高温逆流涡动反应器系统、方法和装置的制造方法
【专利说明】高温逆流涡动反应器系统、方法和装置
[0001] 相关申请的优先权要求
[0002] 本申请要求2012年12月11日提交的第61/735, 996号美国临时专利申请的优先 权并且是其非临时专利申请，将第61/735, 996号美国临时专利申请的全部内容引入本文 作为参考。
[0003] 本申请涉及第14/103, 820号美国专利申请和第_号PCT专利申请，其两者 均于2013年12月11日提交。 发明领域
[0004] 本发明一般地涉及使用多涡旋旋流反应器高温处理物料的领域。
[0005] 发明背景
[0006] 美国以及许多其他国家拥有位于页岩地层和砂岩地层中的丰富非常规油气资源 的原料。对此，术语称为"页岩油"、"页岩气"和"油砂"。然而，这些致密的页岩地层需要独 特的称为水力压裂的完井方法来释放油和/或气，并使其流到井的生产油管。同样地，油砂 需要独特的称为蒸汽辅助重力泄油（"SAGD"）的开采方法，其使用蒸汽降低粘度以使沥青 流出地层。
[0007] 此外，重油开采在世界范围越来越多。与油砂和重油相关的问题是沥青和重油的 粘度。因此，首要的处理步骤之一是改质。同样地，一些开采者气化重油以制备一般称为合 成气的氢和一氧化碳的气态混合物。同样地，处理重质原油的精炼厂通常将称为渣油的塔 底油（bottoms)或残留物送到延迟焦化装置。在所有情况下，无论是改质、气化还是焦化， 结果均产生碳烟饼和焦炭。并且焦炭在许多油砂改质设备中积累。因此，需要将焦炭和碳 烟饼转化成价值更高的产品，如煅烧焦炭、合成气或氢。
[0008] 此外，由于当天然气与原油比较和对比时价格压低，因此许多天然气井在钻井和 完井后被封闭。因此，丰富的非常清洁的燃烧燃料天然气供应与原油竞争。因此，需要将天 然气转化为价值更高的产品，例如，氢、合成气、碳黑或液体燃料。当将天然气转化为液体燃 料时，该过程通常称为"气转液（GasToLiquids)"，并简称为GTL。
[0009] 全世界拥有丰富的煤炭供应。然而，煤炭在切向燃烧（T-燃烧）锅炉中燃烧以产 生用于发电或用于加热目的的蒸汽之前需要采矿、破碎、研磨、水洗和干燥。
[0010] 此外，全世界拥有丰富的生物质供应。然而，处理生物质以用作燃料与煤炭类似， 并且通常需要许多步骤，如采收、运输、切碎、研磨、干燥和制粒。急需减少步骤的数量以燃 烧生物质或将其转化为价值更高的材料，如生物炭和合成气，特别是具有高浓度氢的合成 气。
[0011] 同样地，许多废品，如来自餐馆的食物、垃圾、油和油脂被运送到生物柴油设备。然 而，通过转酯过程将油、脂肪和油脂转化为生物柴油再次残留低价值副产物残留物。该副产 物为甘油。熟知并且充分理解的是，甘油具有高的氢含量，因此成为用于转化为氢的气化器 的理想原料。
[0012] 回到油井和气井以及生产井的钻井和完井，许多废物，包括钻肩、压裂液返排、采 出水和火炬气产生。USEPA创设了术语"绿色完井"，其实际上为2015年创建的规定，要求 将天然气投入充分利用而不是燃烧或浪费天然气。因此，绝对急需用于在完井过程期间使 用天然气的简单方法。
[0013] 极度需要高温溶液的能源产业外的另一个产业是水泥产业。在波特兰水泥的生产 过程中，当进料磨机进料到预热器时，释放挥发性有机化合物（"V0C")。同样地，许多水泥 窑燃烧垃圾衍生燃料（"RDF")。能够快速预热进料磨机，同时破坏或热氧化V0C的技术将 有助于水泥厂维持目前的生产能力。同样地，能够快速烧结进料磨机并产生纳米熟料水泥 的技术将显著地改变水泥产业。
[0014]虽然可以列举化石燃料、生物质、RDF和矿物质的许多其他原料，但为了简要起见， 如本文所使用的术语"物料"和"具体物料"是指固体、液体、气体或等离子体状态的颗粒、 尚子、原子、分子和兀素。
[0015] 与水泥的制造相关的主要问题是成本、生产能力和排放。用于处理水泥的传统方 法使用燃烧煤炭、燃料油、天然气和RDF的长回转窑。首先，新回转窑的构建和安装是昂贵 的并且需要长的前置时间（例如，18个月以上至24个月），因此容量扩充困难。第二，如果 天然气的价格升高，则生产成本升高。第三，许多利用回转窑的设备必须安装昂贵的洗涤器 以减少空气排放。与长回转窑相关的其他问题是尺寸、占地面积、工厂位置和行政许可。这 些问题共同导致长的前置时间，从而阻碍公司提高生产能力以满足对高性能水泥的需求的 能力。
[0016] 此外，在回转窑内的处理时间格外长，以达到2800°F至3000°F的典型处理温 度。典型处理时间为30分钟至超过1小时。如果温度蠕变超过处理温度，进料磨机内的低 熔点金属和/或矿物质倾向于熔化并在窑内"析出"。因此，必须关闭回转窑、冷却并修理， 这当然不利地影响工厂生产能力。
[0017]由于来自页岩的天然气和油丰富，需要将低价值物料转化成高价值物料，如将天 然气转化为氢、将焦炭转化为氢、将甘油转化为氢，以及将生物质转化为各种高价值产品， 如合成气和生物炭。此外，不论起始物料源自化石燃料、生物质、农业废物、污水和废水生物 固体/生物气还是甘油，都急需将物料转化为合成气，然后将合成气转化为液体燃料，其在 下文中称为"合成气转液"（STL)。
[0018]虽然可以列举化石燃料、生物质、RDF和矿物质的许多其他原料，但是为了简要起 见，如本文使用的术语"物料"和"具体物料"是指固体、液体、气体或等离子体状态的颗粒、 尚子、原子、分子和兀素。
[0019] 同样地，为了非常简明但不是全部包括，剩余的公开内容将涉及用于石油和天然 气行业中存在的应用的水下逆流双涡流燃烧模式下加热流体，特别是压裂水、压裂液返排、 采出水。2012年4月17日，应清洁空气法案（CleanAirAct)的要求，美国环境保护署 (EPA)颁布了成本效益规定，以降低来自石油和天然气行业的有害空气污染，同时使得美国 的石油和天然气生产持续和可靠地增长。最终的条例包括针对水力压裂的天然气井的第一 联邦空气标准，以及针对目前没有联邦标准的石油和天然气行业中的若干其他污染来源的 要求。本发明提供了用于石油和天然气运营商的装置以满足EPA的时间表，所述装置具有 简单的系统，其使用水中的天然气、油和其他有机物来加热水。
[0020] 发明概沐
[0021] 本发明提供了用于处理物料的装置。所述装置包括：(a)第一圆柱形容器，其具有 第一端、第二端和第一纵轴；(b)第一涡流探测器，其连接到第一圆柱形容器的第一端并与 第一纵轴对齐；（c)第二圆柱形容器，其具有第三端、第四端和第二纵轴；(d)第二涡流探测 器，其连接到第一圆柱形容器的第二端并与第二纵轴对齐；(e)入口通道，其设置在第一涡 流探测器和第二涡流探测器之间，在最接近第一端处切向连接到第一圆柱形容器并且在最 接近第三端处切向连接到第二圆柱形容器，并且具有入口和第三纵轴；（f)分配器，其沿着 第三纵轴设置在入口通道内，引导加热的气体从入口进入第一圆柱形容器以形成第一涡旋 气体流，以及进入第二圆柱形容器以形成第二涡旋气体流；（g)加热的气体源，其连接到入 口通道的入口；和（h)物料源，其连接到第一涡流探测器或第二涡流探测器、或第一涡流探 测器和第二涡流探测器两者，使得当物料穿过第一涡旋气体流的第一中心部分并离开第一 圆柱形容器的第二端和/或穿过第二涡旋流的第二中心部分并离开第二圆柱形容器的第 四端时，在选择的温度范围内处理物料。
[0022] 此外，本发明提供处理物料的方法。提供的装置包括：(a)第一圆柱形容器，其具 有第一端、第二端和第一纵轴；(b)第一涡流探测器，其连接到第一圆柱形容器的第一端并 且与第一纵轴对齐；（c)第二圆柱形容器，其具有第三端、第四端和第二纵轴；(d)第二涡流 探测器，其连接到第一圆柱形容器的第二端并且与第二纵轴对齐；（e)入口通道，其设置在 第一涡流探测器和第二涡流探测器之间，在最接近第一端处切向连接到第一圆柱形容器并 且在最接近第三端处切向连接到第二圆柱形容器，并且具有入口和第三纵轴；和（f)分配 器，其沿着第三纵轴设置在入口通道内。将加热的气体供应到入口通道的入口，并使用分配 器引导加热的气体进入第一圆柱形容器以形成第一涡旋气体流，以及进入第二圆柱形容器 以形成第二涡旋气体流。将物料进料到第一涡流探测器或第二涡流探测器、或第一涡流探 测器和第二涡流探测器两者，使得当其绿色穿过第一涡旋气体流的第一中心部分并离开第 一圆柱形容器的第二端和/或绿色穿过第二涡旋流的第二中心部分并离开第二圆柱形容 器的第四端时，在选择的温度范围内处理物料。
[0023] 以下参照附图对本发明进行详细描述。
[0024] 附图的简要说明
[0025] 通过结合附图参照以下描述，可以更好地理解本发明的以上和另外的优点，其 中：
[0026] 图1是根据本发明的一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0027] 图2是根据本发明的另一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0028] 图3是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0029] 图4是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0030] 图5是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0031] 图6是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0032] 图7是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0033] 图8是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0034] 图9是根据本发明的又一个实施方案，用于烧结支撑剂的装置的简图；
[0035] 图10是根据本发明的又一个实施方案，用于烧结支撑剂的装置的简图；和
[0036] 图11是根据本发明的又一个实施方案，用于烧结支撑剂的装置的简图；和
[0037] 图12是根据本发明的一个实施方案，用于处理物料的方法的流程图；
[0038] 图13是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置的简图；
[0039] 图14是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的装置