KR101725557B1 - 개선된 통합 화학공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 고체 물질로 전환시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 a) 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료를 연료의 연소에 의해서 직접적으로 열적 활성화시켜서 활성화된 공급원료를 생성하는 단계; (b) 상기 활성화된 공급원료로부터, 적어도 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한 금속 산화물을 분리시켜서 잔여의 활성화된 공급원료를 생성하는 단계; (c) 상기 분리단계 (b) 이전 또는 이후에, 상기 활성화된 공급원료를 용매 중에 현탁시켜서 슬러리를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 잔여의 활성화된 공급원료의 슬러리를 이산화탄소와 접촉시켜서 상기 이산화탄소를 탄산마그네슘으로 전환시키는 단계를 포함한다.

Description

개선된 통합 화학공정{Improved integrated chemical process}
본 발명은 이산화탄소의 영구적이고 안전한 격리방법에 관한 것이며, 특히 이산화탄소를 고체 탄산염으로 화학적으로 전환시킴으로써 대기 중의 이산화탄소의 축적을 감소시키기 위한 효율적이고 경제적으로 실행가능한 통합 방법에 관한 것이다.
대기로부터 분리되는 이산화탄소를 저장소에 격리시키는 것은 대기로의 이산화탄소 배출량을 감소시키고자 하는 지구규모의 시도에서 필수적 요소로서 널리 인식되어 있는 개발중인 기술이다. 대기중 이산화탄소 농도의 급속한 증가는 온실가스로서의 그의 성질 및 지구온난화와 기후변화현상에 대한 기여로 인하여 관심이 모아지고 있다. 이산화탄소의 포집 및 격리를 위한 원형시범설비는 여러 나라에 존재한다. 다양한 기술이 배연가스 중의 이산화탄소의 포집 및 농축을 위해 존재하는 한편, 최신 설비들 대부분은 "지질학적 격리법(geosequestration)"으로서 알려진 지하 격리법을 이용한다. 이것은 대기로부터 적절히 격리되는 폐유정/폐가스 저장기 또는 기타 지하 다공질 구조체(underground porous formation)에서 일어날 수 있다. 이들 저장소 또는 구조체는 육지 또는 바다 아래에 놓일 수 있다. 이산화탄소용의 다른 예상가능한 지하 저장소는 이른바 "함염 대수층(saline aquifer)"이다. 심해저에 이산화탄소를 직접 저장하는 것이 조사되고 있지만 아직까지는 현저한 규모에서 성공적인 것으로 입증되지 못하였다.
또 다른 연구분야는, "광물 탄산화(mineral carbonation)"로서 알려진 것이며, 이에 의해서 이산화탄소는 알칼리 및 알칼리토금속 산화물 또는 규산염 광물과 화학 반응하여 안정한 고체 탄산염을 형성한다. 추출 및 가공된 광물을 이용하는 광물 탄산화 플랜트 중에서 상기 수단의 사용은, in - situ 탄산화와는 대조적으로, ex-situ 광물 탄산화로 알려져 있으며, 이에 따라 이산화탄소는 지하 광물 구조체 중에 퇴적시켜서 지하 구조체에 존재하고 있는 상기 광물과, 장기간의 타임프레임(timeframe)에 걸쳐서 반응한다. 본 발명은 광물 탄산화를 통한 이산화탄소 격리에 대한 ex - situ 접근법에 관한 것이다.
광물 탄산화는 여타의 이산화탄소 격리법에 비해서 다수의 잠재적 이점을 가진다. 이들 이점으로는 상대적인 성능 및 안정성 그리고 이산화탄소 가스의 누출위험의 제거를 포함한다. 더욱이, 지질학적 격리를 위한 적절한 지하저장소는 필요한 모든 위치에 존재하는 것은 아니다. 또한, 광물 탄산화의 화학반응은 탄산염 형성으로 인한 에너지의 발열적 방출로 열역학적으로 선호된다. 광물 탄산화에 필요한 다수의 광물은 풍부하며 지구상에 걸쳐서 널리 분포되어 있다. 이들 광물은 용이하게 채굴될 수 있으며 공지의 분쇄기술 및 기타 기술에 적용될 수 있다. 그것들은 일반적으로 온화하며(benign) 환경 및 안전성 위험이 용이하게 제어될 수 있다. 특히, "사문석(serpentine)"으로 널리 알려진 광물은 공지의 화석연료 매장으로부터의 전지구적인 이산화탄소 배출을 격리시키기에 충분한 양으로 이용될 수 있는 것으로 평가되고 있다. 본 발명은 사문석 또는 활석 등의 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드의 광물 탄산화 방법에 주안점을 둔다. 사문석에 대한 광물 탄산화 화학반응은 다음과 같다:
1/3Mg3Si2O5(OH)4 + CO2 = MgCO3 + 2/3Si02 + 2/3H2O
본 발명에서는 이산화탄소를 함유하는 스트림(stream)이 상기 광물 탄산화에 이용될 수 있는 것으로 고려된다. 이와 같은 스트림은 임의의 연소공정, 특히 발전용 증기의 생성공정, 또는 가스화 또는 가스 개질로서 당업계에 알려진 공정 뿐만 아니라 예를 들어 암모니아 또는 포틀랜트 시멘트 제조와 같은 전형적인 화학 제조공정으로부터의 연도가스를 기원으로 할 수 있다. 이러한 스트림에서 이산화탄소의 농도는 당해 기술분야에서 알려진 기술적 수단을 통해서 실질적으로 증가시킬 수 있다. 이들은 막 분리기술을 사용하는 것 또는 대안적으로 이산화탄소 용매 예를 들어 아민, 암모니아 또는 암모니아 화합물을 사용하는 것과 같은 이른바 "탄소 포집 기술"을 포함한다. 후자의 경우에 있어서, 이들 용매는 연도가스와 같은 희석 스트림으로부터 이산화탄소를 포집하고, 이어서 용매 재생을 수행하여 이산화탄소의 농축 스트림 및 추가적인 포집에서 사용하는 재생된 용매를 방출한다. 또는, "순산소연료연소(oxy-fuel combustion)"로서 알려진 공정에서 농축된 이산화탄소 및 수증기의 스트림은 연소공정에 공기 보다는 산소를 사용하여 공급하는 연소공정에서 직접 형성될 수 있다. 가스화로서 알려진 또 다른 공정은 적당한 공정조건하에서 탄화수소 연료의 가스화를 통해서 수소 및 비교적 순수한 이산화탄소를 생성한다.
본 발명은 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 광물 탄산화의 공정에서 이산화탄소, 예를 들어 위에서 언급한 가스 스트림에 존재하는 이산화탄소의 고형화에 관한 것이다. 본 발명에서는 이산화탄소의 고도로 농축된 스트림을 사용하는 것이 유리하지만, 더 낮은 순도 스트림의 사용이 배제되지는 않는다. 특히, 상기 공정은 필요한 경우 물 함량을 용이하게 조정할 수 있는 수성 슬러리를 사용하므로 상기 스트림에서의 물의 존재가 반드시 불리한 것은 아니다. 더욱이 본 발명의 중요한 양상은 이산화탄소 격리를 위한 느리거나 또는 덜 격렬한 공정에 적용될 수 있다. 이들은 예를 들어 대기로부터의 이산화탄소 격리를 포함할 수 있다.
본 발명은 종래공정에 비해 현저한 개선점을 제공한다. 특히 본 발명은 본 출원인 소유의 국제공개공보 WO2008/061305호에 기술된 종래공정을 개선시킨다. 상기 발명은 알칼리 또는 알칼리토금속 규산염 광물 공급원료 예를 들어 사문석을 위한 통합된 직접 연료-연소 활성화 공정 및 실행가능한 ex - situ 격리에 요구되는 탄산화 반응에 필요한 통합된 용매공정을 기술하였다. 관련 종래기술은 국제공개공보 WO2008/061305호에서도 인식되었으며 이는 본 발명에 대한 참조 종래기술로서 받아들여질 수 있다.
본 발명은 전체 공정을 종래 기대된 것 보다 경제적으로 유리하게 하며 대안적인 형태의 이산화탄소 격리법과 보다 잘 경쟁할 수 있게 한다. 그에 의해서 상기 공정은 대기로 방출되는 이산화탄소의 양을 저감하기 위해서 이산화탄소를 안정한 탄산마그네슘으로 전환시키는 경제적으로 보다 유리한 수단을 제공한다.
따라서, 본 발명은 이산화탄소를 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료와 반응시켜서 이산화탄소를 고형화하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 공급원료를 연료의 연소에 의해서 직접적으로 열적 활성화시켜서 활성화된 공급원료를 생성하는 단계; 상기 활성화된 공급원료로부터, 적어도 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한 금속 산화물을 분리시켜서 잔여의 활성화된 공급원료를 생성하는 단계; 상기 분리단계 이전 또는 이후에, 상기 활성화된 공급원료를 용매 중에 현탁시켜서 슬러리를 형성하는 단계; 및 상기 잔여의 활성화된 공급원료의 슬러리를 이산화탄소와 접촉시켜서 상기 이산화탄소를 탄산마그네슘으로 전환시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 중요한 양상은, 공급원료의 연료-연소에 의한 직접적인 열적 활성화 단계 이후에 활성화된 공급원료로부터 산화마그네슘 및 규산마그네슘과는 다른 금속 산화물을 분리시키는 것을 포함한다. 국제공개공보 WO2008/061305호에 교시된 바와 같이, 활성화는 연소에 의해서 방출되는 열이 공급원료에 직접 적용되는 연료의 연소에 의해서 달성된다. 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 상기 직접적인 열적 활성화는 상기 광물 공급원료 속에 원래 존재하는 통상적으로 미량의 비율의 다른 금속 산화물 성분과 함께 고토감람석(forsterite, 苦土橄欖石) 또는 규산마그네슘, 산화마그네슘, 실리카 및 물의 형성을 초래한다.
본 발명에 이르러, 산화마그네슘 및 규산마그네슘과는 다른 금속 산화물의 분리는 직접적인 열적 활성화 공정 후에 유리하게 수행되어 산화마그네슘 및 규산마그네슘이 풍부하고 이산화탄소와 반응하기 전에 감소된 양의 다른 금속 산화물을 갖는 잔여의 활성화된 공급원료 스트림을 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 상기 다른 금속 산화물의 제거는 다운스트림 공정요건을 실질적으로 감소시킨다. 이러한 공정에서 제거될 수 있는 금속 산화물은 철, 규소, 알루미늄, 망간, 크롬, 니켈, 티탄, 구리, 칼륨, 인, 칼슘 및 나트륨 중의 하나 이상의 산화물을 포함한다. 따라서 규소 및 알루미늄의 산화물과 같이 상업적 가치가 낮거나 또는 칼륨, 인 및 나트륨의 산화물과 같이 상업적 가치가 있기에는 불충분한 양으로 존재하는 산화물은 폐기 공정으로부터 회수될 수 있다. 공급원료 속에 함유된 충분한 상업적 가치를 갖는 상기 금속 산화물은 또한 상기 직접적인 열적 활성화 후에 분리된 스트림으로부터 회수될 수 있다. 상기 광물은 전형적으로는 철, 크롬, 니켈 및 망간의 산화물을 포함한다.
따라서, 직접적인 열적 활성화 후에 실리카 및 다른 금속 산화물의 분리는 다운스트림 공정요건 및 비용을 저감하며, 가치있는 금속 산화물의 회수는 수입원(revenue stream)을 제공한다. 따라서 전체적인 공정은 다른 형태의 이산화탄소 격리법에 비해 경제적으로 경쟁력을 갖게 한다.
본 발명에 따라, 직접적인 열적 활성화 이후에 적어도 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한 금속 산화물을 분리시키는 단계는 다양한 분리수단 예를 들어 밀도 또는 중력분리, 원심분리, 부유, 여과, 자기분리, 정전 분리 및 이들 중 하나 이상의 조합에 의해서 수행될 수 있다. 본 발명의 목적에 특히 유리한 밀도 분리기술은 스피랄(spiral), 간섭침강용기(hindered settling vessel), 집진장치(cyclone), 회전식집진기(hydrocyclone) 및 이들의 조합을 사용하는 공정을 포함한다. 밀도 분리와 자기분리의 조합이 예를 들어 철광석을 회수 및 농축하는데 특히 유리할 수 있다.
이러한 분리공정은 연합된 분리효율를 가지며, 따라서 반드시 불완전한 분리를 초래하며 그에 따라 분리되는 성분의 일부분이 다른 분리된 스트림에 영향을 미치는 것으로 당업자에게 이해될 것이다. 예를 들어 잔여의 활성화된 공급원료 스트림으로부터 분리되는 일정 비율의 금속 산화물은 반드시 상기 잔여의 활성화된 공급원료 스트림에 영향을 미치고 그 반대로 영향을 주게 된다. 따라서 특정 비율의 산화마그네슘 및/또는 규산마그네슘은 분리된 금속 산화물 스트림으로 소실될 수도 있다. 그러나, 그 목적은 잔여의 활성화된 공급원료 스트림에 산화마그네슘 및 규산마그네슘의 가장 많은 비율을 실질적으로 유지시키는 것이다. 그러므로, 적어도 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한 금속 산화물을 직접적인 열적 활성화 후에 잔여의 활성화된 공급원료로부터 분리시킨다. 본 명세서에 있어서, "적어도 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한"이라는 문구는 일반적으로 직접적인 열적 활성화 후에 활성화된 공급원료 중에 원래 존재하는 산화마그네슘 및 규산마그네슘 총량의 50% 이상을 제외시킨 것을 의미한다. 따라서, 산화마그네슘 및 규산마그네슘의 50% 이상은 잔여의 활성화된 공급원료 스트림에 유지되며, 가장 바람직하게는 75중량% 초과로 유지된다.
밀도 분리의 사용은 그것이 일반적으로 경제적 가치가 낮은 금속 산화물을 저밀도 스트림으로 분리시키면서 또한 높은 경제적 가치의 금속 산화물을 고밀도 스트림으로 분리시키게 되므로 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 원래 존재하는 산화마그네슘 및 규산마그네슘의 대부분을 함유하는 잔여의 활성화된 공급원료 스트림은 탄산마그네슘으로 전환시키는 후속 공정을 위한 중간밀도의 스트림을 형성한다.
잔여의 활성화된 공급원료는 용매 슬러리 중에 현탁되며, 다음에 이산화탄소와 접촉하여 이산화탄소를 탄산마그네슘으로 전환시킨다. 바람직하게는 상기 잔여의 활성화된 공급원료를 초임계, 액화 또는 고압 기상의 이산화탄소와 접촉시켜서 이산화탄소를 탄산마그네슘으로 실질적으로 전환시킨다. 이러한 개시와 관련하여 사용된 용어 "고압"은 5 bar 초과, 보다 바람직하게는 50 bar 초과의 압력을 뜻한다.
전형적으로 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료는 주로(50중량% 이상) 사문석 또는 활석을 포함한다.
일반적으로, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료는 추출 후 파쇄 및/또는 연마에 의한 분쇄에 적용시킨다. 국제공개공보 WO2008/061305호에 기술된 바와 같이, 탄산화 반응을 위해 최종 원하는 입자크기분포로 분쇄시키는 것은 직접적인 열적 활성화 단계 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 탄산화 반응을 위한 최종 원하는 입자크기분포는 약 75 미크론 이하이다. 이러한 크기로 연마하는 것은 직접적인 열적 활성화 이전에 수행될 수 있지만, 직접적인 연소 가열 이전에 약 500 미크론 이하의 크기로의 초기 조질 분쇄를 수행한 다음, 탄산화 반응을 위한 상기 최종 원하는 입자크기로의 후속적인 추가의 분쇄를 수행하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 후속적인 연마는 금속 산화물 분리단계 이전에 용매 슬러리와 혼합된 활성화된 공급원료를 사용한 습식 연마공정으로 유리하게 행해질 수 있다. 직접적인 열적 활성화 단계 전의 초기 조질 분쇄는 유리하게는 건식공정으로 실행됨으로써 상기 직접적인 열적 활성화 단계에서 요구되는 열부하(heat load)를 감소시킨다.
가장 바람직한 공정은 공정 전반에 결쳐서 최적의 열통합(heat integration)의 사용을 포함한다. 냉각조작에서 회수된 열은 필요한 경우 열 또는 에너지를 제공하도록 최적으로 사용된다. 예를 들어 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 예열은 상기 공정 중 여러 지점에서 회수된 열을 이용하는 하나 이상의 가열용기를 사용하여 수행될 수 있다. 이들 지점은 일반적으로 200℃ 미만, 보다 통상 약 150℃ 미만의 온도에서 유지된 반응용기에서 일반적으로 일어나는 발열성 탄산화 반응, 이산화탄소의 압축, 탈하이드록실화에 의해서 방출된 수증기 및 직접적인 열적 활성화 후의 고열 활성화된 공급원료를 포함한 직접적인 열적 활성화 공정으로부터의 고열 연도가스를 포함한다. 이들 지점으로부터 회수된 열은 상기 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 예열, 및 탄산화 반응기 용기온도로의 잔여의 활성화된 공급원료 슬러리 스트림의 가열과 같은 열 투입을 필요로 하는 다른 공정 단계에서 사용될 수 있다. 또한 추가적인 가열은 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트와 통합하여 수행될 수 있으며, 그들의 이산화탄소 배출은 현재 격리방법의 대상이다. 특히, 발전 터빈 또는 상기 연합된 플랜트 내의 다른 공정에 사용될 수 없는 상기 연합된 플랜트로부터 회수된 낮은 등급의 열이 이용될 수 있다. 유리하게는, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료 및/또는 연소용 공기는 상기 연소 가열 용기로 진입하기 전에 회수된 열을 사용하여 예열시킬 수 있다. 또한, 상기 냉각 조작으로부터 회수된 에너지는 펌프 또는 압축기를 구동시키는데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 냉각 조작으로부터의 증기가 이산화탄소의 압축을 위한 펌프 또는 압축기를 구동시키는데 특히 유리하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 한 양태에 있어서, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료를, 직접적인 열적 활성화 이전에 이산화탄소와 활성화된 공급원료의 반응으로부터 유리된 열, 및/또는 연합된 탄소계 또는 탄화수소 연료 연소, 가스화, 개질 또는 발전 공정으로부터 뽑아낸 낮은 등급의 열 또는 폐열, 및/또는 연료-연소된 가열용기로부터 생성물을 냉각시키는 것으로부터 뽑아낸 열, 및/또는 압축후 이산화탄소를 냉각시키는 것으로부터 뽑아낸 열을 이용한 연료의 연소에 의해서 방출된 열의 적용에 의해서 예열시킨다.
국제공개공보 WO2008/061305호에 개시된 바와 같이, 바람직하게는 본 명세서에서 개시된 바와 같이 예열된 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료는 탄화수소 연료의 연소로부터 방출된 열을 이용하는 적당한 반응용기에서 약 580℃ 이상, 예를 들어 약 580 내지 1200℃, 가령 약 580 내지 800℃의 필요한 활성화 온도로 최종적으로 가열시킨다. 탈하이드록실화 공정은 수증기를 방출하는 상기 조건에서 일어난다. 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드는 또한 실리카를 방출하는 규산마그네슘 또는 고토감람석으로 전환된다. 이들 온도는 전형적으로 하소조작(calcining operation)에 사용된 것보다 상당히 낮으며, 보다 에너지 효율적으로 가열용기를 이용하게 하고 그의 구조체에 저가의 내화물질을 사용할 수 있게 하며, 비용을 저감시킨다.
직접적인 열적 활성화가 일어나는 가열용기에 열을 공급하기 위해 사용된 연소 연료는 임의의 편리한 탄화수소 연료로부터 선택될 수 있다. 연합된 연소, 가스화 개질 또는 발전 플랜트에 이용될 수 있는 연료가 일반적으로 당해 목적에 편리하게 된다. 국제공개공보 WO2008/061305호에 교시된 바와 같이, 상기 연료는 석탄, 오일, 천연가스, 메탄 또는 장쇄 알칸 또는 그들의 변형물 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 추가적으로 국제공개공보 WO2008/061305호에 교시된 바와 같이, 상기 연료는 또한 실질적으로 또는 부분적으로 재생가능한 바이오매스(renewable biomass)로부터 유도된 탄화수소 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 연료는 천연가스 또는 기타 알칸의 혼합물을 포함하며, 이들은 보다 효율적이라는 점에서 바람직하다. 직접적인 열적 활성화 공정에서 상기 연료의 연소는 당해 격리공정에 적용하는 것으로 추가적인 이산화탄소를 형성한다. 따라서 상기 추가적인 이산화탄소를 최소화하는 것이 전체적인 공정측면에서 유리하다. 천연가스, 알칸 또는 재생가능한 바이오매스와 같은 연료는 상기 최소화를 달성하는데 조력한다.
국제공개공보 WO2008/061305호에 더욱 교시된 바와 같이, 상기 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 직접적인 열적 활성화는 임의의 적당한 가열용기에서 수행할 수 있다. 이것은 통상적으로 가마, 노 또는 유사한 연소실 또는 가열용기의 형태를 취한다. 공급원료는 연료로부터의 연소가스와 접촉할 수 있거나 또는 연료 연소실로부터의 복사, 전도 또는 대류에 의해서 연소가스와 분리하여 가열할 수 있다. 연소실과 상기 광물 공급원료 사이에 중간 열전달 유체의 사용이 배제되지는 않지만 그것은 덜 효율적이다. 전기로에서와 같이 열을 공급하기 위해 전기와 같은 다른 수단을 사용하는 것은 직접적인 열적 활성화를 구성하지 않으며, 따라서 과도한 에너지 요건으로 인해 부적절하다.
마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료가 연료로부터의 연소가스와의 직접적인 접촉에 의해서 가열되는 경우 연소실에서 산소-희박 연소 혼합물(oxygen-lean combustion mixture)을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 탄화수소 연료의 완전 연소를 위한 정확한 화학양론적 요건을 하회하는 산소함량을 요구한다. 이것은 상기 공급원료에 함유된 산화철의 추가적 산화 정도를 감소시키며 후속 단계에서 분리되는 산화철의 경제적 가치를 증진시킨다.
공급원료는 전형적으로는 공급원료가 연료의 연소로 방출된 열에 의해서 최종적인 활성화 온도로 상승하게 되는 최종적인 가열용기를 포함한 직렬식 열교환기(a series of heat exchangers)를 통해서 바닥 고체(ground solid)로서 운반된다. 국제공개공보 WO2008/061305호에 교시된 바와 같이, 가열 활성화 용기는 하나 이상의 실질적으로 수직인 챔버를 포함하는 수직축 설계로 될 수 있으며, 이때 공급원료가 채워지고 연료의 연소에 의해서 생성된 가스로 향류(向流) 유동한다. 또한, 고체 공급원료는 파이프 또는 용기 중의 유체 매질에서 최종적인 가열 용기를 포함한 직렬식 열교환기를 통해서 운반될 수 있으며, 상기 유체는 가스 또는 액체이다.
열적 활성화가 일어나는 가열용기에서 광물 공급원료의 교반은 공급원료의 활성화 공정 및 임의의 자유 실리카 상의 해리에 유익할 수 있으며, 가열용기에서 유리하게 사용될 수 있다. 가열용기는 활성화에 필수적인 공급원료의 탈하이드록실화의 달성을 조력하는 터불런트(turbulent) 또는 분산(dispersive) 또는 마모(attritive) 조건을 제공하도록 설계될 수 있다. 따라서 가열용기는 가열도중 공급원료를 회전 및/또는 교반하여 탈하이드록실화(활성화)를 조력하도록 설계될 수 있다. 상기 교반은 바람직하게는 스틸 볼(steel ball)과 같은 일부 추가적인 연마 및/또는 교반 매질의 존재하에 회전식 가마에서의 회전을 통해서 적용될 수 있다. 또한, 일부 교반은 바람직하게는 일부 추가적인 연마 및/또는 교반 매질의 존재하에서 축형 또는 탑형 가마 또는 유동층 로(fluidised bed furnace)에서의 향류 가스 유동을 통해서 얻어질 수 있다.
열적 활성화도중 방출된 탈하이드록실화의 물은 유리하게는 수성 슬러리 중의 공정 내부에 사용하기 위한 후속 응축기에서 회수된다.
바람직한 양태에 있어서, 공급원료를, 상기 공급원료가 공급원료에 대한 임의의 액체의 부가없이 직렬식 열교환기 및 최종적인 가열용기를 통해서 운반됨으로써 가열공정에 대한 열적 요건을 감소시키도록 필수적으로 건조한 상태에서 최종적인 가열용기를 포함한 직렬식 열교환기에서 가열한다. 열교환기 및 가열용기를 통한 공급원료의 운반의 건조수단의 사용은 기계적 동작 또는 가스 캐리어 매질을 포함할 수 있다.
대안적으로는, 열교환기 및 가열용기에서 파이프 또는 챔버를 통한 광물 공급원료의 운반은 2상 유체/고체 유동에 의해서 달성될 수 있으며, 상기 유체는 가스 또는 액체를 포함한다. 가스/고체 유체의 경우에 있어서, 캐리어 가스는 열교환기 및 가열용기를 통한 상기 광물 공급원료의 운반도중에 높은 가스 유속에 의해서 증강될 수 있는 효율적인 열전달 및 교반을 제공한다.
또한, 광물 공급원료는 액체 캐리어 중에 현탁된 슬러리로서 열교환기 및 가열용기를 통해서 운반될 수 있다. 상기 경우에 있어서, 직접적인 열적 활성화 단계에서 액체 대 고체의 비는 낮게 유지되고, 통상적으로는 나중의 탄산화 단계에서 사용된 것 보다 낮게 유지되어 슬러리 공급원료를 약 580℃ 이상, 예를 들어 약 580℃, 예를 들어 약 580℃ 내지 1200℃, 가령 약 580℃ 내지 800℃의 원하는 활성화 온도로 상승시킴에 있어서의 열적 에너지 요건을 저감하는 것이 바람직하다. 이러한 조건하에서 상기 액체는 일반적으로는 과열된다. 상기 액체 캐리어의 존재는 효율적인 열전달, 터불런트 유동 및 마그네슘의 일부 해리에 의해서 그리고 실리카 층의 차단을 조력함으로써 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 탈하이드록실화 및 실리카의 해리를 도울 수 있다. 유체 캐리어에 의한 공급원료의 전달을 위한 양태들에 있어서, 상기 캐리어는 가스 또는 액체를 포함하며, 가열용기에 공급된 열 에너지는 상기 가열용기를 통한 캐리어 유체의 재순환에 의해서 감소될 수 있다. 고체 광물 공급원료는 가열용기를 나온 후 캐리어 유체로부터 실질적으로 분리될 수 있으며 상기 캐리어 유체는 가열용기를 통해서 보다 많은 광물 공급원료를 운반하도록 재순환되고, 따라서 가열된 유체의 열 에너지를 대부분 유지한다. 실질적인 고체/유체 분리는 공지의 공정법 예를 들어 밀도 분리, 원심분리 또는 여과에 의해서 수행될 수 있다.
직접적인 열적 활성화 단계 이후에, 초기 분쇄가 비교적 조잡한 경우 입자크기를 75 미크론 이하로 감소시키기 위해서 선택적인 제 2 미세연마단계가 사용될 수 있다. 이러한 미세연마는 습식 또는 건식으로 수행될 수 있다. 습식 연마가 수행되는 경우 단지 수성 매질을 효율적으로 연마하기에 충분한 것의 부가로 행해질 수 있다.
실리카 및/또는 다른 가치있는 광물의 분리는 탄산화 반응 이전에 수행될 수 있다. 이러한 분리는 밀도 또는 중력분리, 원심분리 또는 여과, 부유, 자기 또는 정전 분리 또는 그들의 조합을 포함한 광물가공산업에 공지된 다양한 수단을 통해서 달성될 수 있다. 밀도 분리는 특히 적당한 수단을 제공한다. 밀도 분리는 간섭침강기, 집진장치, 회전식집진기, 스피랄, 지그(jig) 등과 같은 당업자에게 공지된 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 단위의 효율적인 조작이 가능하도록 물이 첨가될 수 있다. 자유 실리카 및 기타 저가의 금속 산화물은 저밀도 분획으로서 제거되며 철 이외의 가치있는 금속 산화물은 고밀도 분획으로서 제거된다. 산화철의 추가적인 풍부화는 자기 또는 정전 분리에 의해서 달성될 수 있다. 상기 조작에 물이 첨가되는 경우 공정에서 재사용을 위해 분리된 금속 산화물 스트림으로부터 회수될 수 있다. 중간 밀도의 주요 분획을 구성하는 잔여의 활성화된 공급원료에는 후속적인 탄산화 반응을 보다 효율적이게 하는 마그네슘 함량이 보다 풍부하다.
이어서 잔여의 활성화된 및 미세 연마된 공급원료를 탄산화 반응에 요구되는 슬러리 용액에 현탁시킨다. 전형적으로 용매는 약산성의 수성 또는 혼합된 수성 및/또는 염류 또는 이산화탄소와 혼화될 수 있는 다른 용매이다. 용매는 물, 약산 예를 들어 아세트산, 옥살산, 아스코르브산, 프탈산, 오르토인산, 시트르산, 포름산 또는 이들 약산의 염(salt) 용액, 염류 용액(saline solution), 수성 염류(aqueous saline) 및 중탄산나트륨 용액, 중탄산칼륨 용액, 혼합된 수성 및 알콜 용액 예를 들어 수성 에탄올 또는 메탄올 용액, 혼합된 수성 및 글리콜 용액, 혼합된 수성 및 글리세롤 용액, 또는 그들의 조합과 같이 선행기술에서 알려진 것으로부터 선택될 수 있다. 유리하게는, 중탄산나트륨을 갖는 수성 염류 용액을 포함하는 용매계가 사용될 수 있다. 이 분야의 숙련가들에게 동일시되는 다른 적당한 용매는 수성 염류 중탄산칼륨 용액이다.
이어서 상기 용매에 현탁된 잔여의 활성화된 공급원료를 이산화탄소와 접촉시켜서 탄산마그네슘을 형성한다. 바람직하게는, 상기 용매에 현탁된 활성화된 공급원료를, 고도로 터불런트하거나 또는 급속한 분산성 또는 마모성 반응용기에서 초임계, 액화 또는 고압 기상의 이산화탄소와 접촉시켜서 이산화탄소를 실질적으로 탄산염으로 전환시킨다. 바람직하게는 10 내지 200 bar, 보다 바람직하게는 50 내지 160 bar의 압력 및 10 내지 250℃, 보다 바람직하게는 10 내지 175℃의 온도가 상기 반응용기에서 사용된다.
적당한 반응용기는 고압 교반식 용기, 파이프라인 반응기 등, 또는 보다 바람직하게는 상기 활성화된 공급원료의 터불런트, 급속한 혼합 및 마모를 촉진시키는 고속 반응용기를 포함할 수 있다. 특히 연마 매질이 부가된 유동층 반응기가 유리하게 사용될 수 있다.
잔여의 활성화된 공급원료가 압축된 이산화탄소와 반응하는 반응기에서 탄산마그네슘으로의 공급원료의 전환은 미반응 공급원료, 용매 및 기타 시료를 탄산화 반응용기로 순환 및 복귀시키는 순환 재순환 스트림을 사용함으로써 개선된다. 이러한 재순환 스트림에서 추가적인 분리단계를 사용하여 고토감람석 또는 규산마그네슘을 탄산마그네슘 및 실리카로 전환시키는 탄산화 반응으로부터의 실리카 및 탄산마그네슘 반응 생성물을 제거하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 재순환 스트림은 실질적으로 미반응된 공급원료로부터 실리카 및 탄산마그네슘을 실질적으로 분리하여 상기 실질적으로 미반응된 공급원료를 반응기로 복귀시키는 추가적인 분리단계를 도입한다.
직접적인 열적 활성화 후의 분리공정에서 사용된 바와 같이, 다양한 분리수단 예를 들어 중력 또는 밀도 분리를 재차 이용하여 재순환 스트림으로부터 분리를 수행할 수 있다. 실리카 및 충분히 반응된 탄산마그네슘은 고밀도 분획으로서 제거될 수 있는데 반해, 고밀도 분획을 구성하는 나머지 미반응 규산마그네슘은 탄산화 반응기로 실질적으로 재순환될 수 있다. 제거된 실리카 및 탄산마그네슘을 탈수시키고 고체 탄산염 및 실리카 잔기를 통상적으로는 사문석 광산(mine or quarry)으로 되돌려 보내는 최종적인 폐기를 위해서 회수한다. 회수된 용매 및 미반응 공급원료는 반응기로 재순환된다. 필요에 따라 실리카 및 탄산마그네슘으 일부분을 추가적으로 가공하여 판매를 위한 추가적인 제품을 생성한다.
당업자에게는 본 명세서에서 언급되는 상기 공정 단위 예를 들어 가마, 노 또는 기타 가열용기, 분쇄공정, 분리공정 및 반응용기의 사용이 상기 용기들의 특정한 수로 제한되지 않은 것으로 이해될 것이다. 특정한 광물 탄산화 설비에 대한 필요한 공정 산물을 제공하기 위해서 복수의 상기 단위들은 직렬 또는 병렬로 사용될 수 있다. 예를 들어 기가와트 규모의 석탄-연소식 발전 플랜트에 의해서 매년 생성되는 약 15,000,000톤의 이산화탄소를 고형화 및 격리시키기 위해서 40,000,000톤의 사문석 광물이 매년 처리될 필요가 있다. 이것은 100킬로톤/day 초과 또는 4500톤/hr 초과의 사문석 처리 설비를 요구한다. 이러한 산출량에 부합하기 위해서는 다중의 대형의 병렬 처리 단위가 요구된다.
본 발명의 또 다른 적용은 대기 중의 이산화탄소 농도를 감소시켜서 지구온난화 및 기후변화의 영향을 경감하기 위해서 희석 스트림으로부터 또는 대기로부터 직접 뽑아낸 이산화탄소를 격리시키는 것에 있다. 당해 발명에 개시된 것과 같은 공정이 대기로부터의 이산화탄소의 흡수 및 고형화를 위해 적용 및 사용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서에서 개시된 핵심적인 양상 및 연합된 공정 개선 및 적용은 상기 공정에 사용될 수 있다. 특히 본 명세서에 개시된 연료의 연소에 의한 직접적인 열적 활성화 공정 및 본 명세서에서 기술된 용매 공정 및 본 명세서에서 기술된 기타 다양한 공정 개선 및 적용은 대기로부터의 이산화탄소의 포집에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 바와 같이, 활성화된 공급원료로부터 분리되는, 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한 금속 산화물은 광산으로 되돌려 폐기되거나 또는 상업적 제품으로 판매하기 위해서 추가 가공될 수 있다.
대기의 이산화탄소는 반응 전에 농축되거나 또는 대기의 이산화탄소와의 직접적인 반응에 의해서 희석 형태로 격리될 수 있다. 전자의 경우 흡수탑은 암모니아 또는 용해된 암모니아 화합물 예를 들어 탄산암모늄 화합물 예를 들어 탄산암모늄을 사용하여 상기 탑을 통과하는 공기 스트림으로부터의 이산화탄소를 중탄산암모늄으로 전환시킴으로써 상기 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 이어서 이산화탄소를 농축 스트림으로 방출시키고 열을 가하여 탄산암모늄을 재생시킬 수 있다. 이어서 이산화탄소의 농축 스트림을 앞에서 기술한 것과 동일한 공정으로 가공한다. 후자의 경우에 있어서 격리는, 본 명세서에서 교시된 바와 같이 금속 산화물 불리에 적용되고 활성화된 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 공급원료를 사용함에도 불구하고 고압 반응용기에서 보다 느리게 진행할 수 있다. 경제적 가치가 있는 금속 산화물은 판매를 위해 추가 가공될 수 있는데 반해, 저가의 금속 산화물은 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광산으로 되돌려 폐기할 수 있다. 적당히 선택된 슬러리 용매와 혼합된 잔여의 활성화된 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료를 함유하는 개방 용기, 필드, 슬러리 댐, 흡수탑, 통기된 스톡파일(aerated stockpile) 또는 힙 리치 어레인지먼트(heap leach arrangement)의 시스템이 상기 적용에 사용될 수 있다. 상기 용기, 필드, 슬러리 댐, 흡수탑 또는 통기된 스톡파일 또는 힙 리치 어레인지먼트는 활성화된 광물을 이산화탄소에, 바람직하게는 스프레이, 살포기, 또는 채널의 시스템을 통해서 수성 매질 중에서 카본산으로서 최초로 용해된 이산화탄소에 최적으로 노출하도록 설계될 수 있다. 탄산마그네슘 형태의 반응된 활성화된 광물은 이산화탄소 또는 카본산/수성 유동에 미반응의 활성화된 공급원료를 노출시키기 위해서 주기적으로 제거되어야 한다. 스톡파일의 경우에 있어서 예를 들어 반응된 층은 상기 스톡파일의 노출된 표면을 주기적으로 벗겨낼(scraped off) 수 있다. 이어서 탄산염을 포함하는 제거된 물질은 폐기를 위해서 운반할 수 있으며, 이러한 폐기는 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 공급원료 광산의 다 채굴된 영역에서 유리하다.
본 발명에 따르는 이산화탄소의 고체 탄산마그네슘으로의 장기간 격리방법의 각종 양태들은 첨부도면을 참조로 하여 오로지 예시를 목적으로 기술될 것이다. 도 1 내지 4는 본 발명의 공정을 설명하는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 개괄적 흐름도이다. 이것은 본 발명의 방법론을 이용하여 사문석 광석을 활성화하는 공정을 나타낸다. 이것은 사문석 광석이 추출되는 광산(1); 이산화탄소 배출물이 격리되는, 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2); 및 본 발명의 방법론에 따라 설계된 광물 탄산화 플랜트(5)로 진입하는 상기 이산화탄소를 함유하는 스트림(3)을 보여준다. 사문석 광석은 분쇄 회로(4)에서 500 미크론 미만의 입자크기로 파쇄 및 연마하고 직렬식 열교환기(24)로 공급하여 광물 공급원료 및 직접적인 열적 활성화를 위한 최종적인 가열용기(6)을 예열시킨다. 상기 직렬식 열교환기(24)는 냉각이 수행되는 공정의 다른 지점으로부터 뽑아낸 열을 이용한다. 이들 지점은 탄산화 반응기 생성물의 냉각(22), 압축된 이산화탄소 가스의 냉각(21) 및 열적 활성화 후 활성화된 공급원료의 냉각(10)을 포함한다. 최종적인 및 필수적인 가열용기(6)는 탄화수소 연료, 이 경우 천연가스(7)에 의해서 연소(firing)되어 온도를 적어도 580℃ 주위로 상승시키는 광석의 직접적인 열적 활성화를 제공하는 노를 포함한다. 탈하이드록실화의 물은 예를 들어 여기서 나타낸 바와 같이 탄산화 반응기(8) 이전에 최종적인 수성 슬러리(16)를 보충함에 있어서 응축기(9)에서 연도가스로부터 회수되고, 나머지 연도가스(27)로부터 분리되며 그 공정에 사용된다.
냉각 후, 활성화된 광석은 습식 연마 공정(11)에서 75 미크론 미만의 원하는 최종적인 입자크기로 추가로 연마된다. 금속 산화물 (14) 및 (13)이 밀도 분리를 이용하여 잔여의 활성화된 규산마그네슘 공급원료(15)로부터 실질적으로 분리되는 분리단계(12)의 조작을 위해서 추가의 물이 부가될 수 있다(25). 이러한 실시예에서 금속 산화물 분리단계(12)는 회전식집진기와 조합된 직렬식 간섭침강탱크를 포함한다. 저밀도 분획(13)은, 경제적 가치가 낮으며 예를 들어 여기서 나타낸 바와 같이 (19)에서 공정으로 재순환되는 용매의 회수(26) 후에 광산(1)으로 되돌려 폐기될 수 있는(18) 실리카와 같은 금속 산화물을 포함한다. 고밀도 분획(14)은 산화철과 같은 경제적 가치가 높은 금속 산화물을 포함하며, 이들은 공정에서 재사용되는 수성 용매의 회수 후에 판매를 위해 추가 가공된다. 이어서 주로 규산마그네슘을 포함하는 잔여의 활성화된 공급원료(15)는 원하는 용매 시스템 및 다른 시료(23)로 보충한 후 그리고 원하는 반응 온도로, 이 경우 155℃로 가열한(23) 후 탄산화 반응기 용기(8)로 진입시킨다.
탄산화 반응 용기(8)는 유리하게는 기계적 수단 또는 유동-유도에 의한 교반 및 마모를 이용할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 용매 시스템(16)은 염화나트륨 및 중탄산나트륨과 물의 수성 혼합물이다. 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2)로부터의 이산화탄소-함유 스트림(3)은 상기 탄산화 반응기 용기(8)로 진입시키기 전에 압축기(20)의 시스템을 통해서 액체 형태로 또는 115 bar 초과의 압력으로 압축시킨다. 열은 압축기의 시스템으로부터 회수되고(21), 열 투입을 필요로 하는 공정의 다른 부분 예를 들어 열교환기(24)에서 이용될 수 있다. 재순환 시스템(19)은, 밀도 분리를 포함하는 제 2 분리공정(17)으로부터 회수되는 실질적으로 실리카 및 탄산마그네슘 반응 생성물(25)을 포함하는 저밀도 분획의 분리 후에 실질적으로 미반응된 물질을 탄산화 반응기(8)로 되돌려 순환시킨다. 고밀도 분획은 반응기(8)로 되돌려 재순환되는(19) 고함량의 규산마그네슘을 갖는 미반응 공급원료를 주로 포함한다. 이러한 실시예에서 밀도 분리공정(17)은 직렬 회전식집진기이다. 저밀도 스트림(25)은 침강 탱크 및 여과기(26)에서 실질적으로 탈수되며 실질적으로 고체 탄산염 및 실리카 잔기(18)는 광산(1)으로 되돌려 최종적으로 폐기하기 위해서 회수되며 회수된 용매는 여기서는 (19)의 공정에서 재사용된다.
도 1에 도시된 공정에 따라 호주에서의 통상적인 미분 연료 발전 플랜트(pulverised fuel electricity generation plant)로부터의 14Mt/year의 이산화탄소 배출물의 영구 고형화가 경제적으로 실행될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 발전소는 전기 그리드(electricity grid)로 약 155,000 GWh/year을 내보내고(export) 6.4 Mt/year의 흑탄(black coal)을 소비하는 4개의 660 MW급 발전기를 구비한다. 도 1에 도시된 공정은 사문석을 활성화시키는 연료-연소로(fuel-fired furnace)에서 약 32 Mt/year의 사문석 및 0.85 Mt/year의 천연가스를 소비하는 80%의 이산화탄소 영구격리를 달성한다. 발전 플랜트로부터 산출된 전기는 사문석의 분쇄를 위해 전기를 공급하는 요건으로 인하여 격리 없이 원래 공급분의 98%로 감소하게 된다. 공정은 상기 공정으로부터 회수된 산화철의 판매를 고려한 후 이산화탄소 1톤 당 9 호주달러(A$) 미만의 비용으로 11 Mt/year 초과의 이산화탄소를 피한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 양태를 나타내는 제 2의 개괄적 흐름도이다. 이것은 본 발명의 방법론을 이용하는 사문석 광석의 활성화 방법을 보여준다. 이것은 사문석 광석이 추출되는 광산(1); 이산화탄소 배출물이 격리되는, 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2); 및 본 발명의 방법론에 따라 설계된 광물 탄산화 플랜트(5)로 진입하는 상기 이산화탄소를 함유하는 스트림(3)을 보여준다. 이러한 실시예에서 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2)는 탄화수소 공급원료로서 실질적인 비율의 재생가능한 바이오매스(16), 이 경우 20% 초과의 것을 이용한다. 이것은 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2)로부터의 배출물 대부분이 상기 공정에서 격리되고 상기 공정을 지탱하는 바이오매스 공급원료(16)의 재성장은 대기로부터 이산화탄소를 회수하므로 대기로부터 이산화탄소의 순회수를 허용한다.
사문석 광석은 분쇄 회로(4)에서 500 미크론 미만의 입자크기로 파쇄 및 연마하고 직렬식 열교환기(24)로 공급하여 광물 공급원료 및 본 실시예에서 직접적인 열적 활성화를 위한 회적식 가마를 포함하는 최종적인 가열용기(6)을 예열시킨다. 상기 직렬식 열교환기(24)는 냉각이 수행되는 공정의 다른 지점으로부터 뽑아낸 열을 이용한다. 이들 지점은 탄산화 반응기 생성물의 냉각(22), 압축된 이산화탄소 가스의 냉각(21) 및 열적 활성화 후 활성화된 공급원료의 냉각(10)을 포함한다. 이 실시예에서는 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2)로부터 뽑아낸 낮은 등급의 열 또는 폐열(28)이 광물 공급원료를 예열하는데(24) 이용된다. 최종적인 및 필수적인 가열용기(6)는 탄화수소 연료, 이 경우 재생가능한 바이오매스 연료(7)에 의해서 보충된 미분탄(pulverised coal)에 의해서 연소되어 온도를 적어도 580℃ 주위로 상승시키는 광석의 직접적인 열적 활성화를 제공하는 회전식 가마 또는 유사 연소실을 포함한다. 여기서 재생가능한 바이오매스 연료의 사용은 연료의 연소로부터 대기로의 이산화탄소의 첨가를 감소시키고 전체 공정에 의해서 달성된 이산화탄소의 순 격리를 증진시킨다. 탈하이드록실화의 물은 예를 들어 여기서 나타낸 바와 같이 탄산화 반응기(8) 이전에 최종적인 수성 슬러리(16)를 보충함에 있어서 응축기(9)에서 가마 연도가스로부터 회수되고, 나머지 연도가스(27)로부터 분리되며 그 공정에 사용된다.
냉각 후, 활성화된 광석은 추가적인 연마 공정(11)에서 75 미크론 미만의 원하는 최종적인 입자크기로 추가로 연마된다. 금속 산화물 (14) 및 (13)이 밀도 분리를 이용하여 잔여의 활성화된 규산마그네슘 공급원료(15)로부터 실질적으로 분리되는 분리단계(12)의 조작을 위해서 물이 선택적으로 부가될 수 있다(25). 이러한 실시예에서 금속 산화물 분리단계(12)는 집진장치 또는 회전식집진기와 조합된 간섭침강탱크 및 직렬의 스피랄을 포함한다. 저밀도 분획(13)은, 경제적 가치가 낮으며 예를 들어 여기서 나타낸 바와 같이 (16)에서 공정으로 재순환되는 물의 회수(26) 후에 광산(1)으로 되돌려 폐기될 수 있는(18) 실리카와 같은 금속 산화물을 포함한다. 고밀도 분획(14)은 산화철과 같은 경제적 가치가 높은 금속 산화물을 포함하며, 이들은 공정에서 재사용되는 수성 용매의 회수 후에 판매를 위해 추가 가공된다. 이어서 주로 규산마그네슘을 포함하는 잔여의 활성화된 공급원료(15)는 원하는 용매 시스템 및 다른 시료(23)로 보충한 후 그리고 원하는 반응 온도로, 이 경우 155℃로 가열한(23) 후 탄산화 반응기 용기(8)로 진입시킨다.
탄산화 반응 용기(8)는 유리하게는 기계적 수단 또는 유동-유도에 의한 교반 및 마모를 이용할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 용매 시스템(16)은 염화나트륨 및 중탄산나트륨과 물의 수성 혼합물이다. 연합된 연소, 가스화, 개질 또는 발전 플랜트(2)로부터의 이산화탄소-함유 스트림(3)은 상기 탄산화 반응기 용기(8)로 진입시키기 전에 압축기(20)의 시스템을 통해서 액체 형태로 또는 115 bar 초과의 압력으로 압축시킨다. 열은 압축기의 시스템으로부터 회수되고(21), 열 투입을 필요로 하는 공정의 다른 부분 예를 들어 열교환기(24)에서 이용될 수 있다. 재순환 시스템(19)은, 밀도 분리를 이용하는 제 2 분리공정으로부터 회수되는 실질적으로 실리카 및 탄산마그네슘 반응 생성물(25)을 포함하는 저밀도 분획의 분리 후에 실질적으로 미반응된 물질을 반응기로 되돌려 순환시킨다. 고밀도 분획은 반응기(8)로 되돌려 재순환되는(19) 고함량의 규산마그네슘을 갖는 미반응 공급원료를 주로 포함한다. 이러한 실시예에서 밀도 분리공정(17)은 직렬 회전식집진기이다. 저밀도 스트림(25)은 침강 탱크 및 여과기(26)에서 실질적으로 탈수되며 실질적으로 고체 탄산염 및 실리카 잔기(18)는 광산(1)으로 되돌려 최종적으로 폐기하기 위해서 회수되며 회수된 용매는 여기서는 (16)의 공정에서 재사용된다.
도 3은 본 발명의 특정한 양태의 또 다른 흐름도를 도시한다. 이러한 실시예에서 광물 탄산화 플랜트(5)는 도 1에 나타낸 것과 유사하지만, 이 경우에 있어서 대기로부터 회수된 이산화탄소를 격리시키는 것이 이용된다. 이산화탄소는, 이산화탄소와 반응하여 탄산염 또는 중탄산염을 형성하는 암모니아 또는 암모니아 화합물 예를 들어 탄산암모늄의 용액과 같은 재생된 포집 매질을 사용하는 포괄적 포집 화합물(generic capture compound) 중의 대기로부터 회수된다. 이어서 포괄적 포집 플랜트(2)는 이산화탄소(29)를 농축시키고 재생하고 포집 매질(28)을 포집 플랜트(2)로 되돌려 재순환시킨다. 이어서 농축 스트림의 이산화탄소(3)를 광물 탄산화 플랜트(5)로 공급하며, 상기 플랜트는 도 1의 것과 유사하며 달리 지시되지 않는한 도 1에 대해 표지된 구성요소들을 포함한다.
도 4는 본 발명의 특정한 양태의 또 다른 흐름도를 도시한다. 이러한 실시예에서 광물 탄산화 플랜트(5)는 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 직접적인 열적 활성화 및 실질적으로 산화마그네슘 및 규산마그네슘을 제외한 금속 산화물의 후속적 분리를 제공하지만, 탄산화 반응은 압력 반응용기에서 수행되지 않는다. 대신에, 이 실시예에서 탄산화 반응은 잔여의 활성화된 공급원료를 함유하고 대기에 노출되어 이산화탄소와의 접촉을 제공하는 개방 용기, 필드, 슬러리 댐, 흡수탑, 통기된 스톡파일 또는 힙 리치 어레인지먼트의 시스템에서 일어난다.
도 4는 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물이 추출되는 광산(1)을 나타낸다. 광물은 분쇄 회로(4)에서 500 미크론 미만의 입자크기로 파쇄 및 연마되고 직렬식 열교환기(20)으로 공급되어 직접적인 열적 활성화를 위해 광물 공급원료 및 최종적인 가열 용기(6)을 예열시킨다. 선택적인 직렬식 열교환기(20)는 냉각이 수행되는 공정 중의 다른 지점으로부터 뽑아낸 열을 이용한다. 이들 지점은 열적 활성화 후 활성화된 공급원료의 냉각(10) 및 직접적인 열적 활성화 용기(6)로부터 발생하는 고열 연도가스 및 응축수의 냉각(9)을 포함한다. 최종적인 및 필수적인 가열용기(6)는 탄화수소 연료, 이 경우 천연가스(7)에 의해서 연소되어 온도를 적어도 580℃ 주위로 상승시키는 광석의 직접적인 열적 활성화를 제공하는 노를 포함한다. 탈하이드록실화의 물은, 예를 들어 여기서 광물을 냉각(10)시킨 후 75 미크론 미만의 최종적인 입자크기로 습식 연마(11)하기 위한 슬러리(19)를 보충함에 있어서 나타낸 바와 같이, 응축기(9)에서 연도가스로부터 회수되고, 나머지 연도가스(21)로부터 분리되고 그 공정에 사용된다.
금속 산화물 (14) 및 (13)이 밀도 분리를 이용하여 잔여의 활성화된 규산마그네슘 공급원료(15)로부터 실질적으로 분리되는 분리단계(12)의 조작을 위해서 추가의 용매가 부가될 수 있다(16). 이러한 실시예에서 금속 산화물 분리단계(12)는 회전식집진기와 조합된 직렬식 간섭침강탱크를 포함한다. 저밀도 분획(13)은, 경제적 가치가 낮으며 예를 들어 여기서 나타낸 바와 같이 (16)에서 공정으로 재순환되는 수성 용매의 회수(22) 후에 광산(1)으로 되돌려 폐기될 수 있는(18) 실리카와 같은 금속 산화물을 포함한다.
고밀도 분획(14)은 산화철과 같은 경제적 가치가 높은 금속 산화물을 포함하며, 이들은 공정에서 예를 들어 (16)에서 재사용되는 수성 용매의 회수 후에 판매를 위해 추가 가공된다. 이어서 주로 규산마그네슘을 포함하는 잔여의 활성화된 공급원료(15)는 수성 용매의 회수(3) 및 예를 들어 (16)으로 나타낸 바와 같은 공정에서 상기 용매의 재사용 후에 통기된 또는 개방 필드, 댐, 용기, 힙 리치 어레인지먼트 등의 시스템에서 사용된다.
도 4에서, 활성화된 공급원료는 통기된 또는 개방 필드, 댐, 용기, 힙 리치 어레인지먼트 등의 시스템에서 대기 이산화탄소의 용해 및 탄산마그네슘으로의 이산화탄소의 전환을 도울 수 있는 적절히 선택된 슬러리 용매 및 시료(16)와 혼합된다. 통기된 또는 개방 필드, 댐, 용기, 힙 리치 어레인지먼트 등의 상기 시스템은 대기 중의 이산화탄소와 접촉하는 잔여의 활성화된 광물을 적절히 노출시키도록 설계된다. 증강된 공기 유동(23) 및 대기 이산화탄소의 용해를 위한 어레인지먼트, 예를 들어 공기 채널 및 용매 스프레이의 시스템은 탄산화 공정을 돕는다. 더욱이, 용매 회수를 위한 침출 조작에서 전형적으로 발견되는 용매 밀봉층 또는 멤브레인과 같은 어레인지먼트가 전형적으로 사용된다. 이산화탄소에 대한 신선한 미반응 활성화된 공급원료의 노출은 탄산마그네슘의 반응된 층들의 연속적인 제거, 예를 들어 주기적인 표면 스크래핑(scraping)에 의해서 증강된다. 이와 같이 제거된 층들은 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물이 추출되는 원래의 광산(1)에서 형성된 공간(void)으로 되돌려 폐기할 수 있다.
본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형, 생략 또는 추가가 이루어질 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에서 기술된 특정 양태 및 실시예로 제한되지 아니한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 그 정신 및 범주에 속하는 모든 변화 및 개질을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명은 본 명세서에서 개별적으로 또는 집합적으로 언급되거나 또는 지시된 단계들, 특징들, 조성들 및 화합물들 모두, 및 상기 단계들 또는 특징들 둘 이상의 임의의 또는 모든 조합들을 포함한다.
본원 명세서 및 특허청구범위 전반에 걸쳐서, 달리 언급이 없는 한, 사용된 어구 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 그의 변형어구는 기술된 구성요소 또는 단계 또는 구성요소들 또는 단계들의 군을 포괄하는 것으로 이해되어야 하며, 여타의 구성요소 또는 단계 또는 구성요소들 또는 단계들의 군을 제외시키는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본원 명세서에서 임의의 선행기술에 대한 참조도 없으며, 선행기술이 본원이 출원되는 국가의 통상의 지식의 일부를 형성하는 승인 또는 여하한 형태의 암시로서 받아들여져서도 아니 된다.

Claims (27)

  1. (a) 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료를 연료의 연소에 의해서 직접적으로 열적 활성화시켜서 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 공급원료를 탈하이드록실화(dehydroxylation)시켜 활성화된 공급원료를 생성하는 단계;
    (b) 상기 활성화된 공급원료로부터, 산화마그네슘 및 규산마그네슘의 총량의 적어도 50 중량%를 제외한 금속 산화물을 분리시켜서 잔여의 활성화된 공급원료를 생성하는 단계;
    (c) 상기 단계 (b) 이전에, 상기 활성화된 공급원료를 용매 중에 현탁시켜서 슬러리를 형성하거나 또는 단계 (b) 이후에, 잔여의 활성화된 공급원료를 용매 중에 현탁시켜서 슬러리를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 잔여의 활성화된 공급원료를 이산화탄소와 접촉시켜서 상기 이산화탄소를 탄산마그네슘으로 전환시키는 단계를 포함하며,
    상기 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료는 단계 (a)에서 직접적인 열적 활성화가 가해질 때 건조 상태에 있는 것인,
    이산화탄소를 고체 물질로 전환시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료가 적어도 50 중량%의 사문석(serpentine) 또는 활석(talc)을 포함하는 것인 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    활성화된 공급원료로부터 분리된 금속 산화물이 철, 규소, 알루미늄, 망간, 크롬, 니켈, 티탄, 구리, 칼륨, 인, 칼슘 및 나트륨 중의 하나 이상의 산화물을 포함하는 것인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 직접적인 열적 활성화가, 연소 챔버 또는 가열 용기(vessel)에서의 탄화수소 연료의 연소에 의해 방출된 열의 적용에 의해 발생하는 것인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 직접적인 열적 활성화가, 노, 가마(klin), 또는 유동층 로(fluidised bed furnace)에서 탄화수소 연료의 연소에 의해서 방출된 열의 적용에 의해서 일어나는 것인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서 직접적인 열적 활성화 전에, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 직접적인 열적 활성화로부터의 고온 연도(flue) 가스로부터의 열을 이용하여, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 탈하이드록실화에 의해 방출되는 수증기로부터의 열을 이용하여, 고온의 활성화된 공급원료로부터의 열을 이용하여, 잔여의 활성화된 공급원료의 슬러리가 이산화탄소와 접촉할 때 단계 (d)에서 방출되는 열을 이용하여, 이산화탄소 배출물이 제1항의 방법에 따라 처리되는 탄소 연료 연소 공정, 탄소 가스화 공정, 탄소 개질 공정, 탄화수소 연료 연소 공정, 탄화수소 가스화 공정, 탄화수소 개질 공정 또는 발전 공정으로부터 뽑아낸 낮은 등급의 열 또는 폐열을 이용하여, 단계 (a)에서 연료의 연소로부터의 생성물을 냉각시키는 것으로부터 뽑아낸 열을 이용하여, 및/또는 단계 (d)에서 잔여의 활성화된 공급원료의 슬러리와 접촉시키기 전에 이산화탄소가 압축될 때 이산화탄소의 냉각으로부터 뽑아낸 열을 이용하여, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료가 예열되는 것인 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    공급원료의 직접적인 열적 활성화를, 상기 공급원료의 온도를 580℃ 이상의 온도로 상승시키고 유지시킴으로써 수행하는 것인 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 공급원료를, 가열도중에 공급원료를 교반하여 공급원료의 탈하이드록실화를 조력하도록 설계된 가열용기에서 가열하는 것인 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 공급원료를, 가열용기에서 연료 연소로부터의 열의 복사, 전도 또는 대류에 의해서 연료의 연소가스와 분리하여 가열하는 것인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)에서 공급원료의 직접적인 열적 활성화를, 연소가스의 산소 함량이 이산화탄소로의 연료의 탄소 함량의 완전 연소를 위한 화학양론적 요건 보다 낮게 되도록 산소-희박 연소 혼합물(oxygen-lean combustion mixture) 중에서 수행하는 것인 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    직접적인 열적 활성화 단계 (a)에서 탈하이드록실화에 의해서 방출된 물이, 상기 직접적인 열적 활성화 단계 (a)로부터의 산출 기상 스트림에 제공된 응축기를 이용한 공정에서 회수되어, 상기 회수된 물이 슬러리를 형성하는 공정에서 재사용될 수 있는 것인 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a) 전에, 공급원료를, 공급원료 평균입자크기가 500 미크론 이하로 감소하도록 분쇄시키는 것인 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    활성화된 공급원료를 수성 용매와 혼합하고, 75 미크론 미만의 입자크기를 달성하도록 직접적인 열적 활성화 단계 (a) 이후에 그러나 분리단계 (b) 이전에 추가적으로 분쇄시키는 것인 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    단계 (b)에서, 산화마그네슘 및 규산마그네슘의 총량의 적어도 50 중량%를 제외한 금속 산화물을 분리시켜서 잔여의 활성화된 공급원료를 생성하는 단계를, 중력 또는 밀도 분리공정을 이용하여 수행하는 것인 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    산화마그네슘 및 규산마그네슘의 총량의 적어도 50 중량%를 제외한 금속 산화물을 분리시켜서 잔여의 활성화된 공급원료를 생성하는 단계를, 밀도 분리공정 및 자기 분리공정의 조합, 밀도 분리공정 및 정전 분리공정의 조합, 또는 밀도 분리공정, 자기 분리공정 및 정전 분리공정의 조합을 이용하여 수행하는 것인 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    활성화된 공급원료를, 단계 (d)에서 이산화탄소와 접촉하기 전에, 물, 약산성 수용액, 염류(saline) 용액, 이산화탄소와 혼화될 수 있는 다른 용매, 및 이들의 혼합물로부터 선택된 용매에서 현탁시키는 것인 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    용매가 약산의 염(salt) 용액, 염화나트륨 용액, 염화나트륨과 중탄산나트륨 의 혼합 수용액, 중탄산칼륨 용액, 혼합된 수성 및 알콜 용액, 혼합된 수성 및 글리콜 용액, 혼합된 수성 및 글리세롤 용액 중의 하나 이상으로부터 선택되는 것인 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    단계 (d)에서 이산화탄소는 희석 스트림 중에 있거나 또는 대기로부터 직접 회수되는 것인 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    단계 (d)에서, 활성화된 공급원료를 함유하는 개방 용기, 개방 필드, 슬러리 댐, 흡수탑, 통기된 스톡파일(aerated stockpile) 또는 힙 리치 어레인지먼트(heap leach arrangement)에서 이산화탄소를 활성화된 공급원료와 접촉시키는 것인 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    단계 (d)에서, 활성화된 공급원료를, 초임계, 액화 또는 고압 기상의 이산화탄소와 접촉시켜서 이산화탄소를 탄산마그네슘으로 전환시키는 것인 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    단계 (d)에서, 이산화탄소 및 잔여의 활성화된 공급원료를, 상기 잔여의 활성화된 공급원료의 급속한 혼합 및 마모를 제공하도록 설계된 반응용기에서 접촉시키는 것인 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    단계 (d)에서, 이산화탄소 및 잔여의 활성화된 공급원료를, 고압 교반 용기, 파이프라인 반응기, 또는 유동층 반응기에서 접촉시키는 것인 방법.
  24. 제 22 항 또는 제23항에 있어서,
    반응용기에 미반응 잔여 활성화된 공급원료 및 용매를 반응용기로 순환 및 복귀시키는 재순환 스트림을 제공하는 것인 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    재순환 스트림이, 미반응된 잔여의 활성화된 공급원료를 반응기로 복귀시키기 전에 미반응된 잔여의 활성화된 공급원료로부터 실리카 및 탄산마그네슘을 분리시키는 추가적인 분리단계를 포함하는 것인 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    분리단계가 중력 또는 밀도 분리를 이용하는 것인 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    단계 (d)에서 잔여의 활성화된 슬러리와 접촉될 이산화탄소가 구동 펌프(drive pump) 또는 컴프레서를 이용하여 압축되었으며, 구동 펌프 또는 컴프레서는 잔여의 활성화된 공급원료의 슬러리가 이산화탄소와 접촉될 때 단계 (d)에서 방출되는 열을 이용하여, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 직접적인 열적 활성화로부터의 고온 연도 가스로부터의 열을 이용하여, 마그네슘 실리케이트 하이드록사이드 광물 공급원료의 탈하이드록실화에 의해 방출되는 수증기로부터의 열을 이용하여, 고온의 활성화된 공급원료로부터의 열을 이용하여, 이산화탄소 배출물이 제1항의 방법에 따라 처리되는 탄소 연료 연소 공정, 탄소 가스화 공정, 탄소 개질 공정, 탄화수소 연료 연소 공정, 탄화수소 가스화 공정, 탄화수소 개질 공정 또는 발전 공정으로부터 뽑아낸 낮은 등급의 열 또는 폐열을 이용하여, 단계 (a)에서 연료의 연소로부터의 생성물을 냉각시키는 것으로부터 뽑아낸 열을 이용하여, 또는 단계 (d)에서 잔여의 활성화된 공급원료의 슬러리와 접촉시키기 전에 이산화탄소가 압축될 때 이산화탄소의 냉각으로부터 뽑아낸 열을 이용하여 구동되는 것인 방법.
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