[发明专利]多阶段矿物碳酸化

说明书

本发明提供了一种用于二氧化碳捕获、封存和利用的集成工艺，该工艺包括：a)提供水性浆料，所述水性浆料包含水性液体和包含活化的硅酸镁矿物的颗粒状固体；b)在溶解阶段，使包含CO₂的气流与水性浆料在第一压力接触以从矿物中溶解镁，以提供包含镁离子富集的碳酸化的水性液体和镁贫化的固体残余物的浆料；以及c)在沉淀阶段，通过多次连续的阶段式的压力降低从在步骤b)中溶解的镁离子中沉淀碳酸镁，其中每个阶段处于低于前一阶段的压力；其中每个连续的阶段式的压力降低释放CO₂，该CO₂相应地被阶段式地压缩并且再循环回到溶解阶段。

发明领域

本发明涉及用于二氧化碳捕获、封存(sequestration)和利用(CCSU)的工艺以及适合于实施该工艺的反应器系统。

发明背景

将二氧化碳气体封存在与大气隔离的储器中是正在开发的技术，该技术被广泛地认为是全球减少二氧化碳向大气排放的尝试的重要因素。因为其作为温室气体的特性及其对全球变暖和气候变化的现象的贡献，大气中二氧化碳浓度的迅速增加是令人关注的。在若干个国家中存在用于二氧化碳捕获和封存(CCS)的原型示范设施(prototypedemonstration facility)，并且最近还出现了商业规模的操作。虽然存在用于从燃烧烟道气中捕获和浓缩二氧化碳的多种技术，例如在用于发电的煤燃烧中，但是大多数现有设施通过将加压的二氧化碳注入到合适的地下储器中来利用地下封存。这通常被称为地质封存。这可以发生在油或气贫化的储层(depleted oil or gas reservoir)或其他与大气适当地隔离的地下多孔地层中。这些储层或地层可以位于陆地或海洋下面。对于二氧化碳气体的另一种可能的地下储器是所谓的盐水层(saline aquifer)。二氧化碳在深海的海底上的直接储存也已经被研究，但尚未在任何显著规模上被成功地证明。

对于二氧化碳封存的另一个研究领域是被称为矿物碳酸化(mineralcarbonation)的研究领域，由此二氧化碳与碱金属氧化物或碱土金属氧化物或硅酸盐矿物发生化学反应，以形成稳定的固体碳酸盐。这种方法被称为异位矿物碳酸化(ex-situmineral carbonation)，与原位碳酸化(in-situ mineral carbonation)相反，在原位碳酸化中二氧化碳被沉积到地下矿物地层中，并且在更长的时间范围(timeframe)内与现有的地下地层中的合适的矿物反应。本发明涉及经由硅酸盐矿物的矿物碳酸化来形成碳酸盐的二氧化碳封存的异位方法。

与二氧化碳封存的其他方法相比，矿物碳酸化具有许多潜在的优点。这些包括形成的碳酸盐的耐久性和稳定性，以及二氧化碳气体的泄漏的任何风险的消除。此外，并非在所有要求它们靠近二氧化碳排放源的地点都存在合适的用于地质封存的地下场所。矿物碳酸化的化学反应在热力学上也是有利的，其中由于碳酸盐的形成而放热地释放能量。矿物碳酸化所需的原始硅酸盐矿物是丰富的，并且在全球广泛地分布。这些矿物可以被容易地开采，并且经历已知的破碎(comminution)和其他加工技术。它们通常是良性的，并且环境和安全风险是可容易管理的。特别地，已经估计，宽泛地被称为蛇纹岩的硅酸镁矿物是以足以封存来自已知化石燃料储量的所有全球二氧化碳的排放的量可获得的。

所谓的单阶段碳酸化工艺，例如由O’Connor等人,2005-Aqueous MineralCarbonation:Mineral Availability,Pre-treatment,Reaction Parametrics andProcess Studies,DOE/ARC-TR-04-002-Albany Research Center,Albany,OR,USA所描述的工艺，包括在单个阶段中从活化的矿物(activated mineral)中溶解镁并且沉淀碳酸镁，从而产生未反应的矿物、碳酸镁和二氧化硅的混合物。这种混合物难以分离成可行的产品。镁向碳酸镁的转化程度也是有限的。