[发明专利]高温逆流涡动反应器系统、方法和装置

说明书

相关申请的优先权要求

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。

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

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。

发明背景

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。

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。

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。

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。

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。

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。

回到油井和气井以及生产井的钻井和完井，许多废物，包括钻屑、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。

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(“VOC”)。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VOC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。

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、离子、原子、分子和元素。

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。