Brevet FR3130651A1 — publié le 20230623

La présente invention concerne un cyclone pour la séparation gaz/solide dans une installation de combustion en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée mettant en œuvre des réacteurs fonctionnant en lit fluidisé circulant. Le nouveau cyclone comporte une conduite d’entrée spécifique avec une paroi inférieure et une des parois latérales inclinées et au moins une injection de gaz auxiliaire au niveau de la paroi inférieure, permettant de réduire le dépôt de solide à l’entrée du cyclone, d’éventuellement réaliser des réactions chimiques au sein du cyclone, ainsi qu’améliorer l’efficacité du cyclone. Figure 1 à publier CYCLONE POUR UNE INSTALLATION ET UN PROCEDE DE COMBUSTION EN BOUCLE CHIMIQUE MUNI D’UNE CONDUITE D’ARRIVEE A PAROIS INCLINEES ET INJECTION DE GAZ La présente invention concerne le domaine de la séparation gaz/solide, et plus précisément le domaine des cyclones, dans le contexte de la combustion en boucle chimique de charges hydrocarbonées pour produire de l'énergie, du gaz de synthèse et/ou de l'hydrogène. De manière générale, la présente invention traite du problème de l’accumulation de particules solides dans des procédés mettant en œuvre un transport de particules à travers des lignes de transport de particules, tels que les procédés d’oxydo-réduction en boucle chimique, typiquement la combustion en boucle chimique (« CLC » pour « Chemical Looping Combustion » en anglais), mettant en œuvre des lits circulants multiphasiques comportant un solide réactif en contact avec une ou plusieurs phases fluides généralement gazeuses. Dans de tels procédés, les endroits où le solide s’accumule dans des zones stagnantes avec une concentration importante peut causer de nombreux problèmes : les particules peuvent s’agglomérer ce qui risque de conduire à l’obstruction et au blocage partiel ou total de la ligne du transport ; les particules peuvent s’accumuler temporairement et être ensuite être mobilisées de nouveau soudainement par paquets, ce qui crée alors des fluctuations de pression et des fluctuations dans le débit de solide transporté. Dans les procédés en lits circulants multiphasiques utilisant un solide réactif en contact avec une ou plusieurs phases fluides gazeuses, tels que les procédés CLC, il est classiquement mis en œuvre une zone de réaction généralement formée par un réacteur sensiblement vertical à phase fluide ascendante, et une zone de séparation des phases (solide/gaz) généralement d’axe sensiblement vertical, formée par un cyclone utilisant la force centrifuge pour séparer les particules solides de la phase gaz. Ces séparateurs gaz/solide sont bien connus de l’homme du métier. Ces deux zones verticales, i.e. le réacteur et le cyclone, sont en général reliées par une zone de transport de transition, typiquement une conduite, dont la longueur et l’inclinaison sont conditionnées par les emplacements relatifs de la zone de réaction et de la zone de séparation. Classiquement, ces zones de transition, dans lesquelles le mélange gaz/solide circule, sont sensiblement horizontales pour respecter l’arrivée tangentielle du flux dans le cyclone. Il en résulte donc un changement de direction, par lequel la décélération du solide favorise le dépôt des particules au fond de la conduite, ce qui peut générer les phénomènes décrits ci-dessus. Un des endroits où des particules solides risquent de s’accumuler est donc la conduite qui mène à l’entrée du cyclone. L’accumulation de particules solides peut donc être liée au changement de direction du gaz et la décélération du solide lors du changement de direction entre la zone réactionnelle et la zone de transport de transition. Elle peut également se produire dans la zone de transport si la vitesse de gaz dans cette conduite est inférieure à la vitesse de saltation de solide. Ce phénomène est bien décrit dans la littérature (Gauthier et al., "Gas–solid separation in a uniflow cyclone at high solids loadings: effect of acceleration line." Proceedings of the 3rd International Conference on Circulating Fluidized Beds, Nagoya, Japan, October 1991). Dans de nombreuses applications, les conséquences du dépôt de particules solides au fond de la zone de transport de transition sont des fluctuations de pression qui peuvent perturber le fonctionnement du procédé, en altérant le bilan pression de l’installation et en induisant des variations significatives du débit de solide circulant en boucle dans l’installation. Une baisse de l’efficacité de séparation du cyclone peut également être observée. Dans les applications comme le CLC, le solide stagnant à haute température, qui peut être du porteur d’oxygène ou des cendres, peut produire un agglomérat de particules qui grossit au fur et à mesure du passage d’autres particules solides. Cette agglomération peut dans les cas extrêmes bloquer une grande partie de l’entrée du cyclone et compromettre le bilan de pression. Il est connu, dans le domaine de la séparation gaz/solide dans des installations mettant en œuvre des réacteurs en lit fluidisé circulant, e.g. chambres de combustion, gazéifieurs, des réacteurs de craquage catalytique fluide dit FCC (pour « Fluid Catalytic Cracking » en anglais), d’utiliser des cyclones comportant une entrée inclinée, notamment pour améliorer la séparation gaz/solide. Les demandes de brevet US2011146152 et US2008246655 divulguent ainsi un cyclone comportant une entrée inclinée favorisant la séparation entre les particules solides et le gaz au sein de la conduite d’entrée du cyclone tout en minimisant l’érosion par les particules solides. L’entrée inclinée peut comprendre une paroi inférieure inclinée par rapport à l’horizontale, et par exemple d’un angle supérieur à l’angle de repos d’au moins une partie des particules solides transportées. Cependant, avec ce type de cyclones, le problème de l’accumulation de particules solides peut demeurer. Objectifs et Résumé de l’invention Dans ce contexte, la présente invention vise à surmonter les problèmes de l’art antérieur mentionnés ci-dessus, et a ainsi pour objectif général de réduire le dépôt de particules solides à l’entrée d’un cyclone d’une installation CLC d’une charge hydrocarbonée, mais également d’éventuellement réaliser des réactions chimiques au sein de cyclone, ainsi qu’améliorer l’efficacité du cyclone. Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d’autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un cyclone pour une installation d’oxydo-réduction en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée mettant en œuvre au moins un réacteur fonctionnant en lit fluidisé circulant, comportant : - une conduite d’arrivée d’un mélange gazeux comprenant des particules solides provenant d’un réacteur de l’installation, comportant à une extrémité une ouverture d’entrée de section rectangulaire et à son autre extrémité une ouverture de sortie de section rectangulaire, - une chambre cylindro-conique comportant une portion supérieure cylindrique surmontant une portion inférieure tronconique inversée, la portion supérieure cylindrique comportant l’ouverture de sortie de la conduite d’arrivée ; - une conduite de sortie pour un flux gazeux appauvri en particules positionnée au sommet de la portion supérieure cylindrique ; - une conduite d’évacuation d’un flux de particules solides positionnée au fond de la portion inférieure tronconique inversée ; et dans lequel ladite conduite d’arrivée est délimitée par : -- une paroi supérieure plane selon un plan horizontal (XY), -- une paroi inférieure plane inclinée par rapport à la paroi supérieure plane 25 d’un angle α, ledit angle α étant défini dans un plan (XZ) vertical et de manière à ce que la dimension selon l’axe vertical (Z) de l’ouverture de sortie S de la conduite d’arrivée soit inférieure à la dimension selon l’axe (Z) de l’ouverture d’entrée O, -- une paroi latérale externe plane verticale selon le plan (XZ) et tangente à la portion supérieure cylindrique de la chambre cylindro-conique, et -- une paroi latérale interne plane verticale inclinée d’un angle β par rapport à la paroi latérale externe plane, ledit angle β étant défini dans le plan (XY) horizontal, et de manière à ce que la dimension selon l’axe (Y) de l’ouverture de sortie S de la conduite d’arrivée soit inférieure à la dimension selon l’axe (Y) de l’ouverture d’entrée O, et la conduite d’arrivée comporte au moins une buse d’injection d’un gaz auxiliaire disposée sur la paroi inférieure plane. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l’aire de la section de l’ouverture d’entrée est égale à l’aire de la section de l’ouverture de sortie. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l’angle α a une valeur absolue comprise entre α’ et α’+45°, de préférence comprise entre α’+10° et α’+20°, α’ étant l’angle de repos des particules, et de préférence l’angle α a une valeur absolue comprise entre 15° et 60°. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l’angle β est déterminé de sorte que l’aire de la section de l’ouverture d’entrée est égale à l’aire de la section de l’ouverture de sortie, et de préférence l’angle β a une valeur absolue comprise entre 5° et 70°. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le cyclone comporte entre 1 et 10 buses/m 2 de la paroi inférieure plane, de préférence entre 2 et 5 buses/m 2 de la paroi inférieure plane, réparties de manière régulière sur la surface de la paroi inférieure plane. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l’aire de la section de l’ouverture de sortie est telle que la vitesse superficielle UgS du gaz du mélange gazeux sortant de ladite conduite d’arrivée et entrant dans la chambre du cyclone est comprise entre 5 m/s et 35m/s. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, ladite au moins une buse est configurée de manière à former un jet ayant un angle compris entre 0° et 90°, et de préférence entre 0° et 45°, par rapport à l’axe horizontal (X) dans le plan vertical (XZ). Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, ladite au moins une buse est configurée de manière que la vitesse du gaz à la sortie de ladite buse soit comprise entre 5 m/s et 100 m/s, de préférence comprise entre 20 m/s et 40 m/s. Selon un deuxième aspect, la présente invention propose une installation de combustion en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée mettant en œuvre un solide porteur d'oxygène sous forme de particules, comportant au moins : - un réacteur de réduction opérant en lit fluidisé pour effectuer la combustion de ladite charge hydrocarbonée au contact desdites particules du solide porteur d’oxygène ; - un réacteur d’oxydation opérant en lit fluidisé pour oxyder les particules du solide porteur d’oxygène réduites provenant du réacteur de réduction (300) par mise en contact avec un gaz oxydant ; - des moyens de circulation du porteur d’oxygène entre ledit réacteur de réduction et le réacteur d’oxydation ; et - un cyclone selon l’invention positionné en aval dudit réacteur de réduction et/ou en aval dudit réacteur d’oxydation de manière à recevoir un mélange gazeux comprenant des particules solides provenant du réacteur de réduction ou du réacteur d’oxydation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le cyclone est positionné en aval du réacteur d’oxydation, et ledit réacteur d’oxydation comprend dans sa partie haute l’ouverture d’entrée de la conduite d’arrivée du cyclone de manière à envoyer le mélange gazeux comportant des particules du porteur d’oxygène issu dudit réacteur d’oxydation dans la conduite d’arrivée du cyclone. Selon un troisième aspect, la présente invention propose un procédé de combustion en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée, mettant en œuvre un cyclone selon l’invention ou une installation selon l’invention, dans lequel : - on effectue une combustion de la charge hydrocarbonée par mise en contact des particules du porteur d’oxygène au sein d’un réacteur de réduction opéré en lit fluidisé ; - on effectue une oxydation des particules du porteur d’oxygène ayant séjourné dans le réacteur de réduction par mise en contact avec un gaz oxydant au sein d’un réacteur d'oxydation opéré en lit fluidisé au moyen d’un gaz oxydant, de préférence de l’air, avant de les renvoyer vers le réacteur de réduction ; - on envoie un mélange gazeux comprenant des particules solides provenant du réacteur de réduction ou du réacteur d’oxydation dans la conduite d’arrivée du cyclone ; - on injecte un gaz auxiliaire par au moins une buse disposée sur la paroi inférieure inclinée de la conduite d’arrivée du cyclone de manière à disperser les particules solides ; - on effectue une séparation gaz/solide au sein dudit cyclone pour former un flux gazeux appauvri en particules extrait par la conduite de sortie au sommet de la portion supérieure cylindrique dudit cyclone et pour former un flux de particules solides évacué par la conduite d’évacuation au fond de la portion inférieure tronconique inversée dudit cyclone. Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le mélange gazeux comprenant des particules solides envoyé dans la conduite d’arrivée du cyclone provient directement du réacteur d’oxydation, et le gaz auxiliaire est identique au gaz oxydant du réacteur d’oxydation, et de préférence de l’air, et est injecté selon un débit compris entre 0,1% et 30% du débit de gaz oxydant utilisé dans le réacteur d’oxydation. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, le mélange gazeux comprenant des particules solides envoyé dans la conduite d’arrivée du cyclone provient du réacteur de réduction, et le gaz auxiliaire est du dioxygène pour effectuer en outre une réduction d’espèces imbrûlées résiduelles contenues dans le mélange gazeux, ou le gaz auxiliaire est de l’ammoniac pour effectuer en outre une réduction non catalytique de NOx contenus dans le mélange gazeux. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, le gaz auxiliaire est injecté par ladite au moins une buse à une vitesse comprise entre 5 m/s et 100 m/s, de préférence entre 20 m/s et 40 m/s, et forme un jet ayant un angle compris entre 0° et 90°, et de préférence entre 0° et 45°, par rapport à l’axe (X) dans le plan vertical (XZ). Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, la vitesse superficielle du gaz du mélange gazeux en entrée de ladite conduite d’arrivée est égale à la vitesse superficielle du gaz du mélange gazeux en sortie de ladite conduite d’arrivée, et est comprise entre 5 m/s et 35m/s. 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. Liste des figures La est une vue schématique en coupe d’un cyclone selon un mode de réalisation de l’invention et son fonctionnement. La illustre le même cyclone que celui représenté à la , selon une vue de dessus. La est schéma de principe de mise en œuvre d'un procédé CLC. La illustre un exemple de cyclone selon l’invention, selon un schéma en coupe (A), selon une vue de dessus (B), et selon une vue perspective (C). La illustre des résultats de simulation du cyclone en fonctionnement représenté à la (B), et d’un cyclone classique comportant une entrée sous forme de conduit horizontal (A), et en particulier illustre le dépôt de particules solides sur la surface interne de la paroi inférieure de l’entrée des cyclones. La illustre des résultats de simulation du cyclone selon un mode de réalisation de l’invention en fonctionnement représenté à la (B), et d’un cyclone classique comportant une entrée sous forme de conduit horizontal (A), et en particulier illustre la quantité de particules solides selon leur temps de résidence dans l’entrée des cyclones. Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues. Cyclone (200) pour une installation d’oxydo-réduction en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée mettant en œuvre au moins un réacteur fonctionnant en lit fluidisé circulant, comportant : - une conduite d’arrivée (21) d’un mélange gazeux (2) comprenant des particules solides provenant d’un réacteur (100, 300) de l’installation, comportant à une extrémité une ouverture d’entrée (O) de section rectangulaire et à son autre extrémité une ouverture de sortie (S) de section rectangulaire, - une chambre cylindro-conique (22) comportant une portion supérieure cylindrique (22a) surmontant une portion inférieure tronconique inversée (22b), ladite portion supérieure cylindrique (22a) comportant l’ouverture de sortie (S) de la conduite d’arrivée ; - une conduite de sortie (23) pour un flux gazeux appauvri en particules (3) positionnée au sommet de la portion supérieure cylindrique ; - une conduite d’évacuation (24) d’un flux de particules solides (4) positionnée au fond de la portion inférieure tronconique inversée (22b); et dans lequel ladite conduite d’arrivée (21) est délimitée par : -- une paroi supérieure plane (25) selon un plan horizontal (XY), -- une paroi inférieure plane (26) inclinée par rapport à la paroi supérieure plane (25) d’un angle α, ledit angle α étant défini dans un plan (XZ) vertical et de manière à ce que la dimension selon l’axe vertical (Z) de l’ouverture de sortie S de la conduite d’arrivée soit inférieure à la dimension selon l’axe (Z) de l’ouverture d’entrée O, -- une paroi latérale externe plane verticale (27) selon le plan (XZ) et tangente à la portion supérieure cylindrique de la chambre cylindro-conique, et -- une paroi latérale interne plane verticale (28) inclinée par rapport à la paroi latérale externe (27) d’un angle β, ledit angle β étant défini dans le plan (XY) horizontal, et de manière à ce que la dimension selon l’axe (Y) de l’ouverture de sortie S de la conduite d’arrivée soit inférieure à la dimension selon l’axe (Y) de l’ouverture d’entrée O, et ladite conduite d’arrivée (21) comporte au moins une buse d’injection d’un gaz auxiliaire disposée sur la paroi inférieure plane. Cyclone selon la revendication 1, dans lequel l’aire de la section (So) de l’ouverture d’entrée (O) est égale à l’aire de la section (Ss) de l’ouverture de sortie (S). Cyclone selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’angle α a une valeur absolue comprise entre α’ et α’+45°, de préférence comprise entre α’+10° et α’+20°, α’ étant l’angle de repos des particules, et de préférence l’angle α a une valeur absolue comprise entre 15° et 60°. Cyclone selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle β est déterminé de sorte que l’aire de la section (So) de l’ouverture d’entrée (O) est égale à l’aire de la section (Ss) de l’ouverture de sortie (S), et de préférence l’angle β a une valeur absolue comprise entre 5° et 70°. Cyclone selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant entre 1 et 10 buses/m 2 de la paroi inférieure plane, de préférence entre 2 et 5 buses/m 2 de la paroi inférieure plane, réparties de manière régulière sur la surface de la paroi inférieure plane (26). Cyclone selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’aire de la section (Ss) de l’ouverture de sortie (S) est telle que la vitesse superficielle UgS du gaz du mélange gazeux sortant de ladite conduite d’arrivée et entrant dans la chambre du cyclone est comprise entre 5 m/s et 35m/s. Cyclone selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une buse est configurée de manière à former un jet ayant un angle compris entre 0° et 90°, et de préférence entre 0° et 45°, par rapport à l’axe (X) dans le plan vertical (XZ). Cyclone selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une buse est configurée de manière que la vitesse du gaz à la sortie de ladite buse soit comprise entre 5 m/s et 100 m/s, de préférence comprise entre 20 m/s et 40 m/s. Installation de combustion en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée mettant en œuvre un solide porteur d'oxygène sous forme de particules, comportant au moins : - un réacteur de réduction (300) opérant en lit fluidisé pour effectuer la combustion de ladite charge hydrocarbonée au contact desdites particules du solide porteur d’oxygène ; - un réacteur d’oxydation (100) opérant en lit fluidisé pour oxyder les particules du solide porteur d’oxygène réduites provenant du réacteur de réduction (300) par mise en contact avec un gaz oxydant ; - des moyens de circulation du porteur d’oxygène entre ledit réacteur de réduction (300) et le réacteur d’oxydation (100) ; et - un cyclone selon l’une des revendications précédentes positionné en aval dudit réacteur de réduction et/ou en aval dudit réacteur d’oxydation de manière à recevoir un mélange gazeux comprenant des particules solides provenant du réacteur de réduction (300) ou du réacteur d’oxydation (100). Installation selon la revendication 9, dans laquelle ledit cyclone est positionné en aval du réacteur d’oxydation (100), et ledit réacteur d’oxydation (100) comprend dans sa partie haute l’ouverture d’entrée (O) de la conduite d’arrivée (21) dudit cyclone (200) de manière à envoyer le mélange gazeux comportant des particules du porteur d’oxygène issu dudit réacteur d’oxydation (100) dans la conduite d’arrivée dudit cyclone. Procédé de combustion en boucle chimique d’une charge hydrocarbonée, mettant en œuvre un cyclone selon l’une quelconque revendications 1 à 8 ou l’installation selon l’une des revendications 9 ou 10, dans lequel : - on effectue une combustion de la charge hydrocarbonée par mise en contact des particules du porteur d’oxygène au sein d’un réacteur de réduction (300) opéré en lit fluidisé ; - on effectue une oxydation des particules du porteur d’oxygène ayant séjourné dans le réacteur de réduction (300) par mise en contact avec un gaz oxydant au sein d’un réacteur d'oxydation (100) opéré en lit fluidisé au moyen d’un gaz oxydant, de préférence de l’air, avant de les renvoyer vers le réacteur de réduction (300) ; - on envoie un mélange gazeux comprenant des particules solides provenant du réacteur de réduction (300) ou du réacteur d’oxydation (100) dans la conduite d’arrivée du cyclone ; - on injecte un gaz auxiliaire par au moins une buse disposée sur la paroi inférieure inclinée de la conduite d’arrivée du cyclone de manière à disperser les particules solides ; - on effectue une séparation gaz/solide au sein dudit cyclone pour former un flux gazeux appauvri en particules extrait par la conduite de sortie au sommet de la portion supérieure cylindrique dudit cyclone et pour former un flux de particules solides évacué par la conduite d’évacuation au fond de la portion inférieure tronconique inversée dudit cyclone. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le mélange gazeux comprenant des particules solides envoyé dans la conduite d’arrivée du cyclone provient directement du réacteur d’oxydation, et le gaz auxiliaire est identique au gaz oxydant du réacteur d’oxydation, et de préférence de l’air, et est injecté selon un débit compris entre 0,1% et 30% du débit de gaz oxydant utilisé dans le réacteur d’oxydation. 13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le mélange gazeux comprenant des particules solides envoyé dans la conduite d’arrivée du cyclone provient du réacteur de réduction, et le gaz auxiliaire est du dioxygène pour effectuer en outre une réduction d’espèces imbrûlées résiduelles contenues dans le mélange gazeux, ou le gaz auxiliaire est de l’ammoniac pour effectuer en outre une réduction non catalytique de NOx contenus dans le mélange gazeux. Procédé selon l’une quelconque des revendication 11 à 13, dans lequel le gaz auxiliaire est injecté par ladite au moins une buse à une vitesse comprise entre 5 m/s et 100 m/s, de préférence entre 20 m/s et 40 m/s, et forme un jet ayant un angle compris entre 0° et 90°, et de préférence entre 0° et 45°, par rapport à l’axe (X) dans le plan vertical (XZ). Procédé selon l’une quelconque des revendication 11 à 14, dans lequel la vitesse superficielle du gaz du mélange gazeux en entrée de ladite conduite d’arrivée est égale à la vitesse superficielle du gaz du mélange gazeux en sortie de ladite conduite d’arrivée, et est comprise entre 5 m/s et 35m/s.