BR112017017948B1 - Método de regeneração de hidróxido de magnésio em um processo que reduz a quantidade de dióxido de carbono contida em uma corrente de gás - Google Patents

Método de regeneração de hidróxido de magnésio em um processo que reduz a quantidade de dióxido de carbono contida em uma corrente de gás Download PDF

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Abstract

SEQUESTRO DE DIÓXIDO DE CARBONO COM HIDRÓXIDO DE MAGNÉSIO E REGENERAÇÃO DE HIDRÓXIDO DE MAGNÉSIO. A presente invenção refere-se a sistemas e métodos de remoção de dióxido de carbono a partir de uma corrente gasosa usando hidróxido de magnésio e então regeneração do hidróxido de magnésio. Em algumas modalidades, os sistemas e métodos podem compreender ainda uso do calor de refugo de uma ou mais correntes de gás para prover um pouco ou todo o calor necessário para realizar as reações. Em algumas modalidades, cloreto de magnésio está principalmente na forma de di-hidrato de cloreto de magnésio e é alimentado a um reator de decomposição para gerar hidroxicloreto de magnésio, que por sua vez é alimentado para um segundo reator de decomposição para gerar hidróxido de magnésio.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[0001] O presente pedido reivindica o benefício do Pedido de Pa tente Provisório U.S. Número 62/119.633, depositado em 23 de fevereiro de 2015, que é aqui incorporado a título de referência em sua totalidade.
CAMPO DA INVENÇÃO
[0002] A presente invenção refere-se em geral a dispositivos, sis temas e métodos relacionados a sistemas e processos de sequestro de carbono com hidróxido de magnésio e para regeneração de hidróxido de magnésio a partir de haleto de magnésio.
ANTECEDENTES
[0003] Preocupação doméstica e internacional considerável tem focado cada vez mais na emissão de CO2 no ar. Em particular, atenção tem sido focada nos efeitos deste gás sobre a retenção de calor solar na atmosfera, produzindo o "efeito estufa". Embora haja algum debate em relação à magnitude do efeito, todos concordariam que há um benefício ao remover CO2 (e outros agentes químicos) de fontes de emissão de ponto, especialmente se o custo para fazer isso fosse suficientemente pequeno.
[0004] Apesar de anos de desenvolvimento, a tarefa de criar um processo ambientalmente sensível, comercialmente viável, para remoção de dióxido de carbono de uma fonte de emissão provou ser uma dificuldade. As metodologias até agora não foram completamente satisfatórias em relação a isso, e existe uma necessidade significante das técnicas descritas e reivindicadas no presente pedido.
SUMÁRIO
[0005] Um aspecto da presente invenção é um sistema configura do para regenerar Mg(OH)2 e reduzir a quantidade de CO2 contida em uma corrente de gás através do consumo do Mg(OH)2. Em algumas modalidades, o sistema pode compreender: um primeiro reator de decomposição configurado para reagir material contendo MgCl2 com vapor para formar primeiros produtos de reator compreendendo Mg(OH)Cl e HCl; um segundo reator de decomposição configurado para reagir Mg(OH)Cl do primeiro reator de decomposição com vapor para formar HCl e produtos contendo magnésio compreendendo principalmente Mg(OH)2; e um primeiro reator de absorção configurado para formar uma mistura compreendendo Mg(OH)2 do segundo reator de decomposição, CO2, CaCl2 e vapor para formar produtos compreendendo MgCl2 e CaCO3. O material contendo MgCl2 alimentado ao primeiro reator de decomposição pode compreender uma razão molar de água para MgCl2 de menos do que cerca de 2,5:1. Em algumas modalidades, o sistema pode compreender ainda uma linha de alimentação gasosa configurada para passar um fluxo de saída gasoso a partir do segundo reator de decomposição para o primeiro reator de decomposição, onde o fluxo de saída gasoso compreende HCl e vapor. Em algumas modalidades, o sistema pode compreender ainda um segundo reator de absorção, onde o primeiro reator de absorção é configurado para misturar Mg(OH)2 do segundo reator de decomposição com CO2 contido na corrente de gás e formar MgCO3 e H2O e onde o segundo reator de absorção é configurado para misturar o MgCO3 do primeiro reator de absorção com CaCl2 e formar CaCO3 e MgCl2. Em algumas modalidades, os produtos do primeiros reator de absorção estão em uma fase líquida e uma fase sólida, e a fase líquida é pelo menos 50% em peso de MgCl2. Em algumas modalidades, o primeiro reator de absorção (ou o segundo reator de absorção se presente) contém uma fase líquida compreendendo uma razão de água para MgCl2 de menos do que cerca de 4,5:1 ou cerca de 4 para 1. Em algumas modalidades, uma porção maior de MgCl2 na fase líquida que sai de um reator de absorção está na forma de tetra-hidrato de MgCl2. Em algumas modalidades, o sistema compreende ainda um separador líquido sólido configurado para separar pelo menos uma porção do CaCO3 da fase líquida. Em algumas modalidades, o sistema tem um secador configurado para remover uma porção da água da fase líquida de maneira que a razão de água para MgCl2 é cerca de 2 para 1. Em algumas modalidades, um sistema de recuperação de calor de refugo e transferência de calor é utilizado para prover o calor necessário para manter condições de reação para cada módulo do sistema.
[0006] Um outro aspecto da invenção é um método de regenera ção de Mg(OH)2 em um processo que reduz a quantidade de CO2 contido em uma corrente de gás. Em algumas modalidades, o método pode compreender as etapas que seguem: (a) reação de material contendo MgCl2 com vapor em uma primeira mistura para formar produtos da etapa (a) compreendendo Mg(OH)Cl e HCl, onde o material contendo MgCl2 compreende uma razão de água para MgCl2 de menos do que cerca de 2,5:1; (b) reação de Mg(OH)Cl da etapa (a) com vapor em uma segunda mistura para formar produtos da etapa (b) compreendendo HCl e produtos contendo magnésio compreendendo princi-palmente Mg(OH)2; e (c) reação de Mg(OH)2 da etapa (b) com CO2, CaCl2 e vapor para formar produtos da etapa (c) compreendendo MgCl2 e CaCO3. Em algumas modalidades, o método compreende ainda passagem de um fluxo de saída gasoso da segunda mistura para a primeira mistura, onde o fluxo de saída gasoso compreende HCl e vapor para reagir com o material contendo MgCl2. Em algumas modalidades, a etapa (c) pode compreender um processo de dois estágios de mistura de Mg(OH)2 da etapa (b) com CO2 contido na corrente de gás em uma terceira mistura para formar produtos da primeira etapa (c) compreendendo MgCO3 e H2O e mistura do MgCO2 de produtos da primeira etapa (c) com CaCl2 em uma quarta mistura para formar produtos da segunda etapa (c) compreendendo CaCO3 e MgCl2. Em algumas modalidades, a fase líquida da primeira mistura é pelo menos 50% em peso de MgCl2. O método pode compreender ainda a etapa ou etapas de separação de pelo menos uma porção do CaCO3 e uma porção da água dos produtos da segunda etapa (c) de maneira que, em um produto restante, a razão de água para MgCl2 seja cerca de 2 para 1. Em algumas modalidades, o produto da primeira etapa (a) compreende mais de 90% em peso de Mg(OH)Cl. Em algumas modalidades, o produto da primeira etapa (b) compreende mais do que 90% em peso de Mg(OH)2. Em algumas modalidades, o método pode compreender recuperação de calor de refugo a partir de uma corrente de gás e transferência para a primeira mistura, para a segunda mistura e/ou o produto restante compreendendo di-hidrato de MgCl2. Na recuperação e transferência do calor de refugo, três ou mais alças de aquecimento podem ser usadas.
[0007] Um outro aspecto da presente invenção é um método para produção de hidróxido de magnésio a partir de material contendo cloreto de magnésio compreendendo: um primeiro estágio compreendendo as etapas de introdução do dito material em um primeiro reator, passagem de uma mistura de vapor para o primeiro reator com o material contendo cloreto de magnésio na temperatura aproximada de 250 a 400°C, para formar hidroxicloreto de magnésio e HCl, um segundo estágio de transferência do hidroxicloreto de magnésio para um segundo reator, introdução no mesmo de vapor para formar hidróxido de magnésio e HCl, onde o material contendo cloreto de magnésio compreende uma razão de água para cloreto de magnésio de cerca de 2:1. Em algumas modalidades, uma porção de uma mistura de vapor que sai do segundo reator é a mistura de vapor introduzida no primeiro reator. Pelo menos uma porção do HCl sai do segundo reator na mistura de vapor que então passa pelo primeiro reator. Em algumas modalidades, o material contendo cloreto de magnésio compreende substancialmente di-hidrato de cloreto de magnésio. Em algumas modalidades, calor de refugo é utilizado para prover o calor necessário para formar o Mg(OH)2.
[0008] Os termos "um" e "uma" são definidos como um ou mais a menos que a presente invenção dite de outro modo explicitamente.
[0009] Os termos "substancialmente", "aproximadamente" e "cerca de" são definidos como sendo muito do que, mas não necessariamente totalmente o que, é especificado (e incluindo totalmente o que é especificado) como compreendido por um versado comum na técnica. Em qualquer modalidade revelada, o termo "substancialmente", "aproximadamente" ou "cerca de" pode ser substituído com "dentro de [uma porcentagem] do" que é especificado, onde a porcentagem inclui 0,1, 1, 5 e 10 por cento.
[00010] Os termos "compreendem" (e qualquer forma de compreendem, tal como "compreende" e "compreendendo"), "têm" (e qualquer forma de têm, tal como "tem" ou "tendo"), "incluem" (e qualquer forma de incluem, tal como "inclui" e "incluindo") e contêm (e qualquer forma de contêm, tal como "contém" e "contendo") são verbos de ligação abertos. Como resultado, qualquer um dos presentes dispositivos, sistemas e métodos que "compreende", "tem", "inclui" ou "contém" um ou mais elementos possui esses um ou mais elementos, mas não é limitado a possuir apenas esses um ou mais elementos. Da mesma maneira, um elemento de um dispositivo, sistema ou método que "compreende", "tem", "inclui" ou "contém" uma ou mais características possui essas uma ou mais características, mas não é limitado à posse de apenas essas uma ou mais características. Ainda, termos tais como "primeiro" e "segundo" são usados apenas para diferenciar estruturas ou características, e não limitar as estruturas ou características diferentes a uma ordem particular.
[00011] Ainda, uma estrutura que é capaz de realizar uma função ou que é configurada de uma certa maneira é capaz ou configurada pelo menos desta maneira, mas pode tambem ser capaz de ou configurada de maneiras que não são listadas.
[00012] A característica ou características de uma modalidade podem ser aplicadas a outras modalidades, embora não descritas ou ilustradas, a menos que expressamente proibido pela presente descrição ou a natureza das modalidades.
[00013] Qualquer um dos presentes dispositivos, sistemas e métodos pode consistir em ou consistir essencialmente em - ao invés de compreender/incluir/conter/ter - qualquer um dos elementos e/ou ca-racterísticas e/ou etapas descritos. Desta maneira, em qualquer uma das reivindicações, o termo "consistindo em" ou "consistindo essencialmente em" pode substituir qualquer um dos verbos de ligação abertos mencionados acima, a fim de mudar o escopo de uma dada reivindicação do que seria de outro modo usando o verbo de ligação aberto.
[00014] Detalhes associados com as modalidades descritas acima e outras são apresentados abaixo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[00015] Os desenhos que seguem ilustram a título de exemplo e não limitação. Por questão de brevidade e clareza, toda característica de uma dada estrutura pode não ser identificada em cada figura onde esta estrutura aparece. Números de referência idênticos não indicam necessariamente uma estrutura idêntica. Ao contrário, o mesmo número de referência pode ser usado para indicar uma característica similar ou uma característica com funcionalidade similar, como podem números de referência não idênticos.
[00016] A Figura 1 é um diagrama de fluxo de processo simplificado de acordo com algumas modalidades dos processos providos aqui.
[00017] A Figura 2 é um diagrama de fluxo de processo simplificado de acordo com algumas modalidades dos processos providos aqui.
[00018] A Figura 3 é um diagrama de fluxo de processo simplificado de acordo com algumas modalidades dos processos providos aqui.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[00019] Com referência à Figura 1, é mostrada e designada pelo numeral de referência 100 uma primeira modalidade de um sistema configurado para remover de um vapor gasoso usando Mg(OH)2 e regenerar o Mg(OH)2. O sistema 100 é configurado para absorver dióxido de carbono a partir de um vapor de gás 2 e regenerar pelo menos um dos reagentes, por exemplo, hidróxido de magnésio, usados no processo de absorção. O sistema 100 compreende um reator de absorção 10 configurado para absorver CO2 a partir da corrente gasosa; um separador de sólido-líquido 20 configurado para separar sólidos de carbonato de cloreto de magnésio aquoso; um secador 30 configurado para remover uma porção de água a partir do cloreto de magnésio aquoso formando sólidos de cloreto de magnésio; um primeiro reator de decomposição 40 configurado para converter o cloreto de magnésio em hidroxicloreto de magnésio e um segundo reator de decomposição 45 configurado para converter o hidroxicloreto de magnésio em hidróxido de magnésio. Também ilustrado no sistema 100 está uma pluralidade de aquecedores e sistemas de fluido de aquecimento para elevar as temperaturas dos reagentes diferentes.
[00020] Antes do tratamento da corrente de gás 2 contendo dióxido de carbono, a temperatura da corrente de gás 2 pode ser diminuída. No caso de uma corrente de gás quente (por exemplo, exaustão da turbina de gás), a corrente de gás 2 pode prover calor de processo que é transferido para unidades diferentes no sistema. Em algumas modalidades, o calor de processo pode ser transferido para um ou mais de caldeiras, preaquecedores, reatores ou secadores 30 no sistema. Por exemplo, na modalidade mostrada, calor de processo pode ser transferido para um fluido de aquecimento de reciclagem tal como um sistema de óleo quente configurado para prover aquecimento indireto para o reator de decomposição. Em algumas modalidades, calor de processo pode ser usado para aquecer uma caldeira configurada para gerar vapor superaquecido para injeção de vapor direta no reator de decomposição. Em algumas modalidades, um segundo fluido de aquecimento de reciclagem, tal como um segundo sistema de óleo quente, é configurado para prover aquecimento direto para o secador 30 para remover água do material de partida contendo MgCl2.
[00021] Após calor ter sido removido da corrente de gás 2, a corrente de gás 2 entra no reator de absorção 10 configurado para reagir o CO2 com CaCl2 e Mg(OH)2 através das reações gerais que seguem: CaCl2 + Mg(OH)2 + CO2 ^ CaCO3 + MgCk+ H2O (1)
[00022] O reator 10 pode ser configurado para receber alimentação de CaCl2 3, corrente de gás 2 e uma alimentação de Mg(OH)2. Em algumas modalidades, o reator de absorção 10 é configurado para operar em temperaturas maiores do que 165°C, tal como entre cerca de 170 a 250°C. Em algumas modalidades, a temperatura de operação do reator 10 pode ser pelo menos 170, 175, 180, 185, 190, 195, 200, 210, 220, 230 ou 240°C. Em algumas modalidades, a temperatura de operação do reator 10 está entre 175 e 185°C. Para manter uma temperatura acima da temperatura de operação, o reator 10 pode ser configurado de maneira similar a uma coluna de destilação, com um refluxo de água entrando na parte superior da coluna e uma entrada de calor na parte inferior da coluna para manter um produto líquido inferior na temperatura de operação, tal como cerca de 175°C.
[00023] Em algumas modalidades, os reagentes podem ser prea- quecidos para a temperatura de operação antes da introdução no rea- tor de absorção 10. Por exemplo, uma alimentação de cloreto de cálcio 3 é preaquecida no aquecedor 60 antes de ser adicionada ao reator de absorção 10. Em algumas modalidades, um alimentador de água 4 pode ser tambem preaquecido no aquecedor 61. Como a reação de CO2 com hidróxido é exotérmica, calor pode ser removido do reator 10 para manter a temperatura de operação. Em algumas modalidades, uma alça de fluido de aquecimento de circulação (não mostrada) pode ser configurar para transferir calor do reator 10 para alimentação de CaCl2 5, tal como através do aquecedor 60. Similarmente, uma alça de fluido de aquecimento de circulação separada (não mostrado) pode ser configurada para transferir calor do reator 10 para alimentação de água 4, tal como através do aquecedor 61. A título de exemplo, aproximadamente 63 MMBtu/hr de calor de processo (tal como do reator 10) podem ser necessários para aquecer 7,616e-1 kmol/hr (1,679 lb*mol/hr) de sólidos de CaCl2*2H2O de 25°C a 175°C e derreter os sólidos em seu ponto de fusão de 175°C e aquecer 7,616e-1 kmol/hr (1,679 lb*mol/hr) de água de 25°C para 100°C, vaporizar a água e superaquecer o vapor para 175°C.
[00024] Cloreto de cálcio pode ser adicionado ao reator 10 em uma de três formas ao reator de absorção 10: CaCl2 anidro, CaCl2*2H2O ou CaCl2*4H2O. Em algumas modalidades, uma razão molar de água para CaCl2 de cerca de 3:1 ou menos pode ser adicionada à coluna de absorção para cada mol de CO2 que é capturado. Em algumas modalidades, CaCl2*2H2O e água são alimentados ao reator de absorção 10 para criar uma mistura equivalente de CaCl2*3H2O (67,2% em peso de CaCl2 aquoso). Em algumas modalidades, alimentação de CaCl2 3 em forma de di-hidrato pode ser convertida de uma fase sólida para uma fase líquida antes de entrar no reator 10.
[00025] O reator 10 é configurado para compreender uma saída para pasta fluida aquosa de sólidos de CaCO2 em MgCl2 aquoso e uma saída para corrente de gás 2 que contém uma quantidade reduzida de CO2 daquela que entrou no reator 10. Em algumas modalidades, a corrente de gás 2 com a concentração de CO2 reduzida sai do reator de absorção 10 e pode então passar pelo resfriador de gás 72 onde calor pode ser ainda recuperado antes da corrente de gás 2 ser liberada para a atmosfera ou processada mais a jusante. O calor pode ser usado para preaquecer os reagentes, tal como CaCl2 e opcionalmente água. Como um resultado da coluna de absorção, a quantidade de CO2 em corrente de gás 2 pode ser reduzida em pelo menos 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98% ou 99%.
[00026] Em algumas modalidades, pelo menos 50% em peso de MgCl2 aquoso saem do reator de absorção 10 e entram no separador de sólido-líquido 20, que separa os sólidos de CaCO3 da solução aquosa. Em algumas modalidades, uma porcentagem em peso de MgCl2 aquoso entre 50 a 60% sai do reator de absorção 10 e entra no separador de sólido-líquido 20, tal como 51%, 53%, 55%, 57% ou 59% em peso de MgCl2. Em algumas modalidades, uma razão de água para MgCl2 na solução aquosa é menos do que cerca de 5 para 1, cerca de 4,5 para 1 ou cerca de 4 para 1. Em algumas modalidades, uma porção maior de MgCl2 na solução aquosa está na forma de tetra- hidrato de MgCl2.
[00027] Em algumas modalidades, água pode ser adicionada ao separador de sólido-líquido 20 para facilitar a separação dos sólidos de carbonato. Em tais modalidades, a quantidade de água a ser adicionada pode diluir a solução em menos do que 30%, 25%, 20%, 15%, 10% ou 5%. Uma vez separados, em algumas modalidades, os sólidos de CaCO3 quentes podem ser passados por um resfriador 70 para recuperação de energia antes de serem enviados para armazenamento.
[00028] Após separação dos sólidos de carbonato do MgCl2 aquoso, a solução aquosa é transferida para o secador 30 para remover água da solução. Em algumas modalidades, uma quantidade suficiente de água é evaporada da solução de maneira que a razão de água para MgCl2 é menos do que cerca de 3:1, cerca de 2,5:1 ou menos do que cerca de 2 para 1. Em algumas modalidades, uma porção maior da água no material contendo cloreto de magnésio saindo do secador 30 está na forma de di-hidrato de MgCl2. Por exemplo, o material contendo cloreto de magnésio compreende pelo menos 55%, 60%, 65% 70%, 75% 80%, 85% 90%, 95% ou 98% de MgCl2*2H2O (s). A reação primária no secador 30 é provida abaixo: MgCl2*4H2O (l) ^ MgCl2*2H2O (s) + 2 H2O (g) (2)
[00029] Em algumas modalidades, para fornecer a energia necessária para remover uma porção da água, calor pode ser fornecido ao recipiente para manter a temperatura de operação entre 150 a 250°C, tal como 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230 ou 240°C. Em algumas modalidades, a temperatura pode ser mantida entre 195 e 205°C ou 198 e 202°C. O secador 30 é configurado de maneira que o vapor superaquecido (e potencialmente um pouco de HCl) sai a partir da parte superior do recipiente, enquanto material contendo cloreto de magnésio compreendendo sais de di-hidrato se move para o primeiro reator de decomposição 40. Em algumas modalidades, pressões de operação estão em pressão atmosférica. Em algumas modalidades, o vapor superaquecido produzido a partir do secador 30 pode fornecer pelo menos uma porção do vapor requerido para os reatores de decomposição 40 e/ou 45.
[00030] Em algumas modalidades, a solução de MgCl2 aquosa é bombeada através de um aquecedor 62 antes de entrar no secador 30 para aumentar a temperatura da solução para substancialmente igualar às temperaturas de operação do secador 30. Em algumas modalidades, calor pode ser transferido para a solução no aquecedor 62 através de uma alça de fluido de aquecimento de circulação 83 confi- gurada para transferir calor a partir da corrente de gás 2 para a solução aquosa.
[00031] Em algumas modalidades, o sistema 100 compreende um evaporador 30 que é configurado para reduzir o teor de água de maneira que MgCl2 se torna um sólido e o material sólido pode ser transferido para o primeiro reator de decomposição 40. Por exemplo, o evaporador 30 pode compreender um tanque flash tendo um raspador e outro agitador configurado para facilitar transporte para material sólido. Em algumas modalidades, no evaporador 30, uma solução de MgCl2 pressurizada na temperatura de operação é rapidamente levada para pressão atmosférica para remover água da solução aquosa e produzir sólidos de MgCl2*2H2O. Em algumas modalidades, uma por-ção do fluido de aquecimento na alça de circulação 83 pode ser direcionada para o evaporador 30 para manter as temperaturas de operação do evaporador 30.
[00032] Em algumas modalidades, o sistema 100 compreende um secador 30 que é configurado para reduzir o teor de água de maneira que MgCl2 aquoso se transforma em sólido e o material sólido pode ser transferido para o primeiro reator de decomposição 40. O secador 30 pode ser configurado para aplicar aquecimento de contato indireto ou aquecimento de contato direto usando um meio tal como ar para manter as temperaturas de operação. Por exemplo, o secador 30 pode ser um secador giratório, um secador flash ou um secador por pulverização. Em algumas modalidades, uma porção do fluido de aquecimento na alça de circulação 83 pode ser direcionada para o secador 30 para manter as temperaturas de operação do secador 30 e pode então ser tambem direcionada para o soprador para aquecer o meio de secagem tal como ar. Em outras modalidades, no lugar do secador 30, o sistema 100 pode compreender um floculador, um cristalizador ou um peletizador configurado para reduzir o teor de água de maneira que a razão molar seja cerca de 2:1 e/ou o MgCl2 esteja principalmente em uma forma de di-hidrato e possa ser transferido para o primeiro reator de decomposição 40.
[00033] A título de exemplo, a entrada de calor necessária para aumentar a temperatura da solução aquosa para uma temperatura de operação de 200°C é aproximadamente 7 MMBtu/hr. Ainda, também a título de exemplo, a entrada de calor necessária para reduzir o teor de água de uma solução aquosa onde a razão molar de água é 4:1 é aproximadamente 71 MMBtu/hr. Para a alça de fluido de aquecimento de circulação 83, a temperatura de retorno de fluido pode ser cerca de 5 a 15°C acima da temperatura de operação, por exemplo, 210°C, para o fluido deixando o secador 30 ou aquecedor 62. Ainda, a temperatura de fornecimento de fluido (por exemplo, a temperatura do fluido se aproximando do secador 30 ou aquecedor 62) pode ser cerca de 20 a 30°C acima da temperatura de operação ou 10 a 20°C acima da temperatura de retorno, por exemplo, 225°C. Na interseção da alça 83 com a corrente de gás 2, a temperatura da corrente de gás 2 pode ser uma temperatura que é pelo menos 30 a 40 acima da temperatura de operação do reator de decomposição 40. Em algumas modalidades, a temperatura da corrente de gás 2 após transferência do calor para a alça 83 pode ser pelo menos 235°C.
[00034] O sistema 100 compreende reatores configurados para um reator de decomposição de fluxo de contracorrente, de dois estágios, para converter MgCl2 em Mg(OH)2. Dentro do primeiro estágio, o reator 40 é configurado para a reação abaixo ocorrer: MgCl2*2H2O (s) ^ Mg(OH)Cl (s) + HCl (g) + H2O (g) (3) dentro do segundo estágio, o reator 45 é configurado para a reação abaixo ocorrer: Mg(OH)Cl (s) + H2O (g) ^ Mg(OH)2 (s) + HCl (g) (4)
[00035] No segundo reator 45, vapor pode ser contatado contracor- rente com sólidos de MgOHCl alimentados a partir do primeiro reator 40. Em algumas modalidades, vapor pode ser gerado por uma caldeira 90 que é aquecida por corrente de gás 2. Também, vapor reciclado da exaustão dos reatores 40 e 45 pode ser misturado com o vapor da caldeira 90 para reator de alimentação 45. Vapor reciclado pode ser aquecido por um aquecedor 65 para obter a temperatura de vapor final desejada para reator de alimentação 45. Vapor é introduzido no reator 45 em uma temperatura que é substancialmente a mesma que a temperatura de operação do reator 45 que descrito abaixo. Por exemplo, vapor pode ser introduzido no reator 45 em uma temperatura entre 385°C e 395°C, tal como cerca de 390°C.
[00036] Os sólidos de Mg(OH)2 que saem do reator 45 estão em equilíbrio com o vapor que sai do reator 45. Em algumas modalidades, o vapor de saída que sai do reator 45 compreenderá pelo menos 0,8 mol de HCl para cada mol de Mg(OH)2 produzido. Por exemplo, o vapor de saída que sai do reator 45 pode compreender 0,85 mol de HCl, 0,9 mol de HCl, 0,95 mol de HCl, 0,98 mol de HCl para cada mol de produto de Mg(OH)2. A taxa de contrafluxo através do reator 45 é suficiente para manter a pressão parcial de HCl baixa o suficiente de maneira que equilíbrio de reação (5) é mudado para o certo. Em algumas modalidades, o contrafluxo é vapor 100% superaquecido. Em outras modalidades, o contrafluxo compreende vapor superaquecido e um gás carreador inerte. Em algumas modalidades, a pressão parcial de HCl pode ser mantida em uma quantidade suficientemente baixa através da operação da reação de decomposição 45 sob condições de vácuo.
[00037] No reator 40, a mistura de vapor de vapor superaquecido e HCl deixando o reator 45 é contracorrentemente contatada com material de cloreto de magnésio alimentado a partir do secador ou evapo- rador 30 compreendendo sólidos de MgCl*2H2O. Em algumas modali- dades, apenas uma porção do vapor que sai do reator 45 é alimentada ao reator 40. Por exemplo, a maioria do vapor que sai do reator 45 pode passar pelo reator 40 de maneira que calor adicional pode ser recuperado no condensador de HCl 76. Em algumas modalidades, os sólidos de Mg(OH)Cl que saem do reator 40 estão em equilíbrio com o vapor que sai do reator 40. Em algumas modalidades, o vapor de saída que sai do reator 40 compreenderá pelo menos mais 0,8 mol de HCl para cada mol de MgOHCl produzido. Por exemplo, o vapor de saída que sai do reator 40 pode compreender mais 0,85 mol de HCl, 0,9 mol de HCl, 0,95 mol de HCl, 0,98 mol de HCl para cada mol de MgOHCl produzido. A taxa de contrafluxo através do reator 40 é suficiente para manter a pressão parcial de HCl baixa o suficiente para manter uma mudança de reação (4) para a certa.
[00038] A temperatura de operação para o reator 45 pode ser entre 380 e 500°C, tal como cerca de 390, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470 ou 490°C. Em algumas modalidades, a temperatura de operação para o reator 45 está entre cerca de 385°C e 395°C, tal como cerca de 390°C. A temperatura de operação para o reator 40 pode ser entre 250°C e 400°C, tal como 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380 ou 390°C. Em algumas modalidades, a temperatura de operação do reator 40 está entre cerca de 275 e 285°C, tal como cerca de 280°C. A título de exemplo, as exigências de vapor para a configuração de contracorrente de dois estágios podem ser apro-ximadamente 3,9 kg/h (8,6 lb/hr) de vapor por kg/hr (lb/hr) de HCl a 390°C para o segundo reator 45 e 280°C para o primeiro reator 40.
[00039] Uma saída do reator 40 compreende MgOHCl sólido. Em algumas modalidades, a saída de fase sólida do reator 40 é pelo menos 55%, 60%, 65% 70%, 75% 80%, 85% 90%, 95%, 98% ou 99% de MgOHCl. Uma saída do reator 45 compreende Mg(OH)2 sólido. Em algumas modalidades, a saída de fase sólida do reator 45 é pelo me- nos 55%, 60%, 65% 70%, 75% 80%, 85% 90%, 95%, 98% ou 99% de Mg(OH)2.
[00040] Em algumas modalidades, para manter as temperaturas de reação dos reatores 40 e 45, calor pode ser fornecido aos reatores de decomposição 40, 45 indiretamente através de uma alça de fluido de aquecimento de circulação para manter o reator de decomposição na temperatura desejada. Por exemplo, revestimentos de fluido de aquecimento ao redor de cada reator 40 e 45 podem facilitar a manutenção da temperatura de operação. Na modalidade mostrada, alça de fluido de aquecimento de circulação 84 é configurada para transferir calor da corrente de gás 2 para o reator 30 e a alça de fluido de aquecimento de circulação 85 é configurada para transferir calor da corrente de gás 2 para o reator 45.
[00041] Em algumas modalidades, o material contendo MgCl2 que sai do secador 30 pode ser transportado através do aquecedor 64 antes de entrar no secador 40 para aumentar a temperatura da solução para substancialmente igual às temperaturas de operação do reator 40. Em algumas modalidades, embora não mostrado na ilustração, uma porção do fluido de aquecimento na alça de circulação 84 pode ser direcionada ao aquecedor 64 para aquecer o material contendo MgCl2 alimentado ao reator 40.
[00042] Em algumas modalidades, para a alça de fluido de aquecimento de circulação 85, a temperatura de retorno de fluido (por exemplo, para o reator de saída de fluido de aquecimento 45 e aquecedor 65) pode ser cerca de 5 a 15°C acima da temperatura de operação do reator 40; por exemplo, a temperatura de retorno do fluido pode ser cerca de 400°C. Ainda, a temperatura de fornecimento do fluido (por exemplo, a temperatura do fluido se aproximando do reator 45 e aquecedor 65) pode ser cerca de 10 a 45°C acima da temperatura de operação ou 5 a 25°C acima da temperatura de retorno, por exemplo, a temperatura de fornecimento de fluido pode ser cerca de 415°C. Na interseção da alça 85 com corrente de gás 2, a temperatura da corrente de gás 2 pode ser maior do que 500°C ou maior do que 600°C, por exemplo, a temperatura de uma corrente de exaustão de gás de combustão. Em algumas modalidades, a temperatura da corrente de gás 2 após transferência de calor para a alça 85 pode ser pelo menos 10°C maior do que a temperatura do fluido de aquecimento que se aproxima do reator 45.
[00043] Em algumas modalidades, para a alça de fluido de aquecimento de circulação 84, a temperatura de retorno de fluido (por exemplo, a temperatura do fluido de aquecimento que sai do reator 40 ou aquecedor 64) pode ser cerca de 5 a 15°C acima da temperatura de operação do reator 45; por exemplo, a temperatura de retorno de fluido pode ser cerca de 290°C. Ainda, a temperatura de fornecimento de fluido (por exemplo, a temperatura do fluido se aproximando do reator 40 ou aquecedor 64) pode ser cerca de 5 a 20°C acima da temperatura de operação ou 60 a 100°C acima da temperatura de retorno, por exemplo, a temperatura de fornecimento de fluido pode ser cerca de 355°C. Na interseção da alça 84 com corrente de gás 2, a temperatura da corrente de gás 2 pode ser maior do que 500°C ou maior do que 600°C, por exemplo, a temperatura de uma corrente de exaustão de gás de combustão. Em algumas modalidades, a temperatura da corrente de gás 2 após transferência de calor para a alça 85 pode ser pelo menos 10 graus maior do que a temperatura do fluido de aquecimento se aproximando do reator 40.
[00044] Os sólidos de Mg(OH)2 quentes que saem do reator 45 podem ser passados por um resfriador de produto sólido 74 antes de entrarem no reator de absorção 10, enquanto o produto de vapor que sai do reator 40 é combinado com a passagem de vapor 6 ao redor do reator 40. A corrente de vapor combinado passa pelo condensador de HCl 76 antes de ser bombeada para um tanque de produto de HCl.
[00045] Como evidente a partir das temperaturas de operação do reator de decomposição, há exigências de entalpia significantes para o reator de decomposição, a saber, a entalpia de reação para a decomposição de MgCl2*2H2O para Mg(OH)2 e HCl e as exigências de vapor superaquecido para injeção de vapor direta no reator de decomposição. Em algumas modalidades, o sistema 100 pode compreender uma turbina de gás ou ser configurado para receber corrente de gás 2 produzida a partir de uma turbina de gás, tal como turbina de gás de 60MW 95 na modalidade mostrada. Em algumas modalidades, a taxa de captura de CO2 total pode ser maior do que 70%, 80%, 90%, 95% ou maior do que 99%.
[00046] Em adição a uma primeira turbina de gás, o sistema 100 pode compreender um forno (não mostrado) para queimar gás natural suplementar e usar calor recuperado do gás de combustão na temperatura de chama para prover calor adicional para geração de vapor dentro do sistema 100. Em algumas modalidades, para um reator de contracorrente de dois estágios, a exigência de entalpia total para o processo pode ser cerca de 175 MMBtu/hr. O calor disponível do gás de exaustão da turbina de 60MW é cerca de 146 MMBtu/hr, deixando uma deficiência total de cerca de 29 MMBtu/hr que seria exigida para obter 100% de captura de CO2. Queima 1.4 MMSCFD de gás natural suplementar em um forno pode prover recuperação de calor a partir do gás de combustão de 44,9 MMBtu/hr. Em algumas modalidades, mais 16-17 MMBtu/hr de entalpia seriam exigidos dentro do sistema 100 para capturar este CO2 adicional. Isso resulta em um excesso de en- talpia líquido que poderia ser usado para obter 100% de captura de CO2. Se este 1.4 MMSCFD de gás natural fosse queimado em uma turbina, 5,6MW de eletricidade adicional poderiam ser produzidos (em relação aos 60MW de eletricidade produzidos na turbina de exaustão).
[00047] Com referência agora à Figura 2, é mostrada e designada aqui pelo numeral de referência 200 uma segunda modalidade de um sistema configurado para remover de uma corrente gasosa usando Mg(OH2) e regenerar o Mg(OH)2. A modalidade 200 é substancialmente similar à modalidade 100 descrita acima, exceto que o processo de decomposição compreende apenas um reator de contrafluxo de estágio único 48 e alça de fluido de aquecimento de circulação 86 ao invés de alças 84 e 85. Em algumas modalidades, a temperatura de operação do reator 48 pode estar entre 340°C a 360°C, tal como 350°C. O vapor superaquecido pode ser introduzido em uma temperatura substancialmente a mesma que a temperatura de operação.
[00048] Com referência agora à Figura 3, é mostrada aqui e designada pelo numeral de referência 300 uma modalidade de um processo de absorção de CO2 de dois estágios que pode substituir um processo de absorção de um estágio descrito acima em relação ao reator 10. O processo de dois estágios é substancialmente similar às condições descritas para o processo de um estágio, exceto que dois reatores são usados ao invés de um e uma razão molar ligeiramente maior de água para MgCl2 é requerida. Dentro do primeiro estágio, o reator 12 é configurado para a reação abaixo ocorrer: Mg(OH)2 (s) + CO2 (g) ^ MgCO3 (aq) + H2O (l) (5) dentro do segundo estágio, o reator 14 é configurado para a reação abaixo ocorrer: CaCl2 (aq) + MgCO3 (aq) ^ CaCO3 (s) + MgCk(aq) (6)
[00049] Em algumas modalidades, no reator 12, a razão molar de água para MgCO3 pode ser cerca de 3,5:1 ou cerca de 3:1. Em algumas modalidades, no reator 14, a razão molar de água para MgCl2 pode ser cerca de 5,5:1 ou cerca de 5:1.
[00050] O relatório e exemplos acima proveem uma descrição completa da estrutura e uso de modalidades exemplares. Embora certas modalidades tenham sido descritas acima com um certo grau de parti-cularidade, ou com referência a uma ou mais modalidades individuais, aqueles versados na técnica poderiam fazer várias alterações nas modalidades reveladas sem se afastar do escopo da presente invenção. Desta maneira, as modalidades ilustrativas dos presentes sistemas e processos para remoção de dióxido de carbono a partir de uma corrente gasosa e regeneração de hidróxido de magnésio não pretendem ser limitantes. Ao contrário, os presentes dispositivos, sistemas e métodos incluem todas as modificações e alternativas que se encaixarem no escopo das reivindicações, e modalidades que não aquelas mostradas podem incluir algumas ou todas das características das modalidades mostradas. Por exemplo, componentes podem ser combinados como uma estrutura unitária e/ou conexões podem ser substituídas. Ainda, onde apropriado, aspectos de qualquer um dos exemplos descritos acima podem ser combinados com aspectos de qualquer um dos ou-tros exemplos descritos para formar exemplos adicionais tendo propriedades comparáveis ou diferentes e se endereçando aos mesmos problemas ou problemas diferentes. Similarmente, será compreendido que os benefícios e vantagens descritos acima podem se relacionar a uma modalidade ou podem se relacionar a várias modalidades.

Claims (19)

1. Método de regeneração de Mg(OH)2 em um processo que reduz a quantidade de CO2 contida em uma corrente de gás, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) reagir material contendo MgCl2 com vapor em uma primeira mistura para formar produtos da etapa (a) compreendendo Mg(OH)Cl e HCl, em que o material contendo MgCl2 compreende uma razão de água para MgCl2 inferior a 2,5:1; (b) reagir Mg(OH)Cl com vapor em uma segunda mistura para formar produtos da etapa (b) compreendendo HCl e produtos contendo magnésio compreendendo principalmente Mg(OH)2; (c) reagir Mg(OH)2 com CO2, CaCl2 e vapor para formar produtos da etapa (c) compreendendo MgCl2 e CaCO3.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um escoamento gasoso passa da segunda mistura para a primeira mistura, em que o escoamento gasoso compreende HCl e vapor para reagir com o material contendo MgCl2.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa (c) compreende: misturar Mg(OH)2 da etapa (b) com CO2 contido na corrente de gás em uma terceira mistura para formar produtos da primeira etapa (c) compreendendo MgCO3 e H2O, e misturar o MgCO3 dos produtos da primeira etapa (c) com CaCl2 em uma quarta mistura para formar produtos da segunda etapa (c) compreendendo CaCO3 e MgCl2.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o produto da etapa (c) está na fase líquida e na fase sólida e em que a fase líquida é de pelo menos 50% em peso de MgCl2.
5. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que uma razão de água para MgCl2 na quarta mistura é de 4 para 1.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a separação de pelo menos uma porção do CaCO3 dos produtos da segunda etapa (c) e a remoção de uma porção da água dos produtos restantes da segunda etapa (c), de modo que a razão de água para MgCl2 seja 2 para 1.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que uma porção principal da água no restante dos produtos da segunda etapa (c) está presente na forma de di-hidrato de MgCl2.
8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o restante do produto da etapa (c) é pelo menos 50% em peso de MgCl2 aquoso.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão molar de água para MgCl2 nos produtos etapa (c) é de 5 ou menos.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o hidrato de MgCl2 da etapa (c) é MgCl2.4(H2O).
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o MgCl2 da etapa (c) é superior a 90% em peso de MgCl2.4(H2O).
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o produto da primeira etapa (a) compreende mais de 90% em peso de Mg(OH)Cl.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma porção principal de MgCl2 formada na etapa (c) está na forma de MgCl2 tetra-hidratado.
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de reação adequadas da etapa (a) compreendem uma temperatura de 250°C a 350°C.
15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de reação da etapa (a) compreendem uma temperatura de 260°C a 300°C.
16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de reação da etapa (b) compreendem uma temperatura de 350°C a 500°C.
17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de reação da etapa (b) compreendem uma temperatura de 370°C a 430°C.
18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de reação da etapa (c) compreendem uma temperatura de 140°C a 220°C.
19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as condições de reação da etapa (c) compreendem uma temperatura de 150°C a 200°C.
BR112017017948-2A 2015-02-23 2016-02-23 Método de regeneração de hidróxido de magnésio em um processo que reduz a quantidade de dióxido de carbono contida em uma corrente de gás BR112017017948B1 (pt)

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