟，气体的表观速度通常为0.3m/s至3m/s(在第一反应器出口处的反应条件下)，并且氧载体浓度至少等于10体积％。第二还原反应器中的条件优选如下：气相的停留时间通常为1秒至20秒，所输送的固体流为25kg/s/m

在根据本发明的CLC装置中，固/固分离器120上方(surmount)的燃烧反应器110具有平行六面体形状，优选矩形形状。该反应器几何形状非常适合于CLC(包括大型设备项目)的工业实施。术语“大型”应理解为是指反应器，其截面以数十平方米(m

下面结合图2至图5更详细地描述根据本发明的装置的固/固分离器120。其运行原理如下：

气/固混合物14通过入口引入，以基本上由气体(至少90体积％)组成的稀相形式出现在分离器120的腔室中。

与气/固混合物14中气体一起输送的固体颗粒基本上是：

-氧载体颗粒，其在通过燃烧反应器110期间至少释放了其部分氧；

-未燃尽的固体燃料颗粒或未燃尽的残余物颗粒；

-可能的飞灰，其是不可燃组分，其由固体燃料颗粒在燃烧反应器中停留足够时间而完全燃烧所产生的。

由于气体在固/固分离器120中的强制速度，固/固分离器120下部部分中的重质颗粒沉积物通过设置在固/固分离器120的下部部分中的至少一个排出部进行提取(流15)，而轻质颗粒被夹带到固/固分离器120的上部部分中并且通过位于腔室的上部部分中(例如，腔室顶部处)的出口排出(流17)。重质颗粒基本由将再循环的氧载体颗粒构成，而轻质颗粒基本由将再循环至燃烧区的未燃尽残余物颗粒构成，并且可能由飞灰构成。在固/固分离器120内，气流的表观速度大于未燃尽燃料颗粒的最终下降速率，例如比未燃尽燃料颗粒最终下降速率大3倍，以使其由气体夹带。因此，通过使由燃烧反应器110产生的颗粒混合物经受强制速度的气流，可实现重质颗粒和轻质颗粒的“快速”分离。术语“快速分离”是指在不到1分钟的时间内进行分离，优选在不到20秒的时间内进行分离，该持续时间对应于轻质颗粒在分离器120稀相中的停留时间。稀相通常显示出固体含量通常小于5％，甚至小于1％(体积)。

分离器120包括平行六面体(优选为矩形)形状的腔室，其具有至少一个同样是平行六面体(优选为矩形)形状的入口、位于腔室下部部分的至少一个排出部和位于腔室上部的至少一个出口，对入口和排出部/出口参数进行选择，以在腔室中形成下部部分中密相和上部部分中的稀相，并且其中，入口出现在稀相中。

因此，在固/固分离器120的稀相中进行分离，以获得最佳的分离效率。

分离效率可以通过下式定义：

X＝气体夹带的未燃尽残余物颗粒数量/进入分离器的颗粒混合物中未燃尽残余物颗粒总量。

用该固/固分离器120，可以获得通常大于70％、甚至大于80％的分离效率。

由于这种良好的分离效率，可以优化该过程的CO

优选地，强制速度的气流完全由源自燃烧反应器110的气/固混合物14引起，但是也可以通过补充注入源自外部源的气体23来调节速度，这也可能有助于沉淀颗粒堆积的密相流化。

优选地，分离器120腔室稀相中气体的表观速度设定成通常为氧载体颗粒平均最终下降速率的30％至300％、优选50％至150％、更优选75％至125％的值。

平均最终下降速率由下式(*)获得：

其中：d

ρ

ρ

C

(*):由流化工程(Fluidization Engineering)，巴特沃斯海涅曼出版社(Butterworth-Heinemann)，Daizo Kunii、Octave Levenspiel，第80页)获取。

因此，气流17包括：燃烧气体和最轻颗粒，这些最轻颗粒主要是未燃尽残余物颗粒，并且可能是飞灰，这些最轻颗粒的一小部分可能由氧载体颗粒构成，特别是由磨损产生的氧载体细料。可将该流送至气/固分离器130，例如旋风分离器，以回收包含在气流17中的固体颗粒并通过流18使其再循环到燃烧反应器110中，例如，在通过流化床淘析去除飞灰之后。在该情况下，固/固分离器120腔室出口供料给气/固分离器130，气/固分离器130包括不含未燃尽残余物轻质颗粒的气体的排放管道21和与还原反应器110连通以使未燃尽残余物颗粒再循环至还原反应器110的输送管道。尽管在图1中仅显示了一个气/固分离阶段，但是可以在气/固分离器130的下游设置其它气/固分离器(例如旋风分离器或过滤器类型)，以更彻底地清除燃烧流出物中的灰尘。

图2是根据第一实施方式的固/固分离器的图示。

固/固分离器121包括长方体形状的腔室1，该腔室1包括用于气/固混合物14的入口2，该气/固混合物14包含氧载体固体颗粒、未燃尽残余物固体颗粒、灰分和气体(主要是蒸汽、少量的CO

入口2具有平行六面体形状，优选矩形形状。它更精确地由优选地两个相对的壁组成，所述两个相对的壁基本平行，优选基本在腔室1的整个长度上延伸。腔室1还可以包括用于该气/固混合物的多个入口2。入口2在其下部部分连接至燃烧反应器顶部。

入口优选在腔室1中央。入口也可以是偏心的，但是这种偏心不会太大，以使得在入口2的出口处，腔室1中气/固混合物保持尽可能均匀的分布。

入口顶部与腔室顶部之间的高度例如为分离高度(height of disengagement)的0.5至2倍，优选为分离高度的1至1.2倍，分离高度为气相中夹带的固体浓度恒定的高度。

入口进入腔室的轴向深度优选0.7x L

固/固分离器120的腔室1还包括在其上部部分用于另一气/固混合物17的出口4，所述气/固混合物17基本由上述气体、大部分未燃尽残余物固体颗粒、灰分和一小部分氧气载体颗粒组成。出口4优选位于腔室的顶部处。出口4也可以位于腔室上部部分中的侧壁上，从而可以侧向排放气/固混合物17，并且例如便于连接至固/固分离器130。通过出口4离开的混合物17优选被引导至气/固分离器130，例如旋风分离器，如上所述。腔室1还可以包括用于该气/固混合物17的多个入口。

出口4优选具有平行六面体形状，优选矩形形状，如图所示。在该情况下，其优选基本在腔室的整个长度上延伸。然而，出口4可以具有任何其他几何形状，例如圆柱形，以便于与固/固分离器130连接。

出口4优选在腔室1中央。或者，其可以偏心。

固/固分离器120的腔室1可以包括两个排出部5，所述排出部位于入口2任一侧的腔室1底部处。其允许主要由氧载体颗粒和一小部分未燃尽固体残余物固体颗粒组成的固体混合物15，优选未燃尽固体残余物固体颗粒的含量小于气/固混合物中的初始含量的30％、优选小于20％，该气/固混合物由入口2到达以被排放并引导至氧化反应器100，在该反应器中氧载体颗粒与氧化气体(例如空气)接触时再次被氧化。可以在腔室1中可替代地设置单个排出部或超过两个排出部，以排放固体混合物15。

排出部5具有平行六面体形状，优选矩形形状。其优选基本在腔室的整个长度上延伸。或者，其可以具有另外的几何形状，例如，圆柱形形状。

在入口2、出口4和排出部5具有矩形平行六面体形状的构造中，如图2所示，入口2、出口4和排出部5各自包括基本沿着腔室1的整个长度延伸、并且优选基本彼此平行的两个侧壁。

固/固分离器的目的是首先使由分离器120底部处的排出部5离开的固体混合物中的未燃尽残余物固体颗粒浓度最小化，从而限制未燃尽残余物夹带到氧化反应器中，并且由此确保高的CO

根据本发明，入口2在其顶部装备有用于使所述气/固混合物分布在腔室中的装置3，该装置在入口2的整个长度上延伸。这些装置位于入口2的顶部处，以改进气/固混合物在固/固分离器120的腔室1的整个截面上的分布。气/固混合物在进入腔室时的这种更好的分布改善了固体颗粒的重力分离。由于与分配装置3的存在有关的气/液混合物的偏离作用，最致密颗粒(即，氧载体颗粒)在靠近腔室1侧壁时减速并回落向腔室1底部。包括未燃尽残余物颗粒的最轻颗粒保持了足够的夹带速度，以到达腔室1的顶部并与气体一起通过出口4离开。

分配装置3本身也通过使颗粒与所述装置接触而引起颗粒减速，起到“防飞溅”作用，其以相同的方式改善了分离器腔室1中氧载体颗粒和未燃尽残余物颗粒的重力分离。

根据如图2所示的第一实施方式，用于气/固混合物14分配的这些装置通过包括向腔室1顶部敞开的V形截面的梁3形成。

可以通过本领域技术人员已知的任何对CLC运行条件有抵抗力的固定装置，例如通过安装凸耳或焊接在入口或腔室壁与梁之间的任何其他固定连接元件，可以将梁固定到入口或另一个支撑物，例如腔室的壁。为了简单起见，图2中未显示梁的固定元件。

图3显示了一部分固/固分离器120的详细视图，显示了梁3相对于入口2的设置。

梁3的几何形状和位置具体通过以下参数进行限定：

-在形成V形截面梁的两个壁之间形成的V形截面梁的张开角α，

-梁3的宽度L

-梁顶部与入口2顶部之间的距离H，更准确地说是梁3顶部处的水平面与入口2顶部处的水平面之间的距离H。

这后两个参数L

有利的是，梁3的V形截面优选形成10°至150°、更优选10°至90°、更优选优选10°至50°的张开角α。例如，张开角为30°。具有低张开角α(优选10°至50°)的几何形状是优选的，因为这可以在梁壁与夹带颗粒之间提供尽可能正切的接触表面，尤其可以限制施加在氧载体颗粒上的机械冲击的强度，从而限制其因摩擦而磨损。

有利的是，距离H为0.5x L

有利的是，宽度L

根据一个替代形式，梁3可以是实心的，因此呈现出三角形形状的截面。

梁3可以由单件形成，或者由多件组装形成，例如，一系列彼此固定以形成具有V形截面的梁的纵向板。

取决于图4中所示和下文所述的替代形式，用于构造固/固分离器的腔室及其构成元件(入口、排出部、出口、分配装置等)的材料可以选自：耐火材料(例如，耐火混凝土、耐火砖或陶瓷类型)，高温钢(例如

图4显示了根据本发明第二实施方式的一部分固/固分离器122的详细视图。该视图以梁3和入口2为中心。固/固分离器122在所有方面都与第一实施方式的固/固分离器相同，不同之处在于其还包括用于使入口2和梁3冷却的装置。

固/固分离器122的几何形状、尤其是平行六面体形状的入口2(优选基本在平行六面体腔室的整个长度上延伸)以及在所述入口2上方的V形梁，可以集成用于使形成分离器的这些元件的材料冷却的装置。

优选地，冷却装置包括用于热交换流体通过的金属管6a和6b，所述管固定(例如焊接)至形成入口2的壁的外表面和形成梁3的壁的内表面。

术语“入口2的壁的外表面”应理解为是指与腔室1的内部空间接触的表面。术语“梁3的壁的内表面”应理解为是指与形成梁3的两个V形壁之间所形成的内部空间接触的面。

例如，梁3包括位于形成V形梁的壁之间的至少一个管6a。该构造使得可以不阻碍气/固混合物在入口2的出口处通过。

入口2包括在形成入口的两个壁中各壁外表面上的至少一排管6b，例如，6排管6b。管6b可以例如连接在一起以在各壁上形成线圈，或者是独立地在各壁上形成线圈。

或者，管6a和6b可以组装在一起以形成冷却壁，同时成为形成梁3和/或入口2的结构元件。

管输送的热交换流体的温度要低于在固/固分离器中运行热交换流体的温度，从而可以通过热交换来冷却内部构件，从而使其保持一定温度下、特别是保持在低于蠕变温度的温度下。

有利的是，将蒸汽用作热交换流体。

一方面，该冷却装置使得可以使用更常规的材料(例如钢)代替昂贵且使用复杂的耐火合金来制造固/固分离器的这些内部元件，所述内部元件可能需要承受固/固分离器的极高运行温度(通常高于900℃，甚至可能高于1000℃)，这对材料提出了很高的要求，并可能产生常规金属材料蠕变的问题。

另一方面，该冷却装置可以使固/固分离器的长期运行更可靠，从而使得在与CLC所施加高温有关的预期机械应力下，CLC装置更可靠，这是次重要的。

因此，通过节省固/固分离器的制造成本以及节省与更可靠长期运行能力相关的运行成本，该实施方式因此特别适合于涉及大型设备项目(通常是昂贵的)的工业实施。

在使用蒸汽作为热交换流体的情况下，该第二实施方式的另一个优点在于可以利用借助这些冷却装置进行的热交换所产生的过热蒸汽来产生能量。

图5是根据第三实施方式的固/固分离器的图示。固/固分离器123与第一实施方式的固/固分离器相同，不同之处用于使气/固混合物分布在腔室中的装置。

根据该第三实施方式，用于气/固混合物分布的装置包括弯曲板7，该弯曲板7具有面向腔室1底部的凹面，该弯曲板7连接至形成入口2的两个壁，并设置有位于所述弯曲板7的中央部分的任一侧上并沿着入口2顶部延伸的至少两个槽8，用于气/固混合物通过及使其向腔室1周边分布。槽8优选基本在入口顶部的整个长度上延伸。因此，进入腔室1中的气/固混合物14以与具有梁3的第一实施方式所述类似方式进行分布。

根据第四实施方式(未显示)，固/固分离器123另外包括用于冷却入口2和弯曲板7的装置。这是第三实施方式的替代形式。

对于图4所示的根据第二实施方式的分离器122，这些冷却装置优选是用于热交换流体(优选蒸汽)通过的金属管。这些管固定至形成入口2的壁的外表面和弯曲板7的外表面。弯曲板的外表面是与腔室1的内部空间接触的表面。不同的是，弯曲板7的内表面位于入口2中所形成的内部空间侧上。可以类似于结合图3所述构造的方式来定位固定在入口2上的管。

该构造呈现出与本发明第二实施方式所述优点类似的优点。

根据未显示的另一实施方式，固/固分离器120在所有方面与结合图2所述第一实施方式相同，不同的是用于使气/固混合物分布在腔室内的装置不是向腔室1顶部敞开的V形截面的梁，而是由圆柱形梁形成。

根据该实施方式，梁的几何形状和位置实质上通过以下两个参数进行限定：-梁的外直径D

有利的是，距离H为0.5x L

有利的是，直径D

这种固/固分离器还可包括与结合图4描述的那些类似的冷却装置，特别是固定(例如焊接)至形成入口的壁的外表面或焊接在一起直接形成入口壁的用于热交换流体通过的金属管，以及固定在圆柱形梁内侧或被圆柱形梁本身代替(其中热交换流体可以循环)的用于使热交换流体通过的金属管。

实施例

以下实施例的目标是显示与缺乏该装置的固/固分离器相比，将气/固混合物分散在本发明CLC装置的固/固分离器中的装置的效率。

根据该实施例，对根据本发明的不同构造进行测试，所有构造均使用向固/固分离器的腔室顶部敞开的V形截面的梁。

结果还显示了V形梁的张开角以及入口顶部上方V形梁位置的影响。

在“冷”模型中，相对于入口2的顶部，以不同高度评估不同几何形状的V形梁，也就是说，在环境温度下运行的非反应装置，其尺寸相当于功率为1MWth、截面为0.3m

测试了总共六个构造C1至C6，并将其与根据现有技术的无梁的固/固分离器的构造C7进行比较。

构造的组件和考虑的主要几何参数如图6示意性所示，其值汇总在下表中。

距离L

针对由3000kg/h变化至9000kg/h的不同颗粒形式固体流速，评估了这些构造C1-C7。固体由钛铁矿组成，钛铁矿是结合钛和铁的矿石，其群体体积(the bulk of thepopulation)直径为100至150μm(索特(Sauter)直径dsv＝113μm)，颗粒密度为4750kg/m

结果显示于图7的图表中，其提供了表示根据现有技术的固/固分离器示例(在图表的图例中以7表示)和根据本发明固/固分离器多个示例(在图表的图例中以1至6表示)的固体颗粒流速(横坐标上的Fs，以kg/h计)与夹带的固体颗粒的流速(纵坐标上的Fes，以％计)的函数关系。

固/固分离效率基于向固/固分离器出口4所夹带的固体颗粒的百分比(气体所夹带的颗粒量/进入分离器的颗粒混合物中颗粒总量之比)进行评估。

最高效率对应于最低百分比。

如图7所示，可以看出，取决于所考虑的几何形状，在入口2顶部处存在V形梁可以显著提高效率3至6倍。

还发现，大多数测试构造均达到了等效效率。仅具有V形梁(具有30°张开角α和较小宽度L