高溫逆流渦動(dòng)反應(yīng)器系統(tǒng)、方法和裝置的制造方法
【專利說明】高溫逆流渦動(dòng)反應(yīng)器系統(tǒng)、方法和裝置
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年12月11日提交的第61/735, 996號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先 權(quán)并且是其非臨時(shí)專利申請(qǐng)，將第61/735, 996號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容引入本文 作為參考。
[0003] 本申請(qǐng)涉及第14/103, 820號(hào)美國專利申請(qǐng)和第_號(hào)PCT專利申請(qǐng)，其兩者 均于2013年12月11日提交。 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明一般地涉及使用多渦旋旋流反應(yīng)器高溫處理物料的領(lǐng)域。
[0005] 發(fā)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(guī)油氣資源 的原料。對(duì)此，術(shù)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(dú) 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(chǎn)油管。同樣地，油砂 需要獨(dú)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(guān)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(zhì)。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(tài)混合物。同樣地，處理重質(zhì)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(zhì)、氣化還是焦化， 結(jié)果均產(chǎn)生碳煙餅和焦炭。并且焦炭在許多油砂改質(zhì)設(shè)備中積累。因此，需要將焦炭和碳 煙餅轉(zhuǎn)化成價(jià)值更高的產(chǎn)品，如煅燒焦炭、合成氣或氫。
[0008] 此外，由于當(dāng)天然氣與原油比較和對(duì)比時(shí)價(jià)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(yīng)與原油競(jìng)爭(zhēng)。因此，需要將天 然氣轉(zhuǎn)化為價(jià)值更高的產(chǎn)品，例如，氫、合成氣、碳黑或液體燃料。當(dāng)將天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃 料時(shí)，該過程通常稱為"氣轉(zhuǎn)液（GasToLiquids)"，并簡(jiǎn)稱為GTL。
[0009] 全世界擁有豐富的煤炭供應(yīng)。然而，煤炭在切向燃燒（T-燃燒）鍋爐中燃燒以產(chǎn) 生用于發(fā)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(zhì)供應(yīng)。然而，處理生物質(zhì)以用作燃料與煤炭類似， 并且通常需要許多步驟，如采收、運(yùn)輸、切碎、研磨、干燥和制粒。急需減少步驟的數(shù)量以燃 燒生物質(zhì)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為價(jià)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(yùn)送到生物柴油設(shè)備。然 而，通過轉(zhuǎn)酯過程將油、脂肪和油脂轉(zhuǎn)化為生物柴油再次殘留低價(jià)值副產(chǎn)物殘留物。該副產(chǎn) 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(zhuǎn)化為氫的氣化器 的理想原料。
[0012] 回到油井和氣井以及生產(chǎn)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(chǎn)生。USEPA創(chuàng)設(shè)了術(shù)語"綠色完井"，其實(shí)際上為2015年創(chuàng)建的規(guī)定，要求 將天然氣投入充分利用而不是燃燒或浪費(fèi)天然氣。因此，絕對(duì)急需用于在完井過程期間使 用天然氣的簡(jiǎn)單方法。
[0013] 極度需要高溫溶液的能源產(chǎn)業(yè)外的另一個(gè)產(chǎn)業(yè)是水泥產(chǎn)業(yè)。在波特蘭水泥的生產(chǎn) 過程中，當(dāng)進(jìn)料磨機(jī)進(jìn)料到預(yù)熱器時(shí)，釋放揮發(fā)性有機(jī)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(yù)熱進(jìn)料磨機(jī)，同時(shí)破壞或熱氧化V0C的技術(shù)將 有助于水泥廠維持目前的生產(chǎn)能力。同樣地，能夠快速燒結(jié)進(jìn)料磨機(jī)并產(chǎn)生納米熟料水泥 的技術(shù)將顯著地改變水泥產(chǎn)業(yè)。
[0014]雖然可以列舉化石燃料、生物質(zhì)、RDF和礦物質(zhì)的許多其他原料，但為了簡(jiǎn)要起見， 如本文所使用的術(shù)語"物料"和"具體物料"是指固體、液體、氣體或等離子體狀態(tài)的顆粒、 尚子、原子、分子和兀素。
[0015] 與水泥的制造相關(guān)的主要問題是成本、生產(chǎn)能力和排放。用于處理水泥的傳統(tǒng)方 法使用燃燒煤炭、燃料油、天然氣和RDF的長(zhǎng)回轉(zhuǎn)窯。首先，新回轉(zhuǎn)窯的構(gòu)建和安裝是昂貴 的并且需要長(zhǎng)的前置時(shí)間（例如，18個(gè)月以上至24個(gè)月），因此容量擴(kuò)充困難。第二，如果 天然氣的價(jià)格升高，則生產(chǎn)成本升高。第三，許多利用回轉(zhuǎn)窯的設(shè)備必須安裝昂貴的洗滌器 以減少空氣排放。與長(zhǎng)回轉(zhuǎn)窯相關(guān)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(dǎo)致長(zhǎng)的前置時(shí)間，從而阻礙公司提高生產(chǎn)能力以滿足對(duì)高性能水泥的需求的 能力。
[0016] 此外，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的處理時(shí)間格外長(zhǎng)，以達(dá)到2800°F至3000°F的典型處理溫 度。典型處理時(shí)間為30分鐘至超過1小時(shí)。如果溫度蠕變超過處理溫度，進(jìn)料磨機(jī)內(nèi)的低 熔點(diǎn)金屬和/或礦物質(zhì)傾向于熔化并在窯內(nèi)"析出"。因此，必須關(guān)閉回轉(zhuǎn)窯、冷卻并修理， 這當(dāng)然不利地影響工廠生產(chǎn)能力。
[0017]由于來自頁巖的天然氣和油豐富，需要將低價(jià)值物料轉(zhuǎn)化成高價(jià)值物料，如將天 然氣轉(zhuǎn)化為氫、將焦炭轉(zhuǎn)化為氫、將甘油轉(zhuǎn)化為氫，以及將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為各種高價(jià)值產(chǎn)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(zhì)、農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)化為合成氣，然后將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料，其在 下文中稱為"合成氣轉(zhuǎn)液"（STL)。
[0018]雖然可以列舉化石燃料、生物質(zhì)、RDF和礦物質(zhì)的許多其他原料，但是為了簡(jiǎn)要起 見，如本文使用的術(shù)語"物料"和"具體物料"是指固體、液體、氣體或等離子體狀態(tài)的顆粒、 尚子、原子、分子和兀素。
[0019] 同樣地，為了非常簡(jiǎn)明但不是全部包括，剩余的公開內(nèi)容將涉及用于石油和天然 氣行業(yè)中存在的應(yīng)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(yīng)清潔空氣法案（CleanAirAct)的要求，美國環(huán)境保護(hù)署 (EPA)頒布了成本效益規(guī)定，以降低來自石油和天然氣行業(yè)的有害空氣污染，同時(shí)使得美國 的石油和天然氣生產(chǎn)持續(xù)和可靠地增長(zhǎng)。最終的條例包括針對(duì)水力壓裂的天然氣井的第一 聯(lián)邦空氣標(biāo)準(zhǔn)，以及針對(duì)目前沒有聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)的石油和天然氣行業(yè)中的若干其他污染來源的 要求。本發(fā)明提供了用于石油和天然氣運(yùn)營(yíng)商的裝置以滿足EPA的時(shí)間表，所述裝置具有 簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，其使用水中的天然氣、油和其他有機(jī)物來加熱水。
[0020] 發(fā)明概沐
[0021] 本發(fā)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(cè)器，其連接到第一圓柱形容器的第一端并與 第一縱軸對(duì)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(cè) 器，其連接到第一圓柱形容器的第二端并與第二縱軸對(duì)齊；(e)入口通道，其設(shè)置在第一渦 流探測(cè)器和第二渦流探測(cè)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(shè)置在入口通道內(nèi)，引導(dǎo)加熱的氣體從入口進(jìn)入第一圓柱形容器以形成第一渦旋 氣體流，以及進(jìn)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(cè)器或第二渦流探測(cè)器、或第一渦流探 測(cè)器和第二渦流探測(cè)器兩者，使得當(dāng)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(shí)，在選擇的溫度范圍內(nèi)處理物料。
[0022] 此外，本發(fā)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(cè)器，其連接到第一圓柱形容器的第一端并 且與第一縱軸對(duì)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(cè)器，其連接到第一圓柱形容器的第二端并且與第二縱軸對(duì)齊；（e)入口通道，其設(shè)置在 第一渦流探測(cè)器和第二渦流探測(cè)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(shè)置在入口通道內(nèi)。將加熱的氣體供應(yīng)到入口通道的入口，并使用分配 器引導(dǎo)加熱的氣體進(jìn)入第一圓柱形容器以形成第一渦旋氣體流，以及進(jìn)入第二圓柱形容器 以形成第二渦旋氣體流。將物料進(jìn)料到第一渦流探測(cè)器或第二渦流探測(cè)器、或第一渦流探 測(cè)器和第二渦流探測(cè)器兩者，使得當(dāng)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(shí)，在選擇的溫度范圍內(nèi)處理物料。
[0023] 以下參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0024] 附圖的簡(jiǎn)要說明
[0025] 通過結(jié)合附圖參照以下描述，可以更好地理解本發(fā)明的以上和另外的優(yōu)點(diǎn)，其 中：
[0026] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0027] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0028] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0029] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0030] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0031] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0032] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0033] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0034] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于燒結(jié)支撐劑的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0035] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于燒結(jié)支撐劑的裝置的簡(jiǎn)圖；和
[0036] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于燒結(jié)支撐劑的裝置的簡(jiǎn)圖；和
[0037] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的方法的流程圖；
[0038] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置的簡(jiǎn)圖；
[0039] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，用于處理物料的裝置