CN105143413B - 高温逆流涡动反应器系统、方法和装置 - Google Patents

高温逆流涡动反应器系统、方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种装置和方法，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，所述装置和方法在选择的温度范围内处理物料。

Description

高温逆流涡动反应器系统、方法和装置
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(Gas To Liquids)”，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。US EPA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。
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。
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)。
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、离子、原子、分子和元素。
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(Clean Air Act)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。
发明概述
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。
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。
以下参照附图对本发明进行详细描述。
附图的简要说明
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：
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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
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
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；
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；
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的简图；
图15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；
图16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；和
图17是根据本发明的又一个实施方案，用于处理物料的系统的工艺流程图。
发明详述
虽然以下详细讨论了本发明的各种实施方案的制备和使用，但是应理解的是，本发明提供了许多可以体现在多处具体上下文中的可适用的发明构思。本文讨论的具体实施方案仅仅说明制备和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。本文的讨论主要涉及在石油和天然气行业中加热流体，但将理解的是，本发明的构思适用于在高温下制造或处理颗粒。
本发明涉及可以在一种或多种模式下运行的高温双涡旋旋流反应器系统、方法和装置，其选自以下群组：等离子体电弧裂化器、电弧热解反应器、气化器、快速电弧炉、快速处理反应器、蒸汽等离子体重整炉、等离子体热氧化器、旋风燃烧器、浸没式燃烧炉、原子氧和臭氧发生器、快速淬灭反应器、费托反应器、高温喷雾器、高温整流反应器(hightemperature communition reactor)、蒸汽过热器和分离器，或作为贫或富多旋风燃烧器(burner)/燃烧器(combustor)。非常具体地，本发明涉及用于由含碳物料生成氢的高温双涡旋旋流反应器。同样地，本发明涉及高温双涡旋旋流催化反应器，其用于将合成气转化为液体，通常称为气转液(GTL)。此外，本发明涉及用于处理物料，特别是将物料转化为氢和/或高价值产品的四涡旋旋流反应器。此外，本发明涉及用于预处理水泥窑进料磨机和快速处理水泥的高温多旋流反应器。非常具体地，本发明涉及使用高温逆流涡动反应器，用于加热用于压裂油井和气井的水，以及用于加热用于水力压裂的油井和气井的绿色完井的压裂液返排水，以及用于加热用于提高采油率(EOR)的水和蒸汽的系统、方法和装置。
图1-12显示了根据本发明的用于处理物料的装置的各种实施方案。注意，术语物料和材料在整个说明书中互换使用。此外，物料或材料可以包括生球团，使得本发明烧结生球团来制备支撑剂颗粒。根据这些实施方案的基本装置包括：(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)楔形物或分配器，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)加热器或加热的气体源，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或部分处理物料以形成惰性颗粒。
如下文将更详细地解释的，材料可以加入到第一涡旋气体流或第二涡旋气体流，所述材料涂敷物料或与物料化学反应。此外，物料可以在第一圆柱形容器中被部分处理并且在第二圆柱形容器中完全被燃烧或处理。选择的温度范围为约1200℃至3700℃。此外，选择的温度范围通常基于物料的化学组成、物料的粒径、物料在第一圆柱形容器、第二圆柱形容器或两者内的共振时间。注意，还可以使用其他参数来确定选择的温度范围。
楔形物或分配器可以是固定的；可枢转的，使得第一涡旋气体流不同于第二涡旋气体流；和/或可沿着第三纵轴移动。此外，楔形物或分配器可以是电极或逆流进料管，其含有涂敷物料或与物料化学反应的材料(图7)。如图4和5所示，第一圆柱形容器和第二圆柱形容器可以是圆柱形或圆锥形的。注意，两个圆柱形容器的形状可以相同。
现在参照图1，加热器或加热的气体源100沿着纵轴124连接到双蜗壳旋风分离器200。双蜗壳旋风分离器200由入口喷嘴230组成，以引导来自加热器或加热的气体源100的热气体A进入双蜗壳旋风分离器200，并且借助楔形物或分配器201分开。楔形物或分配器201将热气体A分成第一蜗壳环形空间210及其镜像第二蜗壳环形空间220。楔形物或分配器201可以连接到枢轴，从而使得楔形物或分配器充当闸门阀，其用于将或多或少的气体引导到双蜗壳的任一侧。气体在第一蜗壳环形空间210内如箭头B所示旋转以及在第二蜗壳环形空间内如箭头C所示旋转。每个蜗壳含有涡流探测器240和250，其在每个涡流探测器240和250中形成“眼(EYE)”。
坚硬并且需要压碎、切碎和/或粉碎的物料可以进料到热气体A中和热气体A附近。另一方面，眼以非常低的速度移动，因此其为不需粉碎只需加热到燃烧温度的精细材料的理想进料点。这样能够快速处理硬的或精细的物料(即，数秒，与长回转窑中的30分钟或更长时间相反)。
加热器或加热的气体源100可以选择但不限于这样的群组，所述群组包括高温鼓风机或压缩机、电加热器或加热的气体源、燃烧器、热氧化器、气化器、重整器、喷气火箭、氧燃料炬、等离子体炬和/或甚至来自内燃机，如往复式发动机或燃气涡轮发动机的排气。利用发动机排气能够在处理物料的同时发电。因此，独特的工业废热发电系统—在处理物料的同时发电。在另一个实例中，加热器或加热的气体源包括最接近入口通道的入口并与第三纵轴对齐的第一电极，并且楔形物或分配器为第二电极。
现在转向图2，加热器或加热的气体源100可以是公开于第8,074,439和8,278,810和7,622,693和8,324,523号美国专利中的DC等离子体电弧 炬，将其全部内容引入本文作为参考。同样地，理想的加热器或加热的气体源可以是8,074,439专利的图6所示的热氧化器或如8,074,439专利的图7公开的等离子体火箭。
加热器或加热的气体源包括：(a)第三圆柱形容器，其具有第五端、第六端和第四纵轴；(b)切向入口，其连接到第五端或最接近第五端；(c)切向出口，其连接到第六端或最接近第六端；(d)电极外壳，其连接到第三圆柱形容器的第六端，使得第一电极与第三圆柱形容器的第四纵轴对齐，所述第一电极延伸进入第三圆柱形容器，并且可以沿着第四纵轴移动；(e)线性致动器，其连接到第一电极以沿着圆柱形容器的第四纵轴调节第一电极在第三圆柱形容器内的位置；和(f)空心电极喷嘴，其连接到第三圆柱形容器的第六端，使得空心电极喷嘴的中心线与第四圆柱形容器的第四纵轴对齐。切向入口和切向出口在第三圆柱形容器内产生第三涡旋流，并且第一电极和空心电极喷嘴产生等离子体，所述等离子体通过空心电极喷嘴排出并进入入口通道的入口。
参照本发明的图1和图3两者，电极可以用作楔形物或分配器201以从DC等离子体电弧炬100传递电弧。同样地，连续供给电极实现连续操作。此外，通过使用石墨电极为燃烧增加燃料，但更重要的是实现通过蒸汽和碳的蒸汽重整反应制备氢。将理解的是，任何导电性材料可以用于电极。例如，由于铜具有高的导电性以及导热性，因此铜是一种理想的用于等离子体系统的电极。因此，通过冷却铜电极实现延长的操作。
本发明还可以使用可以涂敷在物料上的电极材料。例如，钛是可以以棒、条或管获得的轻质导电金属，其可以连续供给，用于使用高强度的轻质金属涂敷物料。另一方面，钨是可以用于涂敷物料的重质导电金属。
现在转向图1和图4，将在另一个实施方案中描述本发明。图4公开了双蜗壳，其中一个蜗壳连接到圆锥体，另一个连接到圆柱体。将理解的是，蜗壳可以连接到圆锥体或圆柱体或任意其他形状，以实施本发明。连接到双蜗壳的圆锥体和圆柱体仅出于说明性目的，并不限制本发明的范围。
同样地，双蜗壳等离子体炬是双诱导耦合等离子体炬，其利用0.5kHz至300MHz范围内的射频。微波源410和/或感应线圈400可以连接到或设置在圆锥体或圆柱体内，以耦合到由等离子体电弧加热器或加热的气体源100生成的等离子体。垂直的配置使得简单的碳电弧电极构造100以垂直方式设置。例如，第一电极最接近入口通道的入口并在基本上垂直于第三纵轴的平面上对齐，并且第三电极纵向上与第一电极对齐，使得第一和第二电极之间的电弧与第三纵轴相交。这实现持续供给两个碳电极。
碳等离子体电弧可以向微波或RF能量提供激发能以耦合到眼并在眼内形成球状等离子体。然而，感受器270和260可以位于涡流探测器250和240内，以点燃等离子体并实现耦合及维持等离子体。同样地，电感耦合等离子体维持在眼内。
为了处理易碎的物料，将物料装入涡流探测器250和240并进入等离子体的眼中。这样防止物料由于眼外部的高速涡旋流而碎裂。物料沿着眼的垂直轴落下并且通过电感耦合等离子体并通过可以连接到圆锥体或圆柱体的每个蜗壳顶点的底部排出。气体的涡旋团(whirling mass)将呈扇形离开顶点或底流。
等离子体可以耦合到射频能量(例如，电感耦合(IC)等离子体炬等)。本发明人的等离子体反应器为IC等离子体炬。射频(RF)频谱为约3kHz至300GHz。感应加热通常采用频率为0.5kHz至400kHz的RF线圈。同样地，通常在家用微波炉中见到的微波频率通常在2450兆赫(2.450千兆赫)和300瓦至1000瓦的功率下运行。功率为6kw至100kw的市售微波炉通常在915MHz(兆赫)的频率下运行。
如前所述，RF能量可以耦合到气体并且可以形成等离子体。耦合效率基于若干变量，包括气体类型、气体流动速率、频率、空腔和/或反应器形状和体积。注意，射频源可以是一个或多个射频线圈、波导或其组合。
等离子体的三个主要问题是点燃、维持和约束等离子体。使用电弧点燃和维持等离子体相当直接和简单。DC等离子体炬利用惯性约束以使能量最大化并将能量转移到工件。同样地，等离子体约束有必要防止炬本身的熔化。
然而，使用RF能量点燃等离子体是非常困难的。因此，许多使用RF线圈，或微波源的RF炬通常采用感受器点燃等离子体。感受器为简单的尖的金属棒，其将吸收RF能量，加热然后通过热电子发射释放电子。因此，火花点燃任何存在的气体并形成等离子体。
转回到图4，可以在每个涡流探测器250和240内采用感受器270和260，以点燃等离子体。然而，利用DC等离子体炬作为加热器或加热的气体源100能够通过简单地开启RF线圈或微波发生器并注入从RF线圈或微波磁控管发射的光子形式的波能(WAVE ENERGY)来增大本体等离子体体积(bulk plasma volume)以增强等离子体。
现在转向图5，第二蜗壳可以连接到顶部蜗壳的圆柱体和/或圆锥体。虽然底部蜗壳各自公开切向出口，但将理解的是，双蜗壳可以倒置并用在底部上，从而具有单一出口。该配置通常称为直流式水力旋流器。因此，进料装填管轴向地以及垂直地与底部蜗壳的涡旋/眼探测器对齐。这使得生物料通过高温电导耦合等离子体眼直接落下并作为完全处理的物料离开进料排出口。
例如，第三涡流探测器可以连接到第一圆柱形容器的第二端并与第一纵轴对齐，并且第一切向出口连接到第一圆柱形容器的第二端或设置成最接近第一圆柱形容器的第二端，使得第一涡旋气体流通过第一切向出口离开第一圆柱形容器。同样地，第四涡流探测器可以连接到第二圆柱形容器的第四端并与第二纵轴对齐，并且第二切向出口连接到第二圆柱形容器的第四端或设置成最接近第二圆柱形容器的第四端，使得第二涡旋气体流通过第二切向出口离开第二圆柱形容器。供选择地，两个切向出口可以组合成这样的出口通道，其设置在第一涡流探测器和第二涡流探测器之间，在最接近第二第一端处切向连接到第一圆柱形容器并且在最接近第四端处切向连接到第二圆柱形容器，并且具有出口。
现在转向图6，逆流进料管沿着纵轴124与等离子体电弧炬100对齐。材料的等离子体喷雾和涂敷是熟知和充分理解的。材料可以进料到逆流进料管中以涂敷物料和/或与物料化学反应。例如，可以进料钛或二氧化钛以使用钛的纳米涂层涂敷物料。虽然未显示，但材料可以通过泵、螺旋进料器、螺旋钻、螺杆泵、气动输送机或本领域已知的任何其他用于移动固体、液体和气体的输送装置输送到逆流进料管中。用于回收涂敷物料的流体，例如从钻屑中回收钻井液的理想的输送装置是利用螺旋压力机，然后在筛上抽真空以诱导一些等离子体进入进料管，同时仍然移动固体进入等离子体。该配置将实现逆流加热固体，以移出有价值的钻井液。同样地，该配置实现在进入本体等离子体之前预热材料。石油焦炭、来自气化器的碳烟饼和煤炭是理想的湿材料的实例，其可以在通过逆流进料管注入等离子体中之前预热。
虽然之前在本发明人的专利中已公开，但将简要地描述电弧炬100以证明将其连接到双蜗壳200的操作的新颖性和非显而易见性。参照图7，显示了根据本发明的一个实施方案的等离子体电弧炬100。等离子体电弧炬100是美国专利第7,422,695号中公开的电弧装置的改进版本(将其全部内容引入本文作为参考)，其产生了意想不到的结果。
更具体地，不论有多少气体(例如，空气、氮、氦、氢)、流体(例如水)或蒸汽110注入等离子体电弧炬100中，通过将排出蜗壳102连接到容器104的底部，封闭涡流探测器，将底部电极替换为空心电极喷嘴106，均可以在通过空心电极喷嘴106排出等离子体108时维持电弧。此外，当节流阀连接到排出蜗壳102，从空心电极喷嘴106排出的等离子体108的质量流可以通过使节流阀节流，同时使用线性致动器114调节第一电极112的位置来控制。
因此，等离子体电弧炬100包括具有第一端116和第二端118的圆柱形容器104。切向入口120连接到或最接近第一端116，并且切向出口102(排出蜗壳)连接到或最接近第二端118。电极外壳122连接到圆柱形容器104的第一端116，使得第一电极112与圆柱形容器104的纵轴124对齐，延伸进入圆柱形容器104，并且可以沿着纵轴124移动。此外，线性致动器114连接到第一电极112以沿着如箭头126所示的圆柱形容器124的纵轴调节第一电极112在圆柱形容器104内的位置。空心电极喷嘴106连接到圆柱形容器104的第二端118，使得空心电极喷嘴106的中心线与圆柱形容器104的纵轴124对齐。空心电极喷嘴106的中空部分128的形状可以是圆柱形或圆锥形的。此外，空心电极喷嘴106可以如所示的延伸到圆柱形容器104的第二端118或延伸进入圆柱形容器104。如图7所示，切向入口120是连接到圆柱形容器104的第一端116的蜗壳，切向出口102是连接到圆柱形容器104的第二端118的蜗壳，电极外壳122连接到入口蜗壳120，并且空心电极喷嘴106(圆柱形配置)连接到排出蜗壳102。注意，等离子体电弧炬100未按比例显示。
电源130电连接到等离子体电弧炬100，使得第一电极112充当阴极并且空心电极喷嘴106充当阳极。电源130的电压、功率和类型取决于等离子体电弧炬100的尺寸、配置和功能。将气体(例如，空气)、流体(例如，水)或蒸汽110引入到切向入口120中以在圆柱形容器104内形成涡旋132并通过切向出口102作为排出物134离开。涡旋132通过由气体(例如，空气)、流体(例如，水)或蒸汽110围绕圆柱形容器104内部的涡旋、涡流、气旋或旋流的角动量引起的惯性(与磁约束相反的惯性约束)将等离子体108约束在容器104内。在起动过程中，线性致动器114移动第一电极112与空心电极喷嘴106接触，然后拉回第一电极112以生成电弧，所述电弧形成等离子体108，所述等离子体108通过空心电极喷嘴106排出。在运行期间，线性致动器114可以调节第一电极112的位置，以改变等离子体108排出或为了延长第一电极112的使用。
共同参照图1、3和6，就本发明而言独特的且不显而易见的是，电弧可以吹出喷嘴106并连接到双蜗壳200的喷嘴230。同样地，电弧可以沿着纵轴124更远地转移并连接和集中到如图3所示的导电的楔形物或分配器201或电极。该配置能够连续使用。此外，图6的逆流进料管可以是导电的。同样地，虽然未显示，但是电线、插入管(stinger)或电极可以沿着逆流进料管的中心向下供给。
在之前的逆流进料配置的测试中，当电弧炬100使用蒸汽作为等离子体气体时，含碳物料完全转化为炭，随后转化为合成气。因此，该配置实现在处理物料的同时产生合成气。用于处理物料的该绿色方法实现在处理方法期间生产燃料。
不束缚于理论，可以含有氧化铝和铁的物料一起形成非常常见的用于由气体制备液体燃料的催化剂。该方法和催化剂称为费托法，并且当起始化石燃料为天然气时，通常称为气转液(GTL)。因此，与在大回转炉中燃烧天然气不同，本发明在处理物料的同时，为独特的GTL方法敞开了大门。FT反应为放热反应。因此，这将有助于快速处理物料并且将有助于降低由等离子体炬100造成的电力负荷。
现在转向图7并同时参照图1，本发明的双蜗壳等离子体系统可以类似链配置。该配置使得三个炬100来提供进入两个蜗壳的双入口。因此，这样稳定了两个中心蜗壳的眼。此外，这实现了支撑剂的多通道，例如第一通道和第二通道，从而降低系统的整体尺寸和高度。
现在转向图8和9，使用不同的方法实现相同的目标—使用多个连接到单个气体容器的旋风分离器处理材料。气体容器能够供给多个旋风分离器。此外，加热器或加热的气体源为电弧涡旋炬100，其将其等离子体排入容器中。因此，等离子体排入每个旋风分离器中。每个旋风分离器具有连接到其的微波或RF源。当然，材料进料到每个蜗壳的涡旋等离子体的眼中。虽然未显示，但是应理解每个旋风分离器可以是双蜗壳旋风分离器，其将保持在本发明的各种实施方案中。
现在转向图10和11，电弧涡旋炬100可以连接到供给多个等离子体蜗壳的集管或导管。虽然未显示，但蜗壳可以是双蜗壳。此外，支撑剂直接进料到等离子体的眼中。
如图1-12和前述描述所说明的，本发明提供了用于处理物料的方法1200。在区块1202中提供了基本装置，其包括：(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；和(f)楔形物或分配器，其沿着第三纵轴设置在入口通道内。在区块1204中将加热的气体供应到入口通道的入口，并在区块1206中使用楔形物或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。在区块1208中将物料投入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中，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。
本发明的从共用集管进料的多个小直径旋风分离器的使用提供了有效和可扩展的紧凑支撑剂生产设备或系统。同样地，该配置通过小的增量，并且不通过购买长回转窑或大等离子体工艺，使设备实现生产能力的提高。本发明使得支撑剂在多级烧结过程中制造，其中可以加入另外的材料以涂敷支撑剂或与支撑剂反应，以产生新的和改进的性质。此外，使用源自石油和天然气行业的现成的和/或改良的高温高压旋风分离器作为等离子体支撑剂生产系统的组件的能力实现了可以以及时的方式构建的相对紧凑的、模块化的和廉价的设备。最后，本发明提供了可以安装在滑道(skid)并且在钻井作业处或附近操作的系统，其通过节约昂贵的储存和运输成本而大大降低了支撑剂的成本。
现在转向图13，同时参照图1，本发明的双蜗壳等离子体系统可以配置成设置在双蜗壳旋风分离器的顶部(显示)或底部(未显示)。该配置能够使用双圆锥体淬灭任何在处理物料的过程中形成的反应。同样地，该配置还能够使用双圆锥体作为燃烧器，从而热氧化任何在处理物料步骤过程中形成的气体。
现在转向图14，双涡旋装置可以这样构建：将现成的旋风分离器设置在外壳内，然后使用卡板圆柱体形成如图15所示的通孔。如之前所公开的，这样实现将材料逆流进料到等离子体。在本发明人的4个炬等离子体反应器的测试期间，QUIK-TUBETM刚性纤维构建模壳(building form)用于形成旋风分离器内的孔或腔。接下来，通过简单地点燃等离子体炬来除去模壳。接下来发生的事导致完全出乎意料的结果。QUIK-TUBETM刚性纤维构建模壳变成烧蚀衬里。虽然等离子体炬切向对准不可见的眼，但是由于氧化铝陶瓷被模壳保护，因此等离子体未影响氧化铝陶瓷。因此，模壳充当烧蚀衬里。因此，通过将材料逆流进料到等离子体，随后材料变成烧蚀塞，从而保护双陶瓷旋风分离器。
图16是本发明的另一个实施方案。以下实例将解释图16的本发明的新颖性和非显而易见性。如果将四个齿轮与四个旋风分离器类似地彼此接触地放置，那么该配置称为锁模列(locked train)。如果一个齿轮旋转，则相对的齿轮将以相反方向旋转。例如，从热气体发生器1001排出的热气体A1将以由箭头B1和C1所示的方向流动。另一方面，相对的旋风分离器将如箭头B2和C2所示，使来自热气体发生器1002的热气体A2流动。文丘里管将由每个旋风分离器形成，因此这产生了另一个新颖和非显而易见的运行模式。材料进料装填孔可以设置在等离子体炬1001和等离子体炬1002旁。因此，这造成由于高速的等离子体喷射而引起的物料的颗粒间碰撞，因此实现快速处理物料。另一方面，材料可以在将作为装置20012的中心的两个相对的炬1001和1002之间直接进料。此外，这将在等离子体炬2001和2002之间形成烧蚀塞，从而保护炬。将理解，等离子体炬1001和1002中的任一个可以是代替热气体发生器的逆流进料管。
如图16所说明，显示了根据本发明用于处理物料的系统、方法和装置。所述系统和方法包括但不限于，具有旋转螺旋阀电机(rotary auger valve motor)的料斗。旋转螺旋阀电机可以使用可变频率驱动(VFD)来控制，从而实现精确地进料到TEE。热气体发生器100将其热气体射入多个旋风分离器等离子体反应器中，同时将材料引入其高速热气体流中。热气体和物料在双蜗壳旋风分离器200或四蜗壳旋风分离器20012内部上升。物料和热气体从双蜗壳旋风分离器200或四蜗壳旋风分离器20012中排出并进入联合气体水处理单元，其选自诱导气体浮选池(IGF)、溶解气浮选(DAF)单元、詹姆森浮选槽、泡沫浮选池、文丘里管洗涤器或将气体洗涤和水处理偶联在一个单元内的任何装置。
以下实例将证明本发明当应用于实际问题时的新颖性和非显而易见性。如之前已描述的，由于世界耗尽了易得的油和气体，更多的油气公司追求非常规的油和气体资源。因此，重油必须改质或气化，转而产生石油焦炭和过滤碳烟饼。虽然许多精炼厂将这些气流视为废弃的副产品，特别是来自油砂改质器(upgrader)的石油焦炭，所述石油焦炭可以用作本发明中的独特的催化剂。参照本发明人的于2013年10月29日授权的名称为“Solid OxideHigh Temperature Electrolysis Glow Discharge Cell and Plasma System”的美国专利第8,568,663号的图6，旋风分离器610将为本发明的图17的双蜗壳旋风分离器。同样地，`663专利的炬100将为本发明的图17的炬100。因此，利用蒸汽等离子体实现石油焦炭到合成气的快速转化，所述合成气由氢和一氧化碳组成。然后在联合气体和水处理单元中洗涤合成气。
在上游石油和天然气行业中发现的存在主要问题的两个另外的流是钻井屑和压裂液返排。US EPA已经对来自压裂液返排的火炬气进行规定并于2015年1月1日生效，开采者必须有益地使用压裂液返排中的天然气。本发明实现同时处理压裂液返排和钻井屑两者。参照图17，钻井屑将是通过三通从料斗进料到等离子体炬100的固体材料。钻井屑在飞行中将部分熔化，然后排放到文丘里洗涤器的中心或眼中，在所述文丘里洗涤器中，洗涤介质将是压裂液返排。另外的空气将加入到压裂液返排中。极红热钻井屑颗粒将充当用于燃烧天然气和空气的点火源。燃烧气体的混合物以及淬灭的烧结的钻井屑将随后流到压裂液罐中。在压裂液罐和不可压缩的气体的排气装置上抽真空，并且水蒸汽将被蒸汽压缩并用于预热到来的压裂液返排。因此，这将产生蒸馏水，其用作开采者将钻探的下一个井中的压裂水。
另外的益处将是通过熔化钻井屑减小体积。本发明的发明人已证明当熔化页岩钻井屑时，有90％的体积减小。因此，这实现了搬运和处理成本的急剧下降，特别是当钻屑向下钻注入处理井中时。
如果开采者希望回收基液，则螺旋压力机可以用于使钻井屑逆流流动到等离子体。这实现在熔化钻井屑的同时回收基液。
最近规范的另一个行业是水泥行业。当原料进料粉预热时，原料粉内的挥发性有机化合物(VOC)蒸发并随后排入大气。从2015年开始，US EPA将对排放物的排放进行规范，特别是来自水泥生产设备的VOC。回到图16，原料粉可以进料到任何材料进料装填口并使用氧或空气等离子体预热。本发明的前述描述提供了用于处理物料的方法。高温将破坏或燃烧VOC。由于VOC处于下限，则具有小体积空气的空气等离子体可以足以完全热氧化有机物。
急需方案的另一个行业是可再生能源行业，特别是生物柴油行业。在通过酯交换生产生物柴油的过程中，废弃的副产品甘油大量产生。熟知并充分理解的是，甘油是高度丰富的氢源。参照图17，甘油是料斗内的进料材料，并且使用电弧炬100进行等离子体蒸汽重整，从而将甘油转化为合成气。在联合的气体和水处理单元中洗涤合成气。
氢经济即将到来，并且该行业需要小的氢发生器。参照图1至17，丰富的页岩气和甲烷水合物使得本文所述的系统、方法和装置快速起动。例如，通过使用天然气作为炬100内的等离子体气体，天然气可以裂化成氢和碳。双蜗壳旋风分离器200将碳与氢分离，从而产生洁净的氢流。氢可以进一步使用如图16所示的联合的气体和水处理系统来洗涤。
提供了基本装置的以上描述，所述基本装置包括：(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，并具有入口和第三纵轴；和(f)楔形物或分配器，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，并使用楔形物或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。将物料投入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。
本发明的从共用集管进料的多个小直径旋风分离器的使用提供了有效和可扩展的紧凑处理设备或系统。同样地，该配置通过小的增量，并且不通过购买长回转窑、改质器、气化器或大等离子体工艺，使设备能够提高处理能力。本发明实现在多级处理过程中制造物料，其中添加材料可以加入物料，涂敷物料或与物料反应，以产生新的和改进的性质。此外，使用源自石油和天然气行业的现成的和/或改良的高温高压旋风分离器作为等离子体处理系统的组件的能力实现可以以及时的方式构建的相对紧凑的、模块化的和廉价的设备。最后，本发明提供了可以安装在滑道(skid)并且在钻井作业处或附近操作的系统，其通过节约昂贵的储存和运输成本而大大降低了处理物料的成本。
在描述的实施方案和变化中的本发明的装置和方法的前述描述，以及本发明可以有利地使用的方法的前述实例，旨在是说明性的而非出于限制性目的。本发明容许在本发明的完整范围内的再进一步的变化和供选择的实施方案，所述范围列举在以下权利要求中。

Claims (42)

1.一种用于处理物料的装置，其包括：
第一圆柱形容器，其具有第一端、第二端和第一纵轴；
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；
第二圆柱形容器，其具有第三端、第四端和第二纵轴；
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；
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；
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；
加热的气体源，其连接到入口通道的入口；和
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。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一涡旋气体流或第二涡旋气体流含有涂敷物料或与物料发生化学反应的材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热的气体源包括高温鼓风机、高温压缩机、电加热器、燃烧器、热氧化器、喷射排气口、氧燃料炬、等离子体炬、内燃机排气口或其组合。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述分配器是可枢转的，使得第一涡旋气体流不同于第二涡旋气体流。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述分配器是可沿着第三纵轴移动的。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述选择的温度范围为1200℃至3700℃。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述选择的温度范围基于物料的化学组成，物料的尺寸，物料在第一圆柱形容器内、在第二圆柱形容器内或在两者内的共振时间。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热的气体源包括：
第三圆柱形容器，其具有第五端、第六端和第四纵轴；
切向入口，其连接到第五端或最接近第五端；
切向出口，其连接到第六端或最接近第六端；
电极外壳，其连接到第三圆柱形容器的第六端，使得第一电极与第三圆柱形容器的第四纵轴对齐，所述第一电极延伸进入第三圆柱形容器，并且可以沿着第四纵轴移动；
线性致动器，其连接到第一电极以沿着圆柱形容器的第四纵轴调节第一电极在第三圆柱形容器内的位置；
空心电极喷嘴，其连接到第三圆柱形容器的第六端，使得空心电极喷嘴的中心线与第四圆柱形容器的第四纵轴对齐；和
其中所述切向入口和切向出口在第三圆柱形容器内产生第三涡旋流，并且第一电极和空心电极喷嘴产生等离子体，所述等离子体通过空心电极喷嘴排出并进入入口通道的入口。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述分配器包括第二电极。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述分配器包括逆流进料管，所述逆流进料管包含涂敷物料或与物料发生化学反应的材料。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热的气体源包括：第一电极，其最接近入口通道的入口并与第三纵轴对齐；并且
其中所述分配器包括第二电极。
12.根据权利要求11所述的装置，其进一步包括电源，所述电源连接到第一电极和第二电极。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一电极或第二电极包含涂敷物料或与物料发生化学反应的材料。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热的气体源包括：
第一电极，其最接近入口通道的入口，并与基本垂直于第三纵轴的平面对齐；和
第三电极，其在纵向上与第一电极对齐，使得第一和第三电极之间的电弧与第三纵轴相交。
15.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述加热的气体源包括等离子体；
所述第一涡旋气体流包括第一涡旋等离子体流；和
所述第二涡旋气体流包括第二涡旋等离子体流。
16.根据权利要求15所述的装置，其进一步包括射频源，所述射频源连接到或设置在第一圆柱形容器或第二圆柱形容器或两者内。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述射频源包括一个或多个射频线圈、波导或其组合。
18.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第三涡流探测器，其连接到第一圆柱形容器的第二端并与第一纵轴对齐；
第一切向出口，其连接到第一圆柱形容器的第二端或设置成最接近第一圆柱形容器的第二端，使得第一涡旋气体流通过第一切向出口离开第一圆柱形容器。
19.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第四涡流探测器，其连接到第二圆柱形容器的第四端并与第二纵轴对齐；和
第二切向出口，其连接到第二圆柱形容器的第四端或设置成最接近第二圆柱形容器的第四端，使得第二涡旋气体流通过第二切向出口离开第二圆柱形容器。
20.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：
第三涡流探测器，其连接到第一圆柱形容器的第二端并与第一纵轴对齐；
第四涡流探测器，其连接到第二圆柱形容器的第四端并与第二纵轴对齐；和
出口通道，其设置在第一涡流探测器和第二涡流探测器之间，在最接近第二端处切向连接到第一圆柱形容器并且在最接近第四端处切向连接到第二圆柱形容器，并且具有出口。
21.根据权利要求1所述的装置，其中所述物料在第一圆柱形容器中部分烧结以及在第二圆柱形容器中烧结。
22.一种用于处理物料的方法，其包括以下步骤：
提供装置，所述装置包括：
第一圆柱形容器，其具有第一端、第二端和第一纵轴，
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，
第二圆柱形容器，其具有第三端、第四端和第二纵轴，
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，
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
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；
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；和
将物料投入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。
23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括以下步骤：将材料加入到第一涡旋气体流或第二涡旋气体流，所述材料涂敷物料或与物料发生化学反应。
24.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括以下步骤：通过枢转分配器来调节第一涡旋气体流和第二涡旋气体流。
25.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括以下步骤：通过沿着第三纵轴移动分配器来调节第一涡旋气体流和第二涡旋气体流。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述物料在第一圆柱形容器内部分烧结以及在第二圆柱形容器内烧结。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述加热的气体由加热的气体源供应，所述加热的气体源包括高温鼓风机、高温压缩机、电加热器、燃烧器、热氧化器、喷射排气口、氧燃料炬、等离子体炬、内燃机排气口或其组合。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述选择的温度范围为1200℃至3700℃。
29.根据权利要求22所述的方法，其中所述选择的温度范围基于物料的化学组成，物料的尺寸，物料在第一圆柱形容器内、在第二圆柱形容器内或在两者内的共振时间。
30.根据权利要求22所述的方法，其中所述加热的气体源包括：
第三圆柱形容器，其具有第五端、第六端和第四纵轴；
切向入口，其连接到第五端或最接近第五端；
切向出口，其连接到第六端或最接近第六端；
电极外壳，其连接到第三圆柱形容器的第六端，使得第一电极与第三圆柱形容器的第四纵轴对齐，所述第一电极延伸进入第三圆柱形容器，并且可以沿着第四纵轴移动；
线性致动器，其连接到第一电极以沿着圆柱形容器的第四纵轴调节第一电极在第三圆柱形容器内的位置；
空心电极喷嘴，其连接到第三圆柱形容器的第六端，使得空心电极喷嘴的中心线与第四圆柱形容器的第四纵轴对齐；和
其中切向入口和切向出口在第三圆柱形容器内产生第三涡旋流，并且第一电极和空心电极喷嘴产生等离子体，所述等离子体通过空心电极喷嘴排出并进入入口通道的入口。
31.根据权利要求22所述的方法，其中所述分配器包括第二电极。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述分配器包括逆流进料管，所述逆流进料管包含涂敷物料或与物料发生化学反应的材料。
33.根据权利要求22所述的方法，其中所述加热的气体由加热的气体源供应，所述加热的气体源包括：
第一电极，其最接近入口通道的入口并与第三纵轴对齐；并且
其中所述分配器包括第二电极。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述装置进一步包括电源，所述电源连接到第一电极和第二电极。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述第一电极或第二电极包含涂敷物料或与物料发生化学反应的材料。
36.根据权利要求22所述的方法，其中所述加热的气体由加热的气体源供应，所述加热的气体源包括：
第一电极，其最接近入口通道的入口，并与基本垂直于第三纵轴的平面对齐；和
第三电极，其在纵向上与第一电极对齐，使得第一和第三电极之间的电弧与第三纵轴相交。
37.根据权利要求22所述的方法，其中：
加热的气体包括等离子体；
第一涡旋气体流包括第一涡旋等离子体流；和
第二涡旋气体流包括第二涡旋等离子体流。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述装置进一步包括射频源，所述射频源连接到或设置在第一圆柱形容器或第二圆柱形容器或两者内。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述射频源包括一个或多个射频线圈、波导或其组合。
40.根据权利要求22所述的方法，其中所述装置进一步包括：
第三涡流探测器，其连接到第一圆柱形容器的第二端并与第一纵轴对齐；
第一切向出口，其连接到第一圆柱形容器的第二端或设置成最接近第一圆柱形容器的第二端，使得第一涡旋气体流通过第一切向出口离开第一圆柱形容器。
41.根据权利要求22所述的方法，其中所述装置进一步包括：
第四涡流探测器，其连接到第二圆柱形容器的第四端并与第二纵轴对齐；和
第二切向出口，其连接到第二圆柱形容器的第四端或设置成最接近第二圆柱形容器的第四端，使得第二涡旋气体流通过第二切向出口离开第二圆柱形容器。
42.根据权利要求22所述的方法，其中所述装置进一步包括：
第三涡流探测器，其连接到第一圆柱形容器的第二端并与第一纵轴对齐；
第四涡流探测器，其连接到第二圆柱形容器的第四端并与第二纵轴对齐；和
出口通道，其设置在第一涡流探测器和第二涡流探测器之间，在最接近第二端处切向连接到第一圆柱形容器并且在最接近第四端处切向连接到第二圆柱形容器，并且具有出口。
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