專利名稱：集成化學(xué)方法
集成化學(xué)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永久且安全地隔離二氧化碳?xì)怏w的方法，尤其涉及將二氧 化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化為固體碳酸鹽從而減少大氣中二氧化碳累積的有效集成方 法。
將從大氣中分離的二氧化碳?xì)怏w隔離在儲(chǔ)庫中是一種正在發(fā)展的技 術(shù)，被廣泛認(rèn)為是全球減少二氧化碳大氣排放的重要因素。大氣中二氧化 碳濃度的迅速增加引起人們的關(guān)注，因?yàn)槎趸季哂袦厥覛怏w的性質(zhì)， 促進(jìn)全球變暖和氣候變化等現(xiàn)象。在一些國家存在用于捕獲和隔離二氧化 碳的原型示范設(shè)備。盡管已有一些捕獲和濃縮燃燒煙氣中二氧化碳的技術(shù)， 但是大部分目前流行的設(shè)備采用的是地下隔離處理，稱為地質(zhì)隔離。這種 技術(shù)可以用在貧化的油庫或天然氣儲(chǔ)庫或其它適合與大氣隔離的地下多孔 地層中。這些儲(chǔ)庫或地層可以在陸地或海洋底下。另一種可能的二氧化碳 氣體地下儲(chǔ)庫是所謂的鹽水層。人們還研究了將二氧化碳直接儲(chǔ)存在深海， 但是還沒有獲得任何顯著的成功。
已知的另一研究領(lǐng)域是礦物碳酸化，也就是二氧化碳與堿金屬和堿土 金屬氧化物或硅酸鹽礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的固體碳酸鹽。在使用 已經(jīng)提取和加工的礦物的礦物碳酸化處理設(shè)備中利用這種途徑的方法稱為 非原位礦物碳酸化，與之對(duì)應(yīng)的是原位碳酸化方法，在后者中二氧化碳被 沉積到地下礦物層中，長時(shí)間與地下層中已經(jīng)存在的這種礦物反應(yīng)。本發(fā) 明討論的是通過礦物碳酸化隔離二氧化碳的非原位方法。
本發(fā)明假設(shè)含二氧化碳的物流可用于這種礦物碳酸化。這種物流可來 自任何燃燒工藝的煙氣，或來自氣化或氣體重整之類領(lǐng)域的己知工藝，還 可以來自典型的化學(xué)制造工藝(例如氨或波特蘭水泥制造)。通過本領(lǐng)域中 已知的技術(shù)途徑可以大大提高這類物流中二氧化碳的濃度。這些技術(shù)途徑 包括所謂的碳捕獲技術(shù)，例如那些采用膜分離的技術(shù)或使用二氧化碳溶劑 (例如胺)的技術(shù)。在后一種情況中，這些溶劑捕獲稀物流(例如煙氣)中的二氧化碳，然后進(jìn)行溶劑再生，從而釋放出二氧化碳濃度較高的物流和再
用于捕獲的再生了的溶劑?；蛘撸诜Q為"含氧燃料燃燒(oxy-fuel combustion)"的方法中，通過使用氧氣替代空氣加入燃燒過程中而在燃燒 過程中直接形成高濃度二氧化碳和水蒸氣的物流。另一種稱為氣化的方法 通過在合適工藝條件下烴燃料的氣化而產(chǎn)生氫氣和較純二氧化碳的物流。
本發(fā)明討論的是在本文所述的礦物碳酸化方法中這類二氧化碳物流的 固定。雖然在本發(fā)明中適宜使用這種高濃度的二氧化碳物流，但是也不排 除使用較低純度的物流。實(shí)際上，在這些物流中存在水并不一定是不利的， 因?yàn)樵摲椒ㄊ褂盟靠筛鶕?jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)的水性漿料。此外，本發(fā)明的 關(guān)鍵方面是減緩二氧化碳隔離所需的過程或者使該過程變得不很劇烈。這 些過程可包括例如從大氣中隔離二氧化碳。本發(fā)明提供用于堿金屬或堿土 金屬硅酸鹽原料的合適的集成活化方法，以及可行非原位隔離所需的碳酸 化反應(yīng)所必需的集成溶劑方法。
僅僅是示例性地，以下綜述和論文描述了這些不同的隔離技術(shù)及其狀
況
Metz， B., Davidson, O.， De Coninck H., Loos. M和Meyer， L.(編)，2006. 二氧化碳的捕獲和儲(chǔ)存(Carbon Dioxide Capture and Storage)- IPCC專題報(bào) 告，聯(lián)合國關(guān)于氣候變化的政府間座談會(huì)(UN Intergovernmental Panel on Climate Change), ISBN92-9169-119-4。
Herzog， H., 2002.通過礦物碳酸化的碳隔離綜述和評(píng)估(Carbon Sequestration via Mineral Carbonation: Overview and Assessment), http:〃sequestration.mit.edu/pdf/carbonates,.pdf, 2006年2月讀取。
Huijgen, W丄J.禾B Comans， R.N丄，2005.通過礦物碳酸化的二氧化碳隔 離-文獻(xiàn)調(diào)研(Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation-Literature Review),更新2003-2004, ECN-C_05-022。
Lackner, K.S., Grimes, P,和Ziock, H-J., 2001.從空氣捕獲二氧化碳 (Capturing Carbon Dioxide From Air),第一屈關(guān)f薪腐庸游像家/i/論會(huì)(7" 7Va"o"a/ Co"/ere ce Car6ow SegweWraWo"), 200/牟5力"-77 /7，夷風(fēng) http:〃www.netl.doe.gov/publications/proceedings/01/carbon seq/carbon seq01.html， 2006年1月讀取。
O'Connor, W.K., Dahlin， D.C., Rush， G.E.， Gerdemann, S丄，Penner， L.R. 和Nilsen, D.N., 2005.水性礦物碳酸化-礦物可用性，預(yù)處理，反應(yīng)參數(shù)和 工藝研究-最終報(bào)告(Aqueous Mineral Carbonation - Mineral Availability, Pre-treatment, Reaction Parametrics and Process Studies-Final Report), DOE/ARC-TR-04-002,奧爾巴尼研究中心(Albany Research Center),美國能 源部。
ZECA公司，2006.綜述-二氧化碳(Overview - carbon dioxide), http:〃www.zeca.org/overview/carbon. dioxide.html, 2006年3月讀取。 此外，本文參考的專利文獻(xiàn)中的相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的一些例子如下 美國專利申請(qǐng)US 2001/0022952 Al， Rau和Caldeira，提取和隔離二氧 化碳的方法禾卩設(shè)備(Method and Apparatus for Extracting and Sequestering Carbon Dioxide)。
美國專利申請(qǐng)US 2004/0131531 Al， Geerlings, Mesters和Oosterbeek, 用二氧化碳進(jìn)行礦物碳酸化的方法(Process for Mineral Carbonation with Carbon Dioxide)。
美國專利申請(qǐng)2004/0126293 Al， Geerlings和Wesker，從煙氣中除去 二氧化碳的方法(Process for Removal of Carbon Dioxide from Flue Gases)。
美國專利申請(qǐng)US 2004/0213705 Al， Blencoe, Palmer, Anovitz和Beard, 用于長期C02隔離的金屬硅酸鹽的碳酸化(Carbonation of Metal Silicates for long-term C02 Sequestration)。
美國專利申請(qǐng)2004/0219090 Al， Dziedic， Gross, Gorski和Johnson, 二 氧化碳的隔離(Sequestration of Carbon Dioxide)。
美國專利申請(qǐng)US 2005/0180910 Al， Park和Fan,使用含堿土金屬的 礦物的二氧化碳隔離(Carbon Dioxide Sequestration using Alkaline Earth Metal-Bearing Minerals)。
礦物碳酸化與其它二氧化碳隔離方法相比具有很多潛在的優(yōu)點(diǎn)。這些 優(yōu)點(diǎn)包括較為持久和穩(wěn)定，并且消除了二氧化碳?xì)怏w泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。此外， 并不是所有要求的區(qū)域都存在適合地質(zhì)隔離的地下場(chǎng)所。礦物碳酸化的化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上也是有利的，由于形成碳酸鹽而釋放出熱能。礦物碳酸 化所需的許多礦物資源豐富，并且廣泛分布在全球。這些礦物容易開采， 可以承受已知的粉碎和其它技術(shù)處理。它們通常是無危險(xiǎn)的，環(huán)境和安全 方面的風(fēng)險(xiǎn)容易控制。尤其是已經(jīng)廣為人知的蛇紋石礦物據(jù)評(píng)估其可用量 足以隔離根據(jù)已知的化石燃料儲(chǔ)量所推測(cè)的全部全球二氧化碳排放量。 礦物碳酸化的化學(xué)反應(yīng)的例子如下
WMg2Si04 + C02 = MgC03 +鄉(xiāng)02 CaSi03 + C02 + 2H20 = CaC03 + H4 Si 04 VjMW2(95 4 + C6>2 = MgCA + 2/"/(92 + % /20 后一個(gè)例子就是蛇紋石，它由于較為豐富是非常受歡迎的原料。為此， 許多關(guān)注集中在蛇紋石上。
但是，目前為止礦物碳酸化仍然處在研究階段，還沒有可行的工業(yè)方 法的報(bào)導(dǎo)。Metz等(2006)在聯(lián)合國關(guān)于氣候變化的政府間座談會(huì)上的綜述 中得出結(jié)論，碳酸化所需的能量是相關(guān)煤燃燒發(fā)電廠能量輸出的30-50。/^， 導(dǎo)致礦物碳酸化不可行。他們指出研究方向應(yīng)該是尋找能提高反應(yīng)速率并 使碳酸化工藝更節(jié)省能量的途徑。來自奧爾巴尼研究中心的該領(lǐng)域前沿研 究者(O'Connor等，2005)同樣在他們關(guān)于水性礦物碳酸化的最終報(bào)告中得 出結(jié)論，通過礦物碳酸化進(jìn)行二氧化碳隔離的成本為每噸二氧化碳54-199 美元。他們得出結(jié)論橄欖石和硅灰石最具工業(yè)應(yīng)用潛力，而否定了蛇紋石， 因?yàn)樯呒y石活化所需的能量輸入太高而完全不可行。他們沒有描述實(shí)現(xiàn)這 種可行活化的任何方法，他們的計(jì)算是基于使用電能進(jìn)行蛇紋石活化。他 們得出結(jié)論，在非原位工業(yè)方法中使用蛇紋石可以被排除，將其定性為不 切實(shí)際的方法。他們還得出結(jié)論，蛇紋石在隔離中唯一可能的應(yīng)用是用作 二氧化碳原位地質(zhì)隔離的緩慢反應(yīng)性基質(zhì)。
許多研究者繼續(xù)開發(fā)提高蛇紋石和其它含堿金屬或堿土金屬的礦物的 反應(yīng)性的方法。例如，Park和Fan在美國專利申請(qǐng)US 2005/0180910 Al中 描述了一種改變礦物懸浮液的pH并使用含內(nèi)部研磨介質(zhì)的流化床反應(yīng)器 活化蛇紋石的方法。他們的發(fā)明涉及含鎂礦物在物理表面活化輔助下在弱 酸中溶解，然后在與二氧化碳接觸后提高溶液的pH，以使碳酸鹽和硫酸鹽沉淀。他們的方法見敘于美國專利申請(qǐng)US 2005/0180910 Al。 Park禾n Fan 的發(fā)明沒有描述通過任何方法對(duì)含鎂礦物進(jìn)行任何熱活化，并且也沒有描 述該發(fā)明的相關(guān)工藝改善或應(yīng)用。
ZECA公司(2006)已經(jīng)公開了以下信息使用硅酸鎂礦物的礦物碳酸化 隔離燃煤發(fā)電的二氧化碳排放物的方法。但是，該公司沒有直接描述實(shí)現(xiàn) 該目的的可行方法，盡管引用了基于奧爾巴尼研究中心的工作的待審查專 利方法。但是，如文中所述，來自奧爾巴尼研究中心的工作人員的已公開 工作排除了在二氧化碳非原位礦物隔離中使用蛇紋石，但還沒有描述實(shí)現(xiàn) 可行方法的辦法。
其它現(xiàn)有技術(shù)描述了無法預(yù)見本發(fā)明的其它方法和技術(shù)。例如， Geerlings和Wesker的美國專利申請(qǐng)2004/0126293 Al中描述了利用礦物碳 酸化中釋放的熱量為從煙氣捕獲二氧化碳的工藝中使用的溶劑的再生提供 熱量。該文獻(xiàn)中沒有關(guān)于礦物碳酸化方法本身的描述。
在另一美國專利申請(qǐng)2004/0131531 Al(Geerlings等)中描述了一種礦 物碳酸化的方法，其中二氧化碳與浸在電解質(zhì)水溶液中的二價(jià)堿土金屬硅 酸鹽反應(yīng)。應(yīng)注意O'Connor等(2001)早已揭示了這種電解質(zhì)鹽。在美國專 利申請(qǐng)2004/0131531 Al中沒有提及這種二價(jià)堿土金屬硅酸鹽的活化。 Geerlings等在所述申請(qǐng)中給出的實(shí)施例僅限于硅灰石，該礦物的碳酸化反 應(yīng)不需要活化。
Blencoe等的美國專利申請(qǐng)2004/0213705 Al描述了一種從氣流中隔離 二氧化碳的方法，包括用苛性材料溶解金屬硅酸鹽產(chǎn)生金屬氫氧化物，然 后使所述金屬氫氧化物與二氧化碳接觸產(chǎn)生金屬碳酸鹽。該文獻(xiàn)中沒有描 述其它以非苛性途徑碳酸化的方法，也沒有描述活化金屬硅酸鹽的其它方
法。應(yīng)注意，需要金屬強(qiáng)苛性或酸性溶解的方法由于大量提供這種強(qiáng)苛性 或酸溶劑所需的高能量和原料要求，因此預(yù)計(jì)不是大規(guī)模二氧化碳隔離的 可行工業(yè)方法。
Rau禾卩Caldeira在美國專利申請(qǐng)2001/0022952 Al中描述了通過水合二 氧化碳形成碳酸然后所得碳酸與碳酸鹽反應(yīng)而從氣流中隔離二氧化碳的方 法。該方法與本發(fā)明的方法截然不同。Dziedic等在美國專利申請(qǐng)2004/0219090 Al中描述從氣態(tài)物流中除去 二氧化碳的方法，包括將二氧化碳擴(kuò)散在水中，加入催化劑以加快二氧化 碳向碳酸的轉(zhuǎn)化，加入礦物離子以形成碳酸鹽沉淀。該方法與本發(fā)明方法 也截然不同，但是可以與本發(fā)明有利地聯(lián)合使用，特別是用于直接從大氣 中隔離二氧化碳。
至今為止，還沒有研究或現(xiàn)有技術(shù)描述一種能通過與堿金屬或堿土金 屬硅酸鹽反應(yīng)形成堿金屬或堿土金屬碳酸鹽而成功隔離二氧化碳的方法， 該反應(yīng)以集成的方式進(jìn)行，這種方式既節(jié)省能量，又在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面適 合工業(yè)運(yùn)行。提供這種方法是非常有利的。所有基于水性途徑的已公開工 作得出結(jié)論，堿金屬或堿土金屬硅酸鹽礦物如蛇紋石活化和脫羥基化的能 量負(fù)擔(dān)導(dǎo)致該方法不適用于工業(yè)碳酸化方法。但是，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過 燃燒直接熱活化并結(jié)合在合適溶劑中懸浮以及應(yīng)用所選擇的工藝途徑的集 成方法，可以使整個(gè)礦物碳酸化方法(特別是用于蛇紋石之類的原料的方法) 與至今為止設(shè)想的方法相比大大節(jié)省能量，并在經(jīng)濟(jì)上可行。該新方法使 蛇紋石的礦物碳酸化首次成為可行的工業(yè)方法。經(jīng)濟(jì)可行性要求每噸二氧 化碳隔離所需的總成本較低，優(yōu)選在考慮碳稅(煙塵排放稅)或碳排放交易 或碳排放權(quán)政策下低于二氧化碳的市場(chǎng)價(jià)格。本發(fā)明提供了這種方法。
因此，本發(fā)明提供一種通過二氧化碳與堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原料 反應(yīng)形成相應(yīng)的堿金屬或堿土金屬碳酸鹽來固定二氧化碳的方法，該方法 包括通過燃燒燃料直接熱活化堿金屬或堿土金屬硅酸鹽，產(chǎn)生活化的原料， 將活化的原料懸浮在溶劑漿料中，并使活化的原料與二氧化碳接觸，從而 轉(zhuǎn)化二氧化碳形成堿金屬或堿土金屬碳酸鹽。
本發(fā)明的方法有利地提供了通過使二氧化碳轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的堿金屬或堿 土金屬碳酸鹽來隔離二氧化碳的方法。因此，該方法提供了減少向大氣釋 放的二氧化碳的量的方法。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面包括直接熱活化堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原 料，用于與二氧化碳反應(yīng)。通過燃燒燃料并將釋放的熱量直接供應(yīng)給原料 來實(shí)現(xiàn)所述活化。在本發(fā)明中，使用電力(例如使用電爐)為原料提供活化 所需的熱量將涉及間接熱活化，因?yàn)槿紵剂袭a(chǎn)生的熱量(以產(chǎn)生電力)不
10直接用于加熱原料。這從能量上講是不利的。
依據(jù)本發(fā)明，用于實(shí)現(xiàn)原料直接熱活化的燃料一定是含碳燃料或烴燃 料，例如煤、油或天然氣。
原料的熱活化可在任何合適的加熱容器中進(jìn)行。加熱容器的形式通常 為窯、爐或類似的燃燒室或加熱器。原料可與燃料的燃燒氣體接觸，或者 可通過來自燃料燃燒室的輻射、傳導(dǎo)或?qū)α鬟M(jìn)行加熱。加熱容器可以設(shè)計(jì)
為提供紊流或分散或微細(xì)化(attritive)形式的條件，從而有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)于活 化而言最基本的原料的脫羥基化作用。因此，反應(yīng)容器可以設(shè)計(jì)為在加熱 原料過程中旋轉(zhuǎn)和/或攪拌原料，從而有助于脫羥基化(活化)。
通常，原料作為經(jīng)過研磨的固體傳送通過加熱容器。在一個(gè)實(shí)施方式 中，加熱容器可以是包括一個(gè)或多個(gè)基本直立的室的立式設(shè)計(jì)，原料被加 入其中并相對(duì)于燃料燃燒產(chǎn)生的氣體逆流流動(dòng)?；蛘撸腆w原料可以在管 中或容器中的流體介質(zhì)中傳輸通過加熱容器，這種流體是氣體或液體。
二氧化碳與活化的原料的反應(yīng)是放熱的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中， 在直接熱活化之前，使用放熱(下游/隨后)反應(yīng)釋放的熱量預(yù)熱活化的原料。 在此實(shí)施方式中，可以使用一系列熱交換器將熱量傳遞給原料。附加或另 選地，預(yù)熱可使用來自相關(guān)的含碳燃料或烴燃料燃燒、氣化和/或重整過程 的低位熱或廢熱。按照此方式預(yù)熱硅酸鹽原料可以使本發(fā)明方法在能量上 更經(jīng)濟(jì)。
預(yù)熱可使用一系列連續(xù)的加熱容器，這些加熱容器利用之后的碳酸化 反應(yīng)放出的熱量和/或來自相關(guān)的含碳燃料或烴燃料燃燒、氣化或重整過程 的低位熱或廢熱。
硅酸鹽原料的活化通常包括將所述原料的溫度提高到約580-800°C，并 最終保持在該溫度。雖然使用碳酸化反應(yīng)放出的熱量和/或來自相關(guān)的烴燃 料燃燒、氣化或重整過程的低位熱或廢熱對(duì)含堿金屬或堿土金屬的物流進(jìn) 行預(yù)熱可以使該方法在能量和成本上更經(jīng)濟(jì)，但是這些步驟不是絕對(duì)必需 的。實(shí)現(xiàn)活化所需的全部能量可由有效加熱容器提供。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該方 法，特別是在燃燒容器或加熱器中伴有攪拌時(shí)，能提供更高的能量效率， 因此是通過非原位礦物碳酸化隔離二氧化碳的工業(yè)上可行的方法。較佳地，懸浮在溶劑漿料中的活化的原料隨后接觸超臨界的、液化的 或高壓氣態(tài)的二氧化碳，使二氧化碳基本上轉(zhuǎn)化為堿金屬或堿土金屬碳酸 鹽。在該說明書中術(shù)語"高壓"指超過5巴、更優(yōu)選超過20巴的壓力。
最適合用于燃燒的燃料可能是在相關(guān)的烴燃料燃燒、氣化或重整過程 中使用的同一燃料，該燃料的二氧化碳排放物將經(jīng)歷本發(fā)明的礦物碳酸化 過程。通常，由于隔離二氧化碳排放物需要大量的礦物，礦物碳酸化設(shè)備 應(yīng)該理想地位于堿金屬或堿土金屬硅酸鹽礦場(chǎng)或采石場(chǎng)附近。如果礦物碳 酸化設(shè)備的所在地遠(yuǎn)離相關(guān)的含碳燃料或烴燃料燃燒、氣化或重整工藝的 設(shè)備，則必須通過管道等將二氧化碳運(yùn)輸?shù)降V物碳酸化設(shè)備，而使用來自 所述相關(guān)設(shè)備的低位熱或廢熱的選擇也不可行。 一般而言，所需的礦物量 比相關(guān)燃燒、氣化或重整工藝設(shè)備中使用的相應(yīng)的含碳燃料或烴燃料的量 還要多，所述諸工藝設(shè)備的二氧化碳排放物將經(jīng)歷礦物碳酸化過程。這樣 更適宜將這種燃燒、氣化或重整工藝設(shè)備就近設(shè)置在堿金屬或堿土金屬硅 酸鹽礦場(chǎng)或采石場(chǎng)附近。因此，整體而言可以節(jié)省將含碳燃料或烴燃料輸 送到燃燒-碳酸化聯(lián)合設(shè)備所在地的成本，是優(yōu)選的選擇。
相關(guān)的烴燃料燃燒、氣化或重整工藝可組成或構(gòu)成燃煤、燃油或燃?xì)?發(fā)電設(shè)備、氨或其它化學(xué)制造設(shè)備、波特蘭水泥設(shè)備等的一部分。最常見 的所述相關(guān)設(shè)備為發(fā)電設(shè)備，最常見為燃煤發(fā)電設(shè)備。
在本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，用于燃燒、氣化、重整或發(fā)電設(shè)備的含
碳燃料或烴燃料包含至少20% 、優(yōu)選20-100%的衍生自可再生生物質(zhì)的燃 料，因此整個(gè)過程凈除去大氣中的二氧化碳，而且同時(shí)提供了下游能量過 程中所需的熱能、電能或氫。
類似地，燃燒用于為堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原料提供熱能的含碳燃 料或烴燃料可有利地包含至少20% 、優(yōu)選20-100%的衍生自可再生生物質(zhì) 的燃料。這樣提供一種熱活化方法，該方法不會(huì)由于礦物碳酸化過程而產(chǎn) 生額外的二氧化碳?？稍偕镔|(zhì)燃料特別適合該熱活化方法，因?yàn)樗?的溫度低于約80(TC。較佳地，將氧氣或富含氧的空氣加入加熱容器中，提 供主要由二氧化碳和水組成的煙氣流，該煙氣流返回到礦物碳酸化設(shè)備中， 用于二氧化碳隔離。
12最優(yōu)選的堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原料是蛇紋石或其多晶型體之一。 但是，本發(fā)明中可使用選自下組的原料蛇紋石和任何其多晶型體，葉蛇 紋石、利蛇紋石或纖維蛇紋石，橄欖石，水鎂石，純橄欖巖，橄欖巖，鎂 橄欖石，硅灰石，滑石，斜方輝橄巖和它們的混合物。
通常，在原料提取后通過擠壓和/或研磨將原料磨碎?？梢栽谥苯訜峒?熱步驟之前或之后將原料粉碎到碳酸化反應(yīng)所需的最終粒度分布。所述碳 酸化反應(yīng)所需的最終粒度分布約為75微米或更小。較佳的是在所述直接燃 燒加熱之前，將原料粉碎至約200微米或更小的粒度，然后進(jìn)一步粉碎至 所述碳酸化反應(yīng)所需的最終粒度分布。這種后續(xù)的研磨過程適宜以濕研磨 處理的方式進(jìn)行，而活化的原料與溶劑漿料在礦物碳酸化步驟之前混合。
最優(yōu)選的方法包括使用一個(gè)或多個(gè)加熱容器預(yù)熱硅酸鹽原料，所述加
熱容器利用從放熱碳酸化反應(yīng)中回收的熱量，通常在低于20(TC、更通常在 低于約15(TC的溫度。此外，如上所述可以利用從相關(guān)的烴燃料燃燒、氣化 或重整設(shè)備回收的低位熱量進(jìn)一步加熱。最后，該方法的實(shí)質(zhì)是，將預(yù)熱 的硅酸鹽原料在合適的加熱容器中加熱到其所需的活化溫度，在約580-800 "C之間。這些溫度明顯低于煅燒操作中常用的溫度，使這種加熱容器更加 節(jié)省能量，并可以降低該構(gòu)造中使用的耐火材料的成本。
合適的加熱容器包括旋轉(zhuǎn)窯和豎窯或塔式窯。優(yōu)選的是最節(jié)省能量的 設(shè)計(jì)，例如多級(jí)逆流再生豎窯或塔式窯。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于其它工業(yè)應(yīng)用如 石灰煅燒中最節(jié)省能量的設(shè)計(jì)經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整也特別適用于本發(fā)明。合適的 設(shè)計(jì)包括具有軸向燃燒室和多個(gè)共軸煅燒室的流化床窯或旋轉(zhuǎn)窯。與常規(guī) 煅燒相比，本申請(qǐng)中硅酸鹽原料活化所需的較低溫度可以明顯降低這類窯 的設(shè)計(jì)要求。這可以同時(shí)節(jié)省使用這類裝置的基建和運(yùn)行成本。
在加熱容器中攪拌礦物原料有利于原料活化的過程，適宜用在加熱容 器中。這種攪拌可通過在旋轉(zhuǎn)窯中旋轉(zhuǎn)進(jìn)行，優(yōu)選在一些額外的研磨和/或 攪拌介質(zhì)如鋼球存在下進(jìn)行?；蛘撸赏ㄟ^在豎窯或塔式窯或流化床爐中 的逆流氣體流動(dòng)獲得一定程度的攪拌，同樣優(yōu)選在一些額外的研磨和/或攪 拌介質(zhì)存在下進(jìn)行。
或者，可通過兩相流體/固體流動(dòng)實(shí)現(xiàn)礦物原料通過管道或室在加熱容器中傳輸，所述流體包括氣體或液體。對(duì)于氣體/固體流動(dòng)的情況，在所述 礦物原料傳輸通過加熱容器的過程中，載氣提供攪拌和有效熱傳遞，高氣 體流速可以增強(qiáng)這種效果。
礦物原料作為懸浮在液體載體中的漿料傳輸通過加熱容器是有利的。 在這一方面，優(yōu)選的是水性介質(zhì)，最優(yōu)選的介質(zhì)包括那些用于碳酸化步驟 的介質(zhì)；即弱酸性水性溶劑或混合的水性和/或鹽水或其它液體溶劑。對(duì)于 碳酸化反應(yīng)，溶劑可選自水，弱酸(例如現(xiàn)有技術(shù)中已知的弱酸，諸如乙 酸，草酸，抗壞血酸，鄰苯二甲酸，正磷酸，檸檬酸，甲酸)，或這類弱酸
的鹽的溶液，鹽溶液(saline solutions),鹽水溶液和碳酸氫鈉溶液，碳酸氫 鉀溶液，混合水-醇溶液(例如乙醇水溶液或甲醇水溶液)，混合水-二醇溶液， 混合水-丙三醇溶液，或它們的任意組合。
較佳的是在直接熱活化階段中保持液體與固體的比例較低，通常低于 碳酸化步驟中使用的比例，以減少將漿料提高到礦物活化所需的約580-800 x:的溫度范圍所需的熱能要求。在這些條件下，液體通常是過熱的。存在 液體載體有助于硅酸鹽原料的脫羥基化，原因是提供了有效的熱傳遞、堿 金屬或堿土金屬的紊流和一定程度的溶解、并且促進(jìn)了硅氧層的斷裂。
在通過流體載體傳輸原料的一些實(shí)施方式中，所述載體包括氣體或液 體，可通過載體流體再循環(huán)通過所述加熱容器來減少向加熱容器供應(yīng)的熱 能。固體礦物原料在離開加熱容器后可充分地與載體流體分離，然后再循 環(huán)以運(yùn)載更多的礦物原料通過加熱容器，從而保持己加熱流體的大部分熱 能。可通過眾所周知的方法如重力分離、離心分離或過濾實(shí)現(xiàn)充分的固體/ 流體分離。
應(yīng)理解，在本說明書中提到使用工藝裝置如窯、爐或其它加熱容器、 粉碎工藝和反應(yīng)容器時(shí)，并不限于這類容器的任何具體數(shù)目?？梢允褂枚?個(gè)這類裝置，無論是串聯(lián)或并聯(lián)，從而為任何具體礦物碳酸化設(shè)施提供所 需的工藝輸出。例如，為了固定和隔離十億瓦規(guī)格燃煤發(fā)電設(shè)備每年產(chǎn)出 的約一千五百萬噸二氧化碳，每年需約四千萬噸蛇紋石。這需要每天處理 十萬噸以上蛇紋石或每小時(shí)處理4500噸以上蛇紋石的設(shè)施。需要多個(gè)大型 并聯(lián)處理裝置來滿足該輸出量。較佳地，在直接熱活化步驟后，將活化的原料懸浮在弱酸性水性溶劑 或混合的水性和/或鹽水或其它溶劑中，然后再進(jìn)行碳酸化步驟。較佳地，
可以使用O'Connor等描述的水性溶劑體系，包含鹽水溶液與碳酸氫鈉。本 領(lǐng)域技術(shù)人員可以識(shí)別其它合適的溶劑，包括碳酸氫鉀溶液。
較佳地，所述懸浮在溶劑中的經(jīng)過活化的原料與超臨界的、液化的或 高壓氣態(tài)的二氧化碳在高紊流或快速分散或微細(xì)化反應(yīng)容器中接觸，使二 氧化碳基本上轉(zhuǎn)化為碳酸鹽。反應(yīng)容器中壓力優(yōu)選在10-200巴、更優(yōu)選 50-160巴的范圍內(nèi)，溫度在10-25(TC、更優(yōu)選10-175°C的范圍內(nèi)。
合適的反應(yīng)容器可包括高壓攪拌容器、管道式反應(yīng)器等，更優(yōu)選是高 速反應(yīng)容器，以促進(jìn)所述活化的原料的紊流、快速混合和微細(xì)化。可以有 利地使用流化床反應(yīng)器，例如Park和Fan描述的，尤其是加入研磨介質(zhì)。 此外，可以有利地如Park和Fan描述的方法那樣提高所述反應(yīng)容器中的pH， 以促進(jìn)碳酸鹽沉淀。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種將二氧化碳從大氣中長期隔離到固 體堿金屬或堿土金屬碳酸鹽中的方法，該方法包括在包含堿金屬或堿土金 屬硅酸鹽的原料開采后，粉碎和直接熱活化所述原料，將活化的原料懸浮 在溶劑漿料中，并與二氧化碳在反應(yīng)容器中接觸，使二氧化碳充分轉(zhuǎn)化為 堿金屬或堿土金屬碳酸鹽，所述溶劑漿料包含能與液體二氧化碳混溶并且/ 或者能提高二氧化碳溶解性的溶劑。
溶劑可選自水，弱酸(例如現(xiàn)有技術(shù)中已知的弱酸，諸如乙酸，草酸， 抗壞血酸，鄰苯二甲酸，正磷酸，檸檬酸，甲酸)，或這類弱酸的鹽的溶液， 鹽溶液(saline solutions),鹽水溶液和碳酸氫鈉溶液，碳酸氫鉀溶液，混合 水-醇溶液(例如乙醇水溶液或甲醇水溶液)，混合水-二醇溶液，混合水-丙 三醇溶液，或它們的任意組合。溶劑的最終選擇取決于以下要求為碳酸 化反應(yīng)提供合適的反應(yīng)條件和O'Connor等所述緩沖作用，以及提供在碳酸 化反應(yīng)容器中與高壓的、超臨界的或液化的二氧化碳合適的混溶性。
本發(fā)明的另一種應(yīng)用可以是從稀物流或直接從大氣中隔離二氧化碳， 以減少大氣中二氧化碳的濃度，從而減輕全球變暖和氣候變化效應(yīng)。在這 一點(diǎn)上，Lackner等描述了這種方法的概念性構(gòu)思，表明從物理方面考慮該
15方法可用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)用以從空氣中大量吸收二氧化碳。他們沒有描述二氧 化碳吸收和固定的化學(xué)方法的任何細(xì)節(jié)，僅僅提到了使用氧化鈣作為可能 的基材。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然明白，可以對(duì)本發(fā)明所揭示的這類方法進(jìn)行 改進(jìn)并用于這種從大氣中吸收和固定二氧化碳的方法。本文所揭示的關(guān)鍵 方面和相關(guān)工藝改進(jìn)和應(yīng)用可用于這類方法。具體而言，本文揭示的燃燒 熱活化過程、本文所述的溶劑處理、以及本文揭示的其它各種工藝改進(jìn)和 應(yīng)用可用于這種從大氣中捕獲二氧化碳的方法。大氣中的二氧化碳在反應(yīng)
之前可濃縮，例如，通過Lackner等描述的這種捕獲和濃縮處理進(jìn)行該濃縮， 或者可以稀釋形式隔離，包括直接與大氣中的二氧化碳反應(yīng)。在后一種情
況中，盡管使用了適當(dāng)活化的堿金屬或堿土金屬硅酸鹽如蛇紋石和/或適當(dāng) 選擇的漿料溶劑以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，但是隔離進(jìn)行的速度比在高
壓反應(yīng)容器中慢。在該申請(qǐng)中可使用含活化的蛇紋石或其它堿金屬或堿土 金屬硅酸鹽與溶劑的混合物的開放容器、場(chǎng)地、衆(zhòng)料堰(slurry dams)、吸收 塔、充氣料堆(aerated stockpiles)或堆攤浸出裝置(heap leach arrangements) 的系統(tǒng)。這些容器、場(chǎng)地、漿料堰、吸收塔、充氣料堆或堆攤浸出裝置可 進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化活化的礦物與二氧化碳的接觸，二氧化碳優(yōu)選作為碳 酸溶解在水性介質(zhì)中，所述接觸通過噴霧器、霧化器或通道等系統(tǒng)進(jìn)行。 應(yīng)該定期除去碳酸鹽形式的經(jīng)過反應(yīng)的礦物，使未反應(yīng)的礦物接觸二氧化 碳或碳酸/水性物流。例如，在料堆的情況中，可以定期刮掉所述料堆的暴 露表面上已經(jīng)反應(yīng)過的層。然后將除去的包含碳酸鹽的材料適當(dāng)處置，這 種處置包括有利地返回原料礦井或采石場(chǎng)的礦藏采空區(qū)(mined-out areas)。
在大氣中的二氧化碳與活化的礦物反應(yīng)之前，可能需要提高二氧化碳 作為碳酸在水性介質(zhì)中的溶解度。可通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法實(shí)現(xiàn)溶解 度的提高，例如象Dziedzic等描述的向水性介質(zhì)中加入碳酸酐酶之類的酶 催化劑。酶催化劑優(yōu)選再循環(huán)。
現(xiàn)在將結(jié)合附圖描述依據(jù)本發(fā)明的將二氧化碳長期隔離到固體堿金屬 或堿土金屬碳酸鹽中的方法的各種實(shí)施方式，它們僅僅是示例性的。


圖1顯示了本發(fā)明的一般流程圖。該圖顯示了使用本發(fā)明方法活化堿 土金屬硅酸鹽礦石的方法，在該情況中礦石主要是蛇紋石礦。該圖顯示了提取礦石的礦場(chǎng)或采石場(chǎng)(l)，其二氧化碳排放物將進(jìn)行隔離的相關(guān)的燃燒、 氣化、重整或發(fā)電設(shè)備(2)，以及含所述二氧化碳的物流(3)，所述物流(3)
進(jìn)入依據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的礦物碳酸化設(shè)備(5)。將蛇紋石礦在粉碎流程(6) 中壓碎和磨碎至粒度小于75微米，然后加入一系列熱交換器中進(jìn)行活化。 第一任選熱交換器(7)使用碳酸化反應(yīng)器(8)中放熱碳酸化反應(yīng)釋放的熱量， 將反應(yīng)器保持在120 -150°C。第二任選熱交換器(9)使用來自相關(guān)燃燒、氣 化、重整或發(fā)電設(shè)備(2)的可利用低位熱源(4)的低位熱量，在此情況中將蛇 紋石礦的溫度進(jìn)一步提高到約30(TC。最后最重要的加熱容器(10)包括燃燒 烴燃料的爐、窯或類似燃燒室，從而將礦石的溫度提高到約580-800°C，使 礦石直接熱活化。將活化的礦石與溶劑(ll)混合，然后進(jìn)入碳酸化反應(yīng)容器 (8)中。碳酸化反應(yīng)容器(8)適宜通過機(jī)械裝置或流動(dòng)誘導(dǎo)而引入攪拌和微細(xì) 化。溶劑(ll)是水與弱酸和/或鹽和/或碳酸氫鈉的水性混合物。通過壓縮器 (12)將含二氧化碳的物流(3)壓縮為液體形式，或者壓縮到壓力超過150巴， 然后進(jìn)入所述碳酸化反應(yīng)容器(8)?；厥展腆w碳酸鹽和二氧化硅殘余物(13)， 最終返回到礦場(chǎng)或采石場(chǎng)(l)中，回收的溶劑(14)再用于該過程。
已經(jīng)證明圖1所述的方法在經(jīng)濟(jì)上可用于澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)粉碎燃料 發(fā)電設(shè)施每年14.1Mt二氧化碳排放物的永久固定。發(fā)電站具有四個(gè)660 MW發(fā)電機(jī)，每年向電網(wǎng)輸出約15500 GWh，每年消耗6.4Mt黑煤。圖l 所示的方法實(shí)現(xiàn)接近100%的永久二氧化碳隔離，使用約41 Mt/年的蛇紋 石，為了活化蛇紋石在燃燒燃料型爐中需額外消耗0.9Mt/年的煤。從發(fā)電 設(shè)施輸送的電力將減少到無隔離措施的原始供應(yīng)的96.6%,這是因?yàn)楦綦x 需要為粉碎蛇紋石提供電力。該方法將以每噸二氧化碳約A$22澳元的成 本避免14.1Mt二氧化碳排放到大氣。在發(fā)電成本方面，使用該方法幾乎 100%隔離二氧化碳的負(fù)擔(dān)已經(jīng)證實(shí)約為2.1 c/kWh。
圖2顯示了類似于圖1的本發(fā)明的另一一般流程圖。所有部件與圖1 所述相同，不同的是在熱活化之前向堿土金屬硅酸鹽礦中加入溶劑流(15)， 以將所述礦石傳輸通過熱活化熱交換器。
圖3顯示了類似于圖1的本發(fā)明的另一一般流程圖。所有部件與圖1 所述相同，不同的是在熱活化之前向堿土金屬硅酸鹽礦中加入氣流(15)，在此實(shí)施例中氣流是壓縮空氣，以將所述礦石傳輸通過熱活化熱交換器。
圖4顯示了本發(fā)明的另一種一般流程圖。該圖顯示了使用本發(fā)明方法 活化堿土金屬硅酸鹽礦石的方法，在該情況中礦石主要是蛇紋石礦。該圖 顯示了提取礦石的礦場(chǎng)或采石場(chǎng)(l)，其二氧化碳排放物將進(jìn)行隔離的相關(guān) 的燃燒、氣化、重整或發(fā)電設(shè)備(2)，以及含所述二氧化碳的物流(3)，所述
物流(3)進(jìn)入依據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的礦物碳酸化設(shè)備(5)。將蛇紋石礦在粉碎 流程(6)中壓碎和磨碎至粒度小于200微米，然后加入一系列熱交換器中進(jìn) 行活化。任選的第一熱交換器(7)使用碳酸化反應(yīng)器(8)中放熱碳酸化反應(yīng)釋 放的熱量，將反應(yīng)器保持在120 -150°C。任選的第二熱交換器(9)使用來自 相關(guān)燃燒、氣化、重整或發(fā)電設(shè)備(2)的可利用低位熱源(4)的低位熱量，在 此情況中將蛇紋石礦的溫度進(jìn)一步提高到約30(TC。最后最重要的熱交換器 (IO)包括燃燒烴燃料的爐、窯或類似燃燒室，從而將礦石的溫度提高到約 580-80(TC，使礦石直接熱活化。加熱容器(10)是兩級(jí)逆流塔式爐，以提高 熱效率。任選地，該加熱容器可使用礦物礦石的流化床。將活化的礦石與 含弱酸的水性溶劑流(ll)混合，在濕磨工藝(12)中進(jìn)一步磨碎到粒度小于75 微米，然后與包含弱酸和/或鹽和/或碳酸氫鈉和任選的醇和/或二醇或丙三 醇的溶劑(13)混合以使二氧化碳更好地混溶，然后進(jìn)入碳酸化反應(yīng)容器(8)。 含二氧化碳的物流(3)與來自燃燒烴燃料的爐、窯(10)的二氧化碳混合，通 過壓縮器(14)壓縮為液體形式，或者壓縮到壓力超過150巴，然后進(jìn)入所述 碳酸化反應(yīng)容器(8)。碳酸化反應(yīng)容器(8)適宜通過機(jī)械裝置或流動(dòng)誘導(dǎo)而引 入攪拌和微細(xì)化。回收固體碳酸鹽和二氧化硅殘余物(15)，最終返回到礦場(chǎng) 或采石場(chǎng)(l)中，回收的溶劑(16)再用于該過程。
圖5顯示了本發(fā)明的另一種一般流程圖。在此情況中，使用與圖2所 述類似的流程，除非另有指示，包括圖2所標(biāo)記的部件。在該實(shí)施例中， 相關(guān)的燃燒、氣化、重整或發(fā)電設(shè)備(2)使用20-100%的可再生生物質(zhì)(17)， 使整個(gè)過程凈除去來自大氣的二氧化碳。在該實(shí)施例中，加熱容器(10)包括 燃燒燃料的爐、窯或類似的燃燒室，它們類似地燃燒主要衍生自可再生生 物質(zhì)(18)的烴燃料，從而將礦石的溫度提高到約580-800°C，使礦石直接熱 活化，并且該操作在富含氧的進(jìn)料流(19)存在下進(jìn)行，提供主要包含二氧化
18碳和水蒸氣的煙氣流(20)，煙氣流(20)返回到礦物碳酸化設(shè)備(5)中。
圖6顯示了類似于圖l所述的本發(fā)明的另一種一般流程圖，除非另有 指示，包括圖l所標(biāo)記的部件。在該實(shí)施例中，加熱容器(10)包括具有研磨 介質(zhì)(15)的旋轉(zhuǎn)窯，研磨介質(zhì)提供機(jī)械攪拌和微細(xì)化，同時(shí)通過燃燒烴燃料 將礦石的溫度提高到約580-800°C，使礦石熱活化?？扇芜x和優(yōu)選地向該加 熱容器(10)供應(yīng)包含20-100%可再生生物質(zhì)(16)的燃料，該加熱容器還可任 選地在富含氧的進(jìn)料流(17)存在下運(yùn)行，從而提供主要包含二氧化碳和水蒸 氣的煙氣流(18)，該煙氣流(18)返回到礦物碳酸化設(shè)備(5)中。
圖7顯示了本發(fā)明的另一種一般流程圖。在該實(shí)施例中，流程類似于 圖2所示，還結(jié)合了圖4中的一些特征。除非另有指示，該圖中的部件如 圖2所標(biāo)記的，不同的是在該實(shí)施例中加熱容器(10)包括具有研磨介質(zhì)(15) 的旋轉(zhuǎn)窯，研磨介質(zhì)提供機(jī)械攪拌和微細(xì)化，同時(shí)通過燃燒烴燃料將礦石 的溫度提高到約580-800'C，使礦石熱活化?？扇芜x和優(yōu)選地向該加熱容器 (IO)供應(yīng)包含20-100%可再生生物質(zhì)(17)的燃料，該加熱容器還可任選地在 富含氧的進(jìn)料流(18)存在下運(yùn)行，從而提供主要包含二氧化碳和水蒸氣的煙 氣流(19)，該煙氣流(19)返回到礦物碳酸化設(shè)備(5)中。將活化的礦石與含弱 酸的水性溶劑流(ll)混合，在濕磨工藝(12)中進(jìn)一步磨碎到粒度小于75微 米，然后與包含醇和/或二醇或丙三醇的溶劑(13)混合以使二氧化碳更好地 混溶，然后進(jìn)入碳酸化反應(yīng)容器(8)。碳酸化反應(yīng)容器(8)適宜通過機(jī)械裝置 或流動(dòng)誘導(dǎo)而引入攪拌和微細(xì)化。含二氧化碳的物流(3)與來自燃燒烴燃料 的爐、窯(10)的二氧化碳混合，通過壓縮器(14)壓縮為液體形式，或者壓縮 到壓力超過150巴，然后進(jìn)入所述碳酸化反應(yīng)容器(8)?；厥展腆w碳酸鹽和 二氧化硅殘余物(15)，最終返回到礦場(chǎng)或采石場(chǎng)(l)中，回收的溶劑(16)再用 于該過程。
圖8顯示了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的另一流程圖。在該實(shí)施例中，礦 物碳酸化設(shè)備(5)類似于圖5中所示，但是在該實(shí)施例中該設(shè)備用于隔離大 氣中的二氧化碳。用普通捕獲設(shè)備(2)從大氣中捕獲二氧化碳，濃縮二氧化 碳(4)，將其作為物流(3)加入礦物碳酸化設(shè)備(5)中，該設(shè)備的細(xì)節(jié)類似于圖 5中所示，除非另有指示，包括如圖5標(biāo)記的部件。圖9顯示了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的另一流程圖。該圖顯示了使用本 發(fā)明方法活化堿土金屬硅酸鹽礦石的方法，在該情況中礦石主要是蛇紋石 礦，以及這種活化的礦石隔離來自稀物流或在環(huán)境條件下的二氧化碳的應(yīng) 用。該圖中顯示提取礦石的礦場(chǎng)或采石場(chǎng)(l)，礦石進(jìn)入依據(jù)本發(fā)明方法設(shè) 計(jì)的礦物碳酸化預(yù)備設(shè)備(2)。在粉碎流程(3)中將蛇紋石礦壓碎和磨碎至粒
度小于200微米，加入加熱容器(4)中，加熱容器(4)包括燃燒烴燃料的爐、 窯或類似燃燒室，從而將礦石的溫度提高到約580-80(TC，使礦石直接熱活 化。在此顯示的加熱容器是含內(nèi)部研磨介質(zhì)(5)的旋轉(zhuǎn)窯，但是該加熱容器 也可以任選地是多級(jí)逆流塔式爐，以提高熱效率。任選地，該加熱容器可 使用礦物礦石的流化床。將活化的礦石與含水與弱酸和/或鹽和/或碳酸氫鈉 的混合物的水性溶劑流(7)混合，在濕磨工藝(8)中進(jìn)一步磨碎到粒度小于75 微米。然后將活化的礦石與稀二氧化碳流在碳酸化區(qū)(9)中接觸，使二氧化 碳轉(zhuǎn)化為礦物碳酸鹽?？啥ㄆ趯⑦@種碳酸鹽從碳酸化區(qū)中除去，以使未反 應(yīng)的活化礦石接觸更多的二氧化碳。碳酸化區(qū)可包括特別設(shè)計(jì)的使礦石接 觸二氧化碳并除去已反應(yīng)的碳酸鹽的容器，或者可包括大型露天場(chǎng)地(open fields)、漿料堰、料堆或類似的充氣結(jié)構(gòu)或堆攤浸出裝置，以使活化的礦物 接觸二氧化碳。在該碳酸化區(qū)中可能需要加入一些額外的溶劑或水。反應(yīng) 過的碳酸鹽和殘余硅酸鹽(10)可返回到礦場(chǎng)或采礦場(chǎng)(1)中，留待處置。碳 酸化區(qū)(9)可以就位于礦場(chǎng)或采石場(chǎng)(1)內(nèi)。
圖10顯示了類似于圖9的本發(fā)明的另一一般流程圖。所有部件與圖9 中所示的相同，不同的是在容器、露天場(chǎng)地、槳料堰、料堆或類似的充氣 結(jié)構(gòu)或堆攤浸出裝置的上方設(shè)置了噴霧器或流動(dòng)分布器系統(tǒng)(12),用于噴灑 含催化酶如碳酸酐酶的水性溶液(ll)，加快碳酸的形成。這些物流是再循環(huán) 的(13)。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本發(fā)明范圍的情況下可以 進(jìn)行各種修改、省略或添加，本發(fā)明的范圍不受文中描述的具體實(shí)施方式
和實(shí)施例限制。應(yīng)理解，本發(fā)明包括落在精神和范圍內(nèi)的所有這種變化和 修改。本發(fā)明還包括說明書中單獨(dú)或集中地提到或指出的所有步驟、特征、 組合物和化合物，以及所述步驟或特征中任意兩種或更多種的全部組合。
20除非另有說明，在該說明書和所附的權(quán)利要求書中，術(shù)語"包含"以 及"包括"和"含有"應(yīng)理解為是指包括所述的整數(shù)或步驟或者多個(gè)整數(shù) 或步驟的組，但是不排除任何其它整數(shù)或步驟或者多個(gè)整數(shù)或步驟的組。
在該說明書中參考的任何現(xiàn)有技術(shù)不應(yīng)認(rèn)為或不應(yīng)暗示為該現(xiàn)有技術(shù) 在本申請(qǐng)?zhí)峤坏膰抑袠?gòu)成普通公知常識(shí)的一部分。
權(quán)利要求
1.一種通過二氧化碳與堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原料反應(yīng)形成相應(yīng)的堿金屬或堿土金屬碳酸鹽來固定二氧化碳的方法，該方法包括通過燃燒燃料直接熱活化堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原料，產(chǎn)生活化的原料，將活化的原料懸浮在溶劑漿料中，并使活化的原料與二氧化碳接觸，從而轉(zhuǎn)化二氧化碳形成堿金屬或堿土金屬碳酸鹽。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，通過燃燒燃料直接熱活化堿金屬或堿土金屬硅酸鹽原料的操作在爐、窯或類似的燃燒室或加熱容器中進(jìn)行。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在通過燃燒燃料直接 熱活化堿金屬或堿土金屬原料之前，使用二氧化碳與活化的原料反應(yīng)釋放 的熱量和/或來自相關(guān)的含碳燃料或烴燃料燃燒、氣化或重整過程的低位熱 或廢熱對(duì)該原料進(jìn)行預(yù)熱。
4. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，原料的直接熱 活化通過將所述原料的溫度提高到約580-800'C并保持在該溫度來進(jìn)行。
5. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，原料在經(jīng)過設(shè) 計(jì)的加熱容器中加熱，該容器在加熱過程中能旋轉(zhuǎn)和/或攪拌原料，以促進(jìn) 脫羥基和活化作用。
6. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，原料在立式設(shè) 計(jì)的加熱容器中加熱，所述立式設(shè)計(jì)的加熱容器包括一個(gè)或多個(gè)基本直立 的室，原料被加入其中并相對(duì)于燃料燃燒產(chǎn)生的氣體逆流流動(dòng)。
7. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在適當(dāng)設(shè)計(jì)的 加熱容器中，原料在與燃料的燃燒氣體隔離的情況下通過來自燃料燃燒室 的輻射、傳導(dǎo)或?qū)α鬟M(jìn)行加熱。
8. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將堿金屬或堿土金屬硅酸 鹽原料以流體介質(zhì)中的形式在管中或容器中傳輸通過加熱容器，這種流體 是氣體或液體。
9. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，原料進(jìn)行粉碎處理，以將原料的平均粒度減小到小于約200微米。
10. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在直接熱活 化步驟之前和/或之后，將活化的原料懸浮在弱酸性水性溶劑或混合水性溶 劑和/或含鹽溶劑或其它與二氧化碳混溶的溶劑中。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，所述溶劑選自以下所 列中的一種或多種水，弱酸，例如乙酸，草酸，抗壞血酸，鄰苯二甲酸，正磷酸，檸檬酸，甲酸或這類弱酸的鹽的溶液，鹽溶液，鹽水溶液和碳酸 氫鈉溶液，碳酸氫鉀溶液，混合水-醇溶液，例如乙醇水溶液或甲醇水溶液， 混合水-二醇溶液，混合水-丙三醇溶液。
12. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在直接熱活 化步驟之后，將活化的原料與含弱酸的水性溶劑流混合，在濕磨工藝中進(jìn) 一步磨碎至粒度小于75微米。
13. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將活化的原 料與超臨界的、液化的或高壓氣態(tài)的二氧化碳接觸，使二氧化碳基本上轉(zhuǎn) 化為堿金屬或堿土金屬碳酸鹽。
14. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使二氧化碳 與活化的原料在反應(yīng)容器中接觸，該反應(yīng)容器經(jīng)過設(shè)計(jì)能提供高紊流或快 速分散或微細(xì)化條件，從而迅速且充分地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為堿金屬或堿土 金屬碳酸鹽。
15. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述二氧化 碳來自含碳燃料燃燒過程、烴燃料燃燒過程、烴氣化過程或重整過程的排 放物。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳來自燃 煤、燃油或燃?xì)獍l(fā)電的煙氣排放物。
17. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述二氧化 碳?xì)怏w來自氨制造設(shè)備。
18. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述二氧化 碳?xì)怏w來自波特蘭水泥制造設(shè)備。
19. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳來自至少20%的衍生自可再生生物質(zhì)的燃料的氧化。
20. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述燃料包含至少20%的衍生自可再生生物質(zhì)的燃料。
21. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述堿金屬或堿土金屬原料包括蛇紋石或其多晶型體、葉蛇紋石、利蛇紋石或纖維蛇 紋石、橄欖石，鎂橄欖石、水鎂石，純橄欖巖，橄欖巖，硅灰石，滑石， 斜方輝橄巖，或它們中任何兩種或更多種的混合物。
22. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在加入富含 氧的物流的情況下進(jìn)行燃料燃燒，從而產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣，便于之后 固定為碳酸鹽。
23. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述堿金屬 或堿土金屬原料在粉碎流程中在壓碎機(jī)中壓碎并在研磨機(jī)中磨碎，所述粉 碎流程利用相關(guān)的發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能。
24. 如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳是稀物流或直接來自大氣。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，二氧化碳與活化的原 料在以下系統(tǒng)中接觸含活化的原料的露天場(chǎng)地、漿料堰、料堆或類似的 充氣結(jié)構(gòu)或堆攤浸出裝置。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，使用噴霧器、霧化器 或通道將水性物流分散到含活化的原料的露天場(chǎng)地、漿料堰、料堆或類似 的充氣結(jié)構(gòu)或堆攤浸出裝置的整個(gè)系統(tǒng)中。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，二氧化碳與活化的原料反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鹽定期從系統(tǒng)中除去。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，將酶催化劑加入水性 物流中，以加快碳酸的形成。
全文摘要
一種礦物碳酸化方法，該方法的特征是使用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)硅酸鹽原料進(jìn)行熱活化，然后使活化的漿料原料與二氧化碳反應(yīng)。
文檔編號(hào)B01J8/20GK101636224SQ200780049164
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
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