BR112020022847A2 - carbonatação mineral multiestágio - Google Patents

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Emad Benhelal
Geoffrey Frederick Brent
Eric Miles Kennedy
Timothy Kenilworth Oliver
Mark Stuart Rayson
Michael Stockenhuber
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Mineral Carbonation International Pty Ltd
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Abstract

A presente invenção fornece um processo integrado para captura, sequestro e utilização do dióxido de carbono, que compreende: a) fornecer uma pasta aquosa compreendendo um líquido aquoso e um sólido particulado compreendendo um mineral de silicato de magnésio ativado; b) em um estágio de dissolução, colocar uma corrente de gás contendo CO2 em contato com a pasta aquosa a uma primeira pressão para dissolver o magnésio do mineral para produzir uma pasta compreendendo um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e um resíduo sólido exaurido em magnésio; e c) em um estágio de precipitação, precipitar o carbonato de magnésio a partir de íons magnésio dissolvidos na etapa b) por múltiplas reduções de pressão em estágios sucessivos, em que cada estágio está em uma pressão inferior à do estágio anterior; em que cada redução de pressão em estágios sucessivos libera CO2, que é correspondentemente comprimido em estágios e reciclado de volta para o estágio de dissolução.

Description

“CARBONATAÇÃO MINERAL MULTIESTÁGIO” Campo da invenção
[001] A presente invenção se refere a um processo para captura, sequestro e utilização de dióxido de carbono (CCSU) e a um sistema de reator adequado para implementar o processo.
Histórico da invenção
[002] O sequestro do gás dióxido de carbono em repositórios que são isolados da atmosfera é uma tecnologia em desenvolvimento que é amplamente reconhecida como um elemento essencial nas tentativas globais de se reduzir as emissões de dióxido de carbono para a atmosfera. O rápido aumento das concentrações atmosféricas do dióxido de carbono é preocupante devido às suas propriedades como gás de efeito estufa e à sua contribuição para os fenômenos de aquecimento global e mudanças climáticas. Instalações de demonstração de protótipos para captura e sequestro do dióxido de carbono (CCS) existem em vários países e operações em escala comercial também surgiram recentemente. Embora existam várias tecnologias para a captura e concentração de dióxido de carbono proveniente dos gases de combustão, como da combustão do carvão para geração de energia elétrica, a maioria das instalações atuais utiliza sequestro subterrâneo por injeção de dióxido de carbono pressurizado em repositórios subterrâneos adequados. Isso é comumente conhecido como geo-sequestro. Isso pode ocorrer em reservatórios de petróleo ou gás esgotados ou outras formações porosas subterrâneas que são adequadamente isoladas da atmosfera. Esses reservatórios ou formações podem estar situados sob a terra ou mar. Outro possível repositório subterrâneo para o gás dióxido de carbono são os chamados aquíferos salinos. O armazenamento direto de dióxido de carbono no fundo do oceano também foi investigado, mas ainda não foi demonstrado com sucesso em qualquer escala significativa.
[003] Outro campo de estudo para o sequestro do dióxido de carbono é conhecido como carbonatação mineral, em que o dióxido de carbono reage quimicamente com óxido de metal alcalino ou alcalino-terroso ou minerais de silicato para formar carbonatos sólidos estáveis. Esta abordagem é conhecida como carbonatação mineral ex-situ, ao contrário da carbonatação in-situ, pela qual o dióxido de carbono é depositado em formações minerais subterrâneas e reage, em períodos de tempo mais longos, com os minerais adequados em formações subterrâneas existentes. A presente invenção refere-se à abordagem ex-situ do sequestro do dióxido de carbono por meio da carbonatação de minerais de silicato para formar carbonatos.
[004] A carbonatação mineral tem muitas vantagens potenciais sobre outros métodos de sequestro do dióxido de carbono. Isso inclui a permanência e estabilidade dos carbonatos formados e a eliminação de quaisquer riscos de vazamento de gás dióxido de carbono. Além disso, sítios subterrâneos adequados para o geo-sequestro não existem em todos os locais onde são necessários, ou seja, próximos às fontes de emissão de dióxido de carbono. As reações químicas de carbonatação mineral também são favorecidas termodinamicamente, com liberação exotérmica de energia devido à formação dos carbonatos. Os minerais de silicato brutos necessários para a carbonatação mineral são abundantes e amplamente distribuídos em todo o mundo. Esses minerais podem ser facilmente extraídos e submetidos à fragmentação conhecida e outras tecnologias de processamento. Geralmente são seguros e os riscos ambientais e de segurança são facilmente administráveis. Em particular, estimou-se que o mineral de silicato de magnésio, amplamente conhecido como serpentinito, está disponível em quantidades suficientes para sequestrar todas as emissões globais de dióxido de carbono provenientes das reservas de combustível fóssil conhecidas.
[005] Os chamados processos de carbonatação de estágio único, como os descritos por O'Connor et al., 2005 - Aqueous Mineral Carbonation: Mineral Availability, Pre-treatment, Reation Parametrics and Process Studies, DOE/ARC-
TR-04-002-Albany Research Center, Albany, OR, EUA, compreende a dissolução do magnésio do mineral ativado e a precipitação do carbonato de magnésio em um único estágio, produzindo assim uma mistura de mineral não reagido, carbonato de magnésio e sílica. Esta mistura é difícil de separar em produtos viáveis. A extensão da conversão de magnésio em carbonato de magnésio também é limitada.
[006] Os chamados processos de carbonatação de dois estágios ou múltiplos estágios compreendem estágios separados de dissolução do magnésio e de precipitação do carbonato de magnésio. O estágio de dissolução do magnésio usa uma corrente de gás contendo dióxido de carbono (CO2). Vários especialistas descreveram esses processos, incluindo Mercier et al. (US 9440189B2) e Werner et al., Flue gas CO2 mineralization using thermally activated serpentine: from single-to double-step carbonation, Physical Chemistry Chemical Physics 16 (2014) 24978-24993.
[007] Os processos de multiestágios existentes para carbonatação de minérios ainda não são suficientemente eficientes para aplicação industrial, tanto pelas baixas taxas de dissolução ou precipitação quanto pelos altos custos de energia e processo.
[008] Neste contexto, seria desejável fornecer um novo processo integrado que sequestre o CO2 em carbonato e produza produtos ricos em sílica de uma maneira mais eficiente do que o descrito anteriormente.
Descrição Resumida da Invenção
[009] A presente invenção visa fornecer um processo para a captura e sequestro permanente e seguro de gás dióxido de carbono enquanto produz produtos de valor econômico. A presente invenção está particularmente preocupada com um processo integrado eficiente e economicamente viável para a conversão química de dióxido de carbono e matérias-primas de silicato de magnésio em carbonatos e silicatos sólidos, permitindo assim uma redução na quantidade de dióxido de carbono liberada para a atmosfera enquanto produz,
simultaneamente, produtos de utilidade e valor econômicos, em particular, os carbonatos de magnésio e sílica. Esta utilização de produtos categoriza o processo da invenção como captura, sequestro e utilização de dióxido de carbono (CCSU), ao contrário do CCS.
[0010] A presente invenção fornece um processo integrado para captura, sequestro e utilização de dióxido de carbono, que compreende: a) fornecer uma pasta aquosa compreendendo um líquido aquoso e um sólido particulado compreendendo um mineral de silicato de magnésio ativado; b) em um estágio de dissolução, colocar uma corrente de gás contendo CO 2 em contato com a pasta aquosa a uma primeira pressão para dissolver o magnésio do mineral para produzir uma pasta compreendendo um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e um resíduo sólido exaurido em magnésio; e c) em um estágio de precipitação, precipitar o carbonato de magnésio a partir de íons magnésio dissolvidos na etapa b) por múltiplas reduções de pressão em estágios sucessivos, em que cada estágio está em uma pressão inferior à do estágio anterior; em que cada redução de pressão em estágios sucessivos libera CO 2, que é correspondentemente comprimido em estágios e reciclado de volta para o estágio de dissolução.
[0011] A presente invenção também fornece um sistema de reator adaptado para realizar os processos da presente invenção. O sistema de reator compreende dois ou mais reatores de precipitação, cada um adaptado para propiciar a redução de pressão em estágios ao mesmo tempo em que permite recuperar os carbonatos de magnésio precipitados. O sistema de reator pode compreender um ou mais reatores de dissolução. Quando mais de um reator de dissolução é usado, os reatores de dissolução podem, por sua vez, operar em pressões sucessivamente aumentadas.
[0012] Ao longo deste relatório descritivo e das reivindicações que se seguem, a menos que o contexto exija o contrário, a palavra "compreende", e variações como "compreender" e "compreendendo", serão entendidas como implicando a inclusão de um número inteiro declarado ou etapa ou grupo de números inteiros ou etapas, mas não a exclusão de qualquer outro número inteiro ou etapa ou grupo de números inteiros ou etapas.
[0013] A referência neste relatório descritivo a qualquer publicação anterior (ou informação derivada desta), ou a qualquer matéria que seja conhecida, não é, e não deve ser considerada como um reconhecimento ou admissão ou qualquer forma de sugestão que a publicação anterior (ou informação derivada desta) ou matéria conhecida faz parte do conhecimento geral comum no campo de atuação ao qual este relatório descritivo se refere.
Breve Descrição das Figuras
[0014] As formas de realização da presente invenção são ilustradas com referência aos desenhos não limitativos anexos, nos quais a Figura 1 é um fluxograma que ilustra o processo do Exemplo 1, a Figura 2 é um fluxograma que ilustra o processo do Exemplo 2 e a Figura 3 é um fluxograma que ilustra o processo do Exemplo 3.
Descrição Detalhada da Invenção
[0015] De acordo com a invenção, os íons magnésio são fornecidos em líquido aquoso por dissolução do mineral ativado na forma particulada.
[0016] A presente invenção emprega um estágio de dissolução inicial em que uma pasta aquosa contendo um mineral de silicato de magnésio ativado (na forma particulada) é colocada em contato com uma corrente de gás contendo CO2 sob pressão. Este dissolve o magnésio do mineral para produzir uma pasta compreendendo um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e um resíduo sólido exaurido em magnésio. O magnésio dissolvido neste estágio de dissolução, e possivelmente um ou mais estágios de dissolução adicionais, é usado para a precipitação do carbonato de magnésio.
[0017] A reação de dissolução produzirá íons magnésio em solução aquosa em conjunto com os contraíons carbonato e bicarbonato. Se diferentes estágios de dissolução (reatores) são usados, o líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio produzido por cada estágio (reator) pode ser combinado antes da precipitação. No entanto, isso não é essencial.
[0018] No contexto da presente invenção, a carbonatação mineral refere- se a um processo global em que o dióxido de carbono reage com o magnésio de uma matéria-prima mineral de silicato de magnésio ativado para formar carbonatos de magnésio e sílica. A referência ao mineral de silicato de magnésio ativado refere-se ao mineral de silicato de magnésio que foi ativado por moagem ou aquecimento, ou ambos. Na invenção, as reações acontecem em líquidos aquosos com o magnésio sendo lixiviado do silicato de magnésio para o líquido aquoso em um estágio ou estágios de dissolução e o carbonato de magnésio precipitando de, pelo menos, um tal líquido em dois ou mais estágios de precipitação.
[0019] Referência a um estágio de dissolução alude a um estágio do processo em que os íons metálicos (magnésio) são lixiviados a partir do sólido mineral para o líquido aquoso. A referência ao líquido aquoso inclui líquidos em que a água é o constituinte principal (mais de 50% em massa) . O líquido aquoso pode conter, como constituinte menor (menos de 50% em massa), espécies dissolvidas, como sólido(s) ou líquido(s) miscível(is) em água. Água do mar, salmoura e soluções salinas estão incluídas aqui. A referência ao líquido aquoso também abrange espécies de gases, como o CO 2 dissolvido em água. A referência ao líquido aquoso abrange ainda um ácido ou sal de ácido dissolvido em água. O líquido aquoso pode conter uma combinação de componentes conforme descrito neste documento.
[0020] O líquido aquoso, obviamente, contém também partículas sólidas não dissolvidas. O sólido particulado compreende pelo menos um mineral de silicato de magnésio ativado. Esse sólido particulado no líquido aquoso gera a pasta aquosa. Um ou mais outros sólidos particulados podem estar presentes também no líquido aquoso. O sólido particulado estará geralmente em um estado suspenso dentro do líquido aquoso.
[0021] A referência ao(s) líquido(s) aquoso(s) carbonatado(s) enriquecido(s) em íon magnésio inclui líquidos, nos quais os íons magnésio estão em solução em conjunto com os contraíons bicarbonato e carbonato.
[0022] A corrente de gás contendo CO 2 usada no(s) estágio(s) de dissolução podem ser de fontes iguais ou diferentes. A corrente de gás pode compreender um gás de combustão de um processo de combustão de hidrocarboneto ou pode ser uma corrente relativamente pura de CO 2 capturado a partir de um processo de combustão, oxidação ou reforma de hidrocarboneto ou de processamento de gás natural. Tal corrente pode compreender concentrações de CO 2 na faixa de 2-100% em volume. Os processos de captura são bem conhecidos e podem compreender o uso de aminas ou outros absorventes ou adsorventes de CO 2 ou membranas seletivas para separar o CO2 do gás de combustão, ou captura pré- combustão, como, por exemplo, a chamada combustão oxicombustível. A corrente de gás contendo CO2 usada em um estágio de dissolução pode compreender o CO 2 liberado e reciclado de um estágio de precipitação.
[0023] A referência a um estágio de precipitação inclui processos em que íons magnésio em líquido aquoso são precipitados da solução como carbonato de magnésio sólido, que pode estar na forma de magnesita ou carbonato de magnésio hidratado, incluindo hidromagnesita, dipingita e nesqueonita ou suas misturas. A precipitação ocorre por meio de múltiplas (ou seja, duas ou mais) reduções de pressão em estágios sucessivos. Cada redução de pressão em estágios libera CO 2 e provoca a precipitação do carbonato de magnésio à medida que o pH aumenta. O CO2 liberado de cada estágio é recomprimido e reciclado correspondentemente de volta ao estágio de dissolução. O CO2 liberado de cada estágio pode ser recomprimido sob a pressão do estágio anterior ou sob a pressão do estágio de dissolução.
[0024] Esta recompressão em estágios do CO 2 liberado reduz a energia total necessária para recomprimir todo o CO 2 de volta à pressão do estágio de dissolução. O resfriamento das correntes comprimidas entre os estágios de recompressão reduzirá ainda mais a energia geral de recompressão necessária e facilitará a recuperação da água ou vapor de água arrastado a ser reciclado no processo em pontos ideais. A precipitação em cada estágio também pode ser facilitada pela alteração de uma ou mais outras condições do processo, como a temperatura.
[0025] Aqui, a menos que o contexto indique o contrário, a referência ao carbonato de magnésio abrange as formas hidratadas do carbonato de magnésio, incluindo a hidromagnesita, dipingita e nesqueonita ou suas misturas.
[0026] O sólido particulado inicial usado como matéria-prima no processo da invenção compreende um mineral de silicato de magnésio ativado, como olivina, serpentinita, dunita ou suas misturas. O sólido pode ser moído a tamanhos de partículas em que o diâmetro médio de massa (D 50) está na faixa de 5-250 mícrons, preferivelmente 20-150 mícrons. Antes ou depois da moagem, o mineral pode ser aquecido para ativá-lo para dissolução. Algumas matérias-primas podem não necessitar de aquecimento e podem ser suficientemente ativadas por moagem; compreendendo, assim, um mineral de silicato de magnésio ativado.
[0027] O mineral de silicato de magnésio pode ser ativado aquecendo o mineral particulado a uma temperatura elevada, por exemplo, na faixa de 570°C-700°C, para formar um sólido particulado ativado compreendendo silicato de magnésio desidroxilado. O sólido particulado ativado compreende silicato de magnésio desidroxilado e é geralmente resfriado abaixo de 200 °C antes de ser misturado com líquido aquoso (por exemplo, água) para produzir uma pasta aquosa. Nesta forma de realização, o calor do sólido ativado aquecido pode ser recuperado para um uso útil, como o aquecimento de outra corrente de processo ou corrente de produção para geração de energia elétrica
[0028] O resíduo sólido exaurido em magnésio de qualquer estágio de dissolução pode ser submetido a um processo de separação magnética úmida para extrair uma porção rica em ferro. Essa porção rica em ferro pode ser extraída antes de qualquer processamento subsequente e representa um produto valioso.
[0029] O resíduo sólido exaurido em magnésio de qualquer estágio de dissolução pode ser recuperado do processo e a sílica nele contida pode ser recuperada como outro produto valioso, sujeita à separação magnética ou não. O resíduo sólido exaurido em magnésio pode ser submetido a processamento químico, por exemplo, a lixiviação ácida, para purificar a sílica contida no mesmo.
[0030] As pressões e temperaturas ou outras condições operacionais de cada estágio do processo podem ser modificadas de modo a otimizar as reações em cada estágio. As pressões absolutas podem ser mantidas na faixa de 5 kPa a 20.000 kPa e as temperaturas na faixa de 10°C a 200°C. De preferência, as pressões em cada estágio de dissolução estão na faixa de 100-20.000 kPa e as temperaturas estão na faixa de 20°C-185°C. De preferência, as pressões nos estágios de precipitação são mais baixas do que no(s) estágios(s) de dissolução e estão na faixa de 5-5000 kPa e as temperaturas estão na faixa de 20°C-150°C. As pressões em cada estágio de precipitação são mais baixas do que no estágio anterior. As temperaturas ou outras condições operacionais podem ser modificadas também para otimizar a dissolução ou precipitação que ocorre em cada estágio.
[0031] Em uma forma de realização, a invenção fornece um processo no qual um líquido carbonatado enriquecido em íons magnésio é produzido pela dissolução de um mineral de silicato de magnésio ativado em um ou mais reatores alimentados por uma corrente de gás de entrada contendo CO 2 acima da pressão atmosférica e, posteriormente, em dois ou mais estágios de precipitação, induzindo uma mudança de pH no líquido pela remoção do CO 2 dissolvido por meio da redução da pressão no líquido, precipitando, assim, o carbonato de magnésio. A pressão é reduzida progressivamente em estágios, em que cada estágio apresenta uma menor pressão absoluta do que no estágio anterior. Cada redução de pressão em estágio libera o CO 2 e provoca a precipitação do carbonato de magnésio à medida que o pH aumenta. O CO2 liberado de cada estágio é recomprimido e reciclado correspondentemente de volta ao estágio de dissolução. O CO 2 liberado de cada estágio pode ser recomprimido sob a pressão do estágio anterior ou sob a pressão do estágio de dissolução.
[0032] Em uma forma de realização, a invenção fornece um processo no qual um líquido carbonatado enriquecido em íons magnésio é produzido pela dissolução de um silicato de magnésio ativado em um ou mais reatores alimentados por uma corrente de gás contendo CO2 próxima, à ou acima da pressão atmosférica e, posteriormente, em dois ou mais estágios de precipitação separados, induzindo uma mudança de pH na solução pela remoção do CO 2 dissolvido por meio da aplicação de um vácuo parcial ou pressão subatmosférica em pelo menos um dos estágios de precipitação, precipitando, assim, o carbonato de magnésio. A pressão é reduzida progressivamente em cada estágio de precipitação, em que cada estágio apresenta uma pressão absoluta mais baixa do que o estágio anterior. Cada redução de pressão em estágio libera o CO 2 e provoca a precipitação do carbonato de magnésio à medida que o pH aumenta. O CO2 liberado de cada estágio é recomprimido e reciclado correspondentemente de volta ao estágio de dissolução. O CO2 liberado de cada estágio pode ser recomprimido sob a pressão do estágio anterior ou sob a pressão do estágio de dissolução. Esta recompressão em estágios do CO2 liberado reduz a energia total necessária para a recompressão de todo o CO 2 de volta à pressão do estágio de dissolução. O resfriamento das correntes comprimidas entre os estágios de recompressão reduzirá ainda mais a energia geral de recompressão necessária e facilitará a recuperação da água ou vapor de água arrastado a ser reciclado no processo em pontos ideais.
[0033] Em uma forma de realização, o CO 2 liberado de um estágio de precipitação é comprimido sob a pressão do estágio de precipitação anterior e é misturado com o CO2 liberado do referido estágio anterior, antes da compressão posterior e da reciclagem de volta para o estágio de dissolução. Em tal forma de realização, o resfriamento é fornecido entre cada ponto de compressão para reduzir a energia necessária para a compressão posterior. A água condensada por resfriamento após cada ponto de compressão pode ser removida da corrente de gás e reciclada de volta ao processo.
[0034] As vantagens apresentadas pela invenção podem ser derivadas: · da recuperação das correntes substancialmente puras de CO2 dos estágios de precipitação que podem ser reciclados de volta para um estágio de dissolução, proporcionando assim, maiores concentrações de CO 2 para dissolução em comparação com uma corrente de entrada de gás de combustão; · da economia substancial de energia na recompressão dessas correntes devido às reduções de pressão em estágios nos estágios de precipitação. Menos energia geral é necessária para recomprimir o CO 2 liberado de cada estágio do que seria o caso se todo o CO 2 fosse liberado em um único estágio de precipitação com uma redução de pressão de estágio único. O CO 2 liberado de cada estágio, que compreende apenas uma parte do CO 2 liberado total, só pode ser comprimido também sob sua própria pressão até a pressão do estágio de compressão anterior, em vez de recomprimir todo o CO2 liberado de uma pressão baixa final de volta à pressão do estágio de dissolução. Assim, as pressões operacionais dos estágios de precipitação e recompressão podem ser selecionadas para otimizar a precipitação enquanto minimiza a energia de recompressão geral; e · do resfriamento interestágio das correntes de CO 2 recomprimidas entre os estágios, o que fornece ainda uma redução na energia de recompressão necessária, bem como a recuperação da água ou vapor de água arrastado que pode ser adicionado de volta ao processo nos pontos mais favoráveis. Esses pontos podem ser escolhidos de forma a otimizar as temperaturas e as concentrações da pasta dentro do processo.
[0035] Em uma forma de realização, a pasta que sai de um reator de dissolução é submetida a um processo de separação em um separador que separa substancialmente os sólidos dos líquidos, separando, assim, a pasta em uma corrente compreendendo um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e uma corrente compreendendo resíduo sólido exaurido em magnésio. A corrente compreendendo um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio é alimentada aos reatores de precipitação.
[0036] Em outra forma de realização, a presente invenção fornece um sistema de reator adaptado para realizar os processos da presente invenção. O sistema de reator compreende um ou mais reatores de dissolução e um ou mais reatores de precipitação adaptados para proporcionar a redução da pressão em estágios e a recuperação do CO 2 liberado e dos carbonatos de magnésio precipitados.
[0037] Em outra forma de realização, o sistema pode compreender mais do que um reator de dissolução e mais do que um reator de precipitação dispostos em configuração em série ou em paralelo, juntamente com unidades de operação pré- e pós-processamento, tais como a transferência de calor e processos de separação líquido/sólido ou líquido/gás. Neste caso, o dióxido de carbono liberado nos respectivos reatores de desgaseificação/precipitação pode ser reciclado em um ou mais reatores de dissolução, sob pressões operacionais variáveis e, opcionalmente, sob outras condições de processo, para aumentar a eficiência do processo. Nas formas de realização, uma corrente concentrada de CO 2 pode reagir com a matéria-prima mineral ativada em reatores separados ou reciclada em um ou mais reatores de dissolução, para formar carbonato de magnésio por meio de estágios subsequentes de desgaseificação/precipitação, maximizando, assim, a formação de carbonato de magnésio como um produto valioso da invenção.
[0038] A presente invenção pode proporcionar melhorias significativas em relação aos processos de carbonatação de minerais anteriores, tornando o processo geral mais energética e economicamente favorável do que se poderia esperar e, portanto, mais competitivo do que os processos anteriores. A presente invenção pode, portanto, proporcionar um meio mais favorável de conversão do dióxido de carbono em carbonatos de magnésio estáveis, permitindo, assim, uma redução na quantidade de dióxido de carbono liberado para a atmosfera. As formas de realização da invenção podem ser implementadas sob condições operacionais energeticamente vantajosas (incluindo aquelas de pressão e temperatura) quando comparadas com as condições usadas convencionalmente para carbonatação mineral ex situ. As formas de realização da invenção podem ser implementadas utilizando-se correntes de gás contendo dióxido de carbono que contêm impurezas ácidas e/ou outras em níveis mais elevados do que os processos convencionais têm permitido de alguma forma.
[0039] As formas de realização da presente invenção serão posteriormente descritas com referência aos seguintes Exemplos não limitativos.
EXEMPLO 1
[0040] A Figura 1 mostra um fluxograma de processo que ilustra as formas de realização da invenção. Para simplificar, trocadores de calor intermediários, bombas e outras unidades de processo foram omitidos. Os técnicos no assunto entenderão que tais unidades intermediárias são necessárias em certos pontos do processo.
[0041] A Figura 1 mostra um processo com um único estágio de dissolução e dois estágios de precipitação. Ela ilustra um processo de ativação (1) em que a alimentação mineral de silicato de magnésio é aquecida para produzir um mineral de silicato de magnésio ativado, um tanque de composição de pasta (2), onde a água é misturada com o mineral de silicato de magnésio ativado para produzir uma pasta aquosa do mineral ativado, um reator de dissolução (4), onde a pasta entra em contato com uma corrente de gás contendo CO 2 (3) sob pressão. Aqui, a corrente de gás contendo CO2 compreende CO2 relativamente puro de um processo de captura de gás de combustão e é pressurizada a 600 kPa. A temperatura no reator de dissolução é de 50°C. Aqui, a alimentação mineral de silicato de magnésio tem um diâmetro médio de partícula de massa de 37 mícrons. A pasta que sai do vaso do reator de dissolução (4) passa para um separador (5) que separa substancialmente a pasta em um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e resíduo sólido exaurido em magnésio. O resíduo sólido pode formar uma primeira corrente de produto e pode ser posteriormente processado por separação magnética, para recuperar o ferro, ou por lixiviação ácida.
[0042] O líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio do separador (5) é alimentado em um primeiro reator de precipitação (6), onde a precipitação do carbonato de magnésio ocorre quando a pressão é reduzida para 200 kPa. A temperatura no primeiro reator de precipitação é de 70°C. O gás CO2 liberado devido à despressurização é recomprimido (7) e reciclado de volta para o reator de dissolução (4). A pasta que sai do primeiro reator de precipitação (6) passa para um separador (5A) que separa substancialmente o carbonato de magnésio precipitado do líquido aquoso de íons magnésio restante.
[0043] O líquido aquoso de íons magnésio restante oriundo do separador (5A) é alimentado em um segundo reator de precipitação (6A), onde ocorre uma precipitação adicional do carbonato de magnésio à medida que a pressão é reduzida ainda mais para 50 kPa. A temperatura no segundo reator de precipitação é de 85°C. Além disso, o gás CO 2 liberado devido à despressurização é recomprimido (7A) e misturado com o CO 2 liberado do primeiro reator de precipitação (6) antes de ser adicionalmente comprimido (7) e reciclado de volta para o reator de dissolução (4). A pasta que sai do segundo reator de precipitação (6A) passa para um separador (5B) que separa substancialmente o carbonato de magnésio precipitado do líquido aquoso de íons magnésio remanescente. O líquido de íon magnésio restante é reciclado de volta para o tanque de composição de pasta (2). EXEMPLO 2
[0044] A Figura 2 mostra um fluxograma de processo que ilustra outras formas de realização da invenção. Para simplificar, trocadores de calor intermediários, bombas e outras unidades de processo foram omitidos. Os técnicos no assunto entenderão que tais unidades intermediárias são necessárias em certos pontos do processo.
[0045] A Figura 2 ilustra um processo de ativação (1) em que a alimentação mineral de silicato de magnésio é aquecida e moída para produzir um mineral de silicato de magnésio ativado com um diâmetro médio de partícula em massa de 45 mícrons, um tanque de composição de pasta (2), onde a água é misturada com o mineral de silicato de magnésio ativado para produzir uma pasta aquosa do mineral ativado, um primeiro reator de dissolução (4), onde a pasta entra em contato com uma corrente de gás contendo CO 2 que foi comprimida (3). Aqui, a corrente de gás contendo CO2 compreende um gás de combustão e é pressurizada a 1000 kPa, dando uma pressão parcial de CO 2 de 80 kPa. A temperatura no reator de dissolução é de 50°C. A pasta que sai do primeiro reator de dissolução (4), compreende líquido carbonatado enriquecido em íon magnésio e um resíduo sólido exaurido em magnésio. No segundo reator de dissolução (4A), o magnésio é dissolvido adicionalmente do mineral. Aqui, a pressão parcial de CO2 é de 600 kPa e a temperatura é de 60°C. A pasta que sai do segundo reator de dissolução é alimentada em uma unidade de separação (5) onde o líquido aquoso é separado do resíduo sólido que compreende um produto rico em sílica. O líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio separado é alimentado em uma série de reatores de precipitação (6) e (6A), onde ocorre a precipitação do carbonato de magnésio.
[0046] Neste exemplo, o gás CO2 é progressivamente liberado dos reatores de precipitação (6 e 6A) por duas reduções de pressão em estágios sucessivos, provocando um aumento em estágios do pH do líquido e induzindo a precipitação do carbonato de magnésio a partir do líquido aquoso carbonatado enriquecido em íon magnésio. O CO2 liberado é recomprimido (7A e 7B) e realimentado no segundo reator de dissolução (4A) a uma pressão de 600 kPa. No primeiro reator de precipitação (6), a pressão é reduzida para 200 kPa. A temperatura no primeiro reator de precipitação é de 60°C. A pasta que sai do primeiro reator de precipitação (6) passa para um separador (5A) que separa substancialmente o carbonato de magnésio precipitado do líquido aquoso de íons magnésio restante.
[0047] O líquido aquoso de íons magnésio restante oriundo do separador (5A) é alimentado em um segundo reator de precipitação (6A), onde ocorre uma precipitação adicional do carbonato de magnésio à medida que a pressão é reduzida ainda mais para 50 kPa absolutos pela aplicação de vácuo parcial. A temperatura no segundo reator de precipitação é de 65°C. O gás CO 2 liberado devido à despressurização é recomprimido (7B) e reciclado de volta para o reator de dissolução (4A).
[0048] Neste exemplo, uma corrente de produto é produzida a partir do separador (5) que compreende sólidos enriquecidos em sílica. Esta corrente pode ser posteriormente processado para produzir produtos de alto valor. Em particular, pode ser processado em um separador magnético úmido para remover uma fração rica em ferro, que pode ser um produto valioso. A fração rica em sílica restante pode ser outro produto valioso ou pode ser posteriormente processada ou purificada, por exemplo, por lixiviação ácid a de quaisquer metais remanescentes. Mais correntes de produtos são produzidas a partir dos separadores (5A e 5B) após os reatores de precipitação (6 e 6A) através da separação da pasta que sai dos reatores de precipitação em uma corrente rica em sólidos e uma corrente rica em líquidos. As correntes ricas em sólidos separadas compreendem carbonato de magnésio hidratado compreendendo nesqueonita que representa outro produto valioso. As correntes ricas em líquidos são devolvidas ao processo. EXEMPLO 3
[0049] A Figura 3 mostra um fluxograma de processo que ilustra outras formas de realização da invenção. Para simplificar, trocadores de calor intermediários, bombas e outras unidades de processo foram omitidos. Os técnicos no assunto entenderão que tais unidades intermediárias são necessárias em certos pontos do processo.
[0050] A Figura 3 mostra um processo de ativação (1) em que a alimentação contendo mineral de silicato de magnésio é aquecida e moída para produzir um mineral de silicato de magnésio ativado com um diâmetro médio de partícula de massa de 45 mícrons, um tanque de composição de pasta (2), onde a água é misturada com o mineral de silicato de magnésio ativado para produzir uma pasta aquosa do mineral ativado, um primeiro reator de dissolução (4), onde a pasta entra em contato com uma corrente de gás contendo CO 2 que foi comprimida (3). Aqui, a corrente de gás contendo CO2 compreende um gás de combustão e é pressurizada a 1000 kPa, dando uma pressão parcial de CO 2 de 80 kPa. A temperatura no primeiro reator de dissolução (4) é de 40°C. A pasta que sai do primeiro reator de dissolução (4) compreende um líquido carbonatado enriquecido em íons magnésio e um resíduo sólido exaurido em magnésio. No segundo reator de dissolução (4A), o magnésio é dissolvido adicionalmente do mineral. Aqui, a pressão parcial de CO2 é de 600 kPa e a temperatura é de 50°C. A pasta que sai do segundo reator de dissolução é alimentada em uma unidade de separação (5) onde o líquido aquoso é separado do resíduo sólido que compreende um produto rico em sílica. O líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio separado é alimentado em uma série de reatores de precipitação (6) e (6A), onde ocorre a precipitação do carbonato de magnésio.
[0051] Neste exemplo, o gás CO2 é progressivamente liberado dos reatores de precipitação (6 e 6A) por reduções de pressão em estágios sucessivos, provocando um aumento em estágios do pH no líquido e induzindo a precipitação do carbonato de magnésio a partir do líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio. No primeiro reator de precipitação (6), a pressão é reduzida para 200 kPa. A temperatura no primeiro reator de precipitação é de 60°C. A pasta que sai do primeiro reator de precipitação (6) é alimentada em uma unidade de separação (5A) onde o líquido aquoso é substancialmente separado do sólido que compreende o produto de carbonato de magnésio hidratado.
[0052] O líquido aquoso de íons magnésio restante oriundo do separador (5A) é alimentado em um segundo reator de precipitação (6A), onde ocorre uma precipitação adicional do carbonato de magnésio à medida que a pressão é reduzida ainda mais para 50 kPa absolutos pela aplicação de vácuo parcial. A temperatura no segundo reator de precipitação é de 65°C.
[0053] O CO 2 liberado do segundo reator de precipitação (6A) é recomprimido (7B) sob a pressão do primeiro reator de precipitação (6) e é misturado com CO2 liberado do primeiro reator de precipitação (6). O CO 2 misturado é recomprimido (7A) sob a pressão do segundo reator de dissolução (4A) e misturado com o CO 2 liberado do segundo reator de dissolução (4A). Este exemplo inclui unidades de resfriamento (8) e (8A) entre os estágios de compressão (7B) e (7A) e entre (7A) e (7). A água condensada é removida dessas unidades de resfriamento e pode ser reciclada de volta ao processo, por exemplo, no tanque de composição (2).
[0054] A pasta que sai do primeiro reator de precipitação (6) passa para um separador (5A) que separa substancialmente o carbonato de magnésio precipitado do líquido aquoso de íons magnésio restante.
[0055] Neste exemplo, uma corrente de produto é produzida a partir do separador (5) que compreende sólidos enriquecidos em sílica. Esta corrente pode ser posteriormente processado para produzir produtos de alto valor. Em particular, pode ser processado em um separador magnético úmido para remover uma fração rica em ferro que pode ser um produto valioso. A fração rica em sílica restante pode ser outro produto valioso ou pode ser posteriormente processada ou purificada, por exemplo, por lixiviação ácid a de quaisquer metais remanescentes. Mais correntes de produtos são produzidas a partir dos separadores (5A e 5B) após os reatores de precipitação (6 e 6A) através da separação da pasta que sai dos reatores de precipitação em uma corrente rica em sólidos e uma corrente rica em líquidos. As correntes ricas em sólidos separadas compreendem carbonato de magnésio hidratado que representa outro produto valioso. As correntes ricas em líquidos são devolvidas ao processo. Embora este exemplo mostre dois estágios de precipitação, é possível usar mais de dois desses estágios, em que cada estágio está a uma pressão mais baixa do que o estágio anterior. Quanto a dois desses estágios, o CO2 liberado de cada estágio pode ser recomprimido e reciclado para um estágio de dissolução.

Claims (13)

Reivindicações
1. PROCESSO INTEGRADO PARA CAPTURA, SEQUESTRO E UTILIZAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO, caracterizado por compreender: a) fornecer uma pasta aquosa compreendendo um líquido aquoso e um sólido particulado compreendendo um mineral de silicato de magnésio ativado; b) em um estágio de dissolução, colocar uma corrente de gás contendo CO 2 em contato com a pasta aquosa a uma primeira pressão para dissolver o magnésio do mineral para produzir uma pasta compreendendo um líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e um resíduo sólido exaurido em magnésio; e c) em um estágio de precipitação, precipitar o carbonato de magnésio a partir de íons magnésio dissolvidos na etapa b) por múltiplas reduções de pressão em estágios sucessivos, em que cada estágio está em uma pressão inferior à do estágio anterior; em que cada redução de pressão em estágios sucessivos libera CO 2, que é correspondentemente comprimido em estágios e reciclado de volta para o estágio de dissolução.
2. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio é produzido pela dissolução do mineral de silicato de magnésio ativado em um ou mais reatores alimentados por uma corrente de gás de entrada contendo CO 2 acima da pressão atmosférica e, posteriormente, em dois ou mais estágios de precipitação, induzindo uma mudança de pH no líquido pela remoção do CO2 dissolvido por meio da redução da pressão no líquido, precipitando, assim, o carbonato de magnésio.
3. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio é produzido pela dissolução do mineral de silicato de magnésio ativado em um ou mais reatores alimentados por uma corrente de gás de entrada contendo CO 2 próxima, à ou acima da pressão atmosférica e, posteriormente, em dois ou mais estágios de precipitação separados, induzindo uma mudança do pH da solução pela remoção do CO 2 dissolvido por meio da aplicação de um vácuo parcial ou pressão sub-atmosférica em pelo menos um dos estágios de precipitação, precipitando, assim, o carbonato de magnésio.
4. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o estágio de dissolução é realizado em um reator de dissolução e a pasta que sai do reator de dissolução é submetida a um processo de separação em um separador que separa substancialmente sólidos de líquidos, separando, assim, a pasta em uma corrente de pasta compreendendo o líquido aquoso carbonatado enriquecido em íons magnésio e uma corrente de pasta compreendendo o resíduo sólido exaurido em magnésio.
5. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a pressão em cada estágio de dissolução está na faixa de 100-20000 kPa e as temperaturas estão na faixa de 20°C-185°C.
6. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que uma corrente compreendendo CO 2 liberado de qualquer redução de pressão em estágios é comprimida e misturada com uma corrente compreendendo CO 2 liberado de qualquer estágio anterior antes de ser adicionalmente comprimida e reciclada de volta ao estágio de dissolução.
7. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que uma corrente compreendendo CO 2 que foi comprimida é resfriada antes de ser misturada com uma corrente compreendendo CO 2 liberado de qualquer estágio anterior antes de ser adicionalmente comprimida e reciclada de volta para o estágio de dissolução.
8. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o resfriamento condensa o vapor de água arrastado.
9. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a água condensada é reciclada de volta para o processo.
10. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o resíduo sólido exaurido em magnésio é submetido a um processo de separação magnética úmida para extrair uma porção rica em ferro do mesmo.
11. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o resíduo sólido exaurido em magnésio é submetido ao processamento químico para purificar a sílica contida no mesmo.
12. PROCESSO INTEGRADO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o processamento químico é a lixiviação ácida.
13. SISTEMA DE REATOR ADAPTADO para realizar o processo conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por o dito sistema de reator compreender dois ou mais reatores de precipitação, cada um adaptado para propiciar a redução de pressão em estágios e recuperar os carbonatos de magnésio precipitados.
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