Усовершенствованный интегрированный химический процесс

Усовершенствованный интегрированный химический процесс

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу непрерывной и безопасной(ого) секвестрации (удаления) газообразного диоксида углерода и, в частности, касается эффективного и экономически жизнеспособного интегрированного процесса химического превращения диоксида углерода в твердые карбонаты и тем самым снижения накапливания в атмосфере диоксида углерода.

Секвестрация газообразного диоксида углерода в хранилищах, которые изолированы от атмосферы, является продвинутой технологией, которая повсеместно признана как существенный элемент в глобальном стремлении уменьшить выбросы в атмосферу диоксида углерода. Быстрое повышение в атмосфере концентраций диоксида углерода представляет собой проблему, связанную с его свойством парникового газа и его вклада в глобальное потепление и изменение климата. В нескольких странах существуют демонстрационные опытные установки для улавливания и секвестрации диоксида углерода. Хотя для улавливания и концентрированна диоксида углерода в дымовых газах сгорания существуют разнообразные технологии, на большинстве существующих установок используется подземная секвестрация, известная как геосеквестрация. Ее можно осуществлять в истощенных нефтяных или газовых коллекторах, либо же в других пористых подземных пластах, которые необходимым образом изолированы от атмосферы. Такие коллекторы или пласты могут находиться под береговой или морской толщей. Другим возможным подземным хранилищем для газообразного диоксида углерода являются так называемые соляные аквиферы - соляные водоносные слои. Изучалось также непосредственное хранение диоксида углерода в глубоководном океане, но до сих пор в каком-либо значительном масштабе успешным образом оно продемонстрировано не было.

Другой областью исследований является область, известная как минеральная карбонизация, в процессе которой диоксид углерода подвергается химической реакции с оксидом щелочного или щелочноземельного металла или с силикатными минералами, в результате чего образуются стабильные твердые карбонаты. Применение этого направления на установке минеральной карбонизации, на которой используются извлеченные и переработанные минералы, известно как минеральная карбонизация ex-situ в отличие от карбонизации in situ, с помощью которой диоксид углерода закладывается в подземные минеральные пласты и реагирует в течение более продолжительного времени с такими минералами в существующих подземных пластах. Настоящее изобретение относится к способу секвестрации диоксида углерода с использованием минеральной карбонизации ex-situ.

Минеральная карбонизация обладает рядом потенциальных преимуществ по сравнению с другими способами секвестрации диоксида углерода. В их число входит относительное постоянство и стабильность при отсутствии каких-либо рисков утечки газообразного диоксида углерода. Кроме того подходящие подземные участки для геосеквестрации встречаются не во всех тех местах, где они необходимы. Химические реакции минеральной карбонизации благоприятны также и с термодинамической точки зрения благодаря экзотермическому отводу энергии при образовании карбонатов. Многие минералы, необходимые для минеральной карбонизации,существуют в изобилии и широко распространены по всему миру. Эти минералы легко добываются и поддаются измельчению и другим технологиям. Как правило, они не агрессивны и риски в отношении экологии и техники безопасности легко разрешаются. В частности, такой широко известный минерал,как серпентин, согласно проведенным оценкам, существует в количествах, достаточных для секвестрации всех мировых выбросов диоксида углерода из известных запасов ископаемых топлив. Настоящее изобретение сосредоточено на способе минеральной карбонизации гидроксида силиката магния типа серпентина или талька. Ниже показана химическая реакция минеральной карбонизации:

^l/₃Mg₃Si₂O₅(OH)₄+СO₂=MgCO₃+²/₃SiO₂+²/₃H₂O

В изобретении предполагается, что для такой минеральной карбонизации имеется поток, который содержит диоксид углерода. Такие потоки могут создаваться газами из любого процесса сгорания, в частности из процессов производства водяного пара для генерирования электроэнергии или из процессов, известных в технике как газификация или реформинг газа, а также из типичных процессов химического производства, таких как производство аммиака и портландцемента. Концентрация диоксида углерода в таких потоках может быть значительно повышена с помощью известных в этой области технологических путей. В их число входят так называемые технологии улавливания углерода типа тех, в которых используется технология мембранного разделения или альтернативные ей технологии с использованием растворителей для диоксида углерода, таких как амины, аммиак или аммониевые соединения. В последнем случае названные растворители улавливают диоксид углерода из разбавленных потоков, таких как дымовые газы, после чего производится регенерация растворителя, в результате которой высвобождаются концентрированные потоки диоксида углерода и регенерированный растворитель, используемый для очередного улавливания. Альтернативным образом, в процессе, известном как «сжигание накислороженного топлива», потоки концентрированного диоксида углерода и водяного пара могут образовываться непосредственно в процессе сгорания благодаря использованию для подачи в процесс сгорания вместо воздуха кислорода. В другом процессе, известном как газификация, в результате газификации углеводородистых топлив в соответствующих условиях процесса образуются потоки водорода и относительно чистого диоксида углерода.

Настоящее изобретение связано с отверждением диоксида углерода, например диоксида углерода, содержащегося в упомянутых выше газовых потоках, в процессе описанной выше минеральной карбонизации. Хотя в настоящем изобретении выгодно использовать высококонцентрированные потоки диоксида углерода, не исключается и использование менее чистых потоков. В частности, присутствие воды в таких потоках не является обязательно неблагоприятным, поскольку в процессе используются водные суспензии, содержание воды в которых при необходимости можно легко регулировать. Кроме того ключевые аспекты настоящего изобретения могут быть применены к более медленным или менее интенсивным процессам секвестрации диоксида углерода. Они могут включать примеры секвестрации диоксида углерода из атмосферы.

В настоящем изобретении предлагаются значительные улучшения ранее существующих способов. В частности, в изобретении усовершенствован предшествующий способ, описанный в опубликованной заявителем его собственной международной патентной заявки WO 2008/061305. В этом изобретении описан интегрированный способ активации путем прямого сжигания топлива минерального сырья, состоящего из силикатов щелочных и щелочноземельных металлов, такого как серпентин, и необходимым образом интегрированные процессы с использованием растворителей для реакций карбонизации, которые требуются для надежной секвестрации ex-situ. Принимался также во внимание существующий уровень техники в WO 2008/061305, включенный в настоящее изобретение в качестве материала для ссылки на существующий уровень техники.

Настоящее изобретение делает взятый в целом процесс более экономически выгодным, чем предполагалось ранее, и более конкурентноспособным по сравнению с альтернативными способами секвестрации диоксида углерода. Способ таким образом предлагает более экономически выгодный путь превращения диоксида углерода в стабильный карбонат магния с целью уменьшения количества выбрасываемого в атмосферу диоксида углерода.

Соответственным образом, в настоящем изобретении предлагается способ отверждения диоксида углерода с помощью реакции диоксида углерода с минеральным магнийсиликат-гидроксидным сырьем, который (способ) включает в себя прямую термоактивацию магнийсиликат-гидроксидного сырья путем сжигания топлива, в результате чего образуется активированное сырье, отделение от активированного сырья оксидов металлов, по крайней мере в существенной степени исключающее отделение оксида магния и силиката магния, в результате чего получают остаточное активированное сырье, суспендирование (до или после стадии отделения) активированного сырья в растворителе с образованием суспензии и осуществление контактирования суспензии остаточного активированного сырья с диоксидом углерода, в результате чего последний превращается в карбонат магния.

Один из важных аспектов настоящего изобретения включает в себя отделение оксидов металлов, отличных от оксида магния и силиката магния, от активированного сырья после активации сырья прямым сжиганием топлива. Как сообщается в WO 2008/061305, активация осуществляется сжиганием топлива, в процессе которого выделяемое тепло непосредственно поступает к сырью. Такая прямая термоактивация минерального магнийсиликат-гидроксидного сырья приводит к образованию форстерита или силиката магния, оксида магния, оксида кремния и воды наряду с другими (обычно в малой пропорции) металлоксидными составляющими, изначально присутствующими в указанном минеральном сырье.

В настоящем изобретении было обнаружено, что перед реакцией с диоксидом углерода отделение оксидов металлов, отличных от оксида магния и силиката магния, можно выгодным образом проводить после стадии прямой термоактивации, в результате чего образуется поток остаточного активированного сырья, обогащенного оксидом магния и силикатом магния при сниженных количествах других оксидов металлов. Такое удаление других оксидов металлов значительно уменьшает последующие технологические требования. Оксиды металлов, которые могут удаляться в данном процессе, включают в себя оксиды одного или более из: железа, кремния, алюминия, марганца, хрома, никеля, титана, меди, калия, фосфора, кальция и натрия. Оксиды, обладающие низкой коммерческой ценностью, такие как оксиды кремния и алюминия, или те, которые содержатся в количестве, недостаточном для того, чтобы они представляли коммерческую ценность, такие как оксиды калия, фосфора и натрия, могут по этим причинам выводиться из процесса в виде отходов. В то же время содержащиеся в сырье оксиды металлов, которые имеют коммерческую ценность, могут извлекаться в качестве продукта из отделенного потока после прямой термоактивации. Такие минералы, как правило, включают в себя оксиды железа, хрома, никеля и марганца.

Таким образом, отделение оксидов кремния и других оксидов металлов после прямой термоактивации уменьшает последующие технологические требования к способу и расходы, в то время как извлечение ценных оксидов металлов создает дополнительную доходность. Таким образом весь процесс в целом становится более экономически конкурентоспособным по сравнению с другими направлениями секвестрации диоксида углерода.

Согласно настоящему изобретению, отделение оксидов металлов, по крайней мере в существенной степени исключающее отделение оксида магния и силиката магния, после прямой термоактивации может осуществляться с использованием различных способов разделения, таких как разделение по плотности, или гравитационное разделение, центробежное разделение, флотация, фильтрация, магнитное разделение, электростатическое разделение и сочетание одного или более из этих способов. Особенно выгодные для целей настоящего изобретения технологии разделения по плотности включают процессы, в которых используются спиральные сепараторы, аппараты принудительного осаждения, циклоны, гидроциклоны и их комбинации. Сочетания разделения по плотности и магнитного разделения могут быть особенно выгодными, например, в случае добычи и концентрирования, в частности, железной руды.

Специалистам несложно понять, что названные способы разделения обладают соответствующими им эффективностями разделения, что неизбежным образом приводит к несовершенному разделению и, следовательно, переносу некоторой части отделяемых компонентов в другой, уже отделенный поток. Например, некоторая доля отделяемых от потока остаточного активированного сырья оксидов металлов будет неизбежным образом перенесена в этот поток остаточного активированного сырья и наоборот. При этом некоторая часть оксида магния и/или силиката магния может также оказаться увлеченной в отделенные потоки оксидов металлов. Однако цель состоит в максимальном удержании как можно большей доли оксида магния и силиката магния в потоке остаточного активированного сырья. Таким образом, от остаточного активированного сырья после прямой термоактивации оксиды металлов отделяют, по крайней мере в существенной степени исключая отделение оксида магния и силиката магния. В соответствии с представлениями настоящего изобретения, выражение «по крайней мере в существенной степени исключая отделение оксида магния и силиката магния» обычно означает исключение по меньшей мере 50% от общего количества оксида магния и силиката магния, изначально содержавшихся в активированном сырье после прямой термоактивации. Таким образом, в потоке остаточного активированного сырья сохраняется по меньшей мере 50% оксида магния и силиката магния. Предпочтительно сохранение в потоке остаточного активированного сырья более высокой доли оксида магния и силиката магния, наиболее предпочтительно превышающей 75 вес.%.

Было установлено, что особенно выгодным является разделение по плотности, потому что оно позволяет отделять оксиды металлов, которые обычно обладают низкой экономической ценностью, в низкоплотный поток, отделяя в то же время оксиды металлов, обладающие высокой экономической ценностью, в высокоплотный поток. Остаточный активированный сырьевой поток, содержащий большую часть изначально присутствующих оксида магния и силиката магния, образует поток с промежуточной плотностью для последующего процесса превращения в карбонат магния.

Остаточное активированное сырье суспендируется в суспензии на основе растворителя и затем вводится в контакт с диоксидом углерода, в результате чего последний превращается в карбонат магния. Для значительного превращения диоксида углерода в карбонат магния предпочтительно, чтобы названное остаточное активированное сырье контактировало с диоксидом углерода в сверхкритическом, сжиженном или находящеся под высоким давлением состоянии. Выражение «высокое давление» в контексте настоящего раскрытия относится к давлениям выше 5 бар, предпочтительнее выше 50 бар.

Как правило, минеральное магнийсиликат-гидроксидное сырье содержит в основном (не менее 50 вес. %) серпентин или тальк.

Как правило, минеральное магнийсиликат-гидроксидное сырье подвергается после добычи измельчению с помощью дробления и/или размалывания. Как указывается в WO 2008/061305, измельчение до заданного конечного распределения размера частиц для реакции карбонизации может проводиться либо до либо после стадии прямой термоактивации. Заданное конечное распределение размера частиц для реакции карбонизации составляет примерно 75 µм или меньше. Хотя размол до этого размера может проводиться перед прямой термоактивацией, может оказаться целесообразным проводить перед прямой термоактивацией вначале более грубое измельчение до размера примерно 500 µм или меньше и после этого проводить дополнительное измельчение до указанного заданного конечного размера частиц для реакции карбонизации. Такой последующий размол выгодно проводить в виде влажного процесса размола, в котором активированное сырье смешано с суспензией в растворителе, перед стадией отделения оксидов металлов. Начальное более грубое измельчение перед стадией прямой термоактивации выгодно проводить в виде сухого процесса размола, что снизит тепловую нагрузку, необходимую на стадии прямой термоактивации.

Наиболее предпочтительный способ включает оптимальное использование подачи тепла на всех стадиях процесса. Рекуперируемое в операциях охлаждения тепло оптимально используется для подачи тепла или энергии туда, где в них имеется потребность. Например, предварительный нагрев минерального магнийсиликат-гидроксидного сырья может проводиться с использованием одного или более нагревательных аппаратов, утилизирующих тепло, рекуперированное в разных точках процесса. В число таких точек входят экзотермическая реакция карбонизации, которая обычно протекает в реакционных аппаратах, в которых поддерживается температура ниже 200°С, чаще ниже примерно 150°С; сжатие диоксида углерода; горячие дымовые газы из процесса прямой термоактивации, содержащие водяной пар, выделяющийся в результате дегидроксилирования; и активированное сырье после прямой термоактивации. Рекуперированное из этих точек тепло может быть использовано на других стадиях процесса, где требуется подача тепла, например,для названного выше предварительного нагрева минерального магнийсиликат-гидроксидного сырья и нагрева потока суспензии остаточного активированного сырья до температуры реакторного аппарата для карбонизации. Дополнительный нагрев можно также осуществлять за счет интеграции с технологически связанной установкой для сжигания, газификации, реформинга или выработки электроэнергии, выбросы диоксида углерода с которой являются объектом настоящего способа секвестрации. В частности, может использоваться любое низкосортное тепло, полученное с указанной технологически связанной установки, которое не может быть использовано для электрогенерирующих турбин или для других процессов на указанной технологически связанной установке. Предпочтительно использовать такое рекуперированное тепло для предварительного нагрева минерального магнийсиликат-гидроксидного сырья и/или воздуха для горения перед их поступлением в топливосжигающий нагревательный аппарат. В альтернативном случае энергия, рекуперированная из указанных выше операций охлаждения, может быть использована для приведения в действие насосов или компрессоров. В последнем случае водяной пар из любой из указанных операций может быть с особенной выгодой использован для приведения в действие насосов или компрессоров для сжатия диоксида углерода.

Так, в одном из вариантов осуществления изобретения минеральное магнийсиликат-гидроксидное сырье перед прямой термоактивацией с применением тепла, выделяющегося при сжигании топлива, предварительно нагревается с использованием тепла, выделяющегося при реакции диоксида углерода с активированным сырьем, и/или низкосортного или отбросного тепла, отводимого из технологически связанного процесса сжигания углеродистого или углеводородистого топлива, газификации, реформинга или генерирования электроэнергии, и/или тепла, отводимого при охлаждении продуктов из топливосжигающего нагревательного аппарата, и/или тепла от охлаждения диоксида углерода после сжатия.

В раскрытии WO 2008/061305 сообщается, что минеральное магнийсиликат-гидроксидное сырье, преимущественно подвергнутое предварительному нагреву, как это раскрыто в настоящем изобретении, окончательно нагревают в подходящем нагревательном аппарате с использованием тепла, выделяющегося при сжигании углеводородистого топлива, до температуры, по меньшей мере до температуры примерно 580°С, требуемой для его активации, например примерно от 580 до 1200°С, в частности примерно от 580 до 800°С. В этих условиях протекает процесс дегидроксилирования с выделением водяного пара. При этом гидроксид силиката магния превращается в силикат магния, или форстерит и высвобождается оксид кремния. Указанные температуры значительно ниже температур, обычно применяемых в операциях прокаливания, что делает использование нагревательного аппарата менее энергоемким и допускает использование для его изготовления менее дорогостоящих жаростойких материалов, что снижает расходы.

Сжигаемые топлива, используемые для подачи тепла в нагревательный аппарат, в котором происходит прямая термоактивация, могут быть выбраны из любых подходящих углеводородистых топлив. Для этой цели, как правило, пригодны топлива, используемые на технологически связанной установке для сжигания, газификации, реформинга или выработки электроэнергии. Как сообщается в WO 2008/061305, такими топливами могут быть уголь, нефть, природный газ, метан или алканы с более длинной цепью или их различные смеси. Как кроме того сообщается в WO 2008/061305, такое топливо может в основном или частично содержать углеводородистый материал, получаемый из возобновляемой биомассы. В число предпочтительных топлив входят природный газ и другие смеси алканов благодаря их большей эффективности. Сжигание такого топлива в процессе прямой термоактивации производит диоксид углерода дополнительно к тому, который является объектом процесса секвестрации настоящего изобретения. Таким образом, целесообразно на всем протяжении процесса сводить к минимуму такой дополнительный диоксид углерода. Этой минимизации способствуют такие топлива как природный газ, алканы или возобновляемая биомасса.

Как далее сообщается в WO 2008/061305, прямая термоактивация указанного минерального магнийсиликат-гидроксидного сырья может осуществляться в любом подходящем нагревательном аппарате. Как правило, этот аппарат представляет собой обжиговую печь, топочную камеру или подобную камеру сгорания или нагревательный аппарат. Сырье может либо вводиться в контакт с газообразными продуктами сгорания топлива либо оно может нагреваться изолированно от газообразных продуктов сгорания за счет радиации, теплопроводности или конвекции от камеры сгорания топлива. Не исключается и использование вспомогательного текучего теплоносителя между камерой сгорания и минеральным сырьем, хотя оно и менее эффективно. Использование для теплоподачи других средств типа электричества, например с помощью электропечи, не является прямой термоактивацией, а потому не целесообразно из-за избыточной потребности в энергии.

В тех случаях, когда минеральное магнийсиликат-гидроксидное сырье нагревается путем прямого контакта с газообразными продуктами сгорания топлива, предпочтительно использовать в камере сгорания обедненные кислородом горючие смеси. Для этой цели требуется содержание кислорода меньшее строго стехиометрической потребности для полного сгорания углеводородистого топлива. Это препятствует дальнейшему окислению оксидов железа, содержащихся в указанном сырье, и повышает коммерческую ценность оксидов железа, которые отделяются на последующей стадии.

Сырье, как правило, транспортируется в виде молотого твердого материала через ряд теплообменников, включая последний нагревательный аппарат, где температура сырья повышается до конечного значения температуры активации с помощью тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Как указано в WO 2008/061305, термоактивационный аппарат может иметь конструкцию вертикальной шахты, содержащей в себе одну или более по существу вертикальных камер, в которые сырье загружается и движется противотоком к газам, образующимся при сгорании топлива. В альтернативном случае твердое сырье может транспортироваться через ряд теплообменников, включая последний нагревательный аппарат, в текучих средах по трубам или емкостям, причем этими текучими средами могут быть либо газы либо жидкости.

Процессу активации сырья и возможному выделению свободных фаз оксида кремния способствует перемешивание минерального сырья в нагревательном аппарате, где происходит термоактивация, по причине чего его целесообразно использовать в нагревательном аппарате. Нагревательный аппарат может быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечивать условия турбулентности или диспергирования (разбиения) или истирания, способствующие существенному для активации дегидроксилированию сырья. В частности, нагревательный аппарат может быть сконструирован так, чтобы вращать и перемешивать сырье во время его нагрева с целью облегчения дегидроксилирования (активации). Такое перемешивание может осуществляться в барабанных печах, преимущественно в присутствии каких-либо дополнительных размалывающих и/или перемешивающих сред, таких как стальные шарики. Альтернативным образом, некоторого перемешивания можно достичь и с помощью противоточного газового потока в шахте, башенных печах или в печах с псевдоожиженным слоем и также преимущественно в присутствии каких-либо дополнительных размалывающих и/или перемешивающих сред.

Выделяющуюся при термоактивации воду дегидроксилирования выгодно собирать в следующем далее конденсаторе с целью ее использования в процессе в водной суспензии.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления сырье нагревается в ряду теплообменников, включая конечный нагревательный аппарат, в по существу сухом состоянии, благодаря чему сырье транспортируется через указанные теплообменники и нагревательные аппараты без добавления к этому сырью какой-либо жидкости, что снижает тепловые потребности в процессе нагрева. В этом случае использование сухих средств для транспортирования сырья через теплообменники и нагревательный аппарат включает в себя механическое перемещение или газообразную несущую среду.

Транспортировку минерального сырья через трубы или камеры теплообменников и нагревательного аппарата может в альтернативном случае обеспечить двухфазный поток, состоящий из текучей среды и твердого материала, первая из которых может содержать либо газы либо жидкости. В случае потока газ/твердый материал несущий газ обеспечивает перемешивание и эффективный перенос тепла, который может быть усилен высокими скоростями потока газа при такой транспортировке минерального сырья через теплообменники и нагревательный аппарат.

Альтернативным образом, минеральное сырье может транспортироваться через теплообменники и нагревательные аппараты в виде суспензии в жидком носителе. В таких случаях предпочтительно, чтобы отношение жидкостей к твердым материалам на стадии прямой термоактивации поддерживалось на низком уровне, обычно ниже уровня, используемого на последней стадии карбонизации, что уменьшит потребность в тепловой энергии при повышении температуры суспензии сырья до заданного значения температуры активации, равного по меньшей мере примерно 580°С, например примерно от 580 до 1200°С, в частности примерно от 580 до 800°С. В этих условиях такие жидкости обычно оказываются перегретыми. Присутствие такого жидкого носителя может облегчать дегидроксилирование минерального магнийсиликат-гидроксидного сырья и высвобождение оксида кремния благодаря эффективному теплопереносу, турбулентному потоку и некоторому растворению магния, а также благодаря облегчению разрывов в слоях оксида кремния. В вариантах осуществления транспортирования сырья с помощью текучих носителей, которые содержат либо газы либо жидкости, подаваемая в нагревательный аппарат тепловая энергия может быть уменьшена с помощью рециркуляции несущей текучей среды через указанный нагревательный аппарат. Твердое минеральное сырье может быть в значительной степени отделено от несущей текучей среды после выхода из нагревательного аппарата, вслед за чем указанная несущая текучая среда может направляться на рециркуляцию с целью переноса дополнительного минерального сырья через нагревательный аппарат, благодаря чему сохранится большая часть тепловой энергии нагретой текучей среды. Значительного разделения твердого материала и текучей среды можно достичь с помощью хорошо известных технологических способов, таких как разделение по плотности, центробежное разделение или фильтрация.

В тех случаях, когда начальное измельчение является относительно грубым, с целью уменьшения размер частиц до 75 µм или меньше после стадии прямой термоактивации может проводиться вторая (необязательная) стадия тонкого размола. Тонкий размол может осуществляться либо влажным либо сухим способом. В случае влажного размола, чтобы обеспечить его эффективность, его следует проводить с добавлением водных сред в количествах, не превышающих те, которые являются достаточными.

Отделение оксида кремния и/или других ценных минералов производится перед реакцией карбонизации. Это отделение может осуществляться с помощью различных средств, известных в промышленности переработки минералов, включая разделение по плотности, или гравитационное разделение, центробежное разделение или фильтрацию, флотацию, магнитное или электростатическое разделение, или их сочетания. Особенно подходящим способом является разделение по плотности. Разделение по плотности может производиться с использованием известных специалистам технологий, таких как аппараты принудительного осаждения, циклоны, гидроциклоны, спиральные сепараторы, кондукторы и т.п. Для эффективной работы этих устройств может добавляться вода. Свободный оксид кремния и другие малоценные оксиды металлов отводятся в виде низкоплотной фракции, а оксиды железа и другие ценные оксиды металлов должны отводиться в виде высокоплотных фракций. Дополнительное обогащение оксидов железа может быть достигнуто с помощью магнитного или электростатического разделения. В тех случаях, когда в указанных операциях добавляется вода, ее можно забирать из отделенных потоков оксидов металлов для повторного использования в процессе. Остаточное активированное сырье, составляющее основную фракцию с промежуточной плотностью, обладает таким образом более высоким содержанием магния, что делает его более эффективным для последующей реакции карбонизации.

Остаточное активированное и тонкоразмолотое сырье после этого суспендируется в растворе суспензии, которая используется в реакции карбонизации. Растворителями обычно служат слабокислые водные или смешанные водные, и/или соляные, или какие-либо другие смешивающиеся с диоксидом углерода растворители. Растворителями могут быть выбраны любые из: воды; слабых кислот, таких как кислоты, известные в существующем уровне техники, например уксусная кислота, щавелевая кислота, аскорбиновая кислота, фталевая кислота, ортофосфорная кислота, лимонная кислота, муравьиная кислота или соли этих слабых кислот; солевые растворы, водные солевые растворы и растворы бикарбоната натрия, растворы бикарбоната калия, смешанные водно-спиртовые растворы, такие как водно-этанольные или водно-метанольные растворы, смешанные водно-гликолевые растворы, смешанные водно-глицериновые растворы, или любые их комбинации. Предпочтительно использование системы водного раствора, содержащей водный солевой раствор с бикарбонатом натрия. Другие подходящие растворы, о которых сообщалось работниками в данной отрасли, включают в себя водные солевые растворы бикарбоната калия.

Далее, суспендированное в растворителе указанное выше остаточное активированное сырье вводится в контакт с диоксидом углерода, в результате чего образуется карбонат магния. Для достижения высокой степени превращения диоксида углерода в карбонаты предпочтительно, чтобы суспендированное в растворителях остаточное активированное сырье вступало в контакт со сверхкритическим, сжиженным или находящимся под высоким давлением газообразным диоксидом углерода в сильно турбулентных или быстро диспергирующих или измельчающих (истирающих) реакционных аппаратах. В этих реакционных аппаратах предпочтительны давления в пределах 10-250 бар, более предпочтительны 50-160 бар, и температуры в пределах 10-250°С и, более предпочтительно, в пределах 10-175°С.

Подходящими реакционными аппаратами могут быть аппараты высокого давления с перемешиванием, реакторы-трубопроводы и т.п. или, более предпочтительно, высокоскоростные реакционные аппараты, обеспечивающие турбулентность, быстрое перемешивание и измельчение или истирание указанного активированного сырья. Особенно выгодно использование реакторов с псевдоожиженным слоем.

Превращение сырья в карбонат магния в реакторе, в котором остаточное активированное сырье реагирует с диоксидом углерода под давлением, усовершенствовано путем использования циркуляции рециркуляционного потока, который циркулирует и возвращает непрореагировавшее сырье, растворитель и другие реагенты в аппарат для реакции карбонизации. Для этого рециркуляционного потока целесообразно проведение дополнительной стадии разделения с целью удаления продуктов реакции оксида кремния и карбоната магния из реакции карбонизации, в процессе которой происходит превращение форстерита или силиката магния в карбонат магния и оксид кремния. По этой причине рециркуляционный поток включает дополнительную стадию разделения, на которой происходит значительное отделение оксида кремния и карбоната магния от по существу непрореагировавшего сырья с целью возвращения этого по существу непрореагировавшего сырья в реактор.

Как и в процессе разделения после прямой термоактивации, для проведения отделения от рециркуляционного потока также могут быть с успехом использованы различные способы разделения, такие как гравитационное разделение или разделение по плотности. Оксид кремния и полностью прореагировавший карбонат магния могут отводиться в виде низкоплотной фракции, в то время как оставшийся непрореагировавший силикат магния, образующий фракцию с большей плотностью, может быть в значительной степени возвращен в реактор карбонизации. Отведенные оксид кремния и карбонат магния обезвоживают, и твердые остатки карбоната и кремнезема удаляют для конечного захоронения, обычно обратно в серпентиновую шахту или карьер. Регенерированные растворители и непрореагировавшее сырье возвращаются в реактор. Часть кремнезема и карбонатов магния могут быть необходимым образом дополнительно переработаны с целью получения дополнительного продукта для продажи.

Специалистам следует иметь в виду, что использование указанных выше технологических устройств, таких как упоминаемые в настоящем описании обжиговые печи, топочные камеры или другие нагревательные аппараты, процессы измельчения, процессы разделения и реакционные аппараты не ограничивается каким-либо определенным числом таких аппаратов. Чтобы обеспечить необходимую производительность той или иной установки минеральной карбонизации, может быть использовано множество таких устройств, расположенных либо последовательно либо параллельно. Например, чтобы превратить в твердое состояние и секвестрировать приблизительно 15 млн тонн диоксида углерода, ежегодно производимого работающей на угле гигаваттной электростанцией, потребуется ежегодно перерабатывать приблизительно 40 млн серпентинового минерала. Для этого потребуется установка, перерабатывающая более 100 килотонн серпентина ежедневно или более 4500 тонн ежечасно. Для обеспечения такой производительности потребуется множество больших параллельно работающих перерабатывающих установок.

Другой областью применения настоящего изобретения может быть секвестрация диоксида углерода, получаемого из разбавленных потоков или непосредственно из атмосферы с целью снижения концентрации диоксида углерода в атмосфере и ослабления эффектов глобального потепления и изменения климата. Для специалистов должно быть очевидным, что процессы, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть адаптированы и использованы для такого рода поглощения и отверждения диоксида углерода из атмосферы. В таких процессах могут быть использованы раскрытые в настоящей заявке ключевые аспекты и связанные с ними технологические улучшения и применения. В частности, для улавливания диоксида углерода из атмосферы могут быть использованы раскрытые в настоящей заявке процессы прямой термоактивации путем сжигания топлива с последующим отделением оксидов металлов, а также описанные в заявке процессы с использованием растворителей, а также различные другие описанные в заявке технологические улучшения и применения. Как описано в настоящей заявке, отделяемые от активированного сырья оксиды металлов, в существенной степени не содержащие оксид магния и силикат магния, могут быть либо возвращены