平顶化学循环燃烧反应器的制作方法

本发明涉及通过化学循环氧化/还原(clc)作为流化床运行进行烃原料燃烧的领域，更具体地涉及作为特别适合固体或液体烃原料燃烧的流化床运行的clc燃烧反应器。

现有技术

化学循环燃烧(clc)过程是包括活性物质(通常是金属氧化物)进行氧化/还原反应以将烃原料的燃烧反应分割为如下两个连续反应的过程：在至少一个氧化区中，活性物质与氧化气体(通常是空气)接触进行第一氧化反应；以及在至少一个燃烧区中，活性物质与需要燃烧的原料接触进行第二还原反应。

氧化/还原活性物质在燃烧区域中与原料接触时释放出其所含的一部分氧，因此用作所述燃烧区和氧化区之间的氧输送体，所述活性物质在那里再次被氧化。

该固体材料以属于格尔达特分类(基于颗粒的大小以及其与气体的密度差异)的a、b或c类的可流化颗粒形式提供，并且通常属于b类。颗粒在反应区中以流化床的形式与氧化气体或原料接触，并且通常以流态化形式从一个区输送到另一个区。以流态化形式输送的颗粒主体通常被称为循环或输送流化床。

这些颗粒在至少一个第一反应区(称为氧化反应器或空气反应器)中与氧化气体[通常是空气(或水蒸气)]接触而被氧化。其随后被输送到至少一个第二反应区(称为还原反应器或燃烧反应器或燃料反应器)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”(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。通过活性材料颗粒所输送的氧提供了原料的燃烧。这产生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co2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)，同时帮助捕获在燃烧期间所排放的二氧化碳(co2)。这是因为可以在蒸气冷凝和烟道气压缩后捕获co2，并且随后可以储存在例如深蓄水层中，或者使其提升，例如，通过使用co2以提高增强的原油回收(eor)或增强的气体回收(egr)过程中油田作业的产率。

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：产生非常富含氮气的流，这是空气反应器中活性物质氧化结束后所获得的经损耗的空气。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(productionwater)，或者作为在eor工艺中注入地下的气体。

在clc设备的不同单元中可以采用不同的流化状态，特别是在作为流化床运行的氧化和还原反应器中。这是因为所采用的流化状态取决于待进行的操作(原料的燃烧、氧载体颗粒的氧化、颗粒的运输、固/固分离、固/气分离)和所处理原料的类型。

例如，与气态原料的燃烧相比，本身呈颗粒形式的固体原料的燃烧需要与氧载体颗粒接触更长的时间，这通常反映在燃烧反应器中使用包含致密流化床的区，其根据与所谓沸腾(床中存在气泡)床或湍流(优选的流动状态)床对应的非均相流化状态运行，其中，使氧载体颗粒和固体原料颗粒接触以进行主要由固体原料气化组成的第一燃烧阶段。通常需要第二阶段以趋向完全燃烧，使氧载颗粒与气化的原料接触。该第二阶段通常在第一反应区中进行，并且也可以在包含稀相流化床的第二反应区中进行，其根据涉及更高气体速度的输送流化方案(对应于循环流化床的方案)操作。该反应区通常对应于形成基本细长且垂直的管道的一部分反应器，所述管道通常称为“提升管”(riser)，这是本领域技术人员常用的术语。该构造包括作为致密流化床的第一燃烧区，该第一燃烧区上方是作为致密流化床运行的提升管型第二燃烧区，所述构造见述于例如专利申请wo11151535中，该专利申请涉及一种专用于固体烃原料的clc工艺。

在气态原料进行化学循环燃烧的情况下，由于原料和活性物质颗粒之间所需的接触时间比固体或液体原料的情况更短，提升管型反应器可能足以进行原料燃烧。

通常提高流化床中的气体速度会产生不同的流动状态。根据固体颗粒所属的格尔达特分类，当气体速度提高时，可以实现不同的流化状态。

例如，对于格尔达特分类的b类颗粒，随着气体流速逐渐增加，流动从冒泡状态(沸腾床，一种密相床)变为推流状态(plug-flowregime)[称为活塞流(slugging)](取决于床高度和床直径)，变为湍流状态，变为快速流化状态(循环床)，然后变为输送状态。尽管在低气体速度下，流化状态可能会因颗粒组的不同而不同，但无论其属于哪组，当气体速度增加时，都会达到湍流流化状态，然后达到快速流化状态，然后达到输送状态。

当气泡的直径与柱的直径相当时，就会出现推流状态：对于b类颗粒，气泡随着其在反应器中上升而增大，其尺寸有可能有可能达到反应器的极限直径。在该情况下，达到的状态是推流状态，产生了作为“塞”(plug)的流。大气泡在床的表面或壁上爆裂，伴随着其尾流夹带密集固体聚集体，产生了猛烈的流动不均匀性，并表现为猛烈的压力波动和振动。

湍流状态就其本身而言特别有利于工业过程，因为与沸腾和推流状态状态相比，其呈现出相混合更均匀和非常显著的传质和传热。这是一个与颗粒剧烈搅拌对应的状态：随着流化速度提高，气泡的尺寸和数量逐渐增加，并且悬浮液的搅拌变得越来越剧烈。该搅拌是由气泡上升以及其在尾流中夹带部分悬浮液的事实所产生的。在高速下，气泡的形状变得不规则。然而，即使所形成的大气泡没有达到反应器直径，其也会在床的表面和反应器的壁上产生床内大幅波动的压力和振动，通常是其在床内破裂期间。

由于以下几个原因，推流状态以及大气泡的形成是不理想的：固体与气体的混合较差(较不均匀)，不再能确保反应器温度的均匀性，反应器壁和底部上的压力和振动的剧烈波动不利于反应器的机械强度。

在流化床反应器通过其上部部分连接至较小直径的细长管道(提升管)的情况下，例如上文和申请wo11151535所述的clc反应器，可以证明大气泡的形成更成问题，因为所夹带的固体密集聚集体会继而导致细长管中的推流现象。

用于减少塞推流现象的装置是已知的。例如，专利us9512364b2涉及使用催化沸腾床将颗粒形式的生物质转化为液体燃料的加氢热解过程，其公开了一种包括侧向插入物的抗推流反应器，所述侧向插入物是以规则间隔放置在床中以抑制反应器中推流的干扰元件、阻碍元件或收缩元件。这种插入物并不总是容易使用，并且该类型的反应器可能需要与插入物的可能积碳(coking)相关的大量维护。

本发明提出了提供另一种专用于clc的解决方案以减少与推流现象相关的问题，特别是限制燃烧反应器中压力的剧烈波动，尤其是反应器(提升管)的细长部分中的压力剧烈波动。

发明目的和概述

本发明的目的是提供一种clc燃烧反应器，其能够限制反应器中采用湍流和活塞流流化方案产生的不良影响，特别是限制由大气泡的形成和破裂引起的压力强烈波动。因此，其目标是保持燃烧反应器的机械强度，确保反应器中的温度均匀性，以及确保反应器中气体/颗粒混合物的均匀性，以达到最佳燃烧的目的。

因此，为了实现上述目的以及其他目的等中的至少一个，根据第一方面，本发明提出了一种用于构造为作为流化床运行的化学循环燃烧的燃烧反应器，其包括：

-下腔室，其形成了用于在氧化/还原活性物质颗粒的存在下燃烧烃原料的第一反应区，所述下腔室包括第一侧壁并构造成包括致密流化床；

-细长形上腔室，其通道横截面小于下腔室通道横截面，其形成了使由所述下部部分中燃烧产生的气态流出物燃烧的第二反应区，所述上腔室包括第二侧壁并构造成包括稀相流化床；

-中间部分，其将所述下腔室连接至上腔室，所述中间部分包括与下腔室的第一侧壁和上腔室的第二侧壁形成直角的内壁。

根据一个实施方式，下腔室包括用于主流化气体的主注入系统，其位于下腔室的基底部。

根据一个实施方式，下腔室另外包括用于第二流化气体的第二注入系统，其位于下腔室的顶部。

根据一个实施方式，下腔室另外包括用于第三流化气体的第三注入系统，其位于主注入系统和下腔室的顶部之间，构造成控制密相床的水平/水平面/水平面高度。

根据一个实施方式，燃烧反应器的上部部分包括以优选0.01xh至0.3xh的高度h穿透到腔室的下部部分的区段，h是燃烧反应器下腔室的高度。

根据一个实施方式，下腔室的通道截面与上腔室的通道截面之比为2至15，优选3至10。

根据一个实施方式，反应器的上腔室和下腔室具有平行六面体形状，优选矩形形状。

根据第二方面，本发明提供了用于烃原料化学循环燃烧的设备，其使用在燃烧反应器和氧化反应器之间循环的氧化/还原活性物质颗粒，所述设备包括：

-根据本发明的燃烧反应器，其作为流化床运行以使得所述烃原料与所述氧化/还原活性物质颗粒接触地进行燃烧；

-作为流化床运行的氧化反应器，通过使源自燃烧反应器的经还原的氧化/还原活性物质颗粒与氧化气体接触，以使经还原的氧化/还原活性物质颗粒氧化。

根据第三方面，本发明提出了使用根据本发明的燃烧反应器或根据本发明的设备进行烃原料化学循环燃烧的方法，所述方法包括以下阶段：

-在通过注入主流化气体形成的致密流化床中，使燃烧反应器下腔室中的烃原料与氧化/还原活性物质颗粒接触；

-在燃烧反应器的上腔室中，在稀相流化床内，由下腔室产生的气态流出物在氧化/还原活性物质颗粒存在下进行燃烧；

-留在燃烧反应器中的氧化/还原活性物质颗粒在作为流化床运行的氧化反应器内进行氧化，然后使其返回燃烧反应器。

根据一个实施方式，烃原料是固体原料，优选自煤、焦炭、石油焦、生物质、油砂和生活垃圾。

根据一个实施方式，在固/固颗粒分离器中可以分离未燃尽残余物颗粒和气体混合物中所含氧化/还原活性物质颗粒，所述气体混合物含有由燃烧反应器上腔室产生的燃烧气体；将由此分离的氧化/还原活性物质颗粒送至氧化反应器，未燃尽残余物颗粒(任选地在至少一个气/固分离阶段与燃烧气体分离)在燃烧反应器中再循环。

根据一个实施方式，燃烧反应器下腔室的气体表观速度为0.3米/秒至3米/秒，其中，燃烧反应器上腔室的气体表观速度为3米/秒至15米/秒。

根据一个实施方式，燃烧反应器中的温度为600℃至1400℃，优选800℃至1000℃。

根据一个实施方式，第二流化气体在燃烧反应器下腔室顶部注入，优选沿与竖直方向形成0°至90°的角β的方向形成射流。

优选地，第二流化气体的流量为0.02xqmg至0.2xqmg，qmg为主流化气体的流量。

根据一个实施方式，将第三流化气体注入燃烧反应器下腔室中的密相床区中，以控制密相床的水平/水平面/水平面高度。

根据一个实施方式，根据格尔达特分类，氧化/还原活性物质颗粒属于b类。

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。

附图列表

图1是clc过程的实施框图。

图2显示根据现有技术的clc燃烧反应器。

图3显示根据本发明第一实施方式的clc燃烧反应器。

图4显示根据本发明第二实施方式的clc燃烧反应器。

在附图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。

实施方式的描述

本发明的目的是提出一种用于化学循环燃烧的燃烧反应器，其具有适合于固体或液体烃原料(优选固体原料)燃烧的特定几何形状，以使得能够限制与在将流化床设置为湍流状态下时遇到的推流现象和大气泡存在相关的强烈压力波动。

在对根据本发明的燃烧反应器进行更详细地描述之前，下面结合图1描述使用这种反应器的clc方法和设备。

在本说明书中，表达“氧化/还原活性物质”或缩写形式“活性物质”、“氧输送材料”、“固体氧载体”、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。

应注意，通常来说，术语“氧化”和“还原”分别用于关于活性物质的氧化状态或还原状态。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方法和设备

图1是显示化学循环燃烧大体运行原理的图。其并未以任何方式限制与根据本发明的燃烧反应器结合的clc方法和设备。

使得经还原的氧载体15在如上定义为氧化反应器(或空气反应器)的反应区110中与空气流10接触。这产生了经损耗的空气流11和再氧化颗粒流14。将经氧化的氧载体颗粒流14输送至如上定义为燃料反应器(或还原反应器)的还原区100中。使得颗粒的流14与燃料12(其是烃原料)接触。这产生了燃烧流出物13和经还原的氧载体颗粒流15。为简单起见，图1的图示并不包括可以形成clc单元一部分的各种装置项目，其用于固/气分离、固/固分离、热交换、加压、反应器之间的气密性(例如，虹吸管)、固体储存、固体流的控制(例如机械阀或气动阀)或氧化和燃烧反应器周围材料的任何再循环。

在燃烧区100中，使烃原料12与颗粒形式的氧化/还原活性物质以并流形式接触，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/还原活性物质mxoy(m表示金属)利用cnhm烃原料还原成mxoy-2n-m/2态，而cnhm烃原料根据所用的比例相应地进行氧化以提供co2和h2o，或者任选地提供co+h2混合物。

cnhm+mxoy→nco2+m/2h2o+mxoy-2n-m/2

通常以烃原料的完全燃烧为目标。

与活性物质接触的原料在通常为600℃至1400℃、优选800℃至1000℃的温度下进行燃烧。接触时间根据所用可燃原料的类型而变化。对于固体或液体原料，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，并且，更优选在1分钟至8分钟之间变化，并且例如，对于气态原料，接触时间优选为1秒至20秒。

包括由燃烧产生的气体和活性物质颗粒的混合物从还原区100的顶部排出。气/固分离装置(未显示)(例如，旋风分离器(cyclone))可以用于将燃烧气体13与最大还原态的活性物质固体颗粒15分离。在烃原料为固体时可能发生存在未燃尽残留物的情况下，可以在燃烧反应器出口处使用能够分离未燃尽残留物颗粒与活性物质颗粒的固/固分离装置。该类型的分离器可以与设置在固/固分离器下游的一个或多个气/固分离器组合。将留在燃烧反应器中并与燃烧气体分离的活性物质颗粒送至氧化区110进行再氧化。未燃尽的残余物可以再循环到还原反应器100。

在氧化反应器110中，在返回至还原反应器100之前，且在已与由氧化反应器110顶部处排出的贫氧气体11(通常是“经损耗”(depleted)空气)分离后，根据下述反应(2)，活性物质与氧化气体10(通常为空气或水蒸气)接触而恢复其mxoy氧化态。

mxoy-2n-m/2+(n+m/4)o2→mxoy

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转化为其还原形式，反之亦可。

所处理的烃原料(或燃料)可以是固体或液体烃原料。固体原料可以选自煤、焦炭、石油焦、生物质、沥青砂和生活垃圾。液体原料可以选自：石油、沥青、柴油或汽油。优选地，所处理的烃原料是固体原料，如上所述。

氧化/还原物质可包含金属氧化物，例如，单独使用或作为混合物使用的fe、ti、ni、cu、mn、co、或v的氧化物，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/al2o3，或者负载于氧化铝上的镍氧化物颗粒nio/nial2o4，优选负载于氧化铝上的氧化铜颗粒cuo/al2o3)，含有粘合剂或不含粘合剂，且呈现出所需的氧化/还原性质和进行流化所需的特性。取决于材料的类型，氧化/还原物质的氧储存能力有利地是0.5重量％至15重量％。有利的是，通过金属氧化物有效输送的氧的量为0.5-3重量％，可以只使用总氧输送能力的一部分，理想的是少于总氧输送能力的30％，以限制机械老化或颗粒团聚的风险。只使用一部分氧输送能力的优势还在于：流化床作为热稳定器(thermalballast)起作用，从而使得氧载体路径上的温度变化变得平稳。

活性物质是可流化颗粒形式的，其以单独或组合的方式属于格尔达特(geldart)分类的a、b、c或d类。优选地，氧化/还原活性物质颗粒属于格尔达特分类的b类。举例来说，并且以非限制性方式，所用的b类颗粒呈现出一定粒度，使得超过90％颗粒的尺寸为100μm至500μm，优选150μm至300μm。

优选地，氧化/还原活性物质颗粒(其可以是金属氧化物，是合成的或天然矿石、负载的或未负载的)的密度为1000kg/m³至5000kg/m³，优选1200kg/m³至4000kg/m³。

例如，取决于载体的孔隙率和氧化镍含量，负载在氧化铝上的镍氧化物颗粒(nio/nial2o4)的颗粒密度通常为2500kg/m³至3500kg/m³，通常约为3200kg/m³。

钛铁矿是钛和铁结合的矿石(钛铁氧化物)，密度为4700kg/m³。

氧化/还原活性物质可以经受活化阶段以提高其反应能力，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。

氧化反应器和燃烧反应器作为流化床运行。其各自包含用于注入流化气体的至少一个系统。在燃烧反应器中，流化气体可以是co2(可以是在燃烧和循环期间产生的co2)或水蒸气。在氧化反应器中，流化气体是氧化气体，优选空气。

氧化反应器优选包括输送流化床。有利的是，气体(床的气相)速度为2米/秒至15米/秒，优选3米/秒至10米/秒。例如，该反应器的直径为1米至6米，高度为10米至30米。

燃烧反应器100构造为包括密相床和输送床的设置。具体来说，燃烧反应器100包括在上腔室下方的下腔室，下腔室包括致密流化床，上腔室包括输送流化床。上腔室的通道截面小于下腔室的通道截面，可以加速和输送由下腔室排出的气体/颗粒混合物。优选地，下腔室的气体速度为0.3米/秒至3米/秒。有利的是，燃烧反应器上腔室中的气体速度为3m/s至15m/s。

例如，燃烧反应器100的直径可以为1米至10米，高度为3米至40米。

优选地，下腔室与上腔室的截面比为2至15，优选3至10。

致密流化床理解为是指沸腾床或湍流床。在该致密流化床中，固体体积分数通常为0.25至0.50。

稀相流化床应理解为是指输送床。固体的体积分数通常小于0.25。

反应器的几何形状可以是平行六面体形、圆柱形或优选包括旋转对称性的任意其它三维几何形状。圆柱形是指旋转的圆柱体。

有利的是，燃烧反应器(特别是上腔室和下腔室)具有平行六面体形状，优选矩形形状。具体来说，燃烧反应器的上腔室和下腔室具有这样的形状。该反应器形状非常适合于clc(包括大型设备项目)的工业实施。“大型”应理解为是指反应器，其通道截面以数十平方米(m²)表示，高度上以数十米(m)表示。例如，可以通过在一个维度上可能的反应器复制以增加其容量，来促进clc装置规模扩大。此外，该特定几何形状还具有简化耐火材料在内表面上的可能安装的优点，以便保护反应器腔室壁(通常为金属壁)不受高温的影响。为了限制制造成本的目的，该耐火材料可以与标准钢结合使用。例如，在暴露于流动和高温的内表面上的增强耐火水泥层(其厚度通常为2至50cm，通常接近20cm)使得可以将标准钢用于反应器的外部部分。砖也可以用作反应器腔室壁内表面上的耐火材料。

用于构造反应器及其构成元件(入口、排出点、出口等)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(例如或类型)，或常规钢(例如与耐火材料或冷却装置结合的不锈钢或碳钢类型)，例如，热交换流体在其中循环的管

在燃烧反应器中，下腔室包括致密流化床，并且上腔室包括输送流化床。这种几何形状非常适合固体或液体原料的燃烧，特别是固体原料，其需要与活性物质颗粒接触时间足够长以趋向于完全燃烧，并且涉及到固体或液体原料气化的第一阶段(如致密流化床)，然后是气化原料的燃烧(按致密流化床和传输流化床)。原料的气化有助于提高在通道截面基本恒定的下腔室中气体的速度。该气体速度提高也是由于上腔室中的通道界面变窄而产生的。

在燃烧反应器的下腔室中，随着气体速度增加，从非均相状态(导致构成下腔室密相床的沸腾床)转变为湍流状态，以在上腔室中实现输送状态。

在下腔室中的状态变化期间，气泡的尺寸可能会变得非常大，直至接近下腔室通道截面的尺寸，其特征为沸腾床状态和湍流状态之间的瞬态推流状态期间的推流现象(plug-flowphenomenon)，并造成压力波动、振动、温度不均匀性和固/气混合问题，如上文所述，对clc设备的完整性和clc过程的性能质量有害。

已知的燃烧反应器1示意性地显示于图2中。例如，该燃烧反应器见述于申请wo11151535。其包括下腔室2和上腔室4，上腔室2包括密相床，上腔室4包括稀相床。上腔室4具有细长形状，并且其通道截面严格小于下腔室的通道截面，例如比下腔室的通道截面小至少25％，实际上甚至小至少50％。该上腔室4是提升管。截面的变化可以提高下腔室2和上腔室4之间的速度，并确保密相流和稀相相流之间的过渡。

因此，下腔室2包括：用于烃原料的进料管道；用于进料由氧化反应器产生的活性物质颗粒的管道；用于注入流化气体的系统，该系统位于腔室2基底(base)处，在低于用于烃原料和活性物质颗粒的进料管道的水平面，并且可以形成密相床。例如，流化气体通过特定装置引入，该装置可以是设置在分配器下游的穿孔板，所述分配器可以是通过用于进料所述气体的管道进行进料的风箱。相对于水平面，这些板可以按照通常为30°至70°的角倾斜，并且可以在中央部分留出空间供颗粒流动，从而可以通过分配器抽出一部分沉积在该区域且主要由聚集的灰分组成的颗粒。

下腔室2还可以包括一个或多个用于回收未燃尽残余物颗粒的管道，其连接至固/固分离系统(通过淘析进行分离的装置)和/或气/固分离系统(例如，旋风分离器)。

为简单起见，图2中并未显示所有这些元件。

上腔室4包括在其顶部的用于气体混合物的排出点，该气体混合物包括燃烧气体和活性物质颗粒，以及可能的灰和未燃尽残余物的颗粒。上腔室4还可以包括用于进料活性物质颗粒的装置。

在上腔室4中，来自下腔室2的气态流出物可以进行燃烧。该气态流出物包括部分转化、甚至完全转化的气化固体原料。关于气体速度，气体在该上腔室4中的平均停留时间通常为1秒至20秒，固体的平均停留时间在2秒至1分钟之间变化。在这些条件下，并且鉴于流动的稀相释性质和氧活性物质颗粒的存在，反应基本是在气相(气化的原料)和活性物质颗粒之间的反应。

根据该已知的反应器1，截面可变的管道3可以在下腔室2和上腔室4之间进行连接，并且可以将气态流出物和夹带的颗粒向上腔室4排放。例如，在圆柱形形状腔室的情况下，该管道是圆锥体3。圆锥体3的壁与下腔室和上腔室的壁(即与垂线)形成非零角α。

在该构造中，固体聚集体夹带的气泡滑过圆锥壁3，集中在上腔室4的入口处，然后在其破裂时引起剧烈的压力波动。固体(或固体颗粒)聚集体应理解为是指彼此轻微聚集以形成更大尺寸簇的颗粒。这些簇可以被气泡夹带。将聚集体夹带至上腔室中产生了不均匀的流，还在上腔室4中产生了压力波动。最终，将固体颗粒聚集体夹带至上腔室4中是有害的，因为这些颗粒反过来会在上腔室4中产生推流现象，这是一种随着截面减小更容易发生的现象。

根据本发明的燃烧反应器

为了减少燃烧反应器(特别是上腔室)中这些强烈的压力波动，提出了一种新型燃烧反应器。

图3和图4以非限制性方式图示显示了本发明燃烧反应器的两个主要实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同或类似元件。

参见图3，根据本发明的燃烧反应器300构造为以流化床方式运行。其包括：

-下腔室320，其形成了用于在氧化/还原活性物质颗粒的存在下燃烧烃原料的第一反应区，该下腔室320包括第一侧壁并构造成包括密相流化床；

-通道横截面小于下腔室320的通道横截面的细长形上腔室340(提升管)，其形成了使由下部部分320中燃烧产生的气态流出物燃烧的第二反应区，该上腔室340包括第二侧壁并构造成包括稀相流化床；

-将下腔室320连接至上腔室340的中间部分330，该中间部分330包括与下腔室320的第一侧壁和上腔室340的第二侧壁形成直角的内壁。

该中间部分以一定方式构成了下腔室320的平顶(flatceiling)。

下腔室320和上腔室340之间的通道截面的陡峭限制由形成燃烧反应器中两个腔室之间的连接的中间部分330的该特定直角几何形状施加，使得能够在固体颗粒聚集体进入上腔室340之前使其破碎，防止将固体颗粒聚集体夹带进入截面较小的提升管，从而限制压力波动。

中间部分330的内壁应理解为是指形成位于腔室320内、与流化床接触的该中间部分330的壁的表面。

根据替代性实施方式，中间部分330包括外壁，即，形成位于腔室320外部的该中间部分330的壁的表面，其略微弯曲以帮助耐火材料锚固。曲率可以具有椭圆形形状，并且其半轴比率(长轴与短轴之比)优选为2至30，并且更优选5至20。外壁的形状可以具有不同形状，例如，针对碟形端部的规范性文件nfe81-100中所述的那些形状。耐火材料的示例已在上文中结合图1所示的clc工艺和设备的描述给出。根据该替代形式，反应器内下腔室的平顶[即,反应器内(中间部分330的内壁)下腔室320的侧壁和上腔室340的侧壁之间的交界处的直角]保存完好。

根据本发明的燃烧反应器可包括：与上文针对根据现有技术的燃烧反应器1所述的那些元件相似的其他元件，这些元件未在图3中显示。

因此，下腔室320有利地包括：

-用于烃原料的进料管道；

-用于进料由氧化反应器产生的活性物质颗粒的管道；

-用于主流化气体的主注入系统，位于腔室基底处。该主注入系统优选位于比用于烃原料和活性物质颗粒的进料管更低的水平面处，并且可以形成密相床。对于根据图2的现有技术的反应器的下腔室2，流化气体通过特定装置引入，该装置可以是设置在分配器下游的穿孔板，所述分配器可以是通过用于进料所述气体的管道进行进料的风箱。相对于水平面，这些板可以按照通常为30°至70°的角倾斜，并且可以在中央部分留出空间供颗粒流动，从而可以通过分配器抽出一部分沉积在该区域且主要由聚集的灰分组成的颗粒。

下腔室320可以另外包括一个或多个用于回收未燃尽残余物颗粒的管道，其连接至固/固分离系统(通过淘析进行分离的装置)和/或气/固分离系统(例如，旋风分离器)。

上腔室340有利地包括在其顶部的用于气体混合物的排出点，该气体混合物包括燃烧气体和活性物质颗粒，以及可能的灰和未燃尽残余物的颗粒。

上腔室340还可以包括用于进料活性物质颗粒的装置。

对于根据图2的现有技术的反应器上腔室4，上腔室340的通道截面可以比下腔室320的通道截面小至少25％，实际上甚至小至少50％。从下腔室320的截面到上腔室340的减小截面的通道可以提高两个腔室之间的流动速度，并确保致密相流和稀相流之间的过渡。

在上腔室340中，来自下腔室320的气态流出物可以进行燃烧。该气态流出物包括部分转化、甚至完全转化的气化固体原料。考虑到气体速度，气体在该上腔室中的平均停留时间通常为1秒至20秒，固体的平均停留时间在2秒至1分钟之间变化。在这些条件下，并且鉴于流动的稀释性质和氧活性物质颗粒的存在，反应基本是气相(气化的原料)和活性物质颗粒之间的反应。

优选地，上腔室包括固体体积分数小于0.10的稀相流化床。

根据一个替代形式，下腔室320另外包括用于第二流化气体的第二注入系统，其位于下腔室320的顶部。

根据该替代形式，第二流化气体可以注入燃烧反应器300下腔室320顶部处，并且优选沿与竖直方向形成0°至90°的角β的方向形成至少一个射流。因此，可以进行水平的气体注入352(角β等于90°)或垂直的气体注入351(角β等于0°)，或根据这两个值(排除端值)之间的角β进行气体注入，或根据这些不同方向的组合进行气体注入。

在上腔室320顶部处的这些额外气体注入可以通过在大固体聚集体到达上腔室340之前使之破碎来进一步减少压力波动。

有利的是，第二流化气体的流量为小于0.02xqmg，qmg为主流化气体的流量。优选地，第二流化气体的流量为0.02xqmg至0.2xqmg，更优选为0.05xqmg至0.15xqmg。

根据一个替代形式，下腔室另外包括用于第三流化气体的第三注射系统(未显示)，其位于主注射系统和下腔室的顶部之间，构造成控制密相床的水平/水平面/水平面高度。

因此，将第三流化气体注入燃烧反应器下腔室中的密相床区中，以控制密相床的水平/水平面/水平面高度，固体颗粒的夹带量是变化的。以此方式，可以增加床表面和上腔室340的入口之间的距离，也就是说，其具有更大的脱离区高度，有利于在固体颗粒进入下区段的上部区之前使固体聚集体破碎。回想一下，脱离区是密相床上方的稀相区(密相床的界面和腔室顶部之间)。

根据该替代形式，可以进行该注入以在腔室中沿相对于垂直方向形成90°(包括端值(水平方向))至180°(不包括端值)角的方向形成至少一个射流。还可以沿这些方向中的多个方向产生射流。

主流化气体可以是co2(例如，在燃烧和循环期间产生的co2)或水蒸气。其它、第二和第三流化气体可以与主流化气体具有相同的性质并且源自相同的来源。

根据本发明的第二实施方式的燃烧反应器400显示于图4中，并且所有方面与上文结合图3描述的反应器300相同，不同的是上腔室440，其包括在腔室的下部部分中的高度h优选0.01xh至0.3xh的穿透区段441，h是燃烧反应器下腔室320的高度。

作为非限制性示例，下腔室320的高度h可以为3米至40米，例如是20米。

同样地，作为非限制性示例，上腔室440的高度h可以为3米至40米，例如是20米。

下腔室的通道截面与上腔室通道截面之比可以为2至15，优选3至10。

根据第一实施方式的反应器300的上腔室340和下腔室320的尺寸也是如此。

本发明还涉及clc设备，所述clc设备包括：如上所述的根据本发明的燃烧反应器，其按流化床运行以使所述烃原料与氧化/还原活性物质颗粒接触进行燃烧，并且包括按流化床运行的氧化反应器，以通过使源自燃烧反应器的经还原的氧化/还原活性物质颗粒与氧化气体接触来进行氧化。该设备的详细信息已在图1中给出。

本发明还涉及采用如上所的本发明燃烧反应器的clc方法，因此主要包括以下阶段：

-在通过注入主流化气体形成的密相流化床中，使燃烧反应器下腔室中的烃原料与氧化/还原活性物质颗粒接触；

-在燃烧反应器的上腔室中，在稀相流化床内，由下腔室产生的气态流出物在氧化/还原活性物质颗粒存在下进行燃烧；

-留在燃烧反应器中的氧化/还原活性物质颗粒在作为流化床运行的氧化反应器内进行氧化，然后使其返回燃烧反应器。

来自下腔室的气态流出物包括气化的固体原料、以及来自下腔室中所进行燃烧的流出物。燃烧反应器的上腔室还接收由下部部分产生的活性物质颗粒，以及可能的未燃尽残余物颗粒和可能的飞灰，特别是在固体原料燃烧的情况下。未燃尽残余物颗粒应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颗粒。灰由不可燃组分形成，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。灰在性质上主要是无机的。其通常包括以下化合物：sio2、al2o3、fe2o3、cao、mgo、tio2、k2o、na2o、so3、p2o5。其特点在于粒度和密度比活性物质颗粒(即，小于100μm)小，并且通常也比未燃尽残余物颗粒小。

在被送入氧化反应器进行氧化之前，留在燃烧反应器中的氧化/还原活性物质颗粒通过至少一个固/固分离器和/或固/气分离器与燃烧气体分离。例如，该分离器见述于专利申请wo11151535和wo11151537。固/固分离器应理解为一种装置，该装置可以对如下两个固体颗粒群进行分离：载氧体颗粒和从燃烧反应器排出的未燃尽残余物颗粒。

因此，在固/固颗粒分离器中可以分离未燃尽残余物颗粒和气体混合物中所含氧化/还原活性物质颗粒，所述气体混合物含有由燃烧反应器上腔室产生的燃烧气体；将由此分离的氧化/还原活性物质颗粒送至氧化反应器，未燃尽残余物颗粒(任选地在至少一个气/固分离阶段与燃烧气体分离)可以在燃烧反应器中再循环。

该clc方法的其它细节已经在上文结合图1的描述部分中给出。