生产高纯度氮气的CLC方法和设备

摘要

本发明涉及产生高纯度氮分子的CLC方法、以及用于所述方法的设施，所述方法包括：(a)通过与原料接触的氧化还原活性物质进行还原使得烃原料燃烧；(b)第一氧化步骤，使得来自步骤(a)的经还原的活性物质(25)与一部分经损耗的空气流(21b)接触，以生产高纯度氮分子流(28)和部分再氧化的活性物质流(26)；(c)第二氧化步骤，活性物质流(26)与空气(20)接触以产生经损耗的空气流、和意图在步骤(a)中使用的经再氧化的活性物质流(24)；(d)对来自步骤(c)的经损耗的空气流进行分割，以形成在步骤(b)中使用的经损耗的空气部分以及从CLC提取的剩余的经损耗的空气部分。

权利要求

1.用于通过化学回路燃烧对烃进料进行燃烧的方法，其中，颗粒形式的氧化还原活性物质在以流化床模式操作的至少一个还原区和两个氧化区之间循环，其中：(a)通过在至少一个还原区中与进料接触的氧化还原活性物质进行还原来实施所述烃进料的燃烧，(b)在第一氧化区中，对步骤(a)结束时获得的经还原的氧化还原活性物质进行氧化的第一步骤通过与氧损耗空气流的第一部分接触来进行，以产生含有100ppmv或更低量氧分子的氮分子流以及部分再氧化的氧化还原活性物质流；

(c)在第二氧化区中，对步骤(b)结束时获得的部分再氧化的氧化还原活性物质流进行氧化的第二步骤通过与空气接触来进行，以产生氧损耗空气流和用于在步骤(a)中使用的经再氧化的氧化还原活性物质流；

(d)对步骤(c)结束时获得的所述氧损耗空气流进行分割，以形成在步骤(b)中使用的所述氧损耗空气流的第一部分、以及从化学回路中提取的氧损耗空气流剩余的第二部分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以一定方式，将步骤(d)中氧损耗空气流的第一部分调整为步骤(a)获得的经还原的氧化还原活性物质的量、并且送入第一氧化区中，以获得含有给定分数氧分子的氮分子流。

3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述氮分子流包含10ppmv或更低量的氧分子。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第二氧化步骤(c)期间施加超化学计量比的氧气，从而以一定方式获得包含约2％氧分子的氧损耗空气流。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，氧化还原活性物质包含氧化锰，氧损耗空气流包含约2％的氧分子，并且氧损耗空气流的第一部分小于氧损耗空气流的7.4％，从而以一定方式产生含有少于10ppmv氧分子的氮分子流。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一氧化区是包括设置有热交换装置的容器的反应器，所述热交换装置包括传热流体，并且其中，在第一氧化步骤(b)期间：-氧化还原活性物质颗粒的流化床通过将氧损耗空气流的第一部分注入所述容器中来产生；

-热交换在颗粒的流化床和传热流体之间进行；

-所述氮分子流经过位于容器上部的第一出口排出；以及

-部分再氧化的氧化还原活性物质流经过位于容器下部的第二出口排出，以将其送入第二氧化区。

7.如上述权利要求6所述的方法，其特征在于，所述部分再氧化的氧化还原活性物质流经过位于容器下部的第二出口排出，以将其送入第二氧化区的步骤是通过气动阀进行的。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一氧化区以一定方式进行操作，以使得容器中氧损耗空气的表面速度是氧化还原活性物质颗粒的最终下降速度的2倍至10倍。

9.如上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一和第二氧化步骤(b)和(c)分别在第一氧化反应器和第二氧化反应器中进行，第一氧化反应器和第二氧化反应器都是提升器型的，并且，其中：-在步骤(b)中，以一定方式操作所述第一氧化反应器，以使得在所述第一氧化反应器中氧损耗空气的表面速度为2至15米/秒；

-从第一氧化反应器顶部离开的混合物在气/固分离器中分离为氮分子流和部分再氧化的氧化还原活性物质流；

-将部分再氧化的氧化还原活性物质流通过包括虹吸管的输送管线送入第二氧化反应器，以在所述第一氧化反应器和第二氧化反应器之间提供对于气体的密封；以及-在步骤(c)中，以一定方式操作所述第二氧化容器，以使得在所述第二氧化容器中空气的表面速度为3至10米/秒。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所气/固分离器是旋流器。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在进入第一氧化区之前，氧损耗空气流的第一部分的压力升高。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第一氧化区中经还原的氧化还原活性物质颗粒和氧损耗空气流的第一部分的接触、以及在第二氧化区中部分再氧化的氧化还原活性物质颗粒流和空气的接触以逆流模式进行。

13.用于根据如权利要求1-12中任一项所述的方法对烃进料进行燃烧的设备，其包括：-用于进行燃烧步骤(a)的至少一个还原区，其包括：用于颗粒形式的氧化还原活性物质流的入口、用于所述烃进料的入口、用于气态流和用于经还原的氧化还原活性物质的排出口；

-用于进行第一氧化步骤(b)的第一氧化区，其包括：连接至从还原区获得的经还原的氧化还原活性物质排出口的入口、用于氧损耗空气流的第一部分的入口、用于氮分子流的出口、以及用于部分再氧化的氧化还原活性物质流的排出口；

-用于进行第二氧化步骤(c)的第二氧化区，其包括：连接至来自第一氧化区的部分再氧化的氧化还原活性物质流排出口的入口、用于空气流的入口、用于氧损耗空气流的出口、以及用于连接至还原区的经再氧化的氧化还原活性物质流的排出口；

-对位于来自第二氧化区的氧损耗空气流出口处的氧损耗空气流进行分割的装置，所述装置包括第一管道，用于将氧损耗空气流的第一部分送至第一氧化区的氧损耗空气的入口，以及用于使得第二部分离开的第二管道，所述第二部分是剩余的来自化学回路的氧损耗空气流；

所述还原区和氧化区各自包括流化装置。

14.如权利要求13所述的设备，所述设备包括如下装置：将氧损耗空气流的第一部分以一定方式调整为引入第一氧化区的经还原的氧化还原活性物质的量，以获得含有给定量氧分子的氮分子流。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述含有给定量氧分子的氮分子流是含有

10ppmv或更低量氧分子的氮分子流。

16.如权利要求13-15中任一项所述的设备，其中：

-第一氧化区是包括设置有热交换装置和流化装置的容器的反应器，热交换器装置包括传热流体和与传热流体和所述氧化还原活性物质接触的热交换表面，并且使得所述传热流体与所述氧化还原活性物质分离，所述流化装置包括用于注射氧损耗空气以形成颗粒的流化床的装置，所述流化床与热交换表面接触，-用于氮分子流的排出口位于容器上部；以及

-用于部分再氧化的氧化还原活性物质流的出口位于与来自第二氧化区的部分再氧化的氧化还原活性物质流的入口连接的容器下部。

17.如权利要求13-15中任一项所述的设备，所述设备包括：

-作为第一氧化区的提升器型的第一氧化反应器；

-作为第二氧化区的提升器型的第二氧化反应器；

-气/固分离器，其以一定方式位于所述第一氧化反应器下游，用于接收从第一氧化反应器顶部离开的混合物，所述混合物包含氮分子流和部分再氧化的氧化还原活性物质流；

-位于部分再氧化的氧化还原活性物质从所述气/固分离器至第二氧化反应器的输送管线上的虹吸管，以在所述第一氧化反应器和第二氧化反应器之间提供气体密封。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述气/固分离器是旋流器。

19.如上述权利要求13-15中任一项所述的设备，所述设备包括：压缩装置其位于将氧损耗空气流的第一部分送至第一氧化区的第一管道上。

20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述压缩装置是压缩机或鼓风机。

说明书

生产高纯度氮气的CLC方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及通过化学环路燃烧(CLC)进行烃进料燃烧的领域，更具体地涉及CLC中的氮气生产。

[0002] 大体情况

[0003] 化学环路燃烧(CLC)包括在活性物质(通常是金属氧化物)上进行氧化还原反应来将燃烧反应分割为两个连续的反应：第一反应，用于活性物质与氧化气体接触进行氧化；以及第二反应，用于活性物质与待燃烧的进料接触进行还原。CLC方法类似于富氧燃烧，主要区别在于不像氧燃烧的情况那样提供纯的专用氧气流，而是通过用作氧输送体的氧化还原活性物质来提供燃烧。该固体材料是颗粒形式的，通过气态试剂气动输送。这些颗粒在称为空气反应器的第一反应区中与空气接触进行氧化。随后，将其输送至称为燃料反应器的第二反应区中，在第二反应区中与待进行燃烧的固态、液态或气态烃进料接触。通过氧输送体材料的颗粒所输送的氧提供了进料的燃烧。这获得了通过进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，用于在其中进行再氧化，由此结束循环。

[0004] 应当注意的是，术语“氧化”和“还原”通常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，是氧化还原物质进行氧化的反应器，还原反应器也称为燃料反应器，是氧化还原物质进行还原的反应器。反应器以流化床模式运行，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在氧化反应器中的氧化状态和还原反应器中的还原状态之间连续变化。

[0005] 化学回路燃烧可以用于产生能量，例如，以蒸汽或电的形式产生能量。进料燃烧的热量类似于常规燃烧中产生的热量。这与化学回路中氧化和还原的热量总和相对应。一般通过交换器来提取热量，所述交换器位于燃料和/或空气反应器的壁内或壁上，或与燃料和/或空气反应器有关，在烟雾管线上或在活性物质输送管线上。

[0006] 使用化学回路燃烧的主要优点是将CO2与燃烧空气进行固有分离，目的是捕获CO2并将其存储在例如深蓄水层中，或者目的是使其提高，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)过程中油田开发的产率。

[0007] 来自该燃烧模式的另一优点是：产生了经损耗的空气，即，非常富含氮气的流。该经损耗的空气在空气反应器中活性物质进行氧化之后获得。

[0008] 该流出物的氮气纯度具体取决于所选择的燃烧模式，并且具体取决于为了确保空气反应器中活性物质颗粒令人满意地再氧化所需的过量空气。通常，为了设想完全燃烧(total combusion)，需要过量空气用于氧化反应，以确保在空气反应器中使得颗粒完全再氧化。在本说明书中，该过量空气同样已知为相对于空气的超化学计量比。

[0009] 使用过量的空气导致空气的流速高于在化学计量条件下进行氧化反应所需的空气流速。用于进行活性物质氧化反应的过量空气越多，则流出物的氮气纯度越低，并且特别是，流出物将包含的残留氧气的量越大，因为空气中的氧并不是完全用于使得活性物质氧化。这种过量的空气由经氧化的活性物质以及空气反应器出口处的气态流出物(即，经损耗的空气)的热力学平衡控制。

[0010] 因此，空气反应器中需要空气的超化学计量比，以确保在整体燃烧环境中活性物质令人满意的氧化。然而，在CLC方法中通常以一次进行，该情况与高纯度氮气流的生产是不相容的。

[0011] 通常，来自空气反应器出口处的经损耗的空气包含约2体积％的氧气，其余的主要包含氮气和氩气。该2％的氧气相当于为了进料完全燃烧的约10％的超化学计量比。尽管氧气量相对较小，但该氧气量仍然远高于用于某些应用的氮气的所需规格，例如，对于某些需要缺氧型条件的应用而言，约为10ppmv(百万份体积)。

[0012] 高纯度氮气流的生产实际上是特别令人感兴趣的，因为这可以用于各种应用，特别是石油工业领域。例如，它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。

[0013] 因此，需要CLC工艺中所产生的氮气流将其残余的氧气纯化，特别是当考虑进料完全燃烧时尤为如此。

[0014] 通过CLC的高纯度氮气的生产由 等人2010年的文章(“通过化学回路重整的合成气和单独的氮气/氩气流——一个140kw的试验工厂的研究(Syngas and a separate nitrogen/argon stream via chemical looping reforming–A 140kw pilot plant study)”，T. 等人，《燃料89(Fuel 89)》(2010):1249-1256)进行阐述。该文章涉及旨在于生产合成气的CLC工艺。在该情况下，需要烃进料的仅部分氧化，以生产合成气，结果固体氧输送体的氧化受到限制。所公开的测试显示出在该情况下，在空气反应器中可以实现空气中氧的几乎完全消耗

[0015] 然而，当需要烃进料的完全燃烧时不能考虑该实施模式，因为输送氧的活性物质的氧化必须是大量的，以限制所采用的活性物质的量。如上所述，这种限制迫使用过量空气(空气的超化学计量比)运行氧化反应器，导致所产生的氮气流中百分之几的氧气浓度。

[0016] 通过CLC的高纯度氮气的生产还在专利申请WO 2014/091024 A1中公开。在该文件中，CLC单元中所生产的氮气用于从地质储层提取天然气。将氮气注入储层，以增加储层中的压力，并提高天然气的回收度。在所公开的CLC方法中，在CLC单元中处理的进料是源自氮气注入油气储层的含有大量氮气(超过20％)的天然稀释气体。

[0017] 在CLC单元中，氮气流由离开氧化反应器的气态流出物产生，该氧化反应器供应有含氮气和氧气的气体以及还原形式的金属或金属氧化物型的氧载体。提供氧化反应器的含有氮气和氧气的气体在将其引入氧化反应器之前通常是空气或通过膜分离技术的富含氮气的空气。

[0018] 其提到了在空气反应器中几乎完全去除空气中的氧气是通过空气反应器一次来完成的，或者可选地通过使空气流多次经过空气反应器来完成，或者实际上通过使得空气流经过多个空气反应器直至很大程度上消除了氧气来完成。还可以使得离开空气反应器的流进行纯化步骤，以获得低于10ppm的氧含量。设想了一种催化分离路线。

[0019] 然而，不管采用哪种分离技术，在通过空气反应堆之前或之后，在气体的化学循环之外进行的补充步骤在投资和能源成本方面是昂贵的。此外，其并未证明如何在没有补充纯化步骤的情况下获得小于10ppm的含量。

[0020] Edrisi等人2014年的文章还探讨了在CLC中生产高纯度氮气(“使用基于铁的氧载体通过化学回路生产氢气、氮气和二氧化碳(Hydrogen,nitrogen and carbon dioxide production through chemical looping using iron-based oxygen carrier–A green plant for H2 and N2 production)”，A.Edrisi等人，国际氢能期刊(International Journal of Hydrogen Energy)39(2014)：10380-10391)。作者提出了一种模拟生产氢气、氮气和高纯度CO2流出物的CLC方法。在用于固体氧输送体进行氧化的反应器中通过从空气与固体接触以消耗氧气来进行生产氮气。作者已知需要用过量空气进行操作，并公开了具有两个氧化步骤的分阶段氧化反应器：第一步骤包括使经还原的氧化物与空气接触，并用有限的空气进行，即第一步中的空气流速低于活性物质进行完全氧化所需的空气流速。由此在第一步骤结束时生成了高纯度氮气。第二步骤包括使得从第一步骤获得的部分氧化的氧化物与空气接触，并且以过量的空气进行，从而确保活性物质的完全氧化。

[0021] 然而，在该CLC构造中，氮气的产生是有限的，因为第一步骤是用含有非常大量待除去的氧气的空气(几乎是21体积％的氧气)进行的。

[0022] 本发明的目的和内容

[0023] 本发明旨在至少部分克服上述讨论的现有技术中的问题。

[0024] 通常，本发明的目的是提供一种可以用于生产高纯度氮气的工艺和CLC设备，特别是当需要完全燃烧(total combustion)时，特别是在投资和能源支出方面，以良好的产率并在使生产成本最小化的工艺和CLC设备。

[0025] 因此，为了实现上述目标中的至少一个，一方面中，本发明提供用于烃进料的CLC工艺，其中，颗粒形式的氧化还原活性物质在以流化床模式运行的至少一个还原区和两个氧化区之间循环，所述CLC工艺包括以下步骤：

[0026] (a)通过在至少一个还原区中使得氧化还原活性物质与进料接触进行还原来实施所述烃进料的燃烧，

[0027] (b)在第一氧化区中，对步骤(a)结束时获得的经还原的氧化还原活性物质进行氧化的第一步骤通过与氧损耗空气流的第一部分接触来进行，以产生含有100ppmv或更低量氧分子的氮分子流以及部分经再氧化的氧化还原活性物质流；

[0028] (c)在第二氧化区中，对步骤(b)结束时获得的部分再氧化的氧化还原活性物质流进行氧化的第二步骤通过与空气接触来进行，以产生氧损耗空气流和用于在步骤(a)中使用的经再氧化的氧化还原活性物质流；

[0029] (d)对步骤(c)结束时获得的所述氧损耗空气流进行分割，以形成在步骤(b)中使用的所述氧损耗空气流的第一部分、以及从化学回路中提取的氧损耗空气流剩余的第二部分。

[0030] 可以将步骤(d)中氧损耗空气流的第一部分调整为步骤(a)获得的经还原的氧化还原活性物质的量，并且以一定方式送入第一氧化区中以获得含有给定分数氧分子的氮分子流。

[0031] 优选，氮分子流包含10ppmv或更低量的氧分子。

[0032] 有利的是，在第二氧化步骤(c)期间施加超化学计量比的氧气，以一定方式获得包含约2％氧分子的氧损耗空气流。

[0033] 优选地，氧化还原活性物质包含氧化锰，氧损耗空气流包含约2％的氧分子，并且氧损耗空气流的第一部分小于氧损耗空气流的7.4％，以一定方式产生含有少于10ppmv氧分子的氮分子流。

[0034] 根据所述方法的一实施方式，第一氧化区是包括设置有热交换装置的容器的反应器，所述热交换装置包括传热流体，并且，在第一氧化步骤(b)期间：

[0035] -氧化还原活性物质颗粒的流化床通过将氧损耗空气流的第一部分注入所述容器中来产生；

[0036] -热交换在颗粒的流化床和传热流体之间进行；

[0037] -所述氮分子流经过位于容器上部的第一出口排出；以及

[0038] -部分再氧化的氧化还原活性物质流经过位于容器下部的第二出口排出，以将其送入第二反应区，优选通过气动阀进行。

[0039] 根据该实施方式，优选地，第一氧化区以一定方式进行操作，以使得容器中氧损耗空气的表面速度是氧化还原活性物质颗粒的最终下降速度的2倍至10倍。

[0040] 根据所述方法的另一实施方式，第一和第二氧化步骤(b)和(c)分别在第一氧化反应器和第二氧化反应器中进行，第一氧化反应器和第二氧化反应器都是提升器型的，并且：

[0041] -在步骤(b)中，以一定方式操作所述第一氧化容器，以使得在所述第一容器中氧损耗空气的表面速度为2至15米/秒；

[0042] -从第一氧化反应器顶部离开的混合物在气/固分离器、例如旋流器中分离为氮分子流和氧化还原活性物质流；

[0043] -将部分再氧化的活性物质流通过包括虹吸管的输送管线送入第二反应器，以在所述第一和第二反应器之间提供对于气体的密封；以及

[0044] -在步骤(c)中，以一定方式操作所述第二氧化容器，以使得在所述第二容器中空气的表面速度为3至10米/秒。

[0045] 在进入第一氧化区之前，氧损耗空气流的第一部分的压力可以升高。

[0046] 优选地，在第一氧化区中经还原的氧化还原活性物质颗粒和氧损耗空气流的第一部分的接触、以及在第二氧化区中部分氧化的氧化还原活性物质颗粒流和空气的接触以逆流模式进行。

[0047] 根据第二方面，本发明提供一种用于根据上述方法使得如上所述的烃进料进行燃烧的设备，其包括：

[0048] -用于进行燃烧步骤(a)的至少一个还原区，其包括：用于颗粒形式的氧化还原活性物质流的入口、用于所述烃进料的入口、用于气态流和用于经还原的活性物质的排出口；

[0049] -用于进行第一氧化步骤(b)的第一氧化区，其包括：连接至从还原区获得的经还原的氧化还原性物质排出口的入口、用于经损耗的空气流的第一部分的入口、用于氮分子流的出口、以及用于部分再氧化的氧化还原活性物质流的出口；

[0050] -用于进行第二氧化步骤(c)的第二氧化区，其包括：连接至来自第一氧化区的部分再氧化的氧化还原活性物质流排出口的入口、用于空气流的入口、用于氧损耗空气流的出口、以及用于连接至还原区的经再氧化的氧化还原活性物质流的排出口；

[0051] -用于对位于来自第二氧化区的氧损耗空气流出口处的氧损耗空气流进行分割的装置，所述装置包括第一管道，用于将氧损耗空气流的第一部分送至第一氧化区的氧损耗空气的入口，以及用于使得第二部分离开的第二管道，所述第二部分是剩余的来自化学回路的氧损耗空气流；

[0052] 所述还原区和氧化区各自包括流化装置。

[0053] 优选地，所述设备包括如下装置：该装置将氧损耗空气流的第一部分以一定方式调整为引入第一氧化区的经还原的氧化还原活性物质的量，以获得含有给定量氧分子的氮分子流，优选含有10ppmv或更低量氧分子的氮分子流。

[0054] 根据一实施方式，第一氧化区是包括设置有热交换装置和流化装置的容器的反应器，热交换器装置包括传热流体和与传热流体和所述氧化还原活性物质接触的热交换表面，并且使得所述传热流体于所述氧化还原活性物质分离，所述流化装置包括用于注射氧损耗空气以形成颗粒的流化床的装置，所述流化床与热交换表面接触，用于氮分子流的排出口位于容器上部，并且用于部分再氧化的氧化还原活性物质流的出口位于与来自第二反应区的部分再氧化的氧化还原活性物质流的入口连接的容器下部。

[0055] 根据另一实施方式，所述设备包括：

[0056] -作为第一氧化区的提升器型的第一氧化反应器；

[0057] -作为第二氧化区的提升器型的第二氧化反应器；

[0058] -气/固分离器，例如旋流器，以一定方式位于所述第一氧化反应器的下游，用于接收从第一氧化反应器顶部离开的混合物，所述混合物包含氮分子流和部分再氧化的氧化还原活性物质流；

[0059] -位于部分再氧化的活性物质从所述分离器至第二氧化反应器的输送管线上的虹吸管，以在所述第一和第二氧化反应器之间提供气体密封。

[0060] 有利的是，所述设备进一步包括：压缩装置，例如，压缩机或鼓风机，其位于将氧损耗空气流的第一部分送至第一氧化区的第一管道上。

[0061] 通过阅读下文中以非限制性实施例形式给出的实施方式的描述并参考如下所述的附图，可以了解本发明的其它特征和益处。

附图说明

[0062] 图1是进行CLC工艺的工艺流程图。

[0063] 图2是在本发明CLC工艺中进行氧化还原活性物质的氧化与氮分子生产的工艺流程图。

[0064] 图3和4是显示在本发明CLC工艺中进行活性物质的氧化与氮分子生产的两个实施示例的工艺流程图。

[0065] 图5是表示例如对于活性物质的质量流与氧气的质量流的不同比率、在经损耗的空气的存在下、基于部分还原的氧化锰的活性物质的模拟反应热力学平衡的图。

[0066] 在图中，相同或相似的元件的附图标记是一致的。

发明内容

[0067] 本发明的目的在于提供与CLC集成的在氧化还原活性物质用空气进行氧化后产生的流出物的纯化，以产生高纯度氮气流，随后该高纯度氮气流可用于许多应用，例如提高油或气回收率或油精炼。

[0068] 更准确地说，为了生产该高纯度的氮分子，本发明提供了通过使在化学回路中产生的经损耗的空气的一部分与最高还原态的还原性氧化物活性物质接触来使得经损耗的空气的一部分纯化。

[0069] 术语“氮气的高纯度流”是指基本上包含氮分子(即至少99％的氮分子)和100ppmv或更低量(更优选10ppmv或更低)的氧分子的氮气流。剩余部分可以由通常存在于空气中的其它气体形成，例如稀有气体，基本上是氩气，但是还有氖气、氪气、氙气，例如二氧化碳(CO2)，或甲烷。其还可以包含痕量形式(即，微量，低于1ppmv的微量)的其它气体，如氢分子、臭氧或氡气。

[0070] 在本说明书中，术语“氧”用于表示化学元素氧，而且当明确或确定涉及气体时，也指氧分子。类似的，术语“氮”用于表示化学元素氮，而且当明确或确定涉及气体时，也指氧分子。

[0071] 应注意在本说明书中，表述“氧输送材料”和“氧化还原活性物质”是相同的。氧化还原物质据说与其反应能力相比具有活性，就此意义而言是指能够通过捕捉和释放氧来作为CLC方法中的氧输送体。也可使用简写表述“氧载体”或“活性物质”或术语“固体”。

[0072] 图1是表示化学回路燃烧大体运行原理的流程图。使得经还原的氧载体15在如上定义为空气反应器(或氧化反应器)的反应区100中与空气流10接触。产生了经损耗的空气流11和经再氧化的颗粒流14。将氧载体14的经氧化的流输送至如上定义为燃料反应器(或还原反应器)的还原区110中。使得颗粒的流14与燃料12(通常是烃进料)接触。这产生了燃烧流出物13和经还原的氧载体颗粒流15。为了简化的目的，图1的显示不包括用于在空气和燃料反应器周围进行热交换、压缩、分离或可能的再循环目的的形成CLC单元的一部分的各种设备部件。

[0073] 在还原区110中，使得烃进料12以逆流模式与颗粒形式的氧化还原活性物质接触，以通过氧化还原活性物质的还原使得所述进料进行燃烧。

[0074] 氧化还原活性物质MxOy通过烃进料CnHm还原至MxOy-2n-m/2状态，其中M表示金属，根据下述反应(1)，所述烃进料相应地氧化为CO2和H2O，或者取决于所使用的比例，可能氧化为CO+H2的混合物。

[0075] CnHm+MxOy→n CO2+m/2H2O+MxOy-2n-m/2   (1)

[0076] 在本发明中，目的为用于烃进料的完全燃烧。

[0077] 进料与活性物质接触进行的燃烧通常在600℃至1400℃的温度范围内进行，优选在800℃至1000℃的范围内进行。接触时间基于所用的燃料进料的类型而变化。其通常在1秒至10分钟的范围内，例如，对于固体或液体进料优选为1-5分钟，例如对于气态进料优选为1-20秒。

[0078] 包括由燃烧获得的气体和活性物质颗粒的混合物从还原区110的顶部排出。气/固分离装置(未显示)(例如，旋流器)可以用于将燃烧气体13与最大还原态的活性物质的固体颗粒进行分离。将这些活性物质的固体颗粒在600℃至1400℃的温度范围下、优选在800℃至1000℃的范围下输送至用于再氧化的氧化区100。

[0079] 在氧化反应器100中，根据下述反应(2)，在返回至还原区域110之前，且在与从氧化区域100顶部排出的氧损耗氧化气体11分离后，活性物质与空气10接触而恢复到氧化态MxOy。

[0080] MxOy-2n-m/2+(n+m/4)O2→MxOy   (2)

[0081] 将活性物质从氧化形式转变为还原形式以及从还原形式转变为氧化形式描述为氧化还原循环。

[0082] 所处理的烃进料可以是固态、液态或气态烃进料：气态燃料(例如：天然气、合成气、沼气)、液态燃料(例如：燃料、沥青、柴油、汽油等)、或固态燃料(例如煤、焦炭、石油焦、生物质、沥青砂等)。

[0083] 氧化还原物质可由金属氧化物构成，所述金属氧化物例如有Fe、Ti、Ni、Cu、Mn、Co、V氧化物中的任一种或作为混合物，所述金属氧化物来源于矿物(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镍氧化物颗粒，NiO/NiAl2O4)，可包含或不包含粘合剂，且具有所需的氧化还原性质和流化所需的特性。取决于材料的类型，氧化还原物质的氧储存能量优选范围为1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的范围为1-3重量％，这意味着可以只使用一部分氧输送能力，理想的是少于其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(thermal ballast)起作用，从而使得整个床上的温度变化变得平滑。

[0084] 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。通过非限制性示例的方式，氧化还原活性物质的颗粒可属于格尔达特分类的B组，并且超过90％的颗粒的粒径在100μm-500μm的范围内，优选在150μm-300μm范围内，密度在1000g/m3-5000kg/m3的范围内，优选1500g/m3-4000kg/m3的范围内。

[0085] 氧化还原活性物质可以一定方式经受一个活化阶段以增加其反应能力，所述活化阶段可由温度上升阶段构成，优选是渐进的温度上升阶段，并且优选是在氧化气氛(例如空气)中进行。

[0086] 根据本发明的CLC工艺具有图1所示的大体流程图，除了氧载体氧化部分之外，请参照图2在下面进行总体描述。

[0087] 根据本发明，CLC工艺包括用于在氧化还原活性物质氧化期间所形成的经损耗的空气一部分的纯化。

[0088] 因此，其包括以下步骤：

[0089] (a)用于烃进料燃烧的步骤A

[0090] 如上所述关于图1，通过在至少一个还原区中使得氧化还原活性物质与进料接触进行还原来进行。

[0091] (b)用于从步骤(a)获得的经还原的氧化还原活性物质进行氧化的第一步骤：这在第一氧化区201中通过使得由(a)获得的活性物质与经损耗的空气流的第一部分进行接触来进行，以产生含有100ppmv或更低量氧分子的氮分子流以及部分经再氧化的氧化还原活性物质的流。

[0092] (c)用于从步骤(b)结束时获得的部分再氧化的氧化还原活性物质流进行氧化的第二步骤：这在第二氧化区200中通过使得由(b)获得的活性物质与空气接触来进行，以产生经损耗的空气的流和用于在步骤(a)中使用的经再氧化的氧化还原活性物质流。

[0093] (d)用于对由步骤(c)所获得的经损耗的空气流进行分割的步骤：该分离可以形成在步骤(b)中使用的经损耗的空气流的第一部分、以及从化学回路中提取的经损耗空气流剩余的第二部分。

[0094] 步骤(b)至(d)如下详述。

[0095] 步骤(b)：用于氮分子流的氧化和生产的第一步骤

[0096] 将最高还原态的氧载体颗粒流25引入至第一氧化区201中。

[0097] 术语“最高还原态”是指离开还原区110的氧化还原活性物质的最大还原态，根据式(1)和(2)，其是MxOy-2n-m/2形式的。例如，在氧化还原对Fe2O3/FeO的情况下，活性物质的最大还原态对应于FeO形式。还原步骤期间，FeO形式的活性物质的比例取决于所输送的氧的量，其范围为1重量％至3重量％。

[0098] 该第一反应区201通过与由第二氧化区200产生的经损耗的空气的一部分21b接触使得氧化还原活性物质部分再氧化，第二氧化区200具有与空气反应器100相同的作用，即使得氧化还原活性物质完全再氧化，以使其再次用于在燃料反应器110中使用。颗粒与经损耗的空气的一部分的接触以逆流模式进行。

[0099] 气态流出物29由该第一氧化步骤产生，其氧浓度为低于100ppmv，并且优选低于10ppmv，并且具有至少部分再氧化的颗粒流26。

[0100] 术语“部分再氧化的颗粒流”是指具有以下性质的颗粒的流，其中，以氧化形式存在的活性物质的比例低于在完成第二氧化步骤期间经氧化的颗粒流中的。换言之，通过部分再氧化颗粒的流输送的氧的质量小于通过在第二步骤期间完全再氧化的颗粒流所输送的氧的质量。在两流之间所输送的氧的质量差异取决于循环的经损耗的空气21b的量以及在气态流出物28中设想的氮纯度。

[0101] 在第一氧化区201中的第一氧化步骤因此可以用于产生高纯度氮分子流。

[0102] 该流28如上所限定。其包含100ppmv或更低的氧分子量、优选10ppmv或更低的氧分子量。

[0103] 在CLC的情况下，CO2可以存在于来自空气反应器出口的流出物中，与伴随循环床的燃料反应器中所引入的未燃烧的烃有关，主要是在固态或液态烃进料进行燃烧的情况下。然而，在该情况下，可以借助于特定设备控制CO2含量，例如，通过专利申请WO2011/151535和WO2011/151537中描述的用于使得颗粒分离的装置进行控制。

[0104] 步骤(c):第二氧化步骤

[0105] 将颗粒流26输送至第二氧化区200，以使得其与旨在使氧化还原活性物质颗粒完全再氧化的空气流20接触。颗粒与空气的接触以逆流模式进行。

[0106] 将空气送至第一氧化区200，所述空气通常称为新鲜空气，其包含约21％的氧分子和78％的氮分子。约1％的余量主要包含氩气，以及其它稀有气体，例如，氖气，氪气和氙气，以及约0.04％量的二氧化碳。

[0107] 该第二氧化步骤产生了在最大且所需的氧化态的氧载体颗粒流24和经损耗的空气流21。在空气超化学计量比的条件下以一定方式进行氧化，以使得氧载体颗粒在该第二氧化步骤结束时处于其最大氧化态。

[0108] 术语“再氧化的活性物质颗粒”是指根据式(1)和(2)以其MxOy形式的处于其最大氧化态的颗粒。例如，在氧化还原对Fe2O3/FeO的情况下，活性物质的最大氧化态是指在所有颗粒中氧化铁是Fe2O3形式的。

[0109] 术语“经损耗的空气”是指在氧化区中反应前与初始空气(新鲜空气)相比，氧损耗的空气。经损耗的空气优选包含低于约4％的氧分子。经损耗的空气的氧分子含量取决于在初始空气中初始包含的氧分子的量(在新鲜空气的情况下，为约21％)、以及所采用的超化学计量比，以确保所有颗粒的氧化态都是最高的。

[0110] 典型地，经损耗的空气包含约2％的氧分子。术语“约”表示±0.5％。这是为了保证所有颗粒的最大氧化态而选择采用10％量级的超化学计量比的结果。为了克服氧和颗粒之间的输送限制，这种超化学计量比是必要的，并且可以随着氧载体的反应动力学和反应器中的流体力学的变化而变化。

[0111] 步骤(d)：对经损耗的空气进行分割

[0112] 经损耗的空气流12在第二氧化区200的出口处进行分割，以形成循环至第一氧化区201从而进行第一氧化步骤的经损耗的空气的第一部分、以及从CLC单元排出的剩余的第二部分21a。第二部分不是0：并未考虑将第二氧化区所获得的全部经损耗的空气流送至第一氧化区。经损耗的空气的循环比是所期望的氮纯度的函数。通过非限制性的示例，经损耗的空气流15％的循环(即，等于最初含有2％的氧分子的总经损耗的空气21的15％的第一部分)意味着可以获得含有约2至3ppmv的氧分子的流28。

[0113] 然后，有利的是，将步骤(d)中经损耗的空气的第一部分调整为步骤(a)结束时获得的经还原的氧化还原活性物质的量，并且以一定方式送入第一氧化区201中以获得含有给定分数氧分子的氮分子流28。

[0114] 例如，对于给定的具有已知性质的活性物质，确定空气的经损耗的部分21b的流速(对于经损耗的空气，其氧分子含量是已知的，例如约2％)，从而以一定方式对流速已知的颗粒流25进行部分氧化，以产生包含100ppmv或更少量的氧分子(更优选10ppmv或更少量的氧分子)的氮分子流。

[0115] 根据一实施方式，氧化还原活性物质包含氧化锰，经损耗的空气流包含约2％的氧分子，并且经损耗的空气的第一部分小于氧损耗空气流的7.4％，从而以一定方式产生含有少于10ppmv氧分子的氮分子流。

[0116] 在与氧载体颗粒接触之前，经损耗的空气流21b可以通过调节装置202进行调节以使其适应反应201的操作条件。实际上，通常通过精确控制单元的压力平衡来确保CLC单元(其氧输送体在移动床中)的合适操作。调节步骤因此通常可以包括借助于加压装置(如压缩机)、或者甚至鼓风机来压缩一部分经损耗的空气21b，以产生一部分经压缩的经损耗的空气27。如果需要，调节步骤还可以包括借助于热交换装置进行热交换，以使得其适合所选择的压缩机技术。该调节步骤是优选的，但是任选的是，单元的压力平衡可以通过改变反应区的相对位置进行调整。

[0117] CLC工艺在一个设备中进行，其包括参照图1的活性物质部分的还原和图2的活性物质部分的氧化：

[0118] -用于进料12进行燃烧步骤的至少一个还原区110，其包括：用于活性物质流14的入口、用于烃进料12的入口、用于基本是CO2和H2O的燃烧气体13和经还原的活性物质25的排出口。可以采用多个还原区，以进行进料的燃烧(设想完全燃烧)。

[0119] -用于进行第一氧化步骤(b)的第一氧化区201，其包括：连接至从还原区110获得的经还原的氧化还原活性物质25排出口的入口、用于经损耗的空气流的第一部分21b的入口、用于氮分子流28的出口、以及用于部分再氧化的氧化还原活性物质流26的出口。

[0120] -用于进行第二氧化步骤(c)的第二氧化区200，其包括：连接至来自第一氧化区201的部分再氧化的氧化还原活性物质流26排出口的入口、用于空气流20的入口、用于经损耗的空气流21的出口、以及用于连接至还原区110的经再氧化的氧化还原活性物质流24的排出口。

[0121] -用于对位于来自第二氧化区200的经损耗空气流21出口处的经损耗空气流进行分割的装置，所述装置包括第一管道，用于将经损耗的空气流的第一部分21b送至第一氧化区201的经损耗的空气的入口，以及用于使得第二部分离开的第二管道，所述第二部分是来自化学回路的剩余的经损耗的空气流。用于对经损耗的空气流进行分割的装置优选包含阀系统以调整两个经损耗的空气部分21a和21b的流速。例如，管线之间气体流21a和21b的分配可以通过安装对于各管道不同的专用的固/气分离装置(例如，旋流器)实施。在该情况下，通过控制各管线的截面以及通过控制单元的压力平衡使得流向着一个或另一个管线改变。该分离也可以在固/气分离装置的下游通过在一个或另一个管线、甚至两个管线上使用引起压降的装置(例如阀)调整压降来进行。典型地，这些阀可以是机械的，例如，例如蝶型或闸床(guillotine)型的。阀门类型的选择考虑了关于材料选择的操作温度(耐热钢、特种合金、内部冷却系统、保护套(lagging))。同样，此处该分配可以通过改变管道的相应直径进行改变。如果调节系统202需要降低流体21b的温度，则优选地，压力调节装置将位于冷却的流体上。以类似的方式，如果用于改变压降的装置设置在用于流21a的管线上，则其优选位于任选地安装于此的热回收元件的下游。

[0122] 还原区和氧化区各自包括流化装置，以确保化学回路的循环流化床操作。

[0123] 例如，这些流化装置是本领域技术人员已知的用于注射针管冠(injector crown)型气体的装置、或任何其它适当的装置(多孔板、泡罩塔盘、喷嘴、扩散器等)。

[0124] 应理解CLC设备可以包括未显示的多种装置；可以引用的非穷尽示例是用于控制固体流的装置(如阀门)、气/固分离装置、热交换装置、淘析装置、或密封装置(例如诸虹吸管)。

[0125] 图3和图4各自显示了根据本发明实施CLC工艺的示例。这些示例不是限制性的，并且可以设想许多其它构造。仅显示了与活性物质的氧化和氮气流的生成有关的CLC设备的一部分。

[0126] 参见图3，CLC设备包括通常被称为提升器类型的两个氧化反应器301和300，其分别形成了形成高纯度氮分子流28的第一氧化区和使得活性物质完全再氧化的第二氧化区。提升器型反应器是以所输送的流化床模式操作的基本上细长且垂直的反应器。气/固分离器303(例如旋流器)位于第一氧化反应器301的下游，以接收从反应器301顶部离开的混合物，所述混合物包含氮分子流28和部分再氧化的氧化还原活性物质流26。虹吸管位于部分再氧化的活性物质26从所述分离器303至第二氧化反应器300的输送管线上，以在两个空气反应器301和300之间提供气体密封。气/固分离器304(例如旋流器)位于第一氧化反应器
300的下游，以接收从反应器300顶部离开的混合物，所述混合物包含经损耗的空气(21a和
21b)和再氧化的氧化还原活性物质流24。在旋流器304的出口处，设置两个管线以对经损耗的空气流进行分割。第一管线输将经损耗的空气的第一部分21b输送至第一空气反应器
301。第二管线从CLC单元提取经损耗的空气的剩余第二部分21a。压缩装置302(如压缩机或鼓风机)可以存在于管线上，以使得经损耗的空气一部分的21b进入用于空气反应器301的经损耗的空气的入口。

[0127] 经损耗的空气的一部分21a从第二空气反应器300的出口排出，用于循环到反应器300的上游，至第一空气反应器301中。在第一反应器301中，这可以与经还原的氧载体25接触。经损耗的空气的一部分21a的压力在其以流27的形式引入反应器301之前增加，主要是为了补偿反应区300和301中的流化床的压降、以及由这两个区的各自注射装置产生的压降。该压力的升高可以通过压缩机302或者甚至是鼓风机来实现，前提是在大多数情况下，待补偿的压降小于1巴。

[0128] 根据该实施方式，第一空气反应器301包括输送的流化床，其中气相的速率范围为2m/s至15m/s，优选2至10m/s。例如，该反应器的直径范围为3m至6m，高度为10m至30m。所产生的气体28随后在气/固分离器303中与固体流26分离。例如，反应器301和300之间的气体密封通过流动有氮气(从反应器301中所产生的氮气流)的虹吸管确保。事实上，为了保持关于氮分子28流中的氧分子含量的规格，密封件是必需的。

[0129] 在第二空气反应器300中，氧载体流进行再氧化，以产生意图在用于烃进料燃烧的还原步骤中再次使用的经再氧化的氧载体流24。第二空气反应器300中的气体速率通常为3m/s至10m/s。包含经损耗的空气和经再氧化的颗粒流的混合物离开反应器301的顶部，并进入气/固分离器304。离开旋流器304的经损耗的空气流随后分成第一部分21b以及离开化学回路的剩余第二部分21a。

[0130] 根据另一实施方式，第一氧化区安装在专用于另一功能(例如活性物质的氧化)的空间中。

[0131] 因此，参考图4，CLC设备包括第一反应器401和提升器型的第二空气反应器400，所述第一反应器401包括设置有热交换装置和流化装置的容器，以对流化床机进行操作。

[0132] 热交换装置包括传热流体以及热交换表面。该表面可以用于通过该表面分离的活性物质颗粒和传热流体之间的热量交换。

[0133] 流化装置包括用于注入经损耗的空气的装置，从而形成于热交换表面接触的颗粒流化床。

[0134] 反应器401的容器包括：位于容器上部的氮分子流28的排出口、以及位于容器下部的部分再氧化的氧化还原活性物质流26的出口，所述出口连接至第二空气反应器400的颗粒流的入口。

[0135] 因此，根据该实施方式，第一反应器404可以收回由燃烧产生的一部分热量。热交换有利地在还原区的下游(此处是指固态氧载体的循环)进行，即在通常的吸热反应区的下游进行。

[0136] 以一定方式调整操作条件，以使得经损耗的空气的表面速度是氧载体颗粒的最终下降速度的2倍至10倍。作为说明，这对应于具有10m×20m的矩形截面的热交换器(容器401)，其中在以900℃操作的反应器401中含有10ppmv氧分子的氮气产量为13至80吨/小时。
在第一反应器401中反应后的活性物质颗粒随后通过气动L型阀排放至第二空气反应器400中。优选通过使气相从第一反应器401向第二空气反应器400下落的压力平衡来提供密封。

[0137] 在空气反应器401和400中的反应与图2和图3中所述的反应相同。类似地，流离开第二空气反应器400的循环与图3所述的循环相同，并且在此不再重复。

[0138] 应用

[0139] 有利地采用本发明应用之一是提高烃的回收率(EOR或EGR)，其中氮可以一定方式对液态或气态烃的储层加压以提高回收率。常规用于该应用的气体之一是CO2，在粘度和与烃的混溶性方面，其具有超越使用氮气的优点，主要在EOR的情况下如此。然而，使用氮气的EOR(也称为术语N2-EOR)可能具有特别的优点，例如没有在潮湿的条件下和在旧设备中使用CO2经常遇到的腐蚀问题。使用氮气既不需要使用特定的冶金，也不需要注入防腐剂，同样不需要更换现有设备上被腐蚀的部件。

[0140] 另外一个关于加强烃回收技术的关键因素是储层的压力。在储层压力低的情况下，待提取的烃中的CO2的混溶不足以降低其粘度。随后，控制烃如何离开储层的参数仅仅是所要施加的压力，这是氮以及CO2能够满足的一个功能。

[0141] 最后，确定选择用于提高烃回收率所采用的气体的另一个参数是其可获得性。石油生产中使用利用CO2的EOR最多的情况是包括大型天然CO2储层的情况。当该储层不可用、并且储层的构造允许(例如储层中压力低)时，使用N2-EOR可能是有利的。

[0142] 目前，存在使用N2-EOR的示例，其中通过低温蒸馏进行包含小于10ppmvO2的氮分子流的生产。为了限制与压缩设备的润滑剂反应、避免容器中的烃氧化、并避免可能导致不希望的产物或沉淀物的副反应，特别需要这种低浓度的O2。此外，由于所注入气体的一部分与所生产的烃一起离开，所以需要限制氧分子含量，从而不会出现安全问题(爆炸、产品着火)。因此，本发明可用于提供高纯度氮分子流，所述高纯度氮分子流可以用于N2-EOR作为通过低温蒸馏生产氮气的替代方案。

[0143] 用于本发明应用的另一示例是在烃精炼厂中提供氮应用。实际上，在烃精炼厂中、典型在炼油厂中，广泛使用氮分子。例如，产量为40000桶/日(bpd)的小型炼油厂的氮气消耗量为2.5吨/小时，即2150Nm3/h。该氮气的最低纯度为99.9％。下表1详细显示了该气体的预期规格。

[0144] 组分 规格N2 最小为99.9％重量/重量
O2 最大为10ppmv
CO2 最大为10ppmv
CO 最大为10ppmv
其它含碳化合物 最大为5ppmv
Cl2 最大为1ppmv
H2O 最大为5ppmv
H2 最大为20ppmv

[0145] 表1

[0146] 在精炼厂中，氮分子特别用于在精炼过程中使得设备的各部件呈惰性，并使得储存设备或用于输送产品的设备的各部件呈惰性。特别是，该惰化的目的是避免形成危险或爆炸的气氛、以及避免产品的氧化。氮分子也用于水处理，从而从所生产的水中去除挥发性有机化合物(VOC)。实施例

[0147] 以下实施例意图说明本发明的某些优点。

[0148] 考虑一个额定输出为1000MWth的CLC火力发电厂。在该实施例中烃进料为具有下表2所示典型组成的南非煤炭。

[0149]元素 含量(％)
灰分 15.1
C 70.7
H 4.3
O 7.7
N 1.3
S 0.9

[0150] 表2

[0151] 如关于图2所述，CLC单元包括两个空气反应器以进行氧化还原活性物质的氧化。

[0152] 用于该进料完全燃烧所需的空气流速为290Nm3/s，假定10％的超化学计量比。

[0153] 以最简单的方式，空气由21％的氧气和79％的氮气组成。

[0154] 为第二空气反应器200提供该空气的该流速，以对氧载体进行氧化。从第二个空气反应器获得的经损耗的空气流含有2％的O2。在第一还原气反应器201中循环并与氧载体颗粒接触的经损耗的空气的分数取决于氮分子流所需的纯度以及所使用的氧输送体的性质。

[0155] 可使用多种类型的氧输送体。特别是，过渡金属氧化物可以单独使用或以混合物使用，尤其是例如镍、钴、铜、铁或锰的混合物。这些氧气输送体的性能作为其输送氧的能力的函数进行测定，而且还作为涉及氧气分压降低的稳定性的函数。在该实施例中，考虑使用基于锰的氧输送体(所采用的氧化物：MnO2,MnO,Mn2O3,Mn3O4。图5表示对于经处理气体(进入第一空气反应器201的气体流含有2％的氧)的质量流中的活性物质的质量流的三个比率，在经损耗的空气存在下部分还原的氧化锰的反应热力学平衡。

[0156] 在图5中，作为实线的曲线A表示比率r为1.8吨/千克的该平衡，其等于活性物质流相对于在进入的空气中的O2流；短划线的曲线B表示比率为6吨/千克的该平衡，长虚线的曲线C表示比率为9吨/千克的该平衡。沿着横坐标(以℃计)显示温度，在纵坐标上显示经处理的气体中的O2浓度(以摩尔％计)。各曲线旁边的箭头指示处应该读取纵坐标上的哪个值。曲线A和B的值在图的左侧纵坐标上读出，曲线C的值应该在图的右侧纵坐标上读出。

[0157] 在该实施例中，第二空气反应器在900℃下操作。所获得的2％的O2经损耗的空气浓度以每kg空气注入10.7kg活性物质的比例由新鲜空气获得。

[0158] 在第一反应器中，待处理气体中2％的氧气浓度对应于每公斤所注入氧气相对于0.6吨活性物质的比例。

[0159] 图5显示出通过将该比率的值乘以倍数3(对应于曲线A(比率r为1.8t/kg))，O2的残余浓度下降到1.4％。

[0160] 通过将该比率的值乘以10(曲线B的情况，比率r为6吨/千克)，该相同的浓度下降到174ppmv，并且通过将该比率的值乘以15(曲线C的情况，比率r为9吨/千克)，该浓度降低到2.6ppmv。

[0161] 在要提供小于10ppmv浓度的情况下，必须施加最小8.1吨活性物质/千克氧的比率，这意味着第一空气反应器201以等于1/13.5的含有2％O2的离开空气反应器的经损耗的空气流的分数(即，经损耗的空气流21的7.4％)进行操作。

[0162] 根据该实施例，第二反应器中用于完全燃烧的290Nm3/s的空气流量产生了含有2％氧的经损耗的空气，相当于1000吨/小时的氮气流量。通过在第一个反应器中处理7.4％的该经损耗的空气，可以用1000MWth的CLC单元产生74吨/小时的含10ppmv O2的氮气。

[0163] 根据本发明，有利的是在第一空气反应器中使用经损耗的空气而不是新鲜空气，以产生高纯度氮气流。

[0164] 第一个优点是因此可以减小产生氮气流的第一空气反应器的尺寸，因为空气中约90％的氧气已经在第二空气反应器中消耗掉了。

[0165] 然后，使用经损耗的空气的另一个优点是：与用新鲜空气可以实现的生产相比，可以生产更多的氮气。实际上，反应器出口处的氧气浓度通过空气中的氧气和活性物质颗粒中氧气浓度之间的热力学平衡进行控制。在注入新鲜空气的情况下，活性物质必须消耗更多的氧气，以达到所需的规格(10ppmv的O2)。再次回到本实施例的数据，在第二个反应器中3
需要10.7kg活性物质/kg所注射空气的比率，以使得进料进行完全燃烧。对于290Nm/s的空气流量，活性物质的流量因此是3.9t/s。在第一反应器中，需要最小比率为8.1吨活性物质/千克氧气，以达到10ppmv氧分子的规格。因此，对于3.9t/s的活性物质流量，第一反应器中可以纯化的氧气的最大流量为0.48kg/s。

[0166] 通过使用经损耗的空气，该氧气的流量等于总流量的2摩尔％，其余是氮气。在这种情况下，含有10ppm的O2的氮气的产量上升到74吨/小时。

[0167] 通过使用新鲜空气，该氧气的流量等于总流量的21摩尔％，其余是氮气。因此，与上述情况相比，需要降低总流量以满足规定，这将使得含有10ppm的O2的氮气的产量限制为5.7吨/小时。

[0168] 因此，对于所使用的相同量的活性物质，在实施例的条件下，通过使用经损耗的空气而不是新鲜空气，可以使得氮气的生产量乘以倍数13。