Método y dispositivo optimizados para combustión en bucle químico sobre cargas de hidrocarburos líquidos.

Método mejorado de combustión en bucle químico de al menos una carga de hidrocarburo líquido, en el que:

- la carga líquida se atomiza con un gas de atomización para introducirlo en una zona de transporte

(2) de óxidos metálicos, corriente arriba de la zona de combustión (3), a través de medios de atomización (6) lo que permite formar gotitas de líquido finamente dispersadas en el gas de atomización;

- la carga líquida se vaporiza en forma de gotitas en contacto con al menos una parte de óxidos metálicos en la zona de transporte (2), eligiéndose las condiciones de funcionamiento en la zona de transporte (2) para que la velocidad superficial del gas después de la vaporización de la carga líquida sea superior a la velocidad de transporte de las partículas de óxidos metálicos;

- el conjunto de los efluentes resultantes de la zona de transporte (2) se envía a una zona de combustión (3) permitiendo la reducción de óxidos metálicos, comprendiendo dicha zona de combustión (3) al menos un lecho fluidizado en fase densa.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2009/001113.

Solicitante: IFP ENERGIES NOUVELLES.

Inventor/es: GAUTHIER, THIERRY, Hoteit,Ali, FORRET,ANN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > INDUSTRIAS DEL PETROLEO, GAS O COQUE; GAS DE SINTESIS... > CRACKING DE LOS ACEITES DE HIDROCARBUROS; PRODUCCION... > Cracking catalítico, en ausencia de hidrógeno,... > C10G11/18 (según la técnica fluidizada)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION > PROCEDIMIENTOS O APARATOS DE COMBUSTION QUE UTILIZAN... > F23C99/00 (Materia no prevista en otros grupos de esta subclase)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL > PROCEDIMIENTOS QUIMICOS O FISICOS, p. ej. CATALISIS,... > Procedimientos químicos o físicos en general, llevados... > B01J8/26 (con dos o más lechos fluidificados, p. ej. instalaciones de reacción y de regeneración)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION > PROCEDIMIENTOS O APARATOS DE COMBUSTION QUE UTILIZAN... > F23C10/00 (Aparatos en los que la combustión tiene lugar en un lecho fluidificado de combustible o de otras partículas)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > LIMPIEZA > LIMPIEZA EN GENERAL; PREVENCION DE LA SUCIEDAD EN... > B08B15/00 (Precauciones tomadas para evitar que la suciedad o los humos escapen de la zona donde han sido producidos; Recogida o retirada de la suciedad o de los humos de esta zona (elementos, detalles o accesorios de los recipientes de cocción para eliminar o para condensar los vapores de cocción en dichos recipientes A47J 36/38; recogida de basuras B65F; dispositivos para la circulación de humos o de vapores, p. ej. conductos, F23J 11/00; eliminación de los humos de cocción en estufas u hornillas de uso doméstico F24C 15/20; acondicionamiento del aire, ventilación F24F))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION > PROCEDIMIENTOS O APARATOS DE COMBUSTION QUE UTILIZAN... > Aparatos en los que la combustión tiene lugar en... > F23C10/04 (las partículas son dirigidas hacia una sección, p. ej. a una sección de intercambio de calor o a un conducto de retorno, protegida al menos parcialmente de la zona de combustión, antes de ser reintroducidas en la zona de combustión)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION > PROCEDIMIENTOS O APARATOS DE COMBUSTION QUE UTILIZAN... > Aparatos en los que la combustión tiene lugar en... > F23C10/01 (en un lecho fluidificado de partículas catalíticas)

PDF original: ES-2539034_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Método y dispositivo optimizados para combustión en bucle químico sobre cargas de hidrocarburos líquidos Campo de la invención La invención se refiere a la combustión en bucle químico de cargas líquidas, en particular a una nueva tecnología de puesta en práctica de este método.

Técnica anterior La combustión en bucle químico de cargas líquidas consiste en poner en contacto una carga de hidrocarburo líquido con un óxido metálico a temperatura elevada. El óxido metálico cede entonces una parte del oxígeno contenido en el mismo, que participa en la combustión de los hidrocarburos. Al final de esta combustión, los gases de combustión contienen principalmente óxidos de carbono, agua y en ocasiones hidrógeno. De hecho, no es necesario poner en contacto el aire con el hidrocarburo y por lo tanto los gases de combustión se componen principalmente de gas de combustión y en ocasiones un gas diluyente que sirve para el transporte y para la fluidificación de las partículas (por ejemplo del vapor de agua) . Por lo tanto, es posible producir gases de combustión libres de principalmente de nitrógeno y que tienen contenidos de CO2 elevados (> 90 % en vol.) lo que permite considerar la captación, y después el almacenamiento de CO2. El óxido metálico que ha participado en la combustión se transporta a continuación hacia otro recipiente de reacción en el que se pone en contacto con aire para su reoxidación. Si las partículas que vuelven de la zona de combustión están libres de combustible, los gases resultantes en esta zona de reacción están principalmente libres de CO2 - que entonces no está presente más que en cantidades traza, por ejemplo a concentraciones inferiores a un 1-2 % en volumen) - y que consisten básicamente en aire pobre en oxígeno, debido a la oxidación de las partículas metálicas.

La puesta en práctica de un método de combustión en bucle químico requiere cantidades de óxidos metálicos importantes en contacto con el combustible. Estos óxidos metálicos por lo general están contenidos vienen partículas de mineral, vienen partículas que provienen de tratamientos industriales (residuos de la industria siderúrgica o minera, catalizadores de la industria química o de refinado de sustancias usadas) . Del mismo modo se pueden usar materiales sintéticos tales como por ejemplo soportes de alúmina o sílice sobre soporte de alúmina sobre los que se depositarán metales que se pueden oxidar (por ejemplo, óxido de níquel) . De un óxido metálico a otro, la cantidad de oxígeno teóricamente disponible varía considerablemente y se pueden esperar valores elevados de aproximadamente un 30 %. Sin embargo, dependiendo de los materiales, la capacidad máxima de oxígeno disponible realmente no supera por lo general más de un 20 % del oxígeno presente. La capacidad de estos materiales para ceder oxígeno no supera por lo tanto una cantidad global de unos tantos por ciento en peso de las partículas y varía considerablemente de un óxido a otro, por lo general de un 0, 1 a un 10 %, y que a menudo entre un 0, 3 y un 1 % en peso. Por lo tanto, la puesta en práctica en lecho fluidizado es particularmente ventajosa para realizar la combustión. De hecho, las partículas de óxidos finamente divididas circulan más fácilmente en los recipientes de reacción de combustión y de oxidación, y entre estos recipientes, si se les transmite a las partículas las propiedades de un fluido (fluidificación) .

La combustión en bucle químico permite producir energía, en forma de vapor o de electricidad por ejemplo. El calor de combustión de la carga es similar al que se encuentra en la combustión clásica. Esto corresponde a la suma de los calores de combustión y de oxidación en el bucle químico. El reparto entre los calores de combustión y de oxidación depende en gran medida de los óxidos metálicos usados para realizar la combustión en bucle químico. En ciertos casos, la reacción exotérmica se reparte entre la oxidación y la reducción del metal. En otros casos, la oxidación es altamente exotérmica y la reducción es endotérmica. En todos los casos, la suma de los calores de oxidación y de reducción es igual al calor de combustión del combustible. El calor se extrae mediante intercambiadores colocados en el interior, en la pared o en el apéndice de los recipientes de combustión y / o de oxidación, en las líneas de los gases de combustión, o en las líneas de transferencia de óxidos metálicos.

La combustión de las cargas sólidas y de las cargas gaseosas se describe bien en la bibliografía. Se conoce el principio de la combustión de cargas líquidas (solicitud de patente FR 08/02.450) . Sin embargo, con respecto a las cargas gaseosas y a las cargas sólidas, la combustión de líquido en bucle químico presenta especificidades importantes que se detallan a continuación.

Después del contacto entre la carga líquida y los óxidos metálicos, una parte de la carga se vaporiza, pero el coque se deposita sobre las partículas debido al craqueo térmico resultante de la exposición del combustible líquido a temperaturas muy elevadas. Cuanto más pesadas son las cargas más tenderán a formar cantidades de coque elevadas. Por lo tanto, en un gasóleo o un destilado al vacío, la cantidad de coque formada será del orden de un 1 a un 20 % de la carga inyectada. En un residuo atmosférico o en un residuo al vacío, la cantidad de coque formada varía de un 10 a un 80 %, en función de la naturaleza de la carga inyectada. Esta formación de coque depende de la naturaleza de las cargas (concentración de precursores de coque, que se puede determinar midiendo el contenido de asfaltenos o el contenido de carbono Conradson) . También depende de las condiciones de puesta en contacto (temperatura, relación del flujo de hidrocarburo con respecto al flujo de óxido, diámetro de las gotitas, diámetro de

las partículas...) . Después del contacto entre la carga y los óxidos metálicos, intervienen dos tipos de reacciones de combustión entre los hidrocarburos y los óxidos metálicos, la primera, más fácil, que resulta de un contacto entre el hidrocarburo gaseoso y las partículas de óxido, la segunda, más lenta, que resulta de la gasificación del coque depositado sobre las partículas en el gas de síntesis, que se quemará rápidamente con los óxidos metálicos.

Por lo tanto, es importante minimizar la formación de coque durante la inyección de la carga líquida con el fin de tener reacciones de combustión tan rápidas como sea posible.

Por otra parte, antes de la formación de coque inevitable, es importante asegurarse de que las partículas vuelven de nuevo a la zona de combustión y se mantienen en la misma durante un período de tiempo suficiente para eliminar todo el coque formado. A diferencia del caso en el que la carga es sólida, de hecho es imposible considerar una separación de partículas de óxido todavía en forma de coque de las partículas de las que nos ha formado coque. En una combustión de cargas sólidas, la diferencia de densidad, tamaño, o incluso de las propiedades magnéticas entre las partículas de carbón y las partículas de óxido es importante. En el caso de una carga líquida, las partículas en la zona de combustión son exclusivamente partículas de óxidos metálicos en forma de coque y partículas de óxidos metálicos que no se presentan en forma de coque, con propiedades muy similares.

Los documentos de patente WO2008/036902 y US 2005/175533 describen un método y un dispositivo de combustión en bucle químico de una carga de hidrocarburo líquido inyectada en forma atomizada. La carga atomizada vaporizada entra en contacto con las partículas de óxidos metálicos en el interior de la zona de combustión.

La presente invención permite superar... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método mejorado de combustión en bucle químico de al menos una carga de hidrocarburo líquido, en el que:

-la carga líquida se atomiza con un gas de atomización para introducirlo en una zona de transporte (2) de óxidos metálicos, corriente arriba de la zona de combustión (3) , a través de medios de atomización (6) lo que permite formar gotitas de líquido finamente dispersadas en el gas de atomización; -la carga líquida se vaporiza en forma de gotitas en contacto con al menos una parte de óxidos metálicos en la zona de transporte (2) , eligiéndose las condiciones de funcionamiento en la zona de transporte (2) para que la velocidad superficial del gas después de la vaporización de la carga líquida sea superior a la velocidad de transporte de las partículas de óxidos metálicos; -el conjunto de los efluentes resultantes de la zona de transporte (2) se envía a una zona de combustión (3) permitiendo la reducción de óxidos metálicos, comprendiendo dicha zona de combustión (3) al menos un lecho fluidizado en fase densa.

2. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la zona de combustión en fase densa (3) se dimensiona de modo que la hidrodinámica de las partículas en el o los lecho (s) fluidizado (s) en fase densa corresponde al menos a dos reactores agitados perfectamente en serie o al menos a dos etapas de lecho fluidizado en serie.

3. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2 en el que los medios de atomización (6) se sitúan en la pared del reactor de la zona de transporte (2) y se eligen para que formen un chorro dirigido hacia el centro de la zona de transporte (2) .

4. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con la reivindicación 3 en el que el chorro tiene la forme de un pincel que tiene un ángulo de abertura en el plano vertical comprendido entre 7 y 20º, y un ángulo de abertura en el plano horizontal comprendido entre 30 y 80º.

5. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 en el que las gotitas de carga líquida inyectadas tienen un diámetro de Sauter medio comprendido entre 0, 5 y 2 veces el diámetro medio de las partículas.

6. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en el que las partículas de óxidos metálicos llegan a la zona de transporte (2) desde la zona de oxidación (1) a través de una línea (13) , o por un reciclado de las partículas que provienen de la zona de combustión (3) , o incluso en forma de una mezcla de óxidos metálicos reoxidados que provienen de la zona de oxidación (1) y óxidos metálicos que provienen de la zona de combustión (3) .

7. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en el que en el o los lechos fluidizados en fase densa de la zona de combustión (3) se introducen óxidos metálicos que provienen directamente de la zona de oxidación (1) , de manera que una fracción inferior o igual a un 50 % de la cantidad total de los óxidos metálicos que circulan entre la zona de oxidación (1) y la zona de combustión (3) participa en la vaporización de la carga líquida en la zona de transporte (2) .

8. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en el que el gas y las partículas que provienen de la zona de transporte (2) se introducen de forma conjunta en la base de al menos un lecho fluidizado de la zona de combustión (3) equipando la parte superior de la zona de transporte (2) con medios de dispersión en dicho lecho fluidizado.

9. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7 en el que el gas y las partículas se separan a la salida de la zona de transporte (2) :

- para introducir de manera separada en la zona de combustión (3) el gas exento de la mayor parte de óxidos metálicos y el óxido metálico exento de la mayor parte del gas.

55. o para introducir en la zona de combustión (3) el óxido metálico exento de la mayor parte del gas, y evacuar la fase gaseosa fuera de la zona de combustión (3) .

10. Método mejorado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en el que la carga líquida está formada por fracciones de hidrocarburos, solos o en mezcla, en el que menos de un 10 % 60 tiene un punto de ebullición inferior a 340 ºC.

11. Método optimizado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en el que al menos un lecho fluidizado en fase densa de la zona de combustión (3) está equipado con medios (25) que permiten el flujo en etapas de las partículas de óxido metálico.

12. Método optimizado de combustión en bucle químico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en el que la zona de combustión (3) comprende al menos dos reactores (3a) y (3b) en lechos fluidizados en fase densa, colocados el uno por encima del otro, coincidiendo las paredes exteriores de estos dos reactores, con el fin de prolongar por continuidad la fase densa del reactor (3a) en la fase densa fluidizada del reactor (3b) .

13. Dispositivo de combustión en bucle químico de al menos una carga de hidrocarburo líquido que comprende:

- una zona de transporte (2) de óxidos metálicos ligeramente alargada y ligeramente vertical que comprende:

medios de inyección de la carga líquida que comprenden medios de mezcla de la carga líquida con un gas de atomización y medios de atomización (6) de la carga líquida colocados en la periferia de dicha zona de transporte;

medios de alimentación de al menos una parte de los óxidos metálicos ;

-una zona de combustión (3) de la carga atomizada por reducción de óxidos metálicos que comprende al menos un lecho fluidizado en fase densa, estando colocada la zona de transporte (2) corriente arriba de dicha zona de combustión (3) .

14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 13 en el que la zona de combustión (3) comprende un número de 20 lechos fluidizados en fase densa, en uno o varios reactores de combustión, superior a dos.

15. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 14 en el que los medios de alimentación de óxidos metálicos comprenden una línea (13) de transporte desde la zona de oxidación (1) , y/o una línea de reciclado de las partículas que provienen de la zona de combustión (3) .

16. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 15 en el que la zona de transporte (2) comprende en la salida medios de dispersión del gas y de las partículas sólidas en la zona de combustión (3) .

17. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 16 en el que la zona de transporte (2) comprende en 30 la salida medios de separación del gas y de las partículas sólidas.

18. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12 para la captación de CO2.

19. Método de acuerdo con la reivindicación 18 en el que el índice de captación S del CO2 es superior a un 90 %. 35

20. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12 para la producción de energía.