用于增强风化和煅烧以从空气中去除CO2的系统和方法

用于增强风化和煅烧以从空气中去除co2的系统和方法
1.相关申请的交叉参考
2.本技术要求2019年6月24日提交的第62/865,708号和2020年6月23日提交的第63/041,873号美国临时申请的权益，其通过引用全文纳入以等同于公开于本文。


背景技术：

3.co2的大气浓度以体积计已达到百万分之410(ppm)，在过去10年中增加了近20ppm。由于目前的排放水平超过350亿吨co2/年，因此必须开发和战略性地部署多种co2减缓技术组合，以避免到2100年地球温度升高2℃。由于全球对化石燃料的依赖，该组合必须包括可以消除大气中当前和未来co2排放的技术，其中一些包括加速自然过程，例如海洋和陆地生物圈(土壤、森林、矿物)的co2吸收、生物能源与碳捕获和储存(beccs)以及使用化学品的合成方法，也称为直接空气捕获与储存(dacs)技术。在部署这些技术之前，重要的是要了解成本和潜在的环境影响。
4.二氧化碳加剧全球变暖是有据可查的。最近，已经开发了碳捕获方法用于释放点碳捕获，例如在烟囱处。以前的方法涉及从烟囱或反应器中的烟道气和其他浓缩源捕获co2，时间尺度为几分钟到几天。现有系统还常常依赖于更快的反应时间和更高的能源投资，例如施加高热和/或高压。这些解决方案通常很昂贵，乐观的最低成本预测为100美元/吨产生的co2，并且偶尔使用可能难以生产的设计材料。
5.如上所述，政府间气候变化专门委员会和其他权威组织已经确定，必须从空气中去除co2(cdr)，以将全球变暖控制在低于2℃。cdr远比从烟气中捕获co2困难得多。目前的技术涉及“直接空气捕获”机器(dac)，其以600美元/吨co2的成本从空气中去除co2。
6.增强风化首先由沃尔特
·
塞弗里茨(walter seifritz)在1990年提出，并且基于自然风化过程。在自然风化中，含碱度矿物以地质时间尺度(数百万年)被碳化。广义的自然风化反应描述如下：
7.meo co2→
meco3 能量
8.其中me表示二价金属阳离子。典型的阳离子包括镁(mg
2
)和钙(ca
2
)，其中合适的原料包括矿物，例如橄榄石和蛇纹石，以及工业副产品，例如尾矿和飞灰。由于自然风化反应发生在地质时间尺度上，许多研究人员已经探索了各种工艺条件、预处理方法、提取机制和优化策略，以加快工艺动力学作为co2隔离的一种形式。
9.除了自然风化，煅烧是碳酸盐被加热分解成金属氧化物和co2的过程。广义的煅烧反应如下所示：
10.meco3 能量
→
meo co211.在先前的文献中已经讨论了提出使用碳酸化反应去除co2的类似系统。美国物理学会在2011年的一项研究中评估了一个系统，其中co2被氢氧化钠(naoh)吸收，并且随后与氢氧化钙(ca(oh)2)反应生成固体碳酸钙(caco3)。然后caco3在氧燃烧煅烧炉中煅烧以释放co2。其他提出的解决方案包括连续循环过程，包括与钙苛性碱回收回路耦合的含水氢氧化钾(koh)吸附剂。koh吸附剂与空气中的co2反应生成碳酸钾(k2co3)。然后，k2co3与由caco3产
生的ca(oh)2反应，生成koh和caco3。这些类型的水性钙循环系统主要在水性条件下(以ca(oh)2的形式)使用钙基吸附剂进行了评估。此外，提议的海洋石灰化工艺将石灰(由煅烧的碳酸盐矿物产生)沉积到海洋中，以与目前海洋中的碳酸反应。这个工艺增加了海洋的ph值并导致更多的co2溶解到海洋水中，降低大气中co2的浓度。利用矿物碳酸化反应的其他系统已将各种形式的碳矿化视为从更集中的点源(例如发电厂)捕获co2的方法。


技术实现要素：

12.本公开的一些实施方式涉及利用碱度从大气中隔离二氧化碳(co2)的系统，包括：至少一个碳酸化地块，其包括包含一种或多种金属氧化物的组合物，所述至少一个碳酸化地块配置成使所述组合物暴露于环境风化；包括原料的原料源，其中所述一种或多种金属氧化物的至少一部分衍生自所述原料；与所述原料源连通的预处理系统，所述预处理系统配置为将所述原料减小到所需的粒度；煅烧炉，其配置为将所述原料、组合物或它们的组合加热至预定温度；以及组合物再循环系统，其用于将组合物输送至所述煅烧炉并将经煅烧的组合物返回至至少一个碳酸化地块。
13.在一些实施方式中，上述系统被配置为保持组合物暴露于环境风化1年。在一些实施方式中，上述系统包括多于约5个碳酸化地块。在一些实施方式中，上述系统包括多于约3500个碳酸化地块。在一些实施方式中，上述至少一个碳酸化地块包括大于约20000吨可用于环境风化的金属氧化物。在一些实施方式中，组合物的平均粒度为约20μm。在一些实施方式中，上述组合物作为层包括在上述碳酸化地块中，其中上述层具有约0.1m的厚度。在一些实施方式中，原料包括菱镁矿、橄榄岩、蛇纹岩、橄榄石、蛇纹石、水镁石、碳酸钠、邓尼岩、方解石、白云石、硅灰石、辉石或其组合。
14.本公开的一些实施方式涉及一种利用碱度从大气中隔离二氧化碳(co2)的方法，包括：提供包含一种或多种金属氧化物的组合物；将所述组合物散布到多个碳酸化地块，所述地块配置成使所述组合物暴露于环境风化；通过所述一种或多种金属氧化物捕获大气中的co2以生成环境风化的组合物；煅烧所述环境风化的组合物以产生经煅烧的组合物和co2流；以及将所述经煅烧的组合物散布到所述多个碳酸化地块中。在一些实施方式中，上述方法包括在多个碳酸化地块中搅拌上述组合物。
15.在一些实施方式中，上述组合物至少部分由经加工的原料组成，其中上述原料包括菱镁矿、橄榄岩、蛇纹岩、橄榄石、蛇纹石、水镁石、碳酸钠、邓尼岩、方解石、白云石、硅灰石、辉石或其组合。在一些实施方式中，上述一种或多种金属氧化物包括mgo、cao、na2o或其组合。在一些实施方式中，上述多个碳酸化地块包括多于约5个碳酸化地块。在一些实施方式中，上述多个碳酸化地块包含大于约20000吨的可用于环境风化的金属氧化物。在一些实施方式中，上述组合物作为层分布在上述多个碳酸化地块中，其中上述层具有约0.1m的厚度。
16.在一些实施方式中，通过一种或多种金属氧化物捕获大气中的co2以生成环境风化的组合物包括在暴露于大气中约1年后，将该组合物作为环境风化的组合物重新收集。
17.在一些实施方式中，提供组合物包括将原料研磨至约20μm的平均粒度。在一些实施方式中，提供组合物包括煅烧原料以产生额外的co2流和包含一种或多种金属氧化物的经煅烧的原料。
18.在一些实施方案中，煅烧环境风化的组合物以产生经煅烧的组合物和co2流包括：将环境风化的组合物煅烧约30分钟至约2小时的持续时间。在一些实施方案中，煅烧所述环境风化的组合物以产生经煅烧的组合物和co2流包括：在约500℃和约1200℃之间的温度下煅烧所述环境风化的组合物。
19.本公开的一些实施方式涉及一种利用碱度从大气中隔离二氧化碳(co2)的方法，包括：提供原料源；处理所述原料以使原料中的金属氧化物最大化，并使原料与大气中co2的反应速率最大化；将经处理的原料提供给配置成将经处理的原料暴露于环境风化的碳酸化地块网；搅拌所述碳酸化地块的内容物；通过一种或多种金属氧化物捕获大气中的co2约1年，以生成环境风化的组合物；在约500℃至约1200℃之间的温度下煅烧所述环境风化的组合物以产生co2流并再生金属氧化物作为经煅烧的组合物；以及将所述经煅烧的组合物散布到所述多个碳酸化地块中。在一些实施方式中，上述原料包括菱镁矿、橄榄岩、蛇纹岩、橄榄石、蛇纹石、水镁石、碳酸钠、邓尼岩、方解石、白云石、硅灰石、辉石或其组合，并且所述一种或多种金属氧化物包括mgo、cao、na2o或其组合。
20.附图简要说明
21.出于阐述本发明的目的，附图示出了所公开主题的实施方式。然而，应理解的是本技术不局限于附图所示的具体设置和构架，其中：
22.图1是根据本公开的一些实施方式的利用碱度隔离二氧化碳的系统的示意图；
23.图2是根据本公开的一些实施方式的利用碱度隔离二氧化碳的系统的示意图；
24.图3是根据本公开的一些实施方式的利用碱度从大气中隔离二氧化碳的方法的图；以及
25.图4是根据本公开的一些实施方式的利用碱度从大气中隔离二氧化碳的方法的图。
26.说明书
27.现在参照图1，所公开主题的方面包括利用碱度隔离目标化合物例如二氧化碳(co2)的系统100。在一些实施方式中，系统100将目标化合物直接从大气隔离。在一些实施方式中，系统100通过目标化合物与系统中的组合物反应将目标化合物直接从大气隔离。在一些实施方式中，该反应是碳酸化反应。
28.在一些实施方式中，系统100将co2直接从大气隔离。在这些实施方式中，系统100隔离co2有助于大气co2浓度的总体降低。在一些实施方式中，系统100从一种或多种系统外流出物流(例如从系统100外部或独立于系统100的工业过程中产生的物流)中隔离co2。在一些实施方式中，可以通过任何合适的来源、电网电力、太阳能电力、一种或多种燃料的燃烧(例如为氧燃烧系统组件提供动力等)或其组合来提供用于操作系统100的组件的能量。
29.在一些实施方式中，系统100包括至少一个碳酸化地块102。在一些实施方式中，系统100包括多个碳酸化地块102。本文所用的“碳酸化地块”包括单一毗连地块，以及半毗连或非毗连地块，半毗连或非毗连地块后续组合到一起或一起处理，在效果上相当于单个地块。在一些实施方式中，碳酸化地块102包括隔离目标化合物例如co2的组合物。在一些实施方式中，碳酸化地块102被定位和配置为将组合物暴露于环境风化(ambient weathering)。在一些实施方式中，发生环境风化的环境，例如碳酸化地块102的位置和方向，被配置为使组合物表面处的温度最大化。如本文所用，术语“环境风化”是指将直接来自基本处于环境
温度和大气压的大气的目标化合物(例如co2)隔离。在一些实施方式中，碳酸化地块102位于例如草原、沙漠、山腰等环境中。在一些实施方式中，碳酸化地块102被聚集成一个组。在这些实施方式中，并且如下文将更详细地讨论的，聚集的碳酸化地块102使得能够集中利用其他系统组件以更有效地操作整个系统。在一些实施方式中，碳酸化地块102被聚集成多个独立的组。在一些实施方式中，多个碳酸化地块组分布在地球上的一个区域，例如美国西部的非耕地。在一些实施方式中，多个碳酸化地块组分布在整个地球上。在一些实施方式中，系统100包括足够数量的碳酸化地块102以保持足够量的组合物从而隔离所需量的目标化合物，例如co2。在一些实施方式中，系统100包括多于约2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000或10000个碳酸化地块102。在一些实施方式中，系统100包括多于约5个碳酸化地块。在一些实施方式中，系统100包括多于约3500个碳酸化地块。
30.在一些实施方式中，组合物包含一种或多种金属氧化物。在一些实施方式中，一种或多种金属氧化物包括mgo、cao、na2o或其组合。在不脱离本发明范围的情况下，上述组合物还可包含填料材料，例如不与目标化合物积极反应的材料；已反应的金属氧化物，例如金属碳酸盐、硅酸盐等；以及其他材料。在一些实施方式中，碳酸化地块102包含大于约1000、2000、3000、4000、5000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、40000或50000吨的金属氧化物。在一些实施方式中，碳酸化地块102包含大于约1000、2000、3000、4000、5000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、40000或50000吨的可用于环境风化的金属氧化物。在一些实施方式中，碳酸化地块102包含大于约20000吨的可用于环境风化的金属氧化物。在一些实施方式中，上述组合物作为层包含在碳酸化地块中。在一些实施方式中，上述层具有约0.01m、0.02m、0.03m、0.04m、0.05m、0.06m、0.07m、0.08m、0.09m、0.1m、0.2m或0.3m的厚度。在一些实施方式中，上述层具有约0.1m的厚度。在一些实施方式中，系统100被配置为保持组合物暴露于环境风化约1个月、2个月、3个月、4个月、5个月、6个月、7个月、8个月、9个月、10个月、11个月、1年或约1.5年。在一些实施方式中，系统100被配置为保持组合物暴露于环境风化约1年。
31.在一些实施方式中，系统100包括原料源104，原料源104包括原料，例如原料流104a。在一些实施方式中，原料包括菱镁矿、橄榄岩、蛇纹岩、橄榄石、蛇纹石、水镁石、碳酸钠、邓尼岩、方解石、白云石、硅灰石、辉石或其组合。在一些实施方式中，碳酸化地块102的组合物中的至少一部分金属氧化物来源于原料。在一些实施方式中，原料本身至少部分地由金属氧化物组成，其可以应用于碳酸化地块102以用于隔离co2，这将在下文更详细地讨论。在一些实施方式中，原料被处理以形成金属氧化物，然后将其施加到碳酸化地块102以用于隔离co2，这也将在下文更详细地讨论。
32.在一个示例性实施方式中，系统100使用约500000吨菱镁矿(mgco3)原料。全球菱镁矿产量为27.3兆吨mgco3/年，这表明在这些示例性实施方式中，系统100将使用全球菱镁矿产量的2％。不希望受理论束缚，隔离10亿吨co2将包括25亿吨mgco3，其结果是全球菱镁矿年产量的100倍。
33.在一些实施方式中，系统100包括一个或多个煅烧炉106。在一些实施方式中，系统100包括多个煅烧炉106。在一些实施方式中，煅烧炉106包括氧燃烧煅烧炉、电燃烧煅烧炉、太阳能煅烧炉，例如“无碳”煅烧炉等，或其组合。煅烧炉106被配置为将原料、组合物或其组
合加热到预定温度。在一些实施方式中，煅烧炉106在约30分钟和约2小时之间的持续时间内对原料/组合物进行加热。在一些实施方式中，上述预定温度在约500℃和约1200℃之间。来自煅烧炉106的热量应用于原料和/或组合物，从金属碳酸盐中补充金属氧化物，例如通过环境风化形成的金属碳酸盐，然后可以将其返回到碳酸化地块102以隔离额外的co2。菱镁矿的一般煅烧反应如下：
34.meco3 能量
→
meo co235.在一些实施方式中，煅烧炉106被配置为煅烧环境风化的组合物以再生组合物中的金属氧化物并产生co2产物流108，这将在下文更详细地讨论。在一些实施方式中，co2产物流108包括从煅烧炉106自身的操作例如经由一种或多种燃料的燃烧而产生的co2。
36.在一个示例性实施方式中，煅烧炉106是氧燃烧煅烧炉，其包括两个附加的设备：空气分离单元(以确保将纯氧供给到系统)和冷凝器(以从离开煅烧炉的气流中冷凝水)。这允许捕获燃料燃烧所产生的二氧化碳。下面使用甲烷来说明完全燃烧反应。
37.ch4(g) 2o2(g)
→
co2(g) h2o(g) 能量
38.在燃烧反应之后，将气流送入冷凝器，在冷凝器中将水从工艺流中除去。将水冷凝除去后，从空气中捕获的co2和天然气燃烧产生的co2都可以被压缩和储存。不希望受理论束缚，在该冷凝步骤中，每从空气中捕获1吨co2可产生0.5吨水。这种水可以在工艺中使用或作为副产品出售。
39.在一些实施方式中，系统100包括与原料源104和原料流104a连通的预处理系统110。在一些实施方式中，预处理系统110包括一种或多种被配置为将原料研磨至所需平均粒度的组件。在一些实施方式中，所需的平均粒度为约10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、750μm或1mm。在一些实施方式中，组合物的平均粒度为约20μm。在一些实施方式中，预处理系统110包括一个或多个磨机(例如球磨机)、破碎机(例如用于减小初始原料尺寸的圆锥破碎机)或其组合。通常，研磨机的数量(以及随后的研磨能量)取决于所需的粒度。举例来说，在第一个研磨步骤中，圆锥破碎机可以将粒度从入口处的100mm减小到20mm。在这个阶段之后，两个球磨步骤可以将尺寸减小到20μm。在一些实施方式中，预处理系统110包括用于煅烧原料的附加煅烧炉。
40.在一些实施方式中，预处理系统110包括第一出口流110a，该第一出口流110a包括经处理的原料。在一些实施方式中，预处理系统110包括第二出口流110b，该第二出口流110b包括从处理原料(例如从附加煅烧炉)中产生的co2产物流。在一些实施方式中，预处理系统110利用上面讨论的煅烧炉106来处理原料，例如在将原料作为其中组合物的一部分施加到碳酸化地块102之前。在这样的实施方式中，co2产物流108用作第二出口流110b。
41.在一些实施方式中，系统100包括组合物再循环系统112。在一些实施方式中，组合物再循环系统112被配置为将组合物例如富含碳酸盐的环境风化组合物输送到煅烧炉106并将煅烧的组合物(例如富含金属氧化物的再循环组合物)返回到碳酸化地块102。在一些实施方式中，组合物再循环系统112包括一个或多个传送带。在一些实施方式中，一个或多个传送带是电动的。在一些示例性实施方式中，随着循环，在每个风化步骤之后，超镁铁质岩石将逐渐地被分为诸如mgco3、较少的caco3和sio2等材料，并且煅烧残留物将变得越来越富含mgo和cao，因此更加具有反应性和可用作下一个循环的原料。
42.在一些实施方式中，系统100包括后处理系统114。在一些实施方式中，后处理系统
114收集co2产物流，例如流108和110b，用于随后利用和/或储存在产物流114a中。在一些实施方式中，后处理系统114包括系统组件的任何合适组合，以实现对系统100产生的co2的期望处置。在一些实施方式中，后处理系统114促进所产生的co2的压缩、运输、地质封存和/或利用。在一些实施方式中，所产生的co2被储存在地下。在一些实施方式中，所产生的co2用于制造“净零”碳产品，例如温室和饮料中的co2、添加co2的混凝土、空气燃料(air-to-fuels)等。
43.现在参照图2，系统100的示例性实施方式显示有10个碳酸化地块202，其填充有包括从原料源204提供的原料的组合物。该示例性系统的操作通常可以分为多个部分，包括矿物采集、物理预处理、煅烧、现场运输、碳酸化、矿物回收等。在该示例性系统中，将初始菱镁矿原料流204a进料到预处理器206中，在预处理器206中，例如通过一台或多台破碎机/磨机和一台或多台煅烧炉将矿物研磨和加热，以产生金属氧化物流206a(包括mgo)和co2产物流206b。或者，为了生产用于风化的mgo，可以煅烧蛇纹岩，去除h2o和少量co2，以产生由mgo和无定形mg3si2o7组成的反应性材料。经过几次风化和煅烧循环后，其将变成mgo和sio2。然后将金属氧化物流206a散布到碳酸化地块202，作为用于通过碳酸化反应(即环境风化)隔离大气co2的组合物。
44.在该实施方式中，传送带212c在碳酸化地块202和煅烧厂208之间起到连接的作用。传送带212c将在一年过去后将碳酸化产物从地块202运送回煅烧厂，以及散布由此提供的煅烧矿物。
45.在该实施方式中，使用10台传送带。如上所述，金属氧化物流206a被输送到碳酸化地块202，在此沉积并允许在给定的时间尺度上(例如在一年的过程中)碳酸化。然后重新收集碳酸化地块202中的经环境风化的组合物的至少一部分，主要以碳酸镁的形式，并输送到煅烧炉208。在一些实施方式中，将材料与额外的菱镁矿原料204a一起重新进料至预处理器206以弥补环境损失。在一些实施方式中，材料在预处理器206中重新研磨。在预处理器206和煅烧炉208中，材料再次被加热以再生mgo，例如作为金属氧化物流208a。在一个示例性实施方式中，co2流208b由经环境风化的组合物以及先前在206b处在处理原料中产生的组合物产生。在一些实施方式中，该过程循环地继续。在一些实施方式中，该过程半连续地继续。在一些实施方式中，该过程连续地继续。总体而言，在该实施方式中，煅烧mgco3原料以产生苛性mgo和高纯度co2。mgo散布在土地上，与大气中的co2发生反应，在一年的时间里重整菱镁矿和其他镁碳酸盐矿物。在重新形成碳酸镁矿物后，将其收集并再次煅烧，产生几乎纯净的co2流以及无定形固体mgo残留物。生成的mgo可以再次暴露于风化，依此类推。
46.当分析系统100的有效性时，例如图2中所示的实施方式，假定产生的mgo具有与矿物水镁石(mg(oh)2)相同的水反应性。当矿物溶解动力学受到速率限制时，通过含水水镁石的反应生成碳酸镁的速率约为3x10-8
摩尔/m2·
s。因此，例如，直径为10至100微米(1.7x10-10
至1.7x10-7
摩尔，1.25x10-9
至1.25x10-7 m2，假设为球形颗粒)的水镁石颗粒预计将在不到一年的时间内完全转化为菱镁矿。在实践中，具有比球体更高的表面积与体积比的更大的多孔颗粒也将在一年内转化。
47.现有数据表明，在相对湿度接近100％的条件下，mgo转化为mg(oh)2的时间大约为几小时，这表明一年中的水合反应不受速率限制。这种转化还取决于系统的比表面积和相对湿度(或水蒸气分压)，分压越高，转化越快。由于在水存在下mgo向mg(oh)2的转化比mg
(oh)2的碳酸化速率快得多，因此假设碳酸化步骤受速率限制。因此，碳酸化速率可以假设为图2系统的有效速率。
48.表1概述了分析上限和下限的主要工艺假设和参数。基于这些考虑，假设20μm的苛性镁颗粒在一年内实现90％的碳酸化。优化分析中的碳酸化地块数量，以保持煅烧炉连续运行，避免启动和停止费用。上限和下限对应于每个参数对整个工艺成本的影响，不一定是每个参数值的大小。
[0049][0050][0051]
表1：工艺模型中用于上限和下限的假设和参数
[0052]
本分析考察了三种情景，与所用电力的类型、成本和排放有关。第一个场景使用电网电力，假设电力直接来自商业电网。第二种情况使用太阳能电力，假设电力是通过公用事业太阳能发电厂以当前市场价格获得的。第三种情景使用太阳能电力的预计成本，假设如
能源部所预计，到2030年公用事业太阳能电力的成本会下降。
[0053]
操作规模为每块碳酸化地块使用50000吨菱镁矿(含原矿)。这里与开采菱镁矿相关的排放值为10kg co2/吨mgco3，而典型范围为1.3
–
12.5kg co2/吨矿物。所选值为报告的采矿排放值的较高端，并且由于重复使用原料中的mgo，该工艺对这些排放不敏感。对于该分析，假设原料可得到所需的20μm粒度，或者该粒度在第一个预处理/煅烧步骤中获得。这个工艺中的风化发生在环境条件下的土地上。mgo以0.1m厚的层铺在土地上，并且每天搅拌。该设备的资本成本值近似为大型农业耕作设备。
[0054]
在估算该系统中菱镁矿的使用量时，有两个主要考虑因素：向每个碳酸化设施供应的菱镁矿的初始供应和设施运行后每一年的菱镁矿的补充供应。对于菱镁矿的初始供应，有两种情况：下限利用3504个碳酸化地块，环境损失为5％，上限利用10512个碳酸化地块，环境损失为10％。对于这两种情况，初始地块均填充了50000吨mgco3。上限使用525兆吨mgco3来捕获180兆吨co2，即全球储量(估计为85亿吨已知可经济和合法生产的菱镁矿)的6.2％。此外，若环境损失为10％，则上限工艺每年将使用53兆吨mgco3替代菱镁矿或使用全球储量的0.6％。
[0055]
对于下限，初始矿物装料为175兆吨mgco3或全球菱镁矿储量的2％，以捕获64兆吨co2。对于补充矿物，上限假设环境损失为5％，相当于每年额外增加8.7兆吨mgco3或全球储量的0.1％。每年从空气中去除10亿吨co2，最初将进料29亿吨mgco3或大约29％的全球菱镁矿储量。补充供应每年将使用1.5
–
2.9亿吨mgco3，或大约1.7
–
3.4％的全球菱镁矿储量。
[0056]
这里分析的系统有3504个(下限)和10512个(上限)之间的碳酸化地块，每个碳酸化地块都含有来自原始50000吨mgco3原料的约21500吨mgo。碳酸化地块的数量针对连续煅烧炉操作进行了优化。由于上限和下限分别具有30分钟和2小时的煅烧周期，因此在上限方案中每年处理更多的地块。通过在一年中的不同时间用mgo填充每个地块，它们可以在一年中的不同时间被重新收集和煅烧。此外，假设90％到95％的mgo将作为mgco3或未反应的mgo被回收，并且5％到10％的这种材料将流失到环境中。mgco3的损失计算为每年0.03％至0.05％，而mgo将接近每年3％至4％。
[0057]
菱镁矿原料在500-1200℃的温度范围内进行煅烧。对于该分析，使用了两组煅烧条件：600℃下2小时(下限)和1200℃下0.5小时(上限)。在600℃下煅烧2小时会产生更高的比表面积(对于2
–
5mm的进料预煅烧为93.07m2/g)，这将有助于随后的碳酸化反应。1200℃下0.5小时的煅烧条件导致表面积减少(对于2
–
5mm的进料预煅烧为10.9m2/g)。对于这个工艺，考虑到日常维护，煅烧炉以90％的容量系数连续运行。
[0058]
使用了氧燃烧煅烧炉，其包括空气分离单元和冷凝器。对于纯甲烷氧化，估计燃烧能量和co2输出。在联合燃烧和煅烧之后，将气流送入冷凝器，在冷凝器中除去水。由于使用了氧燃烧煅烧，因此产生的烟道气流具有高浓度的co2和水蒸气，表明水蒸气冷凝后将产生高纯度的co2气流。从镁碳酸盐中去除的co2和燃烧产生的co2可以被压缩并永久储存或出售。此外，冷凝步骤每从空气中捕获1吨co2就会产生0.3吨水。
[0059]
为了将煅烧的mgo移动到用于风化的土地上，使用了电动传送带。运输运营成本与传送系统使用的电力有关，其通过使用商用采矿传送带(373kw(500hp)，容量为454吨/小时)的电机功率详细信息来确定。
[0060]
对于回收和输送到传送带，相关的设备假设为商业上可获得的前置式拖拉机。通
过错开地块成熟时间，中央煅烧设备可以全年连续用于多个碳酸化地块。这也允许在不增加运营规模(即设备尺寸或吞吐量)的情况下捕获更多的co2。
[0061]
不希望受理论束缚，经过反复煅烧后，烧结可能对mgo反应性产生显著影响。评估镁基吸附剂容量损失的研究表明，经过10次循环后，co2吸收容量减少5
–
7％。这相当于在工厂设备寿命期间容量损失在2％到17％之间，具体取决于补充材料的量和材料损失到环境中所经历的循环次数。该分析假设每个循环中损失5
–
10％，考虑到环境损失和可能的烧结效应，因此初始mgo持续10到20个循环。
[0062]
对系统资本成本的最大贡献是原材料成本，占资本成本的81
–
86％，氧燃烧煅烧炉占资本成本的9
–
10％，空气分离单元和冷凝器占资本成本的2
–
7％。表2列出了用于每台设备的成本计算方法和比例系数。
[0063][0064]a假设了放大系数
[0065]
表2：mgo循环工艺的估计资本支出(capex)
[0066]
每个资本成本值都根据各个工艺条件进行调整。在这里，上限是使用10512个碳酸化地块处理1.8亿吨co2/年，下限是使用3504个碳酸化地块处理0.6亿吨co2/年。由于上限处理的co2是下限的约3倍多，因此下限每吨co2的资本成本明显低于上限。
[0067]
表3显示了每个单元操作的能源使用和能源类型。该工艺的主要能量需求是取决于煅烧温度的煅烧。因此，每吨co2的能源使用量在上下限之间变化。
[0068][0069]
表3：co2隔离工艺的能源使用
[0070]
表4详细列出了co2隔离系统的运营成本。电网电力和太阳能电力方案之间的成本没有差异，因为电力成本是相同的。在考虑co2排放时，这些能源方案之间会出现差异。
[0071][0072]
表4：mgo循环工艺的运营支出(opex)
[0073]
用于为煅烧炉提供动力的天然气在运营成本中占最大支出，占所有方案运营成本的45-62％。这表明工艺运营成本可能对天然气价格敏感。此外，电力占运营成本的8-16％。运营成本中的其他主要支出是维护(15
–
34％)和劳工(5
–
10％)，这与资本成本直接相关。
[0074]
co2的成本结合了前几节中介绍的资本和运营成本，得出了每吨co2的工艺成本。这些成本示于表5。
[0075][0076]
表5：mgo循环工艺的co2捕获成本汇总
[0077]
虽然太阳能电力方案的捕获成本与电网电力方案相同，但与电网方案相比，太阳能方案的co2净去除成本低约4％。这是由于与电网电力相比，与太阳能电力相关的co2排放量减少所致。此外，考虑到太阳能电力的预计成本降低，与电网电力相比，co2净去除工艺成本降低了约7％。
[0078]
对于此处介绍的示例性工艺，使用当前电网和太阳能电力的成本，co2净去除的成本范围为46
–
159美元/吨co2，而所产生的co2的成本范围为29
–
79美元/吨co2。使用太阳能电力的未来成本预测的结果是，43
–
149美元/吨净去除的co2和25
–
77美元/吨产生的co2。目前，dac技术已在工业和中试规模上得到证明，据报道，净去除co2的成本为500-600美元/吨co2。除了工业规模的举措外，还描述了使用联合碳酸化和煅烧工艺的dac技术的文献价值。在他们的分析中，美国物理学会(aps)对使用氢氧化钠的水性钙循环系统进行的成本估算为610-780美元/吨净去除的co2。通过改变工艺中使用的包装材料并围绕这种新材料优化工艺，开发了一种类似的工艺，成本估算为510-568美元/吨净去除的co2。
[0079]
现在参考图3a，本公开的一些实施方式涉及用于利用碱度从大气中隔离二氧化碳的方法300。在302，提供包含一种或多种金属氧化物的组合物。如上所述，一种或多种金属氧化物包括mgo、cao、na2o或其组合。如上所述，组合物至少部分由经加工的原料组成，其中原料包括菱镁矿、橄榄岩、蛇纹岩、橄榄石、蛇纹石、水镁石、碳酸钠、邓尼岩、方解石、白云石、硅灰石、辉石或其组合。在一些实施方式中，302提供组合物包括将原料研磨至约20μm的平均粒度。在一些实施方式中，302提供组合物包括煅烧原料以产生额外的co2流和包含一种或多种金属氧化物的经煅烧的原料。
[0080]
在304，将组合物散布到多个碳酸化地块，这些地块配置成使组合物暴露于环境风化。在一些实施方式中，在304将组合物散布至大于约5个碳酸化地块。在一些实施方式中，碳酸化地块包含大于约20000吨的可用于环境风化的金属氧化物。在一些实施方式中，组合物作为层散布在碳酸化地块中。在一些实施方式中，上述层具有约0.01m、0.02m、0.03m、0.04m、0.05m、0.06m、0.07m、0.08m、0.09m、0.1m、0.2m或0.3m的厚度。在306，通过一种或多种金属氧化物捕获大气中的co2以生成环境风化的组合物。在一些实施方式中，环境风化的组合物在一定的暴露持续时间后被重新收集。在一些实施方式中，暴露持续时间为约1个月、2个月、3个月、4个月、5个月、6个月、7个月、8个月、9个月、10个月、11个月、1年或约1.5年。在308，煅烧环境风化的组合物以产生经煅烧的组合物和co2流。在一些实施方式中，将环境风化的组合物煅烧约30分钟至约2小时的持续时间。在一些实施方式中，环境风化的组合物在约500℃和约1200℃之间的温度下煅烧。在310，将经煅烧的组合物散布到多个碳酸化地块中。
[0081]
在方法300的一些实施方式中，搅拌多个碳酸化地块中的组合物以使组合物在大气中的暴露最大化。在一些实施方式中，每周、每月、每季度、每6个月、每年等搅拌组合物一次。可以使用任何合适的系统或机构，例如市售农业设备来搅拌组合物。不希望受理论束缚，在经历反复煅烧后，组合物颗粒中的孔开始堵塞，导致金属氧化物失活。研究表明，cao的反应容量在45次循环后减少了初始容量的一半以上。在一些实施方式中，使用研磨工艺以周期性地产生新的金属氧化物。由于原始硅酸盐结构中镁的存在似乎减少这种失活，因此可以使用处于最大碳酸化容量的35个循环来确定初始预处理步骤中每“批次”mgo捕获的co2量。在某些情况下，自然风化系统的循环次数不受失活的限制，而是受到mgo的环境损失的限制。在一些实施方式中，在10％的环境损失的情况下，假设mgo平均持续10个循环，并且可以将mgo的定期更换计入运营成本。
[0082]
现在参考图4，本公开的一些实施方式涉及用于利用碱度从大气中隔离二氧化碳的方法400。在402，提供原料源。如上所述，在一些实施方式中，原料包括菱镁矿、橄榄岩、蛇
纹岩、橄榄石、蛇纹石、水镁石、碳酸钠、邓尼岩、方解石、白云石、硅灰石、辉石或其组合。在404，处理原料以使原料中的金属氧化物最大化，并使原料与大气中co2的反应速率最大化。如上所述，在一些实施方式中，一种或多种金属氧化物包括mgo、cao、na2o或其组合。如上所述，在一些实施方式中，处理404包括一个或多个研磨步骤、一个或多个煅烧步骤或其组合。在406，将经处理的原料提供给配置成将经处理的原料暴露于环境风化的碳酸化地块网。如上所述，在一些实施方式中，碳酸化地块网包括多于约2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000或10000个地块。在408，搅拌碳酸化地块的内容物以使碳酸化地块中的金属氧化物在大气co2中的暴露最大化。在410，通过一种或多种金属氧化物捕获大气中的co2以生成环境风化的组合物，例如捕获约1年。在412，煅烧环境风化的组合物以产生co2流并再生金属氧化物作为经煅烧的组合物，例如在约500℃和约1200℃之间的温度下。在414，将经煅烧的组合物散布到多个碳酸化地块中。
[0083]
本公开的方法和系统的优势在于它们提供了比其他当前和提议的从空气中去除co2的技术更便宜的途径。本公开的系统和方法能够捕获和重新分配“净零”二氧化碳，以用于非常丰富的采石场矿物的工业规模用途，并能够为市政当局或公司实施大规模低成本碳捕获项目。使用这种方法捕获的co2可以作为商品出售(用于碳酸饮料、提高石油采收率、温室等)或用于制造(几乎)“净零”碳产品(添加co2的混凝土、空气燃料等)。
[0084]
通过本公开的方法和系统从空气中去除co2与使用具有合成吸附剂或溶剂的dac去除co2具有相似或更低的成本。该工艺相对简单且稳健，并且使用现有技术以合理的成本是可行的。此外，所提议的工艺集成了从氧燃烧煅烧单元捕获co2，因此从空气中去除和从燃烧中捕获的co2的成本与其他来源相比具有竞争力。与关于增强岩石表面风化——矿山尾矿、在农业土壤或海滩上散布的地面岩石材料、分配cao和mgo用于“海洋石灰”——的想法相比，这里概述的公开大大减少了区域足迹，因为一吨cao和mgo可用于年复一年地捕获许多吨co2。
[0085]
从空气中去除co2的方法成本也低于预计的cdr机器的未来最低成本。使用成本为0.03美元/kwh的低碳能源，例如pv，并捕获该工艺中的co2排放，该工艺可能以低于100美元/吨的价格去除co2，而对使用cdr机器生产co2的未来成本的乐观预测最低成本为100美元/吨。由于土地价格的可利用性，使用耕地的成本进行分析。由于耕地能够种植农作物而对耕地的需求量更大，因此这里提出的成本分析甚至可能高估土地成本。
[0086]
尽管已针对其实施方式描述和说明了所公开的主题，但本领域技术人员应该理解，所公开的实施方式的特征可以组合、重新布置等，以产生在本发明范围内的另外的实施方式，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、省略和添加。