橄榄石碳酸

矿物碳酸化作用

7.2.1定义系统边界和动力

矿物碳化是基于二氧化碳的反应与金属氧化物轴承材料形成不溶性碳酸盐,钙和镁是最具吸引力的金属。在自然界中这样的反应硅酸盐风化和发生在地质时间尺度。它包括天然硅酸盐碱和碱土金属的来源和消耗大气中的二氧化碳。本章交易,然而,所谓的矿物碳酸化作用,高浓度CO2捕获步骤(见第三章)是接触到金属氧化物轴承材料固定二氧化碳的目的为碳酸盐(Seifritz, 1990;Dunsmore, 1992;Lackner et al ., 1995)。合适的材料可能是丰富的硅酸盐岩石、蛇、橄榄石例如,矿物质或小规模的碱性工业残留物,如从钢铁生产矿渣或粉煤灰。在硅酸盐岩石的情况下,可进行碳化让其它在采矿和初加工后化学加工厂硅酸盐,在富含硅酸盐或现场,通过注入二氧化碳地质结构或碱性含水层。工业废渣和另一方面可以碳酸在同一工厂生产。值得注意的是,现场的产品矿物碳化和地质存储可能是类似的分数的地质储存二氧化碳注入反应的碱或碱土金属盖岩导致矿物捕获(见5.2.2章)。

物质和能量平衡,矿物碳化可以图示如图7.1所示,它适用于电厂通过矿物碳化与二氧化碳捕获和随后的储存。对相同的方案发电厂捕获和地质或海洋存储(参见图1.4)可以观察到两个不同之处。首先,有一个额外的物质通量对应金属氧化物轴承材料;这也作为输入和输出,碳酸盐的形式,二氧化硅,non-reacted矿物质和一些输入矿物质产品水。其次,同样的可用能量输出,相对数量的bet雷竞技 能源作为输入,并拒绝低品位热量是不同的。原位碳化是一个操作类似于地质存储,而让其它碳化涉及处理步骤需要额外的能量输入与释放的能量难以弥补的碳化反应。鉴于原位碳化的相似之处与地质存储,本章重点是让其它矿物碳化。与目前的技术总有净需求的优质能源来驱动所需的矿物碳化过程:(i)的制备固体反应物,包括采矿、运输、研磨和激活在必要时;(2)处理,包括相关的等效能量使用,回收和可能的损失的添加剂和催化剂;(3)碳酸盐和副产品的处理。三个项目的相对重要性取决于金属氧化物的来源不同,例如是否天然硅酸盐或工业废物。

尽管如此势能点球,矿物碳化的兴趣源于两个特性,使其独特的在不同的存储方法,即金属氧化物轴承材料的丰富,尤其是天然硅酸盐和的持久性存储二氧化碳的固体形态稳定。然而,

化石燃料

其他材料

二氧化碳存储(碳酸盐)

二氧化碳排放

其他排放和废水

产品(年代)

图7.1物质和能量平衡通过系统边界的发电厂二氧化碳捕获和存储通过矿物碳化。化石燃料的输入提供能量产生二氧化碳的发电厂和矿化过程(无论是直接或间接通过电厂)。其他材料的输入符合系统边界内的所有流程,包括金属氧化物矿化的轴承材料。其他排放物的输出是由矿化反应的副产品-硅和可能的水以及non-reacted输入材料。

图7.2物质通量和流程步骤让其它矿物碳酸硅酸盐岩石或工业废渣(由荷兰能源研究中心(ECN))。

矿物碳化今天仍然是一个未成熟的技术。研究报告在文献中还没有达到一个水平,一个彻底的评估技术,潜力,成本和影响是可能的。

7.2.2化学矿物碳化

当二氧化碳与金属氧化物反应(表示在这里莫,M是一个二价金属,如钙、镁、铁)形成相应的碳酸盐和热释放根据以下化学反应:

橄榄石:

二氧化碳Mg2SiO4 + 2 ^ 2氧化物+二氧化矽

蛇:

Mg3Si2O5二氧化碳(哦)4 + 3 ^ 3氧化物+ 2二氧化硅+ 2 h2o

的热量取决于特定的金属和包含金属氧化物材料。总的来说这是一个大部分(46%的氧化钙)释放热量由上游燃烧过程形成二氧化碳(393.8 kJ mol-1CO2元素碳的燃烧)。对于一些天然硅酸盐以下放热化学反应发生(在所有情况下单位摩尔的二氧化碳和热量值给出标准条件25°C和0.1 MPa, Robie et al . 1978年):

硅灰石:

CaSiO3 +二氧化碳^碳酸钙+二氧化硅+ 90 kJ mol-1CO2 (2 c)

自反应释放热量,碳酸盐的形成是低温热力学青睐,而在高温下(900°C以上碳酸钙和碳酸镁300°C以上,在一个酒吧的二氧化碳分压)相反的反应,煅烧,是青睐。代表橄榄石家族的成员考虑上面的第一反应是镁橄榄石,这是免烫。在自然界中大多数橄榄石含有一些铁能够形成铁氧化物或菱铁矿(FeCO3)。

即使在低的大气中的二氧化碳分压和在环境温度、碳化的金属氧化物矿物自发发生,尽管在地质时间尺度(Robie et al ., 1978;Lasaga和伯纳,1998)。限制来自二氧化硅或碳酸盐岩层的形成在矿物表面碳化过程中,往往会阻碍进一步反应和限制转换(对接et al ., 1996)和二氧化碳吸收的速度从气态水的反应。矿物碳化所面临的挑战是找到方法来加速碳化和利用反应热的环境约束,例如用最小的能量和物质损失。

7.2.3金属氧化物的来源

大多数过程考虑矿物碳化专注于金属氧化物轴承材料含有碱土金属(如钙、镁)与碱金属(钠和钾等),其相应的碳酸盐很溶于水。钙和镁的氧化物和氢氧化物是理想的材料,但由于他们的反应也极为罕见。因此,合适的金属氧化物轴承矿物可能是硅酸盐岩石或碱性工业残留物,前者丰富但通常很难获得,后者稀少但容易。

硅酸盐岩石、镁铁质、超镁铁的岩石岩石含有大量的镁,钙和铁,钠和钾的含量低。他们的一些主要矿物成分有橄榄石、蛇纹石、顽辉石(MgSiO3)、滑石(Mg3Si4O10 (OH) 2)和硅灰石。尽管丰富的镁和钙硅酸盐摩尔于地壳相似,含镁硅酸盐岩石表现出更高的分别以浓度(重量的50%,相应的理论二氧化碳0.55公斤二氧化碳/公斤岩石)的存储容量,比包含钙硅酸盐岩石,例如玄武岩,只有曹内容按重量约10%(理论二氧化碳存储容量为0.08千克二氧化碳/公斤岩石)(高夫Lackner, 1998)。硅灰石的存款,最富钙硅酸盐,比富镁硅酸盐的更是少之又少。

蛇纹石、橄榄石主要发现蛇绿岩腰带——地质区域碰撞大陆板块导致一个令人振奋的地壳(科尔曼1977)。例如,考虑超镁铁的存款包含蛇纹石和橄榄石在美国东部和波多黎各,发现他们有RCO2值在1.97和2.51之间,根据纯度和类型(RCO2是矿物的质量比需要二氧化碳固定的质量当假设完成转换的矿物碳化,这是上面介绍的理论二氧化碳存储容量的倒数)。橄榄岩和蛇纹岩超过总Mg要求抵消二氧化碳来自世界各地所有的煤炭资源估计为10000 Gt (Lackner et al ., 1995)。具体矿床中确定两项研究在美国和波多黎各增加大约300 gtc02(高夫Lackner, 1998;高夫等,2000)。这应该是比二氧化碳排放量约为5.5 GtC02在美国和全世界24 GtC02 /一年级。没有全面的全球存储映射可能在蛇绿岩带已经被报道。然而,他们的总表面暴露估计的1000公里100公里(戈夫等,2000)。众所周知,硅酸镁储量存在在所有大洲,但由于他们倾向于遵循现在或古代大陆边界,他们并非在所有国家都存在。雷竞技手机版app其使用的可行性让其它或现场矿物碳化尚未建立(Brownlow, 1979;Newall等,2000)。

在小规模、工业废物和矿山尾矿提供现成的碱度和活性。尽管他们总金额太小,大幅降低二氧化碳的排放量,他们可以帮助引进技术。废物流的钙硅酸盐材料已经考虑矿物碳化包括来自燃煤电厂的粉煤灰(氧化钙含量按重量高达65%),底灰由曹重量(大约20%)和粉煤灰从市政曹重量(大约35%)固体废物焚化炉,de-inking火山灰废纸回收曹重量(大约35%),不锈钢钢渣由曹,分别以重量(大约65%)和浪费水泥(Johnson, 2000;费尔南德斯叫et al ., 2004;Iizuka et al ., 2004)。

7.2.4处理

7.2.4.1矿业和矿山复垦

矿业蛇形不会显著区别传统矿业具有类似性质的其他矿物质,例如铜矿石。蛇纹石、橄榄石都已经开采,尽管很少在规模的设想(高夫Lackner, 1998;高夫et al ., 2000)。像在其他采矿作业,处置尾矿和矿山复垦是需要考虑的重要问题。尾矿处理取决于材料特性,粒子大小和凝聚力,水分含量和化学稳定性与自然浸出过程,这些反过来依赖于特定的过程。碳化植物很可能将附近的金属氧化物轴承材料,工厂生产残留物治疗或硅酸盐,避免运输的固体材料(见图7.2)。

规模经济适用于今天的采矿技术建议最低采矿工作50000到100000吨的普通人(哈特曼,1992),转化为一个最小可开采的体积约0.3立方千米的30年的我的生活。这是蛇绿岩矿体的规模很小,通常公里宽,数百米厚(高夫Lackner, 1998;高夫等,2000;Newall等,2000)。以来煤炭、蛇绿岩的身体相比,发生在薄煤层埋在大量表土,它一直认为,一个典型的煤矿地面必须更多的物质(Lackner et al ., 1995)和干扰更大区域(Ziock和Lackner, 2000)相同数量的碳原子比等效蛇绿岩矿处理,假设的最大转换矿物碳酸盐(一个碳原子产生一个二氧化碳分子在燃烧时,必须固定在一个分子的碳酸盐)。

蛇可以采取许多不同的形式,从装饰石头温石棉(O 'Hanley, 1996)。接触石棉的可能性需要足够的预防措施。据报道,与当前的最佳实践,将不会是一个障碍

(Newall et al ., 2000)。此外,由于蛇纹石石棉的形式是最活泼,反应产品预计将石棉免费(奥康纳et al ., 2000)。矿物碳化可以纠正大型天然石棉危害发生在某些领域,例如在加州(尼克尔斯,2000)。

7.2.4.2矿石预处理

矿石预处理,不含化学处理步骤,包括破碎、磨铣,以及一些机械分离,例如磁提取磁铁矿(Fe3O4)。

7.2.4.3二氧化碳预处理

矿物碳化需要很少的二氧化碳预处理。如果二氧化碳管线式处理网站,限制管道操作可能超过预处理需要矿物碳化。当前的研究表明,应使用二氧化碳压力与管道压力,因此需要很少或根本没有压缩(Lackner, 2002;奥康纳et al ., 2002)。纯度要求碳化是最小的;酸性烟气的组件可以通过相同的过程,因为他们也会中和的基础和可能以类似的方式处理。通常大多数碳化过程将预热二氧化碳,100°C和150°C之间水过程,而在气固反应温度可能达到300°C到500°C(对接et al ., 1996)。

7.2.4.4碳化反应工程

最简单的矿物碳化方法将CO2气体的反应微粒金属氧化物轴承材料在合适的温度和压力水平。不幸的是,这种直接的气固反应太慢是实用的材料中提到的部分7.2.3 (Newall et al ., 2000)和精制只在合理可行的压力,罕见的材料如钙和镁的氧化物或氢氧化物(臀部和Lackner, 1997;Bearat et al ., 2002;Zevenhoven Kavaliauskaite, 2004)。因此,矿物碳化没有精炼材料不能直接从烟道气体捕获二氧化碳,但可能在加压的情况下从IGCC电站丰富二氧化碳气体。

因为二氧化碳的直接固定在固体未经提炼的物质粒子目前似乎不可行,另一种需要从固体金属的提取。这可以通过悬浮固体物质在水溶液中,通过让它溶解并释放金属离子,例如钙或镁离子。这些离子接触碳酸(H2CO3)形成在二氧化碳溶解在相同的解决方案。条件,可以实现,碳酸盐和副产品——例如硅硅酸盐的碳化-沉淀。这涉及到适当的选择操作参数的单步或多步骤的过程,特别是温度、浓度的添加剂和二氧化碳压力(控制碳酸浓度的解决方案)。最后操作的悬浮微粒的碳酸盐岩,副产品和non-reacted固体材料仍然存在。这些必须被过滤和干燥残余金属离子的溶液和添加剂定量恢复。

这湿工艺方案目前还处于研究阶段,必须克服三大障碍成为具有成本效益和碳储存被视为一个可行的选择:(i)加速整个过程的速率,这可能是金属氧化物的溶解速率限制轴承材料;(2)消除伴随金属氧化物溶解和之间的干扰碳酸盐沉淀;(3)所有涉及的化学物种的完全恢复,如果使用添加剂。

从自然硅酸盐矿物碳化开始是一个缓慢的过程,可以活动增强通过提高温度,尽管热力学是一个限制因素。在水系统中,这通常是低于200°C,因为高温有利于CO2气体/沉淀碳酸盐。相信金属氧化物溶解构成了病原反应步骤和大多数的研究工作一直致力于寻找加快金属提取从坚实的输入材料。这可以通过激活实现矿产更不稳定和反应性的,或者通过提高金属氧化物提取溶液中的添加剂或催化剂的存在。激活可以采取不同的形式,即蛇形热处理在650°C(巴恩斯et al ., 1950;德拉古列斯库et al ., 1972;奥康纳et al ., 2000)和超细磨(摩擦)橄榄石和硅灰石(奥康纳et al ., 2002;金姆和钟,2002)。激活的能源成本估计为300千瓦时的矿产和70 - 150 t - 1千瓦时t - 1热力和机械活化的矿物,分别(奥康纳et al ., 2005)。这种预处理后碳化已成功执行,但它是如此昂贵,能源密集型的可行性值得怀疑(见7.1和<奥康纳et al ., 2005)。 Dissolution catalysts that can be added to the aqueous solution include strong and weak acids (Pundsack, 1967; Lackner et al., 1995; Fouda et al., 1996; Park et al., 2003; Maroto-Valer et al., 2005), bases (Blencoe et al., 2003) and chelating agents to extract SiO2 or MgO groups from the mineral (Park et al., 2003). All three approaches have been studied and at least partially experimentally tested, but in all cases catalyst recovery represents the key hurdle. It is worth noting that the carbonation of metal oxides from industrial wastes can be faster than that of natural silicates (Johnson, 2000; Fernández Bertos et al., 2004; Huijgen et al., 2004; Iizuka et al., 2004; Stolaroff et al., 2005).

盐酸(HCl)解散蛇形或橄榄石提出了第一个(休斯顿,1945;巴恩斯et al ., 1950;比et al ., 1998)。这个过程需要许多步骤沉淀氢氧化镁(Mg (OH) 2),可以直接与气态二氧化碳反应,恢复盐酸。放热和吸热步骤交替和热回收并不总是可能的,从而使整个过程非常能源密集型和不可行(比et al ., 1998;Newall et al ., 2000;Lackner, 2002)。同样,强碱性的解决方案(氢氧化钠)将溶解的硅镁

箱7.1湿矿物碳化过程。

一个全面的能源和经济评价的单步湿碳化过程已经报道(奥康纳et al ., 2005)。虽然局限于特定的碳化过程如图7.3所示,本研究是基于对600个实验测试,看上去不仅在过程的根本和技术方面,而且在匹配的二氧化碳来源和潜在的下沉,在这种情况下是天然硅酸盐存款。特别是,七大超镁铁的矿石在美国被认为是(两个橄榄石,四个著(三利蛇纹石和叶蛇纹石)和一个硅灰石)。三是位于西海岸,在东海岸,一个在德克萨斯州。七矿石的选择也是基于考虑区域煤炭消费和潜在的二氧化碳的可用性。

三种不同的矿物质表现出不同的反应,测量的程度在指定的操作条件下碳化反应一小时后。之间的权衡一直观察到反应的程度和矿物质的预处理,从而获得更高的反应更强烈的预处理,代表一个能源成本。机械活化是有效的橄榄石和硅灰石和涉及使用传统的杆和球磨技术ios版雷竞技下载 高达约100千瓦时t1矿物(标准预处理)和超细研磨超过200千瓦时t1矿产(激活过程)。转换是在前一种情况中不超过60%,高达80%以上的后者。的蛇形,铣(标准预处理)后,热激活在630°C是有效的叶蛇纹石(高达92%的转换),但只是部分的利蛇纹石(最大转换不大于40%),需要约350千瓦时的能源消耗t1矿物。最佳操作条件这个湿过程依赖于矿物,并对应于橄榄石185°C和15 MPa, 155°C和11.5 MPa热处理蛇形,和100°C和4 MPa的硅灰石。在前两个情况下,碳化反应发生在0.64摩尔L1碳酸氢钠和1摩尔L1氯化钠。

表7.1矿物碳化存储二氧化碳的成本。
矿石	转换后1小时	成本	能量输入”	成本
(类型的预处理)	(%)	(美元/ t矿)	(千瓦时/ tCO2存储)	(美元/ tCO2存储)
橄榄石(标准)

继续阅读:液化天然气协议Macrogas

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