高溫逆流渦動反應器系統、方法和裝置的制造方法
【專利說明】高溫逆流渦動反應器系統、方法和裝置
[0001] 相關申請的優先權要求
[0002] 本申請要求2012年12月11日提交的第61/735, 996號美國臨時專利申請的優先 權并且是其非臨時專利申請，將第61/735, 996號美國臨時專利申請的全部內容引入本文 作為參考。
[0003] 本申請涉及第14/103, 820號美國專利申請和第_號PCT專利申請，其兩者 均于2013年12月11日提交。 發明領域
[0004] 本發明一般地涉及使用多渦旋旋流反應器高溫處理物料的領域。
[0005] 發明背景
[0006] 美國以及許多其他國家擁有位于頁巖地層和砂巖地層中的豐富非常規油氣資源 的原料。對此，術語稱為"頁巖油"、"頁巖氣"和"油砂"。然而，這些致密的頁巖地層需要獨 特的稱為水力壓裂的完井方法來釋放油和/或氣，并使其流到井的生產油管。同樣地，油砂 需要獨特的稱為蒸汽輔助重力泄油（"SAGD"）的開采方法，其使用蒸汽降低粘度以使瀝青 流出地層。
[0007] 此外，重油開采在世界范圍越來越多。與油砂和重油相關的問題是瀝青和重油的 粘度。因此，首要的處理步驟之一是改質。同樣地，一些開采者氣化重油以制備一般稱為合 成氣的氫和一氧化碳的氣態混合物。同樣地，處理重質原油的精煉廠通常將稱為渣油的塔 底油（bottoms)或殘留物送到延遲焦化裝置。在所有情況下，無論是改質、氣化還是焦化， 結果均產生碳煙餅和焦炭。并且焦炭在許多油砂改質設備中積累。因此，需要將焦炭和碳 煙餅轉化成價值更高的產品，如煅燒焦炭、合成氣或氫。
[0008] 此外，由于當天然氣與原油比較和對比時價格壓低，因此許多天然氣井在鉆井和 完井后被封閉。因此，豐富的非常清潔的燃燒燃料天然氣供應與原油競爭。因此，需要將天 然氣轉化為價值更高的產品，例如，氫、合成氣、碳黑或液體燃料。當將天然氣轉化為液體燃 料時，該過程通常稱為"氣轉液（GasToLiquids)"，并簡稱為GTL。
[0009] 全世界擁有豐富的煤炭供應。然而，煤炭在切向燃燒（T-燃燒）鍋爐中燃燒以產 生用于發電或用于加熱目的的蒸汽之前需要采礦、破碎、研磨、水洗和干燥。
[0010] 此外，全世界擁有豐富的生物質供應。然而，處理生物質以用作燃料與煤炭類似， 并且通常需要許多步驟，如采收、運輸、切碎、研磨、干燥和制粒。急需減少步驟的數量以燃 燒生物質或將其轉化為價值更高的材料，如生物炭和合成氣，特別是具有高濃度氫的合成 氣。
[0011] 同樣地，許多廢品，如來自餐館的食物、垃圾、油和油脂被運送到生物柴油設備。然 而，通過轉酯過程將油、脂肪和油脂轉化為生物柴油再次殘留低價值副產物殘留物。該副產 物為甘油。熟知并且充分理解的是，甘油具有高的氫含量，因此成為用于轉化為氫的氣化器 的理想原料。
[0012] 回到油井和氣井以及生產井的鉆井和完井，許多廢物，包括鉆肩、壓裂液返排、采 出水和火炬氣產生。USEPA創設了術語"綠色完井"，其實際上為2015年創建的規定，要求 將天然氣投入充分利用而不是燃燒或浪費天然氣。因此，絕對急需用于在完井過程期間使 用天然氣的簡單方法。
[0013] 極度需要高溫溶液的能源產業外的另一個產業是水泥產業。在波特蘭水泥的生產 過程中，當進料磨機進料到預熱器時，釋放揮發性有機化合物（"V0C")。同樣地，許多水泥 窯燃燒垃圾衍生燃料（"RDF")。能夠快速預熱進料磨機，同時破壞或熱氧化V0C的技術將 有助于水泥廠維持目前的生產能力。同樣地，能夠快速燒結進料磨機并產生納米熟料水泥 的技術將顯著地改變水泥產業。
[0014]雖然可以列舉化石燃料、生物質、RDF和礦物質的許多其他原料，但為了簡要起見， 如本文所使用的術語"物料"和"具體物料"是指固體、液體、氣體或等離子體狀態的顆粒、 尚子、原子、分子和兀素。
[0015] 與水泥的制造相關的主要問題是成本、生產能力和排放。用于處理水泥的傳統方 法使用燃燒煤炭、燃料油、天然氣和RDF的長回轉窯。首先，新回轉窯的構建和安裝是昂貴 的并且需要長的前置時間（例如，18個月以上至24個月），因此容量擴充困難。第二，如果 天然氣的價格升高，則生產成本升高。第三，許多利用回轉窯的設備必須安裝昂貴的洗滌器 以減少空氣排放。與長回轉窯相關的其他問題是尺寸、占地面積、工廠位置和行政許可。這 些問題共同導致長的前置時間，從而阻礙公司提高生產能力以滿足對高性能水泥的需求的 能力。
[0016] 此外，在回轉窯內的處理時間格外長，以達到2800°F至3000°F的典型處理溫 度。典型處理時間為30分鐘至超過1小時。如果溫度蠕變超過處理溫度，進料磨機內的低 熔點金屬和/或礦物質傾向于熔化并在窯內"析出"。因此，必須關閉回轉窯、冷卻并修理， 這當然不利地影響工廠生產能力。
[0017]由于來自頁巖的天然氣和油豐富，需要將低價值物料轉化成高價值物料，如將天 然氣轉化為氫、將焦炭轉化為氫、將甘油轉化為氫，以及將生物質轉化為各種高價值產品， 如合成氣和生物炭。此外，不論起始物料源自化石燃料、生物質、農業廢物、污水和廢水生物 固體/生物氣還是甘油，都急需將物料轉化為合成氣，然后將合成氣轉化為液體燃料，其在 下文中稱為"合成氣轉液"（STL)。
[0018]雖然可以列舉化石燃料、生物質、RDF和礦物質的許多其他原料，但是為了簡要起 見，如本文使用的術語"物料"和"具體物料"是指固體、液體、氣體或等離子體狀態的顆粒、 尚子、原子、分子和兀素。
[0019] 同樣地，為了非常簡明但不是全部包括，剩余的公開內容將涉及用于石油和天然 氣行業中存在的應用的水下逆流雙渦流燃燒模式下加熱流體，特別是壓裂水、壓裂液返排、 采出水。2012年4月17日，應清潔空氣法案（CleanAirAct)的要求，美國環境保護署 (EPA)頒布了成本效益規定，以降低來自石油和天然氣行業的有害空氣污染，同時使得美國 的石油和天然氣生產持續和可靠地增長。最終的條例包括針對水力壓裂的天然氣井的第一 聯邦空氣標準，以及針對目前沒有聯邦標準的石油和天然氣行業中的若干其他污染來源的 要求。本發明提供了用于石油和天然氣運營商的裝置以滿足EPA的時間表，所述裝置具有 簡單的系統，其使用水中的天然氣、油和其他有機物來加熱水。
[0020] 發明概沐
[0021] 本發明提供了用于處理物料的裝置。所述裝置包括：(a)第一圓柱形容器，其具有 第一端、第二端和第一縱軸；(b)第一渦流探測器，其連接到第一圓柱形容器的第一端并與 第一縱軸對齊；（c)第二圓柱形容器，其具有第三端、第四端和第二縱軸；(d)第二渦流探測 器，其連接到第一圓柱形容器的第二端并與第二縱軸對齊；(e)入口通道，其設置在第一渦 流探測器和第二渦流探測器之間，在最接近第一端處切向連接到第一圓柱形容器并且在最 接近第三端處切向連接到第二圓柱形容器，并且具有入口和第三縱軸；（f)分配器，其沿著 第三縱軸設置在入口通道內，引導加熱的氣體從入口進入第一圓柱形容器以形成第一渦旋 氣體流，以及進入第二圓柱形容器以形成第二渦旋氣體流；（g)加熱的氣體源，其連接到入 口通道的入口；和（h)物料源，其連接到第一渦流探測器或第二渦流探測器、或第一渦流探 測器和第二渦流探測器兩者，使得當物料穿過第一渦旋氣體流的第一中心部分并離開第一 圓柱形容器的第二端和/或穿過第二渦旋流的第二中心部分并離開第二圓柱形容器的第 四端時，在選擇的溫度范圍內處理物料。
[0022] 此外，本發明提供處理物料的方法。提供的裝置包括：(a)第一圓柱形容器，其具 有第一端、第二端和第一縱軸；(b)第一渦流探測器，其連接到第一圓柱形容器的第一端并 且與第一縱軸對齊；（c)第二圓柱形容器，其具有第三端、第四端和第二縱軸；(d)第二渦流 探測器，其連接到第一圓柱形容器的第二端并且與第二縱軸對齊；（e)入口通道，其設置在 第一渦流探測器和第二渦流探測器之間，在最接近第一端處切向連接到第一圓柱形容器并 且在最接近第三端處切向連接到第二圓柱形容器，并且具有入口和第三縱軸；和（f)分配 器，其沿著第三縱軸設置在入口通道內。將加熱的氣體供應到入口通道的入口，并使用分配 器引導加熱的氣體進入第一圓柱形容器以形成第一渦旋氣體流，以及進入第二圓柱形容器 以形成第二渦旋氣體流。將物料進料到第一渦流探測器或第二渦流探測器、或第一渦流探 測器和第二渦流探測器兩者，使得當其綠色穿過第一渦旋氣體流的第一中心部分并離開第 一圓柱形容器的第二端和/或綠色穿過第二渦旋流的第二中心部分并離開第二圓柱形容 器的第四端時，在選擇的溫度范圍內處理物料。
[0023] 以下參照附圖對本發明進行詳細描述。
[0024] 附圖的簡要說明
[0025] 通過結合附圖參照以下描述，可以更好地理解本發明的以上和另外的優點，其 中：
[0026] 圖1是根據本發明的一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0027] 圖2是根據本發明的另一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0028] 圖3是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0029] 圖4是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0030] 圖5是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0031] 圖6是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0032] 圖7是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0033] 圖8是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0034] 圖9是根據本發明的又一個實施方案，用于燒結支撐劑的裝置的簡圖；
[0035] 圖10是根據本發明的又一個實施方案，用于燒結支撐劑的裝置的簡圖；和
[0036] 圖11是根據本發明的又一個實施方案，用于燒結支撐劑的裝置的簡圖；和
[0037] 圖12是根據本發明的一個實施方案，用于處理物料的方法的流程圖；
[0038] 圖13是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置的簡圖；
[0039] 圖14是根據本發明的又一個實施方案，用于處理物料的裝置