KR20130041180A

KR20130041180A - ２개-염-기반 열분해 공정을 포함하는 이산화탄소 격리 방법

Info

Publication number: KR20130041180A
Application number: KR1020137003186A
Authority: KR
Inventors: 조이 데이비드 존스; 알 야블론스키
Original assignee: 스카이오닉 코퍼레이션
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-04-24
Also published as: TW201213002A; EA023492B1; CN103347815A; AU2011274391A1; EA201390076A1; US20120034144A1; NZ606203A; EP2590729B1; DK2590729T3; CN107673352A; SG186956A1; EP2590729A2; BR112013001232A2; MY161228A; WO2012006601A8; WO2012006601A3; TWI522163B; ZA201300599B; ES2865074T3; AU2011274391B2

Abstract

본 발명은 에너지 효율적인 이산화탄소 격리 방법에 관한 것으로서, 이에 의해 2족 실리케이트 광물 및 CO₂는 열 및 화학물질을 하나의 단계에서 다른 단계로 순환되도록 하는 2개-염 열분해 방법을 사용하여 석회석 및 모래로 전환된다.

Description

２개-염-기반 열분해 공정을 포함하는 이산화탄소 격리 방법{CARBON DIOXIDE SEQUESTRATIONS INVOLVING TWO-SALT-BASED THERMOLYTIC PROCESSES}

본원은 2010년 7월 8일자로 출원된 미국 가출원 제61/362,607호, 2010년 8월 2일자로 출원된 미국 가출원 제61/370,030호, 2010년 10월 25일자로 출원된 미국 가출원 제61/406,536호 및 2011년 3월 9일자로 출원된 미국 가출원 제61/451,078호에 대한 우선권을 주장하며, 이들의 전문은 본원에 참조로 인용된다.

I. 발명의 분야

본 발명은 일반적으로, 공급원, 예를 들어, 발전소의 폐 스트림(예: 연소 배기 가스(flue gas))으로부터 이산화탄소를 제거하고, 이에 의해 2족 실리케이트 광물은 2족 클로라이드 염 및 SiO₂로 전환되고, 2족 클로라이드 염은 2족 하이드록사이드 및/또는 2족 하이드록시클로라이드 염으로 전환되는 분야에 관한 것이다. 이들은 또한 이산화탄소와 반응하여, 임의로 촉매의 존재하에, 2족 카보네이트 염을 형성할 수 있다. 이러한 단계들은 조합되어 이산화탄소가 카보네이트 염의 형태로 격리되고, 하나 이상의 단계로부터의 부산물, 예를 들어, 열 및 화학물질이 하나 이상의 기타 단계에서 재사용되거나 재순환되는 사이클을 형성할 수 있다.

상당한 국내 및 국제적 관심사는 공기 중의 CO₂의 방출에 점점 집중되어 왔다. 특히, 대기 중의 태양열의 보유에 영향을 미쳐 "온실 효과"를 발생시키는 이 가스의 효과가 주목받아 왔다. 상기 효과의 정도에 대한 몇몇 논쟁에도 불구하고, 특히 점 배출원(point-emission source)으로부터의 CO₂(및 기타 화학물질)의 제거 비용이 충분히 적다면, 이들을 제거하는데 이점이 존재한다는 것에 모두 동의할 것이다.

온실 가스는 주로 이산화탄소로 구성되고, 시 발전소(municipal power plant), 및 현장 발전소(site-power plant)의 대규모 산업에 의해 생성되지만, 이들은 또한 임의의 보통의 탄소 연소에서도(예를 들면, 자동차, 우림 개간지, 단순 연소(simple burning) 등) 생성되기도 한다. 이들의 가장 농축된 점 배출은 통상적으로 발전소 전체에 걸쳐 발전소에서 발생되지만, 이러한 고정된 장소로부터의 감소 또는 제거가, 제거-기술을 수행하는 데에 있어서 흥미로운 점이다. 에너지 생산은 온실 가스 배출의 주요 원인이기 때문에, 다양한 수단에 의한 탄소 강도 감소, 효율 개선, 및 발전소 연소 배기 가스로부터의 탄소 격리와 같은 방법들이 지난 30년에 걸쳐 집중적으로 조사되고 연구되어 왔다.

탄소(기체 CO₂의 초기 형태로)의 격리 시도로부터 다수의 다양한 기술들을 만들어 냈으며, 이는 일반적으로 지질학적, 육상 또는 해양 시스템으로서 분류될 수 있다. 이들 기술의 개요는 문헌[참조: the Proceedings of First National Conference on Carbon Sequestration, (2001)]에 제공된다. 지금까지, 이들 기술 모두는 아니지만 다수가 너무 에너지 집약적이어서 경제적으로 실행가능하지 않지만, 많은 경우에 이산화탄소를 생성시킴으로써 수득된 에너지보다 더 많은 에너지를 소비한다. 이러한 단점 중의 하나 이상을 해결하는 다른 공정이 유리할 것이다.

언급한 단점들을 총망라하려는 것이 아니라, 폐 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 이전에 공지된 기술들의 유효성을 손상시키는 경향이 있는 다수의 단점들 중에 속하는 것이지만; 본 명세서에서 언급된 단점들은 당해 기술에서 나타나는 방법론들이 전체적으로 만족스럽지 않고, 본 명세서에 기재되고 주장된 기술들에 대한 상당한 요구가 존재함을 입증하기에는 충분하다.

발명의 요약

폐 스트림으로부터 이산화탄소를 제거함을 포함하는, 이산화탄소 격리 방법 및 장치가 본원에 기술된다. 하나의 국면에서,

(a) 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물과 물을, 제1 양이온계 하이드록사이드 염, 제1 양이온계 옥사이드 염 및/또는 제1 양이온계 하이드록시클로라이드 염을 포함하는 제1의 단계(a) 생성물 및 HCl, H₂SO₄ 또는 HNO₃를 포함하는 제2의 단계(a) 생성물을 포함하는 제1 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 반응시키는 단계;

(b) 상기 제1의 단계(a) 생성물의 일부 또는 전부와 제2 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물 및 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 및/또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물을 포함하는 제1의 단계(b) 생성물, 제2 양이온계 카보네이트 염을 포함하는 제2의 단계(b) 생성물, 및 물을 포함하는 제3의 단계(b) 생성물을 포함하는 제2 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 혼합하는 단계; 및

(c) 상기 제2 양이온계 카보네이트 염의 일부 또는 전부를 상기 제2 생성물 혼합물로부터 분리하는 단계

를 포함하고,

이에 의해 상기 이산화탄소는 광물 생성물 형태로 격리되는, 공급원에 의해 생성된 이산화탄소의 격리 방법이 제공된다.

일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물은 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이고, 제2의 단계(a) 생성물은 HCl이다. 일부 양태에서, 단계(b)의 제1 양이온계 할라이드, 설페이트, 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물은 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이다.

일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물은 MgCl₂이다. 일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물은 MgCl₂의 수화된 형태이다. 일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물은 MgCl₂·6H₂0이다. 일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 하이드록사이드 염은 Mg(OH)₂이다. 일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 하이드록시클로라이드 염은 Mg(OH)Cl이다. 일부 양태에서, 제1의 단계(a) 생성물은 주로 Mg(OH)Cl을 포함한다. 일부 양태에서, 제1의 단계(a) 생성물은 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl을 포함한다. 일부 양태에서, 제1의 단계(a) 생성물은 Mg(OH)Cl이다. 일부 양태에서, 단계(a)의 제1 양이온계 옥사이드 염은 MgO이다.

일부 양태에서, 단계(b)의 제2 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물은 제2 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물, 예를 들어, CaCl₂이다. 일부 양태에서, 단계(b)의 제1 양이온계 클로라이드 염은 MgCl₂이다. 일부 양태에서, 단계(b)의 제1 양이온계 클로라이드 염은 MgCl₂의 수화된 형태이다. 일부 양태에서, 단계(b)의 제1 양이온계 클로라이드 염은 MgCl₂·6H₂0이다.

일부 양태에서, 단계(a)의 물의 일부 또는 전부는 스팀 또는 초임수계수의 형태로 존재한다. 일부 양태에서, 단계(a)의 물의 일부 또는 전부는 단계(b)의 물로부터 수득된다. 일부 양태에서, 단계(b)는 수산화나트륨 염을 제2 혼합물에 혼합하는 단계를 추가로 포함한다.

일부 양태에서, 당해 방법은

(d) 2족 실리케이트 광물과 HCl을, 2족 클로라이드 염, 물 및 이산화규소를 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계를 추가로 포함한다.

일부 양태에서, 단계(d) 중의 HCl의 일부 또는 전부는 단계(a)로부터 수득된다. 일부 양태에서, 단계(d)의 방법은 2족 실리케이트 광물과 HCl을 진탕시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)에서 생성된 열의 일부 또는 전부가 회수된다. 일부 양태에서, 단계(b)의 제2 양이온계 클로라이드 염의 일부 또는 전부는 단계(d)의 2족 클로라이드 염이다. 일부 양태에서, 당해 방법은 분리 단계를 추가로 포함하고, 여기서 이산화규소는 단계(d)에서 형성된 2족 클로라이드 염으로부터 제거된다. 일부 양태에서, 단계(a)의 물의 일부 또는 전부는 단계(d)의 물로부터 수득된다.

일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 2족 이노실리케이트(inosilicate)를 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 CaSi0₃을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 MgSi0₃를 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 감람석(Mg₂[Si0₄])을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 사문석(Mg₆[OH]₈[Si₄0₁₀])을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 해포석(Mg₄[(OH)₂Si₆0₁₅]·6H₂0), 완화휘석(Mg₂[Si₂0₆]), 투휘석(CaMg[Si₂0₆]), 및/또는 투각섬석 Ca₂Mg₅{[OH]Si₄O₁₁}₂를 포함한다. 일부 양태에서, 2족 실리케이트는 규산철 및/또는 규산망간을 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 규산철은 철감람석(Fe₂[Si0₄])이다.

일부 양태에서, 단계(b)에서 형성된 제1 양이온계 클로라이드 염의 일부 또는 전부는 단계(a)에서 사용된 제1 양이온계 클로라이드 염이다.

일부 양태에서, 이산화탄소는 연소 배기 가스 형태로 존재하고, 여기서 연소 배기 가스는 N₂ 및 H₂0를 추가로 포함한다.

일부 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 200 내지 약 500℃의 온도를 포함한다. 일부 양태에서, 온도는 약 230 내지 약 260℃이다. 일부 양태에서, 온도는 약 250℃이다. 일부 양태에서, 온도는 약 200 내지 약 250℃이다. 일부 양태에서, 온도는 약 240℃이다.

일부 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 50 내지 약 200℃의 온도를 포함한다. 일부 양태에서, 온도는 약 90 내지 약 260℃이다. 일부 양태에서, 온도는 약 90 내지 약 230℃이다. 일부 양태에서, 온도는 약 130℃이다.

일부 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 400 내지 약 550℃의 온도를 포함한다. 일부 양태에서, 온도는 약 450 내지 약 500℃이다.

일부 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 20 내지 약 100℃의 온도를 포함한다. 일부 양태에서, 온도는 약 25 내지 약 95℃이다.

일부 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 50 내지 약 200℃의 온도를 포함한다. 일부 양태에서, 온도는 약 90 내지 약 150℃이다.

또 다른 국면에서, 본 발명은 공급원으로부터 생성된 이산화탄소를 격리시키는 방법을 제공하는 것으로,

상기 방법은

(a) 염화마그네슘 염과 물을, (i) 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl 및 (ii) 염화수소를 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 혼합하는 단계;

(b) (i) 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl, (ii) CaCl₂ 및 (iii) 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, (iv) 탄산칼슘, (v) 염화마그네슘 염 및 (vi) 물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 혼합하는 단계; 및

(c) 상기 탄산칼슘을 상기 제2 혼합물로부터 분리하는 단계

를 포함하고,

이에 의해 상기 이산화탄소는 광물 생성물 형태로 격리된다.

일부 양태에서, 단계(a)의 염화수소의 일부 또는 전부를 물과 혼합하여 염산을 형성한다. 일부 양태에서, 단계(b) (i)의 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl의 일부 또는 전부는 단계(a) (i)로부터 수득된다. 일부 양태에서, 단계(a)의 물의 일부 또는 전부는 염화마그네슘 염의 수화물 형태로 존재한다. 일부 양태에서, 단계(a)는 1개, 2개 또는 3개의 반응기에서 발생한다. 일부 양태에서, 단계(a)는 1개의 반응기에서 발생한다. 일부 양태에서, 단계(a) (i)의 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl는 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl이다. 일부 양태에서, 염화마그네슘 염은 90중량% 초과의 MgCl₂·6(H₂0)이다.

일부 양태에서, 당해 방법은

(d) 2족 실리케이트 광물과 염화수소를, 2족 클로라이드 염, 물 및 이산화규소를 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계

를 추가로 포함한다.

일부 양태에서, 단계(d)의 염화수소의 일부 또는 전부는 단계(a)로부터 수득된다. 일부 양태에서, 단계(d)는 2족 실리케이트 광물과 염산을 진탕시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 단계(a)의 염화마그네슘 염의 일부 또는 전부는 단계(d)로부터 수득된다. 일부 양태에서, 당해 방법은 분리 단계를 추가로 포함하고, 여기서 이산화규소는 단계(d)에서 형성된 2족 클로라이드 염으로부터 제거된다. 일부 양태에서, 단계(a)의 물의 일부 또는 전부는 단계(d)의 물로부터 수득된다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 2족 이노실리케이트를 포함한다.

일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 CaSi0₃을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 MgSi0₃을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 감람석을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 사문석을 포함한다. 일부 양태에서, 단계(d)의 2족 실리케이트 광물은 해포석, 완화휘석, 투휘석, 및/또는 투각섬석을 포함한다. 일부 양태에서, 2족 실리케이트는 광물화된 철 및/또는 망간을 추가로 포함한다.

일부 양태에서, 단계(b)는 CaCl₂와 물을 제2 혼합물에 혼합하는 단계를 추가로 포함한다.

본 명세서의 기타 목적, 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 실시예는 본 발명의 구체적인 양태를 지시하지만, 본 발명의 취지 및 범위 내에서 각종 변화 및 변형이 이 상세한 설명으로부터 당업자에게 자명해질 것이기 때문에, 단지 예시용으로 제시된다.

다음 도면은 본 명세서의 일부를 형성하고, 본 명세서의 특정 국면을 추가로 입증하기 위해 포함된다. 본 발명은 본원에 제시된 특정 양태의 상세한 설명과 함께 이들 도면들 중의 하나를 참조하여 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 양태에 따라 2족 카보네이트로서 C0₂를 격리시키는 2족 하이드록사이드계 공정을 위한 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 2는 Mg²⁺가 본 발명의 일부 양태에 따라 탄산칼슘으로서 C0₂를 격리시키기 위한 촉매로서 기능하는 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 3은 본원에 제공된 공정의 일부 양태에 따르는 단순화된 공정 계통도이다. 석회석(크게, 광물 방해석 CaC0₃으로 구성됨)으로서 CO₂를 격리시키는 II족 하이드록사이드계 공정이 도시되어 있다. 이 도면에서 용어 "도로 염(road salt)"은 하나 또는 둘 다가 임의로 수화된 II족 클로라이드, 예를 들어, CaCl₂및/또는 MgCl₂를 의미한다. MgCl₂를 포함하는 양태에서, 열을 사용하여 도로 염과 물(수화수 포함) 사이의 반응을 구동시켜 HCl 및 수산화마그네슘, Mg(OH)₂ 및/또는 마그네슘 하이드로클로라이드, Mg(OH)Cl을 형성할 수 있다. CaCl₂를 포함하는 양태에서, 열을 사용하여 도로 염과 물 사이의 반응을 구동시켜 수산화칼슘 및 HCl을 형성할 수 있다. 추가의 도로 염, 예를 들어, CaCl₂, 및 모래(Si0₂)를 형성하기 위해 HCl을, 예를 들어, 칼슘 이노실리케이트 암석(임의로 미분된)과 반응시킨다.
도 4는 본 발명의 일부 양태에 상응하는 단순화된 공정 계통도이다. 실리케이트 암석은 본 발명의 일부 양태에서 CaC0₃으로서 C0₂를 격리시키기 위해 사용할 수 있다. 이 도면에서 용어 "도로 염"은 하나 또는 둘 다가 임의로 수화된 II족 클로라이드, 예를 들어, CaCl₂및/또는MgCl₂를 의미한다. 도로 염 보일러에서, 열을 사용하여 도로 염, 예를 들어, MgCl₂·6H₂0와 물(수화수 포함) 사이의 반응을 구동시켜 HCl 및, 예를 들어, 수산화마그네슘, Mg(OH)₂, 및/또는 마그네슘 하이드록시클로라이드, Mg(OH)Cl를 포함하는 II족 하이드록사이드, 옥사이드 및/또는 혼합된 하이드록사이드-클로라이드를 형성할 수 있다. CaCl₂를 포함하는 양태에서, 열을 사용하여 도로 염과 물 사이의 반응을 구동시켜 수산화칼슘 및 HCl을 형성할 수 있다. HCl은 판매되거나, 추가의 도로 염, 예를 들어, CaCl₂, 및 모래(Si0₂)를 형성하기 위해 실리케이트 암석, 예를 들어, 이노실리케이트와 반응시킬 수 있다. 이들 양태 중의 일부에서, Mg²⁺ 및 Ca²⁺ 사이의 이온 교환 반응을 사용하여, 예를 들어, Mg²⁺ 이온의 순환을 허용할 수 있다.
도 5는 아스펜 플러스 공정 소프트웨어(Aspen Plus process software)를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 나타내는 공정 계통도이다. 이 양태에서, 35% MgCl₂, 65% H₂0 용액을 536℉(280℃)로 가열한 다음, 스트림을 MgCl₂ 용액 및 고체 Mg(OH)₂를 포함하는 "H₂0-MgOH"로 표지된 스트림에 방치시킨다. 통상적으로, Mg(OH)Cl을 물에 용해시킬 경우, 이는 Mg(OH)₂(고체) 및 MgCl₂(용해됨)를 형성한다. 여기서, MgCl₂는 CO₂를 직접 흡수하는데 사용되지 않고, 오히려 이를 재순환시킨다. 순 반응(net reaction)은 CaCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, CaCl₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 모의실험으로부터의 결과는 MgCl₂스트림을 재순환시킨 다음, 이를 H₂O 및 열과 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성하는데 효율적이다는 것을 제시한다. 이어서, 상기한 화합물의 하나 이상을 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 궁극적으로 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 반복한다.
도 6은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 CaCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, CaCl₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 양태에서, 6수화물을 3개의 별도 챔버에서 탈수시키고, 분해로부터 형성된 HCl이 세번째 챔버로 역 재순환시켜 임의의 부반응을 억제하는 네번째 챔버에서 분해시킨다. 이들 챔버에서 발생하는 반응들은 다음을 포함한다:
1^st 챔버: MgCl₂·6H₂0 → MgCl₂·4H₂0 + 2H₂0 100℃
2^nd 챔버: MgCl₂·4H₂0 → MgCl₂·2H₂0 + 2H₂0 125℃
3^rd 챔버: MgCl₂·2H₂0 → MgCl₂·H₂0+ H₂0 160℃
(HCl 증기 존재)
4^th 챔버: MgCl₂·H₂0 → Mg(OH)Cl + HCl 130℃
HCl을 3번째 챔버로 재순환시킨다.

* HCl 증기 존재
** HCl 증기를 3번째 챔버로 재순환시킨다.
상기 첫번째 세개 반응은 탈수를 특징으로 할 수 있는 반면, 네번째는 분해를 특징으로 할 수 있다. 실시예 2에서 보다 상세히 설명된 이 모의실험으로부터의 결과는, 저온(130-250℃)에서 MgCl₂·6H₂0의 분해로 MgO 대신 Mg(OH)Cl이 형성됨을 지시한다. 이어서, Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다.
도 7은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 CaCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, CaCl₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 양태에서, 마그네슘 6수화물을 2개의 별도 챔버에서 탈수시키고, 제3 챔버에서 분해시킨다. 탈수 및 분해 반응은 모두 제3 챔버에서 발생한다. 어떠한 재순환 HCl도 존재하지 않는다. 이들 챔버에서 발생하는 반응은 다음을 포함한다:
1^st 챔버: MgCl₂·6H₂0 → MgCl₂·4H₂0 + 2H₂0 100℃
2^nd 챔버: MgCl₂·4H₂0 → MgCl₂·2H₂0 + 2H₂0 125℃
3^rd 챔버: MgCl₂·2H₂0 → Mg(OH)Cl + HCl + H₂0 130℃
3^rd 챔버: MgCl₂·2H₂0 → MgCl₂·H₂0 + H₂0 130℃

* 재순환 HCl은 존재하지 않음
상기 제1, 제2 및 제4 반응은 탈수를 특징으로 할 수 있는 반면, 제3 반응은 분해를 특징으로 할 수 있다. 도 6의 양태에서와 같이, 이 양태에 사용된 온도는 MgCl₂·6H₂0로부터 MgO보다 Mg(OH)Cl의 형성을 유도한다. 이어서, Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성하고, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 모의실험에 대한 추가의 상세설명은 이하 실시예 3에 제공된다.
도 8은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 CaCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, CaCl₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 MgCl₂·6H₂0를 가열하여 MgO를 형성하는데 유효하다는 것을 지시한다. 이어서, MgO를 H₂0와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 마그네슘 6수화물을 450℃에서 하나의 챔버에서 동시에 탈수시키고 분해시킨다. 이는 모델 온도 범위이다. 일부 양태에서 바람직한 범위는 450℃-500℃이다. 따라서, 분해는 완전히 MgO로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:
MgCl₂·6H₂0 → MgO + 5H₂0 + 2HCl 450℃
이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 4에 제공된다.
도 9는 MgCl₂·6H₂0가 하나의 챔버에서 250℃의 저온에서 중간체 화합물Mg(OH)Cl로 분해되는 것 이외에는 도 8의 양태와 유사하게 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 이어서, Mg(OH)Cl을 물에 용해시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성하고, 이를 CaCl₂ 및 C0₂와의 동일한 반응을 통해 CaC0₃ 및 MgCl₂를 형성한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:
MgCl₂·6H₂0 → Mg(OH)Cl + HCl + 5H₂0 250℃
반응은 250℃에서 모형화한다. 일부 양태에서, 바람직한 범위는 230 내지 260℃이다. 이 모의실험에 대한 추가의 상세설명은 이하 실시예 5에 제공된다.
도 10은 MgCl₂·6H₂0의 가열된 샘플의 질량%의 그래프를 도시한다. 샘플의 초기 질량은 약 70mg이었고, 100%로 설정했다. 실험 동안, 샘플의 질량은 열적으로 분해되는 동안 측정하였다. 온도를 신속하게 150℃ 이하로 상승시킨 다음, 0.5℃/분으로 서서히 증가시켰다. 약 220℃에서, 중량은 일정해져 Mg(OH)Cl의 형성과 일치한다.
도 11은 실시예 7의 생성물에 상응하는 X-선 회절 데이터를 도시한다.
도 12는 실시예 8의 Mg(OH)₂를 사용하는 반응으로부터의 생성물에 상응하는 X-선 회절 데이터를 도시한다.
도 13은 실시예 8의 Mg(OH)Cl를 사용하는 반응으로부터의 생성물에 상응하는 X-선 회절 데이터를 도시한다.
도 14는 MgCl₂·(H₂0)의 분해시 온도 및 압력의 효과를 도시한다.
도 15는 본원에서 기술된 Ca/Mg 공정의 양태의 공정 계통도이다.
도 16은 단지 마그네슘 화합물이 사용되는 공정의 변형태의 공정 계통도이다. 이 양태에서, Ca²⁺ - Mg²⁺ 전환 반응(switching reaction)이 발생하지 않는다.
도 17은 사전 두 양태 사이에 존재하는 공정의 상이한 변형태의 공정 계통도이다. Mg²⁺의 반은 Ca²⁺로 대체되어, 생성되는 광물화된 카보네이트 MgCa(C0₃)₂ 또는 백운석을 제조한다.
도 18 - CaSi0₃-Mg(OH)Cl 공정, 케이스 10 & 11. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 제공하는 공정 계통도를 도시한다. 순 반응은 SiO₂ 및 CaCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, CaSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 CaSi0₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, Mg(OH)Cl을 형성하기 위해 MgCl₂·6H₂0의 분해를 수행하기 위한 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연소 배출 가스로부터의 열을 사용하는 것이 효율적이다는 것을 지시한다. 이어서, Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 염화마그네슘 6수화물을 제1 챔버에서 HCl 및 CaSi0₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 2수화물 MgCl₂·2H₂0로 탈수시키고, 제2 챔버에서 250℃에서 연소 배기 가스로부터의 열을 사용하여 분해시킨다. 따라서, 분해는 부분적으로 Mg(OH)Cl로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 10 및 11에 제공된다.
도 19 - CaSi0₃-MgO 공정, 케이스 12 & 13. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 SiO₂ 및 CaCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, CaSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 CaSi0₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, MgO를 형성하기 위한 MgCl₂·6H₂0의 분해를 수행하기 위해 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연소 배출 가스로부터의 열을 사용하는 것이 효율적이다는 것을 지시한다. 이어서, MgO를 H₂0와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 염화마그네슘 6수화물을 제1 챔버에서 HCl 및 CaSi0₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 2수화물 MgCl₂·2H₂0로 탈수시키고, 제2 챔버에서 450℃에서 연소 배기 가스로부터의 열을 사용하여 분해시킨다. 따라서, 분해는 완전히 MgO로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 12 및 13에 제공된다.
도 20 - MgSi0₃-Mg(OH)Cl 공정, 케이스 14 & 15. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 SiO₂ 및 MgCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, MgSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 MgSi0₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, Mg(OH)Cl을 형성하기 위해 MgCl₂·2H₂0의 분해를 수행하기 위한 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연소 배출 가스로부터의 열을 사용하는 것이 효율적이다는 것을 지시한다. 이어서, Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 MgC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 염화마그네슘은 250℃에서 연소 배기 가스로부터 열을 사용하는 분해 이전에 HCl 및 MgSi0₃으로부터의 열로 인해 2수화물 형태 MgCl₂·2H₂0로 잔류한다. 따라서, 분해는 부분적으로 Mg(OH)Cl로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 14 및 15에 제공된다.
도 21 - MgSi0₃-MgO 공정, 케이스 16 & 17. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 SiO₂ 및 MgCO₃를 형성하기 위해 저렴한 원료, MgSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 MgSi0₃와 반응하는 HCl로부터의 열과, MgO를 형성하기 위해 MgCl₂·2H₂0의 분해를 수행하기 위한 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연소 배출 가스로부터의 열을 사용하는 것이 효율적이다는 것을 지시한다. 이어서, MgO를 H₂0와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 MgC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 이 양태에서, 염화마그네슘은 450℃에서 연소 배기 가스로부터 열을 사용하는 분해 이전에 HCl 및 MgSi0₃으로부터의 열로 인해 2수화물 형태 MgCl₂·2H₂0로 잔류한다. 따라서, 분해는 완전히 MgO로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 16 및 17에 제공된다.
도 22 - 투휘석-Mg(OH)Cl 공정, 케이스 18 & 19. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 SiO₂ 및 백운석 MgCa(CO₃)₂를 형성하기 위해 저렴한 원료, 투휘석 MgCa(SiO₃)₂, CO₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 MgCa(Si0₃)₂와 반응하는 HCl로부터의 열과, Mg(OH)Cl을 형성하기 위해 MgCl₂·6H₂0의 분해를 수행하기 위한 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연소 배출 가스로부터의 열을 사용하는 것이 효율적이다는 것을 지시한다. 이어서, Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂O 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 MgCa(C0₃)₂를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 염화마그네슘 6수화물은 제1 챔버에서 HCl 및 CaSiO₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 2수화물 MgCl₂·2H₂O로 탈수시키고, 제2 챔버에서 250℃에서 연소 배기 가스로부터의 열을 사용하여 Mg(OH)Cl로 분해시킨다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 18 및 19에 제공된다.
도 23 - 투휘석-MgO 공정, 케이스 20 & 21. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 도시하는 공정 계통도이다. 순 반응은 SiO₂ 및 백운석 MgCa(CO₃)₂를 형성하기 위해 저렴한 원료, 투휘석 MgCa(SiO₃)₂, CO₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터의 CO₂의 포획이다. 이 모의실험으로부터의 결과는 MgCa(Si0₃)₂와 반응하는 HCl로부터의 열과, MgO를 형성하기 위해 MgCl₂·6H₂0의 분해를 수행하기 위한 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소 및/또는 기타 열 공급원에 의해 방출되는 연소 배출 가스로부터의 열을 사용하는 것이 효율적이다는 것을 지시한다. 이어서, MgO를 H₂0와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂O 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 MgCa(C0₃)₂를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 염화마그네슘 6수화물은 제1 챔버에서 HCl 및 CaSiO₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 2수화물 MgCl₂·2H₂O로 탈수시키고, 제2 챔버에서 450℃에서 연소 배기 가스로부터의 열을 사용하여 MgO로 분해시킨다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 이하 실시예 20 및 21에 제공된다.
도 24는 가변적인 CO₂ 연소 배기 가스 농도, 가변적인 온도, 연소 배기 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 발생되었는지, 그리고 또한 공정이 완전 또는 부분 분해에 의존하는지에 따라 포획된 CO₂ 비율(%)을 도시한다. CaSi0₃-Mg(OH)Cl 및 CaSi0₃-MgO 공정의 실시예 10 내지 13을 참조한다.
도 25는 가변적인 CO₂ 연소 배기 가스 농도, 가변적인 온도, 연소 배기 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 발생되었는지, 그리고 또한 공정이 완전 또는 부분 분해에 의존하는지에 따라 포획된 CO₂ 비율(%)을 도시한다. MgSi0₃-Mg(OH)Cl 및 MgSi0₃-MgO 공정의 실시예 14 내지 17을 참조한다.
도 26은 가변적인 CO₂ 연소 배기 가스 농도, 가변적인 온도, 연소 배기 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 발생되었는지, 그리고 또한 공정이 완전 또는 부분 분해에 의존하는지에 따라 포획된 CO₂ 비율(%)을 도시한다. 투휘석- Mg(OH)Cl 및 투휘석- MgO 공정의 실시예 18 내지 21을 참조한다.
도 27은 두 개의 상이한 염, 예를 들어, Ca²⁺ 및 Mg²⁺가 분해 및 탄산화용으로 사용되는 본 발명의 일부 양태에 상응하는 단순화된 공정 계통도이다.
도 28 및 29는 MgCl₂·6H₂0의 가열된 샘플의 질량%의 그래프를 도시한다. 샘플의 초기 질량은 각각 약 70mg이였고, 각각 100%로 설정했다. 실험 동안, 샘플의 질량은 이들이 열적으로 분해되는 동안 측정했다. 이어서, 온도를 200℃ 이하로 상승시킨 다음, 12시간 작동 시간 동안 추가로 증가시켰다. 분해된 재료의 동일성은 제공된 이론적인 플라토(plateau)를 비교함으로써 확인할 수 있다. 도 28은 두 플롯의 중첩이고, 제1 플롯은 시간(분) 대 온도(℃)의 플롯인 실선이다. 그 선은 경시적 온도 상승을 도시하고; 제2 플롯은 중량%(100%= 샘플의 원래 중량) 대 시간의 플롯인 점선이고, 이는 탈수 또는 분해에 의한 경시적 샘플 중량 감소를 도시한다. 도 29는 또한 두 플롯의 중첩이고, 제1 플롯(실선)은 온도가 증감함에 따라 샘플 중량이 감소함을 도시하는 중량% 대 온도(℃)의 플롯이고; 제2 플롯(점선)은 온도에 대한 중량%(wt.%/℃) 대 온도(℃)의 변화율의 플롯이다. 이 값이 크면, 이는 도 당 각각의 변화에 대한 중량 감소의 높은 비율을 지시한다. 이 값이 0이면, 샘플의 중량은 온도가 증가하더라도 동일하게 잔류하여 탈수 또는 분해의 부재를 지시한다. 도 28 및 29가 동일 샘플임을 주의한다.
도 30 - 500℃에서 1시간 후의 MgCl₂·6H₂0 분해. 이 그래프는 500℃에서 1시간 동안 가열한 후 MgCl₂·6H₂O의 4개의 시험 작동의 표준화된 최종 및 초기 중량을 도시한다. 일관된 최종 중량은 MgO가 이 온도에서의 분해에 의해 제조된다는 것을 확인한다.
도 31- 3개 챔버 분해. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 제공하는 공정 계통도를 도시한다. 이 양태에서, 차가운 연소 배기 가스로부터의 열(챔버 1), 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 2), 및 외부 천연 가스(챔버 3)를 열원으로서 사용한다. 이 공정 계통도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 3개의 챔버 공정을 도시한다. 제1 챔버는 200℃까지 연소 배기 가스를 가열하여 총 필요한 열의 약 8.2%의 일부 초기 열을 제공하고, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제2 챔버는 분해에 필요한 열의 83%를 제공하고, 이중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터이고, 55%는 염산의 축합 및 형성으로부터이고, 최종적으로 제3 챔버는 총 열의 8.5%인 잔류 열의 외부 공급원으로서 천연 가스를 사용한다. C0₂는 결합된 사이클 전력 천연 가스 발전소로부터 발생하고, 따라서 분해 반응을 작동시키기 위해 발전소로부터 거의 열을 이용할 수 없다.
도 32 - 4개 챔버 분해 반응. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 제공하는 공정 계통도를 도시한다. 이 양태에서, 차가운 연료 배기 가스로부터의 열(챔버 1), 추가 스팀으로부터의 열(챔버 2), 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 3), 및 외부 천연 가스(챔버 4)를 열원으로 사용한다. 이 공정 계통도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 4개 챔버 공정을 예시하고, 제1 챔버는 200℃ 연소 배기 가스를 제공하여 총 필요한 열의 약 8.2%의 일부 초기 열을 제공하고, 제2 챔버는 필요한 총열의 0.8%인 여분의 스팀 형태로 열을 제공하고, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제3 챔버는 분해에 필요한 열의 83%를 제공하고, 이중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터이고, 55%는 염산의 축합 및 형성으로부터이고, 최종적으로 제4 챔버는 총 열의 8.0%인 잔류 열의 외부 공급원으로서 천연 가스를 사용한다. C0₂는 결합된 사이클 전력 천연 가스 발전소로부터이고, 따라서 분해 반응을 작동시키기 위해 발전소로부터 거의 열을 이용할 수 없다.
도 33 - 2개 챔버 분해. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 제공하는 공정 계통도를 도시한다. 이 양태에서, 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 1), 및 외부 천연 가스(챔버 2)를 열원으로서 사용한다. 이 공정 계통도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 2개 챔버 공정을 도시하고, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제1 챔버는 분해에 필요한 열의 87%를 제공하고, 이중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터이고, 59%는 염산의 축합 및 형성으로부터이고, 제2 챔버는 총 열의 13%인 잔류 열의 외부 공급원으로서 천연 가스를 사용한다. C0₂는 결합된 사이클 전력 천연 가스 발전소로부터이고, 따라서 분해 반응을 작동시키기 위해 발전소로부터 거의 열을 이용할 수 없다.
도 34 - 2개 챔버 분해. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터 및 결과를 제공하는 공정 계통도를 도시한다. 이 양태에서, 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 1), 및 개방 사이클 천연 가스 발전소로부터의 뜨거운 연소 배기 가스(챔버 2)를 열원으로서 사용한다. 이 공정 계통도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 2개 챔버 공정을 도시하고, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제1 챔버는 분해에 필요한 열의 87%를 제공하고, 이중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터이고, 59%는 염산의 축합 및 형성으로부터이고, 제2 챔버는 총 열의 13%인 잔류 열의 외부 공급원으로서 뜨거운 연소 배기 가스를 사용한다. C0₂는 개방된 사이클 천연 가스 발전소로부터이고, 따라서 분해 반응을 작동시키기 위해 600℃ 연소 배기 가스 형태로 발전소로부터 상당한 열을 이용가능하다.
도 35는 MgCl₂·6H₂0의 M(OH)Cl 또는 MgO로의 분해를 포함하는 염 분해 반응에 사용될 수 있는 오거 반응기(Auger reactor)의 개략도를 도시한다. 이러한 반응기는 효율적인 열 사용을 위한 내부 가열, 효율적인 열 사용을 위한 외부 절연, 적당한 고체 수송(고체가 존재할 경우)을 위한 스크류 메카니즘, HCl 제거를 위한 적당한 배출구를 포함할 수 있다. 이러한 반응기를 사용하여 약 1.8kg의 약 90% Mg(OH)Cl을 제조한다.
도 36은 오거 반응기를 사용하여 Mg(OH)Cl을 제조하는 두 개의 별개의 작동에 대한 최적화 지수를 도시한다. 최적화 지수 = 전환률(%) x 효율(%).
도 37은 CaSi0₃-Mg(OH)Cl 공정을 모의실험하는 아스펜 모델의 공정 계통도를 도시한다.

예시 양태의 설명

본 발명은 2족 클로라이드가 2족 하이드록사이드 및 염화수소로 전환된 다음, 폐 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는데 사용되는 에너지 효율적 공정을 포함하는 이산화탄소 격리 방법에 관한 것이다. 일부 양태에서, 염화수소는 2족 실리케이트와 추가로 반응시켜 추가의 2족 클로라이드 출발 물질 및 실리카를 생성할 수 있다.

일부 양태에서, 본 발명의 방법 및 장치는 다음 일반 구성 요소 중의 하나 이상을 포함한다: (1) 염화수소에 의한 2족 실리케이트 광물의 2족 클로라이드 및 이산화규소로의 전환, (2) 2족 클로라이드의 2족 하이드록사이드 및 염화수소로의 전환, (3) 기상 CO₂가 2족 하이드록사이드를 포함하는 수성의 가성 혼합물에 흡수되어 2족 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 생성물 및 물을 형성하는 수성 탈탄산화, (4) 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 생성물이 상기 액체 혼합물로부터 분리되는 분리 공정, (5) 하나 이상의 단계 또는 공정 스트림으로부터 또 다른 하나 이상의 단계 또는 공정 스트림으로, 에너지를 포함하는, 부산물의 재활용 또는 순환. 이들 일반 구성 요소 각각은 이하에 추가로 상세히 설명한다.

본 발명의 많은 양태가 연소 배기 가스 스트림으로부터 CO₂ 및 기타 화학물질의 흡수를 달성하고 본원에서 기술된 본 발명의 양태의 기타 목적을 달성하기 위해 일부 에너지를 소비하는 반면, 본 발명의 특정 양태의 하나의 이점은 이들이 제공된 공급원, 예를 들어, 발전소로부터 방출된 CO₂ 대부분 또는 모두를 흡수하면서 종래 기술 분야보다 우수한 생태학적 효율을 제공한다는 점이다.

이들을 기타 CO₂-제거 공정과 구별하는 본 발명의 특정 양태의 또 다른 추가의 이점은 일부 시장 상황에서, 생성물은 필요한 반응물 또는 순수 전력 또는 발전소 상각 비용보다 상당히 더 가치가 있다는 점이다. 즉, 특정 양태는 CO₂ 및 부수적인 오염물질의 상당한 제거를 달성하면서 유익하게 클로로-하이드로-카보네이트 생성물을 생성하는 산업적 방법이다.

I. 정의

본원에 사용된 용어 "카보네이트" 또는 "카보네이트 생성물"은 일반적으로 카보네이트 그룹, [C0₃]^2-를 함유하는 광물 성분으로서 정의된다. 따라서, 당해 용어는 카보네이트/바이카보네이트 혼합물과 카보네이트 이온만을 함유하는 종 둘 다를 포함한다. 용어 "바이카보네이트" 및 "바이카보네이트 생성물"은 일반적으로 바이카보네이트 그룹 [HC0₃]^1-를 함유하는 광물 성분으로서 정의된다. 따라서, 당해 용어는 카보네이트/바이카보네이트 혼합물과 바이카보네이트 이온만을 함유하는 종 둘 다를 포함한다.

본원에 사용된 "Ca/Mg"는 Ca 단독, Mg 단독 또는 Ca와 Mg 둘 다의 혼합물을의미한다. Ca 대 Mg의 비는 예를 들어, 1:99, 5:95, 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, 95:5 및 99:1을 포함하는 0:100 내지 100:0의 범위일 수 있다. 기호 "Ca/Mg", "Mg_xCa_(1-x)" 및 Ca_xMg_(1-x)"는 동의어이다. 대조적으로, "CaMg" 또는 "MgCa"는 이들 두 이온의 1:1 비를 의미한다.

본원에 사용된 용어 "생태학적 효율"은 "열역학적 효율"과 동의어로 사용되고, 소비된 에너지당 본 발명의 특정 양태에 의해 격리된 CO₂의 양(반응식 "∂C0₂/∂E"로서 제시됨)으로 정의되고, 이 값의 적합한 단위는 kWh/ton C0₂이다. C0₂ 격리는 총 발전소 CO₂ 비율과 관련하여 명명되고; 에너지 소비량은 총 발전소 소비량과 관련하여 유사하게 명명된다.

용어 "II족" 및 "2족"은 상호교환적으로 사용된다.

"6수화물"은 MgCl₂·6H₂0을 의미한다.

본 발명의 일부 양태를 사용하는 바이카보네이트 및 카보네이트의 형성에서, 용어 "이온 비"는 그 생성물에 존재하는 탄소수로 나누어진 생성물 중의 양이온의 비를 의미한다. 따라서, 중탄산칼슘의 형성된 생성된 스트림(Ca(HC0₃)₂)은 "이온 비" 0.5(Ca/C)를 갖는 것으로 간주될 수 있는 반면, 순수한 탄산칼슘(CaC0₃)의 형성된 생성물 스트림은 "이온 비" 1.0(Ca/C)을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 확장하여, 1가, 2가 및 3가 양이온의 카보네이트와 바이카보네이트와의 연속 혼합물의 무한수는 0.5 내지 3.0의 가변적인 이온 비를 갖는 것으로 간주될 수 있다.

상기 맥락에 기초하여, 약어 "MW"는 분자량 또는 메가와트를 의미한다.

약어 "PFD"는 공정 계통도이다.

약어 "Q"는 열(또는 열 효율)이고, 열은 에너지의 형태이다. 이는 임의의 기타 형태의 에너지를 포함하지 않는다.

본원에 사용된 용어 "격리"는 일반적으로 부분 또는 완전 효과가 점 방출원으로부터 CO₂를 제거하고 그 CO₂를 대기로의 반환을 억제하기 위해 일부 형태로 저장하는 기술 또는 관습을 의미하는데 사용된다. 이 용어의 사용은 기술된 양태의 임의의 형태를 "격리" 기술로 간주되는 것을 배제하지 않는다.

화학식의 맥락에서, 약어 "W"는 H₂O를 의미한다.

휘석은 다수의 화성암 및 변성암에서 발견된 실리케이트 광물의 그룹이다. 이들은 실리카 사면체의 단일 쇄로 이루어진 공통의 구조를 공유하고, 이들은 단사정계 및 사방정계로 결정화한다. 휘석은 화학식 XY(Si,Al)₂0₆을 갖고, 여기서 X는 칼슘, 나트륨, 철(II) 및 망간 및 더 드물게 아연, 망간 및 리튬이고, Y는 작은 크기의 이온, 예를 들어, 크롬, 알루미늄, 철(III), 마그네슘, 망간, 스칸듐, 티탄, 바나듐 및 심지어 철(II)이다.

또한, 본 발명의 화합물을 구성하는 원자는 이러한 원자의 모든 동위원소 형태를 포함하는 것으로 의도된다. 본원에 사용된 동위원소는 동일 원자번호를 갖지만 상이한 질량수를 갖는 원자들을 포함한다. 제한 없이 일반적인 예로써, 수소의 동위원소는 삼중수소 및 이중수소를 포함하고, 탄소의 동위원소는 ¹³C 및 ¹⁴C를 포함한다.

특허청구범위 및/또는 명세서에 용어 "포함하는"과 함께 사용될 경우, 단어 "a" 또는 "an"은 "하나"를 의미할 수 있지만, 이는 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 하나 이상"의 의미와 일치한다.

본원 전반에 걸쳐, 용어 "약"은, 값이 장치, 값을 측정하는데 사용되는 방법 또는 연구 주제 사이에 존재하는 변화에 대한 오차의 고유 변동을 포함한다는 것을 기술하는데 사용된다.

용어 "포함한다", "가지다" 및 "함유한다"는 무제한적 연결 동사이다. 이러한 동사 중의 하나 이상의 임의의 형태 또는 시제, 예를 들어, "포함한다", "포함하는", "가지다" 및 "가지는", "함유한다" 및 "함유하는"도 또한 무제한적이다. 예를 들어, 하나 이상의 단계를 "포함하는", "갖는" 또는 "함유하는" 임의의 방법은 단지 하나 이상의 단계만을 포함하는 것으로 제한되지 않고, 또한 기타 나열되지 않은 단계를 포함한다.

용어 "효과적인"은 명세서 및/또는 특허청구범위에 사용될 때, 목적하는, 기대하는 또는 의도된 결과를 달성하기에 적당함을 의미한다.

상기한 정의들은 본원에 참조로 인용된 임의의 참조문헌에서 임의의 대립 정의를 대체한다. 그러나, 특정 용어가 정의된다는 사실은, 정의되지 않은 임의의 용어가 불명확하다는 징표로서 간주되어서는 안된다. 오히려, 사용된 모든 용어는 당업자가 본 발명의 범위를 이해하고 실행할 수 있을 정도의 용어로 본 발명을 기술하는 것으로 간주된다.

II. II족 금속의 염을 사용하는 이산화탄소의 격리

도 1은 본 명세서의 장치 및 방법의 일반적이고 예시적인 양태를 설명하는 단순화된 공정 계통도를 묘사한다. 이 다이아그램은 단지 예시 목적으로 제공되고, 따라서, 이는 단순히 본 발명의 특정 양태를 묘사하고, 특허청구범위의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 1에 도시된 양태에서, 반응기(10)(예: 도로 염 보일러)는 반응식 1에 제시된 반응을 구동시키기 위해, 전력, 예를 들어, 외부 전력 및/또는 탈환 전력(recaptured power)(예: 뜨거운 연소 배기 가스, 또는 태양 농축 또는 연소와 같은 외부 열원으로부터의 열)을 사용한다.

[반응식 1]

(Ca/Mg)Cl₂ + 2 H₂0 → (Ca/Mg)(OH)₂ + 2 HCl

이 반응에 사용되는 물은 액체, 스팀, 결정성 수화물, 예를 들어, MgCl₂·6H₂0, CaCl₂·2H₂0 형태일 수 있거나, 또는 이는 초임계적일 수 있다. 일부 양태에서, 반응은 Mg(OH)₂및/또는Mg(OH)Cl를 형성하기 위해 MgCl₂를 사용한다(참조: 도 2). 일부 양태에서, 반응은 Ca(OH)₂를 형성하기 위해 CaCl₂를 사용한다. 반응식 1로부터의 2족 하이드록사이드 또는 하이드록시클로라이드(도시되지 않음)의 일부 또는 전부를 반응기(20)에 전달할 수 있다. 일부 양태에서, 2족 하이드록사이드 및/또는 2족 하이드록시클로라이드의 일부 또는 전부를 수용액으로서 반응기(20)에 전달한다. 일부 양태에서, 2족 하이드록사이의 일부 또는 전부를 수성 현탁액으로 반응기(20)에 전달한다. 일부 양태에서, 2족 하이드록사이드의 일부 또는 전부를 고체로서 반응기(20)로 전달한다. 일부 양태에서, 염화수소(예: 증기의 형태 또는 염산의 형태)의 일부 또는 전부를 반응기(30)(예: 암석 융해기)에 전달할 수 있다. 일부 양태에서, 생성되는 2족 하이드록사이드를 추가로 가열하여 물을 제거하고, 상응하는 2족 옥사이드를 형성한다. 일부 변형태에서, 이들 2족 옥사이드의 일부 또는 전부를 반응기(20)에 전달할 수 있다.

공급원, 예를 들어, 연소 배기 가스로부터의 이산화탄소는 잠재적으로 초기에 폐-열을 폐-열/DC 생성 시스템으로 교환한 후 반응기(20)(예: 유동상 반응기, 분무-타워 탈탄산화기(decarbonator) 또는 탈탄산화 버블러)에서 공정을 시작한다. 일부 양태에서, 연소 배기 가스의 온도는 125℃ 이상이다. 일부 또는 전부가 반응기(10)으로부터 수득될 수 있는 2족 하이드록사이드는 반응식 2로 제시되는 반응에 따라 반응기(20)에서 이산화탄소와 반응한다.

[반응식 2]

(Ca/Mg)(OH)₂ + C0₂ → (Ca/Mg)C0₃ + H₂0

이 반응으로부터 생성된 물을 반응기(10)으로 역전달시킬 수 있다. 2족 카보네이트는 통상적으로 반응 혼합물로부터 분리된다. 2족 카보네이트는 매우 낮은 K_sp(용해도 생성물 상수)를 갖는다. 따라서, 이들은 용액으로 유지될 수 있는 보다 가용성인 기타 화합물로부터 고체로서 분리된다. 일부 양태에서, 반응은 2족 바이카보네이트 염을 통해 진행한다. 일부 양태에서, 2족 바이카보네이트 염을 생성한 다음, 임의로 반응 혼합물로부터 분리한다. 일부 양태에서, 임의로 2족 하이드록사이드와 함께 또는 이들로부터 별도로 2족 옥사이드는 이산화탄소와 반응하여 또한 2족 카보네이트 염을 형성한다. 일부 양태에서, CO₂ 및/또는 기타 오염물질이 제거되는 연소 배기 가스가 공기로 방출된다.

2족 실리케이트(예: CaSi0₃, MgSi0₃, MgOFeOSi0₂ 등)는 반응기(30)(예: 암석 융해기 또는 광물 용해 반응기)에서 공정을 시작한다. 일부 양태에서, 이러한 2족 실리케이트를 이전 단계에서 분쇄한다. 일부 양태에서, 2족 실리케이트는 이노실리케이트이다. 이러한 광물들은 일부 또는 전부가 반응기(10)으로부터 수득될 수 있는 가스로서 또는 염산 형태로 염산과 반응시켜, 상응하는 2족 금속 클로라이드(CaCl₂및/또는MgCl₂), 물 및 모래(Si0₂)를 형성할 수 있다. 반응은 반응식 3으로 제시될 수 있다.

[반응식 3]

2 HCl + (Ca/Mg)Si0₃ → (Ca/Mg)Cl₂ + H₂0 + Si0₂

이 반응으로부터 생성된 물의 일부 또는 전부를 반응기(10)에 전달할 수 있다. 반응식 3으로부터 2족 클로라이드의 일부 또는 전부를 반응기(20)에 전달할 수 있다. 일부 양태에서, 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 반응기(20)에 수용액으로서 전달한다. 일부 양태에서, 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 반응기(20)에 수성 현탁액으로 전달한다. 일부 양태에서, 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 반응기(20)에 고체로서 전달한다.

반응식 1 내지 3의 요약을 캡쳐하는 순 반응은 본원에서 반응식 4로서 도시된다:

[반응식 4]

C0₂ + (Ca/Mg)Si0₃ → (Ca/Mg)C0₃ + Si0₂

또 다른 양태에서, 생성되는 Mg_xCa_(1-x)C0₃ 격리제(sequesterant)는 C0₂를 재생시키고 농축시키는 방식으로 HCl과 반응시킨다. 이렇게 형성된 Ca/MgCl₂를 분해 반응기로 반환시켜 C0₂ 흡수 하이드록사이드 또는 하이드록시할라이드를 생성한다.

도 1에 도시되고 본원에 기술된 공정을 통해, 2족 카보네이트는 포획된 CO₂로부터 말단-격리제 물질로서 생성된다. 물, 염화수소 및/또는 반응 에너지의 일부 또는 전부를 순환시킬 수 있다. 일부 양태에서, 이들 중 일부만 순화시키거나, 또는 전혀 순환시키지 않는다. 일부 양태에서, 물, 염화수소 및 얻어진 반응 에너지는 다른 목적으로 사용된다.

일부 양태에서 그리고 제공된 발전소의 연소 배기 가스 스트림 중의 CO₂의 농도에 따라, 본원에서 기술된 방법은 드라이버(전기 페널티 없음)로서 열만을 사용하여 발전소의 CO₂의 33-66%를 포획하는데 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 본원에 기술된 방법의 효율은 낮은 CO₂-농도로 개선시키고, 높은(스크러빙되지 않은) 연소 배기 가스 온도로 증가시킨다. 예를 들어, 320℃ 및 7% C0₂ 농도에서, 33%의 연소 배기 가스 C0₂는 폐-열 단독으로부터 광물화될 수 있다. 기타 양태에서, 예를 들어, 천연 가스 터빈의 출구 온도에서 약 100% 광물화가 달성될 수 있다.

이러한 방법 및 장치는, 예를 들어, 분자 구성 요소로 변형되고, 화학, 화학공학 및/또는 당업자에 의해 적용된 재료 과학의 원리 및 기술을 사용하여 최적화되고, 확대될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들어, 미국 특허 제7,727,374호, 미국 특허 출원 공보 제2006/0185985호 및 제2009/0127127호, 미국 특허원 제11/233,509호(2005년 9월 22일 출원), 미국 가특허 출원 제60/718,906호(2005년 9월 20일 출원), 미국 가특허 출원 제60/642,698호(2005년 1월 10일 출원); 미국 가특허 출원 제60/612,355호(2004년 9월 23일 출원), 미국 특허원 제12/235,482호(2008년 9월 22일 출원), 미국 가 출원 제60/973,948호(2007년 9월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/032,802호(2008년 2월 29일 출원), 미국 가 출원 제61/033,298호(2008년 3월 3일 출원), 미국 가 출원 제61/288,242호(2010년 1월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/362,607호(2010년 7월 8일 출원), 및 국제 출원 제PCT/US08/77122호(2008년 9월 19일 출원)에 교시된다. 상기 참조된 명세서(임의의 부록 포함) 각각의 전문은 구체적으로 본원에 참조로 인용된다.

본 발명의 특정 양태를 입증하기 위해 상기 실시예들이 포함된다. 그러나, 당업자는 본 명세서에 비추어 많은 변화가 기술된 특정 양태에서 수행될 수 있고, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않고 같거나 유사한 결과를 수득할 수 있다는 것을 인정해야 한다.

III. 촉매로서 Mg²⁺를 사용하는 이산화탄소의 격리

도 2는 본 명세서의 장치 및 방법의 일반적이고 예시적인 양태를 설명하는 단순화된 공정 계통도를 묘사한다. 이 다이아그램은 단지 예시 목적으로 제공하고, 따라서 이는 단지 본 발명의 특정 양태를 묘사하고 특허청구범위를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

도 2에 도시된 양태에서, 반응식 5로 제시된 분해형 반응을 구동시키기 위해 반응기(100)을 전력, 예를 들어, 외부 전력 및/또는 탈환된 전력(예: 뜨거운 연소 배기 가스로부터의 열)을 사용한다.

[반응식 5]

이 반응에 사용된 물은 염화마그네슘, 액체, 스팀의 수화물 형태로 존재하고/하거나 이는 초임계적일 수 있다. 일부 양태에서, 반응은 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 반응기에서 발생할 수 있다. 일부 양태에서, 반응은 배치식, 연속 공정의 반배치식으로 발생할 수 있다. 일부 양태에서, 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 반응기(200)에 전달할 수 있다. 일부 양태에서, 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 반응기(200)에 수용액으로서 전달된다. 일부 양태에서, 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 반응기(200)에 수성 현탁액으로 전달된다. 일부 양태에서, 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 반응기(200)에 고체로서 전달된다. 일부 양태에서, 염화수소(예: 증기 형태 또는 염산 형태)의 일부 또는 전부는 반응기(300)(예: 암석 융해기)에 전달될 수 있다. 일부 양태에서, Mg(OH)₂를 추가로 가열하여 물을 제거하고 MgO를 형성한다. 일부 양태에서, MgCl(OH)를 추가로 가열하여 HCl을 제거하고, MgO를 형성한다. 일부 변형태에서, 이어서 하나 이상의 Mg(OH)₂, MgCl(OH) 및 MgO를 반응기(200)에 전달할 수 있다.

공급원, 예를 들어, 연소 배기 가스로부터 이산화탄소는 잠재적으로 초기에 폐-열을 폐-열/DC 생성 시스템으로 교환한 후, 반응기(200)(예: 유동상 반응기, 스프레이-타워 탈탄산화기 또는 탈탄산화 버블러)에서 공정을 시작한다. 일부 양태에서, 연료 배기 가스의 온도는 적어도 125℃이다. 반응기(100) 및 CaCl₂(예: 암석 염)로부터의 마그네슘 염 생성물이 이산화탄소와 혼합된다. 이산화탄소는 반응식 6에 제시된 반응에 따라 반응기(200)에서 마그네슘 염 생성물 및 CaCl₂와 반응한다.

[반응식 6]

일부 양태에서, 이 반응에서 생성된 물은 반응기(100)으로 역 전달할 수 있다. 탄산칼슘 생성물(예: 석회석, 방해석)은 통상적으로 반응 혼합물로부터 분리된다(예: 침전을 통해). 일부 양태에서, 반응은 탄산마그네슘 및 중탄산마그네슘 염을 통해 진행한다. 일부 양태에서, 반응은 중탄산칼슘 염을 통해 진행한다. 일부 양태에서, 각종 2족 바이카보네이트 염이 생성되고, 임의로 이어서 반응 혼합물로부터 분리된다. 일부 양태에서, C0₂및/또는 기타 오염물질이 제거된 연소 배기 가스가, 임의로 하나 이상의 추가의 정제 및/또는 처리 단계 후, 공기로 방출된다. 일부 양태에서, 임의로 수화된 MgCl₂ 생성물은 반응기(100)으로 반환시킨다. 일부 양태에서, MgCl₂ 생성물을, 반응기(100)으로 반환되기 전에 하나 이상의 분리, 정제 및/또는 수화 단계에 적용한다.

규산칼슘(예: 3CaO·Si0₂, Ca₃Si0₅; 2CaO·Si0₂, Ca₂Si0₄; 3CaO·2Si0₂, Ca₃Si₂0₇ 및 CaO·Si0₂, CaSi0₃)은 반응기(300)(예: 암석 융해기)에서 공정을 시작한다. 일부 양태에서, 이들 2족 실리케이트는 이전 단계에서 분쇄된다. 일부 양태에서, 2족 실리케이트는 이노실리케이트이다. 도 2의 양태에서, 이노실리케이트는 CaSi0₃(예: 그 자체일 수 있고, 일부 양태에서 소량의 철, 마그네슘 및/또는 철을 대체하는 망간을 함유하는 규회석)이다. CaSi0₃는 일부 또는 전부가 반응기(100)로부터 수득될 수 있는 기체 또는 염산 형태의 염화수소와 반응시켜 CaCl₂, 물 및 모래(Si0₂)를 형성한다. 반응은 반응식 7로 제시될 수 있다.

[반응식 7]

2 HCl + (Ca/Mg)Si0₃ → (Ca/Mg)Cl₂ + H₂0 + Si0₂

** 엔탈피는 반응 온도, 및 유입 반응물 및 유출 생성물 스트림의 온도에 기초한다.

이 반응으로부터 생성된 물의 일부 또는 전부를 반응기(100)으로 전달할 수 있다. 반응식 7로부터 CaCl₂의 일부 또는 전부를 반응기(200)으로 전달할 수 있다. 일부 양태에서, CaCl₂의 일부 또는 전부를 반응기(200)에 수용액으로서 전달한다. 일부 양태에서, CaCl₂의 일부 또는 전부를 반응기(200)에 수성 현탁액으로 전달한다. 일부 양태에서, CaCl₂의 일부 또는 전부를 반응기(200)에 고체로서 전달한다.

반응식 5 내지 7의 요약을 캡쳐하는 순 반응은 본원에서 반응식 8로 도시된다:

[반응식 8]

C0₂ + CaSi0₃ → CaC0₃ + Si0₂

** 표준 온도 및 압력(STP)에서 측정됨.

도 2에 도시되고 본원에서 기술된 공정을 통해, 탄산칼슘은 C0₂ 및 칼슘 이소실리케이트로부터 말단-격리제 물질로서 생성된다. 각종 마그네슘 염, 물, 염화수소 및 반응 에너지의 일부 또는 전부를 순환시킬 수 있다. 일부 양태에서, 이들 중 일부만 순환시키거나, 또는 전혀 순환시키지 않는다. 일부 양태에서, 물, 염화수소 및/또는 얻어진 반응 에너지는 다른 목적을 위해 사용된다.

이러한 방법 및 장치는 화학, 화학공학 및/또는 당업자에 의해 적용된 재료 과학의 원리 및 기술을 사용하여 추가로 변형되고, 최적화되고, 확대될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들어, 미국 특허 제7,727,374호, 미국 특허 출원 공보 제2006/0185985호 및 제2009/0127127호, 미국 특허원 제11/233,509호(2005년 9월 22일 출원), 미국 가특허 출원 제60/718,906호(2005년 9월 20일 출원), 미국 가특허 출원 제60/642,698호(2005년 1월 10일 출원); 미국 가특허 출원 제60/612,355호(2004년 9월 23일 출원), 미국 특허원 제12/235,482호(2008년 9월 22일 출원), 미국 가 출원 제60/973,948호(2007년 9월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/032,802호(2008년 2월 29일 출원), 미국 가 출원 제61/033,298호(2008년 3월 3일 출원), 미국 가 출원 제61/288,242호(2010년 1월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/362,607호(2010년 7월 8일 출원), 및 국제 출원 제PCT/US08/77122호(2008년 9월 19일 출원)에 교시된다. 상기 참조된 명세서(임의의 부록 포함) 각각의 전문은 구체적으로 본원에 참조로 인용된다.

상기 실시예들은 본 발명의 특별한 양태를 입증하기 위해 포함되었다. 그러나, 당업자는 본 명세서에 비추어 많은 변화가 기술된 특정 양태에서 수행될 수 있고, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않고 같거나 유사한 결과를 수득할 수 있다는 것을 인정해야 한다.

IV. 2족 클로라이드의 2족 하이드록사이드 또는 II족 하이드록시 클로라이드로의 전환

2족 클로라이드, 예를 들어, CaCl₂ 또는 MgCl₂를 물과 반응시켜 2족 하이드록사이드, 2족 옥사이드, 및/또는 2족 하이드록사이드 옥사이드와 같은 혼합 염을 형성하는 공정이 본원에 기술된다. 이러한 반응은 통상적으로 분해라고 칭명된다. 일부 양태에서, 물은 2족 클로라이드의 수화물로부터 액체, 스팀 형태로 존재할 수 있고/있거나 이는 초임계적일 수 있다. 스팀은 열 교환기로부터 발생할 수 있고, 이에 의해 거대한 연소 반응으로부터의 열, 즉, 천연 가스 및 산소 또는 수소 및 염소는 수 스트림을 가열한다. 일부 양태에서, 스팀은 발전소 또는 공장 폐 열의 사용을 통해 생성될 수도 있다. 일부 양태에서, 무수 또는 수화된 클로라이드 염이 또한 가열된다.

Mg²⁺ 및 Ca²⁺의 경우에, 반응은 각각 반응식 9 및 10으로 제시될 수 있다:

[반응식 9]

MgCl₂ + 2 H₂0 → Mg(OH)₂ + 2 HCl(g) △H = 263 kJ/mol**

[반응식 10]

CaCl₂ + 2 H₂0 → Ca(OH)₂ + 2 HCl(g) △H = 284 kJ/mol**

** 100℃에서 측정됨.

반응은 흡열성 의미의 에너지이고, 예를 들어, 열은 이러한 반응이 발생하도록 하기 위해 적용되어야 한다. 이러한 에너지는 본원에 기술된 하나 이상의 발열 공정 단계로부터 생성된 폐-열로부터 수득될 수 있다. 상기 반응은 다음 단계 중의 하나 이상에 따라 발생할 수 있다:

[반응식 11]

[반응식 12]

[반응식 13]

[반응식 14]

[반응식 15]

CaCl₂ + 2 H₂0 → Ca(OH)₂ + 2 HCl(g)에 대한 반응 엔탈피(△H)는 100℃에서 284kJ/mol이다. 일부 변형태에서, 염 MgCl₂·6H₂0, 마그네슘 6수화물이 사용된다. 물이 염의 분자 구조에 도입되기 때문에, 추가의 스팀 또는 물 없이 직접 가열을 사용하여 분해를 개시할 수 있다. 다음 반응을 위한 통상적인 반응 온도는 본원에서 제시된다:

95-110℃로부터:

[반응식 16]

MgCl₂·6H₂0 → MgCl₂·4H₂0 + 2 H₂0

[반응식 17]

MgCl₂·4H₂0 → MgCl₂·2H₂0 + 2 H₂0

135-180℃로부터:

[반응식 18]

MgCl₂·4H₂0 → Mg(OH)Cl + HCl + 3 H₂0

[반응식 19]

MgCl₂·2H₂0 → MgCl₂·H₂O + H₂0

185-230℃로부터:

MgCl₂·2H₂0 → Mg(OH)Cl + HCl + H₂0

230℃ 초과로부터:

[반응식 21]

MgCl₂·H₂0 → MgCl₂ + H₂0

[반응식 22]

MgCl₂·H₂0 → Mg(OH)Cl + HCl

[반응식 23]

Mg(OH)Cl → MgO + HCl

** △H 값은 반응 온도(세로 줄 "반응 온도)에서 계산되었다.

본원에 참조로 인용된 화학 문헌[참조: Kirk Othmer 4^th ed. Vol. 15 p. 343 1998 John Wiley and Sons]을 참조한다. 저렴한 원료 CaCl₂를 사용하는 연소 배기 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃를 형성하는 능력을 입증하는 모의실험으로부터의 결과를 제공하는 이하 실시예 1을 참조한다. 또한, 모두 전문이 본원에 참조로 인용된 문헌[참조: Energy Requirements and Equilibrium in the dehydration, hydrolysis and decomposition of Magnesium Chloride - K.K. Kelley, Bureau of Mines 1941 and Kinetic Analysis of Thermal Dehydration and Hydrolysis of MgCl2.6H20 by DTA and TG - Y. Kirsh, S. Yariv and S. Shoval - Journal of Thermal Analysis, Vol. 32 (1987)]을 참조한다.

V. 2족 카보네이트를 형성하기 위한 2족 하이드록사이드와 C0₂의 반응

본 발명의 또 다른 국면에서, CO₂ 흡수제로서 2족 하이드록사이드, 2족 옥사이드 및/또는 2족 하이드록사이드 클로라이드를 사용하는 이산화탄소 공급원의 탈탄산화 장치 및 방법이 제공된다. 일부 양태에서, CO₂는 수성의 가성 혼합물 및/또는 용액에 흡수되고, 여기서 이는 하이드록사이드 및/또는 옥사이드 염과 반응하여 카보네이트 및 바이카보네이트 생성물을 형성한다. 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 수산화마그네슘은 각종 농도에서 CO₂를 용이하게 흡수하는 것으로 공지되었다. 따라서, 본 발명의 양태에서, 2족 하이드록사이드, 2족 옥사이드(예: CaO 및/또는 MgO) 및/또는 기타 하이드록사이드 및 옥사이드, 예를 들어, 수산화나트륨은 흡수성 시약으로서 사용될 수 있다.

예를 들어, 2족 클로라이드로부터 수득된 2족 하이드록사이드는 흡착 탑에서 다음 반응 중의 하나 또는 둘에 기초하여 CO₂와 반응하여 CO₂를 포획하기 위해 사용될 수 있다:

[반응식 24]

Ca(OH)₂ + C0₂ → CaC0₃ + H₂0

△H = -117.92 kJ/mol**

△G = -79.91 kJ/mol**

[반응식 25]

Mg(OH)₂ + C0₂ → MgC0₃ + H₂0

△H = -58.85 kJ/mol**

△G = -16.57 kJ/mol**

** STP에서 계산됨.

본 발명의 일부 양태에서, 대부분 또는 거의 모든 이산화탄소는 이러한 방식으로 반응한다. 일부 양태에서, 반응은, 예를 들어, 연속 공정이든 불연속 공정이든 물의 제거를 통해 및/또는 바이카보네이트, 카보네이트 또는 두 형태의 염의 혼합물의 침전에 의해 완료까지 구동될 수 있다. CaCl₂로부터 유도된 저렴한 원료, Ca(CO)₂를 사용하여 연소 배기 가스로부터 CO₂를 포획하는 능력을 입증하는 모의실험을 제공하는 이하 실시예 1을 참조한다.

일부 양태에서, 초기에 형성된 2족은 카보네이트 음이온을 이동시키기 위해 제2의 2족 하이드록사이드와 염 교환 반응을 겪을 수 있다. 예를 들어, 다음과 같다:

[반응식 25a]

CaCl₂ + MgC0₃ → MgCl₂ + CaC0₃

이러한 방법 및 장치는 화학, 화학공학 및/또는 당업자에 의해 적용된 재료 과학의 원리 및 기술을 사용하여 추가로 변형되고, 최적화되고, 확대될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들어, 미국 특허 제7,727,374호, 미국 특허원 제11/233,509호(2005년 9월 22일 출원), 미국 가특허 출원 제60/718,906호(2005년 9월 20일 출원), 미국 가특허 출원 제60/642,698호(2005년 1월 10일 출원); 미국 가특허 출원 제60/612,355호(2004년 9월 23일 출원), 미국 특허원 제12/235,482호(2008년 9월 22일 출원), 미국 가 출원 제60/973,948호(2007년 9월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/032,802호(2008년 2월 29일 출원), 미국 가 출원 제61/033,298호(2008년 3월 3일 출원), 미국 가 출원 제61/288,242호(2010년 1월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/362,607호(2010년 7월 8일 출원), 및 국제 출원 제PCT/US08/77122호(2008년 9월 19일 출원)에 교시된다. 상기 참조된 명세서(임의의 부록 포함) 각각의 전문은 구체적으로 본원에 참조로 인용된다.

VI. 이산화탄소를 격리하기 위한 실리케이트 광물

본 발명의 국면에서, 실리케이트 광물을 사용하는 이산화탄소의 격리 방법이 제공된다. 실리케이트 광물은 지구의 외피의 약 90%를 구성하는 암석 형성 광물의 가장 크고 가장 중요한 부류 중의 하나를 구성한다. 이들은 이들의 실리케이트 그룹의 구조를 토대로 하여 분류된다. 실리케이트 광물은 모두 규소 및 산소를 함유한다. 본 발명의 일부 국면에서, 2족 실리케이트는 이산화탄소의 효율적 에너지 격리를 달성하는데 사용될 수 있다.

일부 양태에서, 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물이 사용될 수 있다. 이노실리케이트, 또는 쇄 실리케이트는 단일 쇄의 경우 SiO₃과 1:3 비로 또는 이중 쇄의 경우 Si₄O₁₁과 4:11의 비로 실리케이트 테트라헤드라의 연동 쇄(interlocking chain)를 갖는다.

일부 양태에서, 본원에 기술된 방법은 휘석 그룹으로부터 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물을 사용한다. 예를 들어, 완화휘석(MgSi0₃)이 사용될 수 있다.

일부 양태에서, 휘석 그룹으로부터 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물이 사용된다. 예를 들어, 규회석(CaSi0₃)이 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 2족 이노실리케이트의 혼합물을 포함하는 조성물은, 예를 들어, 완화휘석과 규회석과의 혼합물을 사용할 수 있다. 일부 양태에서, 혼합된-금속 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물은, 예를 들어, 투휘석(CaMgSi₂0₆)를 사용할 수 있다.

규회석은 일반적으로 열적으로 변형된 불순한 석회석의 공통 성분으로서 발생한다. 통상적으로, 규회석은 이산화탄소의 손실과 함께 방해석 및 실리카 사이의 다음 반응(반응식 26)으로부터 생성된다:

[반응식 26]

CaC0₃ + Si0₂ → CaSi0₃ + C0₂

일부 양태에서, 본 발명은 이 자연적 공정을 효율적으로 역전시키는 결과를 갖는다. 규회석은 또한 확산 반응으로 스카른(skarn)으로 생성될 수 있다. 이는 사암 내의 석회석이 암맥에 의해 변형될 경우에 개발되고, 이는 칼슘 이온의 외부 이동 결과로서 사암에서 규회석의 형성을 유도한다.

일부 양태에서, 2족 이소실리케이트 조성물의 순도는 변할 수 있다. 예를 들어, 기술된 공정에 사용된 2족 이노실리케이트 조성물이 비-2족 금속 이온을 포함하는 기타 화합물 또는 광물의 가변적인 양을 함유할 수 있다. 예를 들어, 규회석은 그 자체로 소량의 철, 마그네슘 및 칼슘을 대체하는 망간을 함유할 수 있다.

일부 양태에서, 감람석 및/또는 사문석을 포함하는 조성물이 사용될 수 있다. 이러한 광물을 사용하는 C0₂광물 격리 방법이 시도되었다. 문헌[참조: Goldberg et al. (2001)]의 기술은 본원에 참조로 인용된다.

광물 감람석은 화학식 (Mg,Fe)₂Si0₄를 갖는 마그네슘 철 실리케이트이다. 보석 품질에서 이는 투명 감람석이라 칭명된다. 감람석은 고철질 및 초염기성 화성암에서, 그리고 특정 변성암에서 1차 광물로서 발생된다. Mg-풍부 감람석은 마그네슘이 풍부하고 실리카가 적은 마그마로부터 결정화되는 것으로 공지되었다. 결정화시, 마그마는 고철질 암석, 예를 들어, 반려암 및 현무암을 형성한다. 초염기성 암석, 예를 들어, 감람암 및 듀나이트는 마그마의 추출 후 남는 잔사일 수 있고, 통상적으로 부분 용융물 추출 후 감람석에서 보다 풍부하다. 감람석 및 고압 구조 변형체는 지구 상부 맨틀의 50% 이상을 구성하고, 감람석은 용적으로 지구의 가장 흔한 광물 중의 하나이다. 불순한 백운석 또는 높은 마그네슘 및 낮은 실리카 함량을 갖는 기타 퇴적암의 변성은 또한 Mg-풍부 감람석, 또는 고토 감람석을 생성한다.

VII. 2족 실리케이트로부터 2족 클로라이드의 생성

2족 실리케이트, 예를 들어, CaSi0₃, MgSi0₃ 및/또는 본원에서 기술된 기타 실리케이트는 기체로서 또는 수성 염산 형태로 염산과 반응하여 상응하는 2족 금속 클로라이드(CaCl₂및/또는MgCl₂), 물 및 모래를 형성할 수 있다. 일부 양태에서, 반응식 1에서 생성된 HCl을 사용하여 반응식 3에서의 MgCl₂및/또는CaCl₂를 재생시킨다. 공정 루프가 이에 의해 생성된다. 이하 표 1은 단독으로 또는 배합물로 사용될 수 있는 통상의 칼슘/마그네슘 함유 실리케이트 광물의 일부를 묘사한다. 감람석 및 사문석을 HCl과 반응시키는 초기 시험은 성공적이었다. Si0₂는 침전되는 것으로 관찰되었고, MgCl₂ 및 CaCl₂를 수집했다.

[표 1]

본원에 참조로 인용된 문헌[참조: "Handbook of Rocks, Minerals & Gemstones by Walter Schumann Published 1993, Houghton Mifflin Co., Boston, New York]을 참조한다.

VIII. 추가의 양태

일부 양태에서, 이산화탄소의 광물 카보네이트로의 전환은 두 염으로 규정될 수 있다. 제1 염은 염기(하이드록사이드 및/또는 옥사이드)로 전환되고, 산을, 예를 들어, 가스로서 방출시킬 때까지 가열하여 분해할 수 있는 것이다. 이 동일한 염기를 이산화탄소와 반응시켜 카보네이트, 바이카보네이트 또는 염기성 카보네이트 염을 형성한다.

예를 들어, 일부 양태에서, 본 명세서는 이하 표 A 내지 C로부터 하나 이상의 염을 물과 반응시켜 하이드록사이드, 옥사이드 및/또는 혼합된 하이드록사이드 할라이드를 형성하는 공정을 제공한다. 이러한 반응은 통상적으로 분해로서 칭명된다. 일부 양태에서, 물은 액체, 스팀의 형태로 및/또는 선택된 염의 수화물로부터 존재할 수 있다. 스팀은 열 교환기로부터 발생될 수 있고, 이에 의해 거대하게 연소성 반응으로부터의 열, 즉, 천연 가스 및 산소 또는 수소 및 염소는 수 스트림을 가열한다. 일부 양태에서, 스팀은 발전소 또는 공장 폐 열의 사용을 통해 생성될 수도 있다. 일부 양태에서, 무수 또는 수화된 할라이드 염도 또한 가열한다.

[표 A]

[표 B]

* 후속 시험은 가열된 샘플 및 온도 상승 셋팅의 TGA(열무게 분석법)을 사용하여 열역학적으로 유도된 값의 1.5 내지 4% 이내의 반응열을 입증한다.

[표 C]

[표 D]

표 A-D에서, 수치 데이터는 포획된 CO₂의 양 당 에너지(kWh/tonne)에 상응하고, NC는 집중되지 않음을 의미하고, NA는 이용가능하지 않은 데이터를 의미한다.

제1 염의 이러한 동일한 카보네이트, 바이카보네이트 또는 염기성 카보네이트를 카보네이트/바이카보네이트 교환을 수행하기 위한 제2 염과, 제2 염의 음이온이 제1 염의 양이온과 결합하고, 제2 염의 양이온이 제1 염의 카보네이트/바이카보네이트 이온과 결합할 수 있도록 반응시키고, 이는 최종 카보네이트/바이카보네이트를 형성한다.

몇몇 경우에, 제1 염으로부터 유도된 하이드록사이드를 직접 이산화탄소 및 제2 염과 반응시켜 제2 염으로부터 유도된 (양이온과 결합된) 카보네이트/바이카보네이트를 형성한다. 기타의 경우, 제1 염으로부터 유도된 (양이온과 결합된) 카보네이트/바이카보네이트/염기성 카보네이트를 반응기 챔버로부터 제거하고, 제2 챔버에 위치시켜 제2 염과 반응시킨다. 도 27은 이러한 2개-염 공정의 양태를 도시한다.

이 반응은 제2 금속의 염이 목적시될 경우 카보네이트/바이카보네이트를 제조할 때 유리할 수 있고, 이러한 제2 금속은 분해하여 CO₂ 흡수성 하이드록사이드를 형성할 수 없는 것이고, 제2 염의 카보네이트/바이카보네이트 화합물이 불용성일 경우, 즉, 이는 용액으로부터 침전된다. 이하는 단독으로 또는 본원에서 논의된 반응 하나 이상과의 조합을 포함하는 조합하여 사용될 수 이러한 반응의 예의 불완전 목록이다.

염-1의 분해에 대한 예:

2NaI + H₂0 → Na₂0 + 2HI 및/또는 Na₂0 + H₂0 → 2NaOH

MgCl₂·6H₂0 → MgO + 5H₂0 + 2HCl 및/또는 MgO + H₂0 →Mg(OH)₂

탈탄산화의 예:

2NaOH + C0₂ → Na₂C0₃+ H₂0 및/또는 Na₂C0₃ + C0₂ + H₂0 → 2NaHC0₃

Mg(OH)₂ + C0₂ → MgC0₃ + H₂0 및/또는 Mg(OH)₂ + 2C0₂ → Mg(HC0₃)₂

염-2와의 카보네이트 교환의 예:

Na₂C0₃ + CaCl₂ → CaC0₃↓ + 2NaCl

Na₂C0₃ + 2AgN0₃ → Ag₂C0₃↓ + 2NaN0₃

Ca(OH)₂ + Na₂C0₃ → CaC0₃↓ + 2NaOH*

* 이 예에서, 카보네이트, Na₂C0₃가 염-2이고, 염은 분해되어 Ca(OH)₂를 형성하고, 즉 CaCl₂는 염-1이다. 이는 카보네이트 이온이 염-1과 함께 잔류하는 이전 예의 일부와 반대이다.

공지된 카보네이트 화합물은 H₂C0₃, Li₂C0₃, Na₂C0₃, K₂C0₃, Rb₂C0₃, Cs₂C0₃, BeC0₃, MgC0₃, CaC0₃, MgC0₃, SrC0₃, BaC0₃, MnC0₃, FeC0₃, CoC0₃, CuC0₃, ZnC0₃, Ag₂C0₃, CdC0₃, A1₂(C0₃)₃, T1₂C0₃, PbC0₃, 및 La₂(C0₃)₃를 포함한다. 1A족 원소는 안정한 바이카보네이트, 예를 들어, LiHC0₃, NaHC0₃, RbHC0₃ 및 CsHC0₃인 것으로 공지되었다. IIA족 및 일부 기타 원소도 또한 바이카보네이트를 형성할 수 있지만, 몇몇 경우에, 이들은 단지 용액에서 안정할 수 있다. 통상적으로, 암석-형성 원소는 H, C, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mg 및 Fe이다. CO₂ 흡수성 하이드록사이드의 1mol 당 최소량의 에너지에 의해 상응하는 하이드록사이드로 열적으로 분해될 수 있는 이들의 염은 따라서 잠재적인 염-1 후보로 간주될 수 있다.

표 A 내지 D에서 계산된 에너지를 토대로 하여, 다수의 염은 MgCl₂·6H₂0보다 낮은 에너지를 갖는다. 이하 표 E는 이러한 염들 및 MgCl₂·6H₂0에 대해 이들의 사용을 통한 페널티 감소율을 요약한다.

[표 E]

다음 염은 이들 각각의 이용가능한 MSDS 정보를 통해 분해 반응을 열거한다.

[표 F]

IX. 석회석 생성 및 용도

본 발명의 국면에서 이산화탄소를 석회석 형태로 격리시키는 방법이 제공된다. 석회석은 주로 광물 방해석(탄산칼슘: CaC0₃)으로 구성된 퇴적암이다. 이 광물은 많은 용도를 갖고, 이중 일부는 이하에서 확인된다.

본 발명의 일부 양태에서 형성된 바와 같이 분말 또는 미분된 형태의 석회석을 토양 조절제(농업용 석회)로서 사용하여 산성 토양 상태를 중화시키고, 이로 인해, 예를 들어, 생태계에서 산성비의 효과를 상쇄시킨다. 업스트림 적용은 탈황에서 시약으로서 석회석을 사용함을 포함한다.

석회석은 석조 건축에 중요한 돌이다. 이의 이점 중의 하나는 이것이 벽돌 또는 보다 정교한 조각으로 절단하는 것이 비교적 쉽다는 점이다. 이는 또한 영구적이어서 노출에 잘 견딘다. 석회석은 생석회, 모르타르, 시멘트 및 콘크리트의 중요한 성분이다.

탄산칼슘은 또한 백색 안료 및 저렴한 충전제 둘 다로서 종이, 플라스틱, 페인트, 타일 및 기타 재료용 첨가제로서 사용된다. 탄산칼슘의 정제된 형태는 치약에 사용될 수 있고, 빵 및 씨리얼에 칼슘 공급원으로서 첨가될 수 있다. CaC0₃는 또한 일반적으로 제산제로서 의약품에 사용된다.

현재, 산업에 사용되는 탄산칼슘의 대부분은 광산 또는 채석에 의해 추출된다. 이 광물을 일부 양태에서 이산화티탄 격리의 일부로서 공동-생성함으로써, 본 발명은 이러한 중요한 생성물의 비-추출 공급원을 제공한다.

X. 탄산마그네슘 생성 및 용도

본 발명의 국면에서, 탄산마그네슘 형태로 이산화탄소를 격리시키는 방법이 제공된다. 탄산마그네슘 MgC0₃는 자연에서 광물로서 존재하는 백색 고체이다. 가장 통상적인 탄산마그네슘 형태는 마그네사이트(MgC0₃)로 칭명되는 무수염 및 각각 베링토나이트(MgC0₃·2H₂0), 네스퀴호나이트(MgC0₃·3H₂0) 및 란스포르디트(MgC0₃·5H₂0)로서 공지된 이, 삼 및 오수화물이다. 탄산마그네슘은 각종 용도를 갖고, 이중 일부는 간단하게 이하 논의된다.

탄산마그네슘은 마그네슘 금속 및 염기성 내화 벽돌을 생산하는데 사용될 수 있다. MgC0₃는 또한 바닥재, 내화 재료, 소화성 조성물, 향장품, 분진성 분말 및 치약에 사용된다. 기타 용도는 충전제, 플라스틱에서 화재 억제제, 네오프렌 고무에서 강화제, 건조제, 완하제(laxative) 및 식품에서 색상 유지용이다. 또한, 고순도 탄산마그네슘은 이를 유리 유동성으로 유지시키기 위해 제산제로서 그리고 식탁 염에 첨가제로서 사용된다.

현재 탄산마그네슘은 통상적으로 광물 마그네사이트를 채굴함으로써 수득된다. 이 광물을 일부 양태에서 이산화탄소 격리의 일부로서 공동-생성함으로써, 본 발명은 이 중요한 생성물의 비-추출 공급원을 제공한다.

XI. 이산화규소 생성 및 용도

본 발명의 국면에서, 이산화규소를 부산물로서 생산하는 이산화탄소 격리 방법이 제공된다. 실리카로서도 공지된 이산화규소는 화학식 Si0₂를 갖는 규소의 산화물이고, 이의 경도가 공지되어 있다. 실리카는 가장 일반적으로 자연에서 모래 또는 석영으로 발견될 뿐만 아니라 규조류의 세포벽에서 발견된다. 실리카는 지각에서 가장 풍부한 광물이다. 이 화합물은 많은 용도를 갖고, 이중 일부는 이하 간단하게 논의된다.

실리카는 창 유리, 음료용 컵 및 병에 든 음료의 생산에 주로 사용된다. 광학통신용 광학 섬유 대부분도 또한 실리카로 제조된다. 이는 다수의 백색 도자기 세라믹, 예를 들어, 토기, 석기 및 자기 뿐만 아니라 산업용 포틀란드 시멘트의 기본 원료이다.

실리카는 식품 생산에서 통상의 첨가제이고, 이는 주로 분말화 식품에서 유동제로서 또는 흡습성 용품에서 물을 흡수하기 위해 사용된다. 수화된 형태에서, 실리카는 치약에 경질 연마제로서 사용되어 치석을 제거한다. 실리카는 여과로부터 방충에 걸쳐 다양한 용도를 갖는 규조토의 주요 성분이다. 이는 또한, 예를 들어, 여과 및 시멘트 제조에 사용되는 쌀겨 재의 주요 성분이다.

열 산화 방법을 통해 규소 웨이퍼 상에서 성장된 실리카의 박막은 마이크로전자공학에서 매우 유리할 수 있고, 여기서 이들은 화학적 안정성이 높은 전기 절연제로서 작용한다. 전기 용품에서, 이는 규소를 보호하고, 전하를 저장하고, 전류를 차단하고, 심지어 전류 흐름을 제한하는 제어 경로로서 작용할 수 있다.

실리카는 통상적으로 유리, 결정, 겔, 에어로겔, 퓸드 실리카 및 콜로이드성 실리카를 포함하는 다수의 형태로 제조된다. 이 광물을 일부 양태에서 이산화탄소 격리의 부분으로서 공동 생성함으로써, 본 발명은 이 중요한 생성물의 또 다른 공급원을 제공한다.

XII. 생성물의 분리

분리 공정은 액체 용액 및/또는 반응 혼합물로부터 카보네이트 및 바이카보네이트 생성물을 분리하는데 사용될 수 있다. 기본 농도, 온도, 압력, 반응기 크기, 유체 농도, 및 탄산화도(degree of carbonation)를 조작함으로써, 하나 이상의 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 염의 침전물을 발생시킬 수 있다. 또는, 카보네이트/바이카보네이트 생성물은, 열 에너지를 유입되는 연소 배기 가스로 교환함으로써 용액으로부터 분리될 수 있다.

배출 액체 스트림은, 반응기 디자인에 따라, 물, CaC0₃, MgCO₃, Ca(HC0₃)₂, Mg(HC0₃)₂, Ca(OH)₂, Ca(OH)₂, NaOH, NaHC0₃, Na₂C0₃, 및 각종 평형 중의 기타 용해된 가스를 포함할 수 있다. 용해된 미량의 방출 성분, 예를 들어, H₂S0₄, HN0₃ 및 Hg도 또한 발견될 수 있다. 하나의 양태에서, 카보네이트 생성물로부터 물을 제거/분리하는 단계는 열 에너지를 가하여 혼합물로부터, 예를 들어, 리보일러(reboiler)를 사용하여 물을 증발시킴을 포함한다. 또는, 부분 염기성 용액을 유지시킨 후, 후속적으로 용액을 분리 챔버에서 가열하는 단계를 사용하여 비교적 순수한 카보네이트 염을 유도하여 오수조 속에서 침전시키고, 생성되는 하이드록사이드 염을 반응기로 역 재순환시킬 수 있다. 일부 양태에서, 이어서 평형 농도에서 및/또는 슬러리 또는 농축 형태에서 순수한 카보네이트, 순수한 바이카보네이트 및 둘의 혼합물은 트럭/탱크-차로 주기적으로 수송될 수 있다. 일부 양태에서, 액체 스트림은, 물과 같은 액체가 증발될 수 있는 증발 탱크/필드에서 교체될 수 있다.

기상 생성물의 방출은 하이드록사이드 또는 옥사이드 염이 안전하게 방출되는지, 즉, "염기성 비"를 방출하는지의 우려를 포함한다. 이러한 에어로졸화 가성 염의 방출은 일부 양태에서 단순하고 저렴한 콘덴서/환류 장치를 사용함으로써 예방할 수 있다.

일부 양태에서, 카보네이트 염은 수 제거 공정과 별도로 사용되거나 또는 이와 함께 사용되는 방법을 사용하여 침전시킬 수 있다. 각종 카보네이트 염 평형은 특유의 범위를 갖고, 여기서, 온도가 상승될 경우, 소정의 카보네이트 염, 예를 들어, CaC0₃가 자연적으로 침전되어 수집되고, 이것이 슬러리에서 인출되는 일부 단편적인 NaOH와 함께 슬러리로서 회수되는 것에 순응하게 한다.

XIII. 폐-열의 회수

본 발명의 특정 양태가 연소 공정, 예를 들어, 발전소에서 발생하는 것으로부터 연소 배기 가스 또는 기타 뜨거운 가스 형태로 CO₂의 다량 방출과 관련하여 사용되기 때문에, 이 '폐' 열을, 예를 들어, 2족 클로라이드 염을 2족 하이드록사이드로 전환시키는데 사용할 충분한 기회가 있다. 예를 들어, 통상적인 유입 연소 배기 가스 온도(예를 들어, 정전기적 침전 처리 후)는 약 300℃이다. 열 교환기는, 이 전환을 촉진시키기 위해 물 및/또는 2족 클로라이드 염을 가온시키면서 그 연소 배기 가스를 300℃ 미만의 점으로 저하시킬 수 있다.

일반적으로, 발전소에서 이용할 수 있는 연소 배기 가스가 100℃(통상적으로 스크러빙됨), 300℃(침전 처리 후) 및 900℃(침전 등장) 사이의 온도 또는 기타 상기 온도에서 배출되기 때문에, 상당한 폐-열 처리가, 유입되는 연소 배기 가스를 전력 회수 사이클, 예를 들어, 암모니아-수 사이클(예: "칼리나" 사이클), 스팀 사이클 또는 동일한 열역학적 수단을 달성하는 임의의 상기 사이클을 사용하여 열 교환기를 통해 냉각시킴으로써 추출시킬 수 있다. 본 발명의 일부 양태가 시약/흡수제의 제조를 달성하기 위한 DC 전력에 의존하기 때문에, 당해 공정은 DC 전력을 기타 용도를 위해 AC 전력으로 전환시킴과 관련되는 통상의 변압기 손실 없이, 달성되는 폐-열 회수에 의해 부분적으로 또는 완전히 직접 동력화할 수 있다. 추가로, 엔진을 작동시키기 위한 폐-열의 사용을 통해, 전기 생성 단계를 전혀 사용하지 않고 상당한 효율을 달성할 수 있다. 일부 상태에서, 이러한 폐-열 회수 에너지 양은 본 발명의 양태를 전적으로 동력화하는 것으로 밝혀질 수 있다.

XIV. 대안 공정

상기 주시된 바와 같이, 본 명세서의 장치 및 방법의 일부 양태는 다수의 유용한 중간체, 부산물, 및 염화수소, 2족 카보네이트 염, 2족 하이드록사이드 염 등을 포함하는 각종 반응 단계로부터의 최종 생성물을 생산한다. 일부 양태에서, 이들 중의 일부 또는 전부를 이하 기술되는 방법 중의 하나 이상에 사용할 수 있다. 일부 양태에서, 상기한 단계 중의 하나 이상에 사용된 출발 물질 또는 중간체 중의 하나의 일부 또는 전부는 이하 개요된 방법 중의 하나 이상을 사용하여 수득된다.

A. 2족 실리케이트의 염소화를 위한 염소의 사용

일부 양태에서, 염소 가스는 염산으로 액화시킬 수 있고, 이어서 2족 실리케이트 광물을 염소화하는데 사용한다. 염소의 액화 및 후속적인 염산의 사용은 특히 염소 시장이 포화된 상황에서 특히 매력적이다. 염소의 액화는 반응식 27에 따라 달성될 수 있다:

[반응식 27]

Cl₂(g) + 2 H₂0(l) + hv(363nm) → 2 HCl(l) +1/2 0₂(g)

일부 양태에서, 이렇게 생산된 산소를 발전소 자체의 공기-유입구로 반환시킬 수 있고, 여기서 전력-산업 조사 도중에 걸쳐 풍부한 산소-유입 발전소가 (a) 높은 카르노트 효율, (b) 보다 농축된 C0₂ 출구 스트림, (c) 유입구 공기를 가온시키기 위한 낮은 열-교환 및 (d) 비-산소-증강된 발전소에 대한 기타 이점을 갖는다는 것이 입증되었다. 일부 양태에서, 산소를 수소/산소 연료 전지에 사용할 수 있다. 일부 양태에서, 산소는, 예를 들어, 수소와 천연 가스의 혼합물을 사용하여 천연 가스 전력 생성용으로 고안된 터빈에서 산화제의 일부로서 작용할 수 있다.

B. 2족 하이드록사이드의 염소화를 위한 염소의 사용

일부 양태에서, 염소 가스를 2족 하이드록사이드 염과 반응시켜 클로라이드 및 하이드로클로라이트 염의 혼합물을 수득할 수 있다(반응식 28). 예를 들어, HCl은 생성물로서 판매될 수 있고, 2족 하이드록사이드 염은 과량의 염소를 제거하는데 사용될 수 있다.

[반응식 28]

Ca/Mg(OH)₂ + Cl₂ → ½Ca/Mg(OCl)₂ + ½Ca/MgCl₂ + H₂0

이어서, 2족 하이드로클로라이트는 코발트 또는 니켈 촉매를 사용하여 분해하여 산소 및 상응하는 클로라이드를 형성할 수 있다(반응식 29).

Ca/Mg(OCl)₂ → Ca/MgCl₂ + 0₂

이어서, 염화칼슘 및/또는 염화마그네슘이 회수될 수 있다.

XV. 공급원으로부터 기타 오염물질의 제거

공급원으로부터 C0₂를 제거하는 것 이외에, 본 발명의 일부 양태에서, 탈탄산화 조건은 또한 SO_x 및 NO_x 그리고, 적은 정도로 수은을 제거한다. 본 발명의 일부 양태에서, NO_x, SOx, 및 수은 화합물의 부수적인 스크러빙은 보다 큰 경제적인 중요성을 가정할 수 있고; 즉, 본 발명의 양태를 사용함으로써, 이들 화합물 다량을 함유하는 석탄은, 일부 양태에서, CO₂ 흡수 공정의 이점 없이, 처리된 고급 석탄을 사용할 때보다 덜 생성되는 오염과 함께 발전소에서 연소될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들어, 미국 특허 제7,727,374호, 미국 특허원 제11/233,509호(2005년 9월 22일 출원), 미국 가특허 출원 제60/718,906호(2005년 9월 20일 출원), 미국 가특허 출원 제60/642,698호(2005년 1월 10일 출원); 미국 가특허 출원 제60/612,355호(2004년 9월 23일 출원), 미국 특허원 제12/235,482호(2008년 9월 22일 출원), 미국 가 출원 제60/973,948호(2007년 9월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/032,802호(2008년 2월 29일 출원), 미국 가 출원 제61/033,298호(2008년 3월 3일 출원), 미국 가 출원 제61/288,242호(2010년 1월 20일 출원), 미국 가 출원 제61/362,607호(2010년 7월 8일 출원), 및 국제 출원 제PCT/US08/77122호(2008년 9월 19일 출원)에 교시된다. 상기 참조된 명세서(임의의 부록 포함) 각각의 전문은 구체적으로 본원에 참조로 인용된다.

XVI. 실시예

다음 실시예들은 본 발명의 일부 양태를 입증하기 위해 포함된다. 이하 실시예에서 기술된 기술은 발명자들에 의해 발견된 기술을 나타내어 본 발명의 실행에서 충분히 기능하고, 따라서 이를 실행하기 위한 바람직한 양식을 구성하는 것으로 간주될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 그러나, 당업자들은, 본 명세서에 비추어, 많은 변화가 기술된 특정 양태에서 수행될 수 있고, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않고 같거나 유사한 결과를 수득할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

실시예 1 - CaCO₃을 형성하기 위해 CaCl₂를 사용하여 연소 배기 가스로부터 C0₂를 포획하는 공정 모의실험

본 발명의 한 양태는 CaCO₃ 생성물을 형성하기 위해 CaCl₂ 및 열을 사용하여 연료 배기 가스로부터 CO₂를 포획하기 위한 질량 및 에너지 균형 및 적합한 조건을 측정하기 위해 공지된 반응 엔탈피, 반응 유리 에너지 및 규정된 파라미터를 사용하는 아스펜 플러스 v. 7.1 소프트웨어를 사용하여 모의실험하였다. 이러한 결과는 저렴한 원료 CaCl₂ 및 물을 사용하여 연소 배기 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaC0₃를 형성할 수 있음을 보여준다.

규정된 파라미터의 일부는 도 5에 도시된 공정 계통도를 포함한다. 모의실험으로부터 결과는 H₂O와 열과 반응하는 MgCl₂ 스트림을 재순환시켜 Mg(OH)₂를 형성하는 것이 효율적임을 제시한다. 이어서, Mg(OH)₂를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 공정은 CaCl₂에 대한 임의의 특정 공급원으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득함으로써 수득될 수 있다.

이 모의실험을 위해 구체화된 제약 및 파라미터는 다음을 포함한다:

· 반응은 손실 없이 100% 효율로 진행시켰다. 모의실험은 파일롯 작동이 반응 효율을 측정할 경우 변형될 수 있다.

· 모의실험은 CaCl₂ 공급 원료 또는 시스템으로부터의 손실로 인한 필요한 임의의 보충 MgCl₂에서 불순물에 대해 설명하지 않았다.

이 모의실험의 결과는 약 130MM Btu/hr의 예비 순 에너지 소비를 지시한다. 표 2a 및 2b는 모의실험 공정의 각종 스트림(표의 세로줄)을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각 스트림은 도 5의 스트림에 상응한다.

당해 공정은 두 주요 반응 섹션 및 하나의 고체 여과 섹션으로 이루어진다. 제1 반응기는 MgCl₂/물 용액을 가열하여 이를 HCl/H₂0 증기 스트림 및 Mg(OH)₂의 액체 스트림으로 변화시킨다. HCl/H₂0 증기 스트림을 HCl 흡수제 컬럼으로 송부한다. Mg(OH)₂ 용액을 추가의 처리를 위해 반응기 2로 송부한다. 이 반응기를 위한 화학 반응은 다음 반응식 30으로 제시될 수 있다:

[반응식 30]

MgCl₂ + 2 H₂0 → Mg(OH)₂ + 2HCl

CaCl₂ 용액 및 연소 배기 가스 스트림을 반응기 2 중의 MgCl₂에 가한다. 이 반응은 CaC0₃, MgCl₂ 및 물을 형성한다. CaC0₃는 침전되고, 필터 또는 경사기에서 제거된다. 잔류하는 MgCl₂ 및 물을 제1 반응기로 재순환시킨다. 추가의 물을 가하여 제1 반응기에 필요한 수 균형을 완료시킨다. 이 반응기에 대한 화학 반응은 다음 반응식 31로 제시될 수 있다:

[반응식 31]

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + C0₂ → CaC0₃ (s) + MgCl₂ + H₂0

이 공정으로의 주요 공급물은 CaCl₂, 연소 배기 가스(C0₂) 및 물이다. 시스템 중의 MgCl₂를 사용하고, 재형성시키고 재순환시킨다. 필요한 유일한 MgCl₂ 보충은 CaC0₃ 생성물과 함께 시스템을 떠나는 소량, 및 HCl/수 생성물과 함께 떠나는 소량을 대체하는 것이다.

이 공정은 순 에너지 사용자(user)이다. 공급물 스트림을 예열하기 위해 고온 스트림 중의 열을 회수하는 교차 열 교환이 존재한다. 중요한 열 회수는 이렇게 형성된 진한 HCl을 실리케이트 광물과 반응시킴으로써 수득될 수 있다.

[표 2a]

[표 2b]

실시예 2 (케이스 1)- CaC0₃를 형성하기 위해 CaCl₂를 사용하여 연소 배기 가스로부터 마그네슘 이온 촉매된 CO₂ 포획의 공정 모의실험

모의실험 결과는 MgCl₂·6H₂0 스트림을 Mg(OH)Cl 및 HCl을 형성하기 위해 각각 그 자체의 챔버에서 3개의 별도의 탈수 반응에 이어, 또한 그 자체의 챔버에서 분해 반응으로, 즉 총 4개의 챔버에서 가열하는 것이 효율적이다는 것을 제시한다. Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂·6H₂0를 초기 생성물과 함께 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다.

이 공정은 CaCl₂에 대해 임의의 특별한 공급원으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득함으로써 수득할 수 있다.

· 규정된 파라미터의 일부는 도 6에 도시된 공정 계통도를 포함한다.

이 모의실험의 결과는 5946 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 지시한다. 표 3은 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각 스트림은 도 6의 스트림에 상응한다.

당해 공정은 두 주요 반응기 및 하나의 고체 여과 섹션으로 이루어진다. 제1 반응기는 MgCl₂·6H₂O를 가열하여 이를 HCl/H₂0 증기 스트림 및 Mg(OH)Cl의 고체 스트림으로 변화시킨다. HCl/H₂0 증기 스트림을 열 교환기로 송부하여 여분의 열을 회수한다. Mg(OH)Cl로부터 형성된 Mg(OH)₂를 추가의 처리를 위해 반응기 2로 송부한다. 이 반응기에서 발생하는 화학 반응(들)은 다음을 포함한다:

[반응식 32]

MgCl₂·6H₂0 + △ → Mg(OH)Cl + 5 H₂0↑ + HCl↑

[반응식 33]

2 Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

CaCl₂ 용액 및 연소 배기 가스 스트림을 반응기 2 중의 Mg(OH)₂에 가한다. 이 반응은 CaC0₃, MgCl₂ 및 물을 형성한다. CaC0₃는 침전되고, 필터 또는 경사기에서 제거된다. 잔류하는 MgCl₂ 및 물을 제1 반응기로 재순환시킨다. 추가의 물을 가하여 제1 반응기에 필요한 수 균형을 완료시킨다. 이 반응기에서 발생하는 화학 반응(들)은 다음을 포함한다:

[반응식 34]

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + C0₂ → CaC0₃↓(s) + MgCl₂ + H₂0

이 공정에서 주요 공급물은 CaCl₂, 연소 배기 가스(C0₂) 및 물이다. 시스템 중의 MgCl₂를 사용하고, 재형성시키고 재순환시킨다. 필요한 유일한 MgCl₂ 보충은 CaC0₃ 생성물과 함께 시스템을 떠나는 소량, 및 HCl/수 생성물과 함께 떠나는 소량을 대체하는 것이다.

이 공정은 순 에너지 사용자이다. 에너지의 양은 조사 및 최적화 중이다. 공급물 스트림을 예열하기 위해 고온 스트림 중의 열을 회수하는 교차 열 교환이 존재한다.

이 공정(케이스 1)을 위한 단계는 이하 요약된다:

[표 3a]

[표 3b]

실시예 3- CaC0₃를 형성하기 위해 CaCl₂를 사용하여 연소 배기 가스로부터 마그네슘 이온 촉매된 CO₂ 포획의 공정 모의실험

규정된 파라미터의 일부는 도 7에 도시된 공정 계통도를 포함한다. 모의실험 결과는 Mg(OH)Cl을 형성하기 위한 MgCl₂·6H₂0 스트림을 Mg(OH)Cl 및 HCl을 형성하기 위해 각각 그 자체의 챔버에서 2개의 별도의 탈수 반응에 이어, 또한 그 자체의 챔버에서 분해 반응으로, 즉 총 3개의 챔버에서 가열하는 것이 효율적이다는 것을 제시한다. Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂·6H₂0를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 공정은 CaCl₂에 대한 임의의 특별한 공급원으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득함으로써 수득할 수 있다.

이 모의실험의 결과는 4862 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 지시한다. 표 4는 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각 스트림은 도 7의 스트림에 상응한다.

[반응식 35]

MgCl₂·6H₂0 + △ → Mg(OH)Cl + 5 H₂0↑ + HCl↑

[반응식 36]

2 Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

[반응식 37]

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + C0₂ → CaC0₃↓(s) + MgCl₂ + H₂0

이 공정(케이스 2)을 위한 단계는 이하 요약된다:

[표 4a]

[표 4b]

실시예 4- CaC0₃를 형성하기 위해 CaCl₂를 사용하여 연소 배기 가스로부터 마그네슘 이온 촉매된 CO₂ 포획의 공정 모의실험

규정된 파라미터의 일부는 도 8에 도시된 공정 계통도를 포함한다. 모의실험 결과는 MgO를 형성하기 위해 MgCl₂·6H₂0 스트림을 단일 챔버에서 가열하는 것이 효율적이다는 것을 제시한다. MgO를 H₂0와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂·6H₂0를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 공정은 CaCl₂에 대한 임의의 특별한 공급원으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득함으로써 수득할 수 있다.

이 모의실험의 결과는 3285 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 지시한다. 표 5는 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각 스트림은 도 8의 스트림에 상응한다.

당해 공정은 두 주요 반응기 및 하나의 고체 여과 섹션으로 이루어진다. 제1 반응기는 MgCl₂·6H₂O를 가열하여 이를 HCl/H₂0 증기 스트림 및 MgO의 고체 스트림으로 변화시킨다. HCl/H₂0 증기 스트림을 열 교환기로 송부하여 여분의 열을 회수한다. MgO로부터 형성된 Mg(OH)₂를 추가의 처리를 위해 반응기 2로 송부한다. 이 반응기에서 발생하는 화학 반응(들)은 다음을 포함한다:

[반응식 38]

MgCl₂·6H₂0 + △ → MgO + 5 H₂0↑ + 2HCl↑

[반응식 39]

MgO + H₂O → Mg(OH)₂

[반응식 40]

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + C0₂ → CaC0₃↓(s) + MgCl₂ + H₂0

이 공정(케이스 3)을 위한 단계는 이하 요약된다:

[표 5a]

[표 5b]

실시예 5- CaC0₃를 형성하기 위해 CaCl₂를 사용하여 연소 배기 가스로부터 마그네슘 이온 촉매된 CO₂ 포획의 공정 모의실험

규정된 파라미터의 일부는 도 9에 도시된 공정 계통도를 포함한다. 모의실험 결과는 Mg(OH)Cl을 형성하기 위해 MgCl₂·6H₂0 스트림을 단일 챔버에서 가열하는 것이 효율적이다는 것을 제시한다. Mg(OH)Cl을 H₂0와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 포화된 CaCl₂/H₂0 용액 및 연소 배기 가스로부터의 C0₂와 반응시켜 CaC0₃를 형성하고, 이를 스트림으로부터 여과시킨다. 생성되는 형성된 MgCl₂·6H₂0를 제1 반응기로 재순환시켜 공정을 다시 시작한다. 이 공정은 CaCl₂에 대한 임의의 특별한 공급원으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득함으로써 수득할 수 있다.

이 모의실험의 결과는 4681 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 지시한다. 표 6은 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각 스트림은 도 9의 스트림에 상응한다.

[반응식 41]

MgCl₂·6H₂0 + △ → Mg(OH)Cl + 5 H₂0↑ + HCl↑

[반응식 42]

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

[반응식 43]

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + C0₂ → CaC0₃↓(s) + MgCl₂ + H₂0

이 공정(케이스 4)을 위한 단계는 이하 요약된다:

[표 6a]

[표 6b]

실시예 6 - 도로 염 보일러: Mg0₂·6H₂0의 분해

도 10은 MgCl₂·6H₂0의 가열된 샘플의 질량%의 그래프를 도시한다. 샘플의 초기 중량은 약 70mg이었고, 100%로 설정했다. 실험 동안, 샘플의 질량은 열적으로 분해되는 동안 측정했다. 온도를 신속하게 150℃로 상승시킨 다음, 서서히 0.5℃/분으로 증가시켰다. 약 220℃에서, 중량은 일정해지고, Mg(OH)Cl의 형성과 일치했다. 추가의 중량 감소의 부재는 거의 모든 물이 제거되었음을 지시한다. 두 개의 상이한 상세한 분해 질량 분석은, 제시된 상이한 최종 재료의 이론적 플라토와 함께 도 28 및 29에 도시된다. 도 30은 MgO가, Mg(OH)Cl를 생산하는 것보다 고온(여기서, 500℃)에서 제조될 수 있음을 확인한다.

실시예 7 - H₂O에 Mg(OH)Cl의 용해

MgCl₂·6H₂0의 가열에 의해 생성된 Mg(OH)Cl의 샘플을 물에 용해시키고, 시간 동안 교반시켰다. 이후, 잔류하는 침전을 건조시키고, 수집하여 분석했다. 분해 화학식에 의해, Mg(OH)₂의 양을 기대량과 비교 분석할 수 있었다. 화학 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

[반응식 44]

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

Mg(OH)₂ 및 MgCl₂에 대한 용해도 데이터는 다음과 같다:

100gm H₂O 중의 MgCl₂ 52.8gm(매우 가용성)

100gm H₂O 중의 Mg(OH)₂ 0.0009gm(실질적으로 불용성)

회수된 Mg(OH)₂의 이론적 중량:

소정의 샘플 중량: 3.0136gm.

MW Mg(OH)Cl 76.764

MW Mg(OH)₂ 58.32

Mg(OH)Cl mol당 형성된 Mg(OH)₂ mol =1/2

Mg(OH)₂의 예상량

2 Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

3.016gm ^* (MW Mg(OH)₂ ÷(MW Mg(OH)Cl ^* ½= 1.1447 gm

수집된 침전 = 1.1245gm

이론적 수집(%) = (1.1447 ÷ 1.1245) ^* 100 = 98.24%

분석 데이터:

이어서, Mg(OH)₂의 샘플을 분석, XRD (X-선 회절) 및 EDS를 위해 송부했다. 결과는 도 11에 도시된다. 피크의 상부 열(row)은 샘플의 것이고, 중간 열의 스파이크는 Mg(OH)₂의 표시인 반면, 기저부의 스파이크는 MgO의 표시이다. 따라서, Mg(OH)Cl의 용해로부터의 회수된 침전이 Mg(OH)₂의 것과 닮은 시그널을 갖는다는 것을 입증한다.

EDS 분석은 매우 적은 염소[Cl]가 침전에 도입되었음을 나타낸다. 이 분석은 산소 또는 수소를 검출할 수 없음을 주의한다.

실시예 8 - 탈탄산화 버블러 실험: C0₂와 Mg(OH)₂ {또는 Mg(OH)Cl} 및 CaCl₂를 반응시켜 CaC0₃ 생성

약 20g의 Mg(OH)₂를 2ℓ의 물과 함께 버블 컬럼에 위치시키고, C0₂를 x 시간(분) 동안 이를 통해 버블링시켰다. 이후, 액체의 일부를 수집하고, 이에 CaCl₂ 용액을 가했다. 침전이 즉시 형성되었고, XRD 및 EDS를 통해 송부했다. 화학 반응은 다음과 같이 제시될 수 있다:

[반응식 45]

Mg(OH)₂ + C0₂ + CaCl₂ → CaC0₃↓ + H₂0

XRD 분석(도 12)은 CaC0₃ 표시와 일치한다.

EDS

EDS 분석은 단지 1.55중량% 마그네슘 불순물을 갖고, CaCl₂로부터의 염소가 거의 없는 거의 순수한 CaCO₃를 나타낸다.

MgCl₂·6H₂0의 분해로부터의 Mg(OH)Cl이 Mg(OH)₂ 대신 사용되었다는 것 이외에는 동일한 시험을 수행했다. Mg(OH)Cl이 Mg(OH)₂로서의 하이드록사이드[OH^-]의 반이지만, C0₂를 흡수하여 침전된 CaC0₃(PCC)를 형성할 것으로 기대된다.

XRD 분석(도 13)은 CaC0₃ 표시와 일치한다.

EDS

Chi-sqd = 5.83 유효 계수 시간(Livetime) = 300.0초.

표준 없는 분석

PROZA 보정 Acc.Volt.= 20kV 이륙 각도(Take-off Angle)=35.00°

반복 횟수 = 3

또한, 결과는 Mg 또는 Cl 화합물이 거의 없는 거의 순수한 CaC0₃를 나타낸다.

실시예 9A - 암석 융해기 실험: 감람석 및 사문석과 HCl의 반응

감람석 (Mg,Fe)₂Si0₄ 및 사문석 Mg₃Si₂0₅(OH)₄의 샘플을 파쇄시키고, 6.1M HCl과 약 72시간 동안 반응시켰다. 두 세트의 시험을, 첫 번째 실온에서, 두번째 70℃에서 수행했다. 이러한 광물들은 가변적인 화학식을 갖고, 흔히 철을 함유한다. 샘플을 여과시킨 후, 생성되는 잔류물(filtrand) 및 여액을 오븐에서 밤새 건조시켰다. 이어서, 샘플을 XRD 및 EDS 분석을 통과시켰다. 여액은 존재하는 MgCl₂를 가져야 하고, 잔류물은 주로 Si0₂여야 한다.

실온에서 HCl과 반응된 감람석 여액

70℃에서 HCl과 반응된 감람석 여액

실온에서 HCl과 반응된 사문석 여액

70℃에서 HCl과 반응된 사문석 여액

주위 온도 및 70℃에서 두 광물 사문석 및 감람석에 대한 명백하게 여액은 모두 MgCl₂의 존재, 및 감람석의 경우 소량의 FeCl₂를 설명한다.

실온에서 HCl과 반응된 감람석 잔류물

70℃에서 HCl과 반응된 감람석 잔류물

감람석에 대한 화학식은 (Mg,Fe)₂Si0₄이고, 이는 마그네슘 풍부 감람석이다는 것을 제시한다. 원료 화합물은 2:1의 Mg:Si 비를 갖는다. 그러나, 필터를 통해 통과하지 않은 잔류물은 (Mg+Fe:Si) 비 (37+5.5:52) 또는 0.817:1을 갖는다. (챠트상의 원자%)는 명백히 50% 이상의 마그네슘이 필터를 통과한다.

실온에서 HCl과 반응된 사문석

70℃에서 HCl과 반응된 사문석 잔류물

사문석의 화학식이 (Mg,Fe)3Si₂0₅(OH)₄이고, 초기 1.5:1 비의 (Mg+Fe) 대 Si가 (37+9.3:56.5) = 0.898:1로 감소되었음을 제시한다.

실시예 9B - MgCl₂·6(H₂0)의 분해를 위한 온도/압력 모의실험

압력 및 온도를 이하(표 7) 및 도 14에 제시된 바와 같이 변화시켜 MgCl₂·6(H₂O)의 분해의 평형에 대해 갖는 효과를 측정하였다. 유입물은 다음과 같다:

1) MgCl₂·6H₂0

2) CaCl₂

3) Mg(OH)Cl로 표지된 열 교환기(HX)를 떠나는 뜨거운 스트림의 온도(참조: 도 7-8).

4) 경사기에서 분리된 고체의 비율

5) H₂0로 표지된 필요한 물

6) 연소 배기 가스.

[표 7]

실시예 10 내지 21

다음 나머지 실시예는 석탄 또는 천연 가스 발전소로부터 폐 열 방출을 사용하여 분해 반응을 수행하기 위한 필요한 열을 수득함과 관련이 있다. 석탄 연소 배기 가스 방출로부터 필요한 열을 수득하기 위해, 열원은 공기 예열기 대신 온도 범위가 320 내지 480℃인 백하우스(baghouse) 앞에 위치시킬 수 있다. 전문이 본원에 참조로 인용된 문헌[참조: pages 11-15 of "structural design of air and gas ducts for power stations and industrial Boiler Applications," Publisher: American Society of Civil Engineers (August 1995)]을 참조한다. 개방 사이클 천연 가스 발전소는 600℃의 매우 높은 배기 온도를 갖는다. 전문이 본원에 참조로 인용된 문헌[참조: pages 11-15 of "structural design of air and gas ducts for power stations and industrial Boiler Applications," Publisher: American Society of Civil Engineers (August 1995)]을 참조한다. 추가로, MgCl₂·6H₂0의 분해 반응은 또한 2개의 상이한 방식, MgO로의 완전 분해 또는 Mg(OH)Cl로의 부분 분해로 작동시킬 수 있다. Mg(OH)Cl로의 부분 분해는 일부 양태에서, 180℃ 초과의 온도를 필요로 하는 반면, MgO로의 전체 분해는, 일부 양태에서 440℃ 이상의 온도를 필요로 한다.

추가로, 공정으로의 유입 공급물은 100% 규산칼슘(CaSi0₃) 및 100% 규산마그네슘(MgSi0₃)과 중간체 50% 케이스를 나타내는 투휘석(MgCa(Si0₃)₂)(또는 1:1 몰 비의 CaSi0₃와 MgSi0₃와의 혼합물) 사이의 연속체로 제시될 수 있다. 이러한 경우 각각에 대해, 생성되는 생산물은 일부 양태에서, 중간체 경우를 나타내는 백운석 CaMg(CO₃)₂와 함께 탄산칼슘(CaC0₃) 내지 탄산마그네슘(MgC0₃)에 배치된다. 100% 규산칼슘을 사용하는 공정은 이전에 모델화된 양태의 모두에 사용된 Ca-Mg 공정이다. 100% 규산마그네슘 공정이 칼슘 화합물을 전혀 사용하지 않는 반면, 100% 규산칼슘 유입 공급물 공정은 마그네슘 화합물을 사용하지만, 재순환 루프에서, 단지 보충 마그네슘 화합물이 필요하다.

예를 들어, 수화된 MgCl₂의 각각 MgO 및 Mg(OH)Cl로의 완전 및 부분 분해를 사용하는 Ca-Mg, Mg만, 투휘석 공정에 관한 추가의 상세설명은 이하에 묘사된다.

I) Ca-Mg 공정

전체 반응 CaSi0₃ + C0₂ → CaC0₃ + Si0₂

a) 완전 분해 ("CaSi0₃-MgO 공정"):

1) MgCl₂·6H₂0 + △ → MgO + 5H₂0↑ + 2HCl↑

열 분해 반응.

2) 2HCl(aq) + CaSi0₃ → CaCl₂(aq) + Si0₂↓ + H₂0

암석 융해 반응.

반응 동안 HCl 2mol당 5H₂0가 존재한다는 것을 주시한다.

3) MgO + CaCl₂(aq) + C0₂ → CaC0₃↓ + MgCl₂(aq)

이 반응식이 일부 변형태는 MgO 및 H₂O로부터 형성된 Mg(OH)₂를 사용한다.

4) MgCl₂(aq) + 6H₂0 → MgCl₂·6H₂0

MgCl₂·6H₂0의 재생, #1로 반환.

b) 부분 분해("CaSi0₃-Mg(OH)Cl 공정"):

1) 2 x [MgCl₂·6H₂0 + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂0↑ + HCl↑]

열 분해.

2배 만큼의 MgCl₂·6H₂0가 동일량의 C0₂를 트랩하는데 필요하다.

2) 2HCl(aq) + CaSi0₃ → CaCl₂(aq) + Si0₂↓ + H₂0

암석 융해 반응.

3) 2Mg(OH)Cl + CaCl₂(aq) + C0₂ → CaC0₃↓ + 2MgCl₂(aq) + H₂0

C0₂ 포획 반응

4) 2 MgCl₂ + 12H₂0 → 2MgCl₂·6H₂0

MgCl₂·6H₂0의 재생, #1로 반환.

II) Mg 유일 공정

전체 반응 MgSi0₃ + C0₂ → MgC0₃ + Si0₂

c) 완전 분해 ("MgSi0₃-MgO 공정")

1) 2HCl(aq) + MgSi0₃ + (x-l)H₂0 → MgCl₂ + Si0₂↓ + xH₂O

암석 융해 반응.

2) MgCl₂·xH₂0 + △ → MgO + (x-l)H₂0↑ + 2HCl↑

열 분해 반응.

"x-1" mol의 H₂0가 HCl 2mol당 생성된다는 것을 주시한다.

3) MgO + C0₂ → MgC0₃

C0₂ 포획 반응.

이 양태에서, MgCl₂의 재순환이 전혀 필요하지 않다는 것을 주시한다. 수화수의 수인, x 값은 6 훨씬 미만인데, 암석 융해 반응으로부터의 MgCl₂가 다수의 물을 증기 상으로 구동시키기에 충분히 따듯하기 때문이다. 따라서, 암석 융해로부터의 경로는 약 2의 값을 갖는 것으로 모델화될 경우 "x" 로 정상 상태에서 작동한다.

d) 부분 분해("MgSi0₃-Mg(OH)Cl 공정")

1) 2HCl(aq) + MgSi0₃ → MgCl₂ + Si0₂↓ + H₂0

암석 융해 반응.

"x-1" H₂0가 반응 동안 HCl 1mol당 존재한다는 것을 주시한다.

2) 2 [MgCl₂·xH₂0 + △ → Mg(OH)Cl + (x-1)H₂0↑ + HCl↑]

분해.

2배 만큼의 MgCl₂·(x-l)H₂0가 동일량의 C0₂를 트랩하는데 필요하다.

3) 2Mg(OH)Cl + C0₂ →MgC0₃↓ + MgCl₂ + H₂0

C0₂ 포획 반응.

4) MgCl₂(aq) + 6H₂0 → MgCl₂·6H₂0

MgCl₂·6H₂0의 재생, #1로 반환.

이 양태에서, MgCl₂의 반이 재순환된다는 것을 주시한다. 수화수의 수인, x 값은 다소 6 미만인데, MgCl₂의 반이 다수의 물을 증기 상으로 구동시키기에 충분히 따듯한 암석 융해 반응으로부터이고, 나머지 반은 흡수 컬럼으로부터 재순환되기 때문이다. 따라서, 정상 상태에서 MgCl₂의 총량에 대한 수화수는 MgCl₂·6H₂0와 MgCl₂·2H₂0 사이의 평균인 약 4의 값을 갖는다.

III) 투휘석 또는 혼합 공정:

투휘석이 혼합된 칼슘 및 마그네슘 실리케이트이고, 백운석이 혼합된 칼슘 및 마그네슘 카보네이트임을 주시한다.

전체 반응: ½CaMg(Si0₃)₂ + C0₂ → ½CaMg(C0₃)₂ + Si0₂

e) 완전 분해 ("투휘석-MgO 공정"):

1) MgCl₂·6H₂0 + △ → MgO + 5H₂0↑ + 2HCl↑

열 분해.

2) HCl + ½CaMg(Si0₃)₂ → ½CaCl₂ + ½MgSi0₃↓ + ½Si0₂↓ + ½H₂0

제1 암석 융해 반응.

3) HCl + ½MgSi0₃ → ½MgCl₂+ ½Si0₂↓ + ½H₂0

제2 암석 융해 반응. MgCl₂를 #1로 반환한다.

4) MgO + ½CaCl₂ + C0₂ → ½CaMg(C0₃)₂↓ + ½MgCl₂

5) ½MgCl₂ + 3H₂0 → ½MgCl₂·6H20

MgCl₂·6H₂0의 재생, #1로 반환.

f) 부분 분해("투휘석-Mg(OH)Cl 공정"):

1) 2 x [MgCl₂·6H₂0 + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂0↑ + HCl↑]

열 분해.

제1 암석 융해 반응.

3) HCl + ½MgSi0₃ → ½MgCl₂ + ½Si0₂↓ + ½H₂0

제2 암석 융해 반응. 여기서, MgCl₂를 #1로 반환시킨다.

4) 2Mg(OH)Cl + ½CaCl₂ + C0₂ → ½CaMg(C0₃)₂↓ + 3/2 MgCl₂ + H₂0

5) 3/2 MgCl₂ + 9H₂0 → 3/2 MgCl₂·6H₂0

MgCl₂·6H₂0의 재생, #1로 반환

[표 9]

1 - 320-550℃의 온도 범위는 각각 320, 360, 400, 440 및 550℃에서 작동하는 모델을 포함한다.

2 - 연소 배기 가스 7.2% -18%의 C0₂ 비율은 각각 7.2%, 10%, 14% 및 18%에서 작동하는 모델을 포함한다.

규산칼슘 공정:

CaSi0₃-MgO 및 CaSi0₃-Mg(OH)Cl 분해 공정은 MgCl₂·6H₂0가 MgCl₂·2H₂0 + 4 H₂0로 전환되는 탈수 반응으로 이루어지는 제1 단계와, MgCl₂·2H₂0가 부분 분해가 목적시되거나 필요한 경우, Mg(OH)Cl + HCl + H₂0로 전환되고, 전체 분해가 목적시되거나 필요한 경우 MgO + 2HCl + H₂0로 전환되는 제2 단계인 두 단계로 추가로 나뉜다. 도 15는 이 공정의 배치를 기술한다.

규산마그네슘 공정:

MgSi0₃-MgO 및 MgSi0₃-Mg(OH)Cl 공정은 하나의 챔버 분해 단계로 이루어지고, 여기서, 분해 챔버로부터의 HCl은 암석 융해 반응기에서 MgSi0₃과 반응하고, 후속되는 반응열은 초기에 기술된 바와 같은 MgO 또는 Mg(OH)Cl로 전환되는 분해 반응기에 근접한 암석 융해 챔버를 떠날 때 MgCl₂를 이수화물 형태 MgCl₂·2H₂0로 남긴다. 이 공정은 규산칼슘이 이용가능하지 않을 경우 바람직할 수 있다. 분해로부터 방출되는 HCl은 MgSi0₃와 반응하여 추가의 MgCl₂를 형성한다. 규산마그네슘 공정은 칼슘과 상이한 경로를 따른다. 공정은 "암석 융해 반응 HCl + 실리케이트"로부터 출발한 다음, "분해 반응(MgCl₂ + 열)"으로 이동하고, 최종적으로 흡수 컬럼으로 이동한다. 규산칼슘 공정에서, 모든 마그네슘 화합물은 분해 반응과 흡수 반응 사이를 회전한다. 반응 16은 이 공정의 배치를 기술한다.

혼합된 마그네슘 및 칼슘 실리케이트 "투휘석" 공정:

중간 공정 투휘석-MgO 및 투휘석-Mg(OH)Cl은 또한 탈수 반응 MgCl₂·6H₂0 + △ → MgCl₂·2H₂0 + 4 H₂0에 이은 분해 반응 MgCl₂·2H₂0 + △ → MgO + 2HCl + H₂0 (완전 분해) 또는 MgCl₂·2H₂0 + △ → Mg(OH)Cl + HCl + H₂0(부분 분해)로 이루어지는 2단계 분해를 포함한다. 도 17은 이 공정의 배치를 기술한다.

이어서, 분해로부터 계속 발생하는 HCl은 2단계 "암석 융해 반응"으로 투휘석 CaMg(Si0₃)₂와 반응시킨다. 제1 반응은 반응 2HCl + CaMg(Si0₃)₂ → CaCl₂(aq) + MgSi0₃↓ + Si0₂↓ + H₂0를 통해 CaCl₂를 생성한다. 이어서, 이전 반응으로부터의 고체를 HCl과 2회째 반응시켜 반응 MgSi0₃ + 2HCl → MgCl₂ + Si0₂↓ + H₂0를 통해 MgCl₂를 생성한다. 제1 암석 융해기로부터의 CaCl₂를 흡수 컬럼으로 수송하고, 제2 암석 융해기로부터의 MgCl₂를 분해 반응기로 수송하여 Mg(OH)Cl 또는 MgO를 제조한다.

반응의 기초:

이러한 실시예 모두는 관심의 대상이 되는 공지된 석탄 화력 발전소로부터 참조 연소 배기 가스의 50% C0₂ 흡수를 가정한다. 이는 각 실시예 사이의 비교를 가능하도록 하기 위해 수행되었다. 이 발전소로부터 연소 배기 가스의 방출 유동 속도는 136,903,680tons/year이고, 이 가스의 C0₂ 함량은 10중량%이다. C0₂의 양은 실시예 10 내지 21의 기초이다:

년당 연소 배기 가스에 존재하는 C0₂의 양:

136,903,680tons/year ^* 10% = 13,690,368tons/year

년당 흡수된 C0₂의 양.

13,690,368tons/year ^* 50% = 6,845,184tons/year의 C0₂.

흡수된 C0₂의 양이 일정하기 때문에, 반응물의 소비 및 생성물의 생성은 또한 각 화합물에 대한 반응 화학량론 및 분자량에 따라 일정하다.

CaSi0₃-MgO 및 CaSi0₃-Mg(OH)Cl 공정 둘 다의 실시예 모두(실시예 10-13)의 경우, 전체 반응은 다음과 같다:

CaSi0₃ + C0₂ → CaCO₃ + Si0₂

MgSi0₃-MgO 및 MgSi0₃-Mg(OH)Cl 공정 둘 다의 실시예 모두(실시예 14-17)의 경우, 전체 반응은 다음과 같다:

MgSi0₃ + C0₂ → MgC0₃ + Si0₂

투휘석-MgO 및 투휘석-Mg(OH)Cl 공정 둘 다의 실시예 모두(실시예 18-21)의 경우, 전체 반응은 다음과 같다:

½CaMg(Si0₃)₂+ CO₂ → ½CaMg(C0₃)₂+ Si0₂

아스펜 모델에 공정에 필요한 유입물을 넣고, 이산화탄소 흡수 화합물 MgO, Mg(OH)₂ 또는 Mg(OH)Cl을 생성하기 위해 분해 반응에 필요한 열을 제공하는데 필요한 연소 배기 가스를 계산한다. 이 연소 배기 가스는 천연 가스 또는 석탄 발전소로부터일 수 있고, 석탄의 경우, 320℃ 내지 550℃의 온도 범위에서 시험했다. 이 연소 배기 가스는 각 실시예에 대해 특정량의 C0₂ 제거를 제공하기 위한 표준을 사용한 참조 연소 배기 가스와 혼동하지 않아야 한다. 고온 연소 배기 가스를 사용하는 공정은 통상적으로 기준으로부터 동일량의 이산화탄소를 포획하기 위해 보다 적은 양의 연소 배기 가스를 필요로 한다. 또한, 포획될 필요가 있는 대량의 이산화탄소가 존재하기 때문에, 보다 높은 이산화탄소 농도를 갖는 연소 배기 가스는 이산화탄소를 포획하기 위해 필요한 다량의 연소 배기 가스를 통상적으로 유도한다.

반응물의 소비 및 생성물의 생성은 포획된 C0₂의 기준 및 각 실시예에 대한 각 유입물 및 각 유출물의 분자량으로부터 결정될 수 있다.

[표 10]

^* mol 수는 기타 공정과 필적할만한 CO₂ 흡수를 측정하기 위해 2로 나누어야 한다.

실시예 10 내지 13의 경우:

CaSi0₃ 소비량은 다음과 같다:

6,845,184tons/year ^* (116.16/44.01) = 18,066,577tons/year.

CaC0₃ 생산량은 다음과 같다:

6,845,184tons/year ^* (100.09/44.01) = 15,559,282tons/year.

Si0₂ 생산량은 다음과 같다:

6,845,184tons/year ^* (60.08/44.01) = 9,344,884tons/year

동일한 형태의 계산을 나머지 실시예에 대해 수행할 수 있다. 이 다음 표는 실시예 10 내지 21에 대한 유입물 및 유출물을 포함한다. 기준: 흡수된 CO₂6,845,184tons/year.

[표 11]

아스펜 모델을 작동시키면 분해 반응, 탈수 및 분해의 각 단계에 대한 열 효율에 대해 다음 결과를 얻는다. 각 실시예에 대한 결과는 이하 표에 요약한다.

[표 12]

[표 13]

100% 이상의 값은 과량의 열이 추가의 Mg(OH)Cl 또는 MgO를 생성하는데 이용가능하다는 것을 의미한다. 도 24는 가변적인 C0₂ 연소 배기 가스 농도, 가변적인 온도, 연소 배기 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 기원하는지의 여부 및 또한 공정이 CaSi0₃-Mg(OH)Cl 및 CaSi0₃-MgO 공정의 실시예 10 내지 13의 경우 완전 또는 부분 분해에 의존하는지의 여부에 따라 포획된 CO₂의 비율을 설명한다.

[표 14]

도 25는 가변적인 C0₂ 연소 배기 가스 농도, 가변적인 온도, 연소 배기 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 기원하는지의 여부 및 또한 공정이 MgSi0₃-Mg(OH)Cl 및 MgSi0₃-MgO 공정의 실시예 14 내지 17의 경우 완전 또는 부분 분해에 의존하는지의 여부에 따라 포획된 CO₂의 비율을 설명한다.

[표 15]

도 26은 가변적인 C0₂ 연소 배기 가스 농도, 가변적인 온도, 연소 배기 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 기원하는지의 여부 및 또한 공정이 투휘석-Mg(OH)Cl 및 투휘석-MgO 공정의 실시예 18 내지 21의 경우 완전 또는 부분 분해에 의존하는지의 여부에 따라 포획된 CO₂의 비율을 설명한다.

[표 16a]

[표 16b]

[표 17a]

[표 17b]

[표 18a]

[표 18b]

[표 19a]

[표 19b]

[표 20a]

[표 20b]

[표 21a]

[표 21b]

실시예 22: 기타 염의 분해

기타 염의 열 분해는 실험실에서 측정했다. 일부 시험 결과의 요약은 이하 표에 제시한다.

[표 22]

실시예 22: 2개, 3개 및 4개-챔버 분해 모델

표 23(이하 참조)은 도 31 내지 34에 상응하는 4개의 배치의 비교이다. 챔버의 수 및 설명, 소비된 열(MW; 메가와트), 특정 공급원으로부터의 열 비율 및 공정에서 다른 반응, 즉 광물 실리케이트에 의한 염산 반응 및 염산의 축합 반응으로부터 이용가능한 열 때문에 CO₂의 필요한 외부 열(kW-H/tonne)의 감소가 묘사된다. 도 34 예에서, 개방 사이클 천연 가스 발전소로부터의 뜨거운 연소 배기 가스도 또한 자격을 획득한다.

실시예 23: 유입 광물-석탄과 비교한 유출 광물

석탄계 발전소로부터의 연소 배기 가스에 관한 이러한 케이스 연구에서 표 24는 광물 유출물(석회암 및 모래)의 용적이 유입 광물(석탄 밀 이노실리케이트) 용적의 83%라는 것을 설명한다. 표 24에 요약된 결과는 600 MWe 석탄 발전소에 기초하고, 총 4.66 E6 tonne C0₂는 공정-필요 열을 위한 C0₂를 포함한다.

실시예 24: 유입 광물-천연 가스와 비교한 유출 광물

천연 가스계 발전소로부터의 연소 배기 가스에 관한 표 25(이하)에 요약된 이러한 케이스 연구에서, 광물의 "레일-뒤 용적(rail-back volume)"은 광물의 "레일-인 용적(rail-in volume)"의 92%이다. 표 25에 요약된 결과는 600 MWe CC 천연 가스 발전소를 기초하고, 총 2.41 E6 tonne C0₂는 공정-필요 열을 위한 C0₂를 포함한다.

[표 23]

[표 24]

[표 25]

본원에 기재되고 청구된 모든 방법은 본 명세서에 비추어서 과도한 실험없이 수행되고 실행될 수 있다. 본 발명의 조성물 및 방법이 특정 양태에 관하여 기술되었지만, 본 발명의 개념 취지 및 범위로부터 벗어나지 않고 본원에 기술된 방법 및 방법의 단계 또는 단계의 순서에 변화가 적용될 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 당업자에게 자명한 모든 이러한 유사한 대체 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 본 발명의 취지, 범위 및 개념 내에 속하는 것으로 간주된다.

참조문헌

본원에 기술된 것을 보충하는 예시적 절차 또는 기타 상세함을 제공하는 정도까지 다음 참조문헌이 구체적으로 본원에 참조로 인용된다.

미국 가출원 제60/612,355호

미국 가출원 제60/642,698호

미국 가출원 제60/718,906호

미국 가출원 제60/973,948호

미국 가출원 제61/032,802호

미국 가출원 제61/033,298호

미국 가출원 제61/288,242호

미국 가출원 제61/362,607호

미국 특허원 제11/233,509호

미국 특허원 제12/235,482호

미국 특허 공보 제2006/0185985호

미국 특허 공보 제2009/0127127호

미국 특허 제7,727,374호

PCT 출원 제PCT/US08/77122호

Claims

공급원에 의해 생성된 이산화탄소의 격리 방법으로서,
상기 방법은
(a) 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물과 물을, 제1 양이온계 하이드록사이드 염, 제1 양이온계 옥사이드 염 및/또는 제1 양이온계 하이드록시클로라이드 염을 포함하는 제1의 단계(a) 생성물 및 HCl, H₂SO₄ 또는 HNO₃를 포함하는 제2의 단계(a) 생성물을 포함하는 제1 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 반응시키는 단계;
(b) 상기 제1의 단계(a) 생성물의 일부 또는 전부와 제2 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물 및 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 및/또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물을 포함하는 제1의 단계(b) 생성물, 제2 양이온계 카보네이트 염을 포함하는 제2의 단계(b) 생성물, 및 물을 포함하는 제3의 단계(b) 생성물을 포함하는 제2 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 혼합하는 단계; 및
(c) 상기 제2 양이온계 카보네이트 염의 일부 또는 전부를 상기 제2 생성물 혼합물로부터 분리하는 단계
를 포함하고,
이에 의해 상기 이산화탄소는 광물 생성물 형태로 격리되는, 공급원에 의해 생성된 이산화탄소의 격리 방법.
제1항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물이 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이고, 상기 제2의 단계(a) 생성물이 HCl인, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 할라이드, 설페이트, 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물이 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물인, 방법.
제2항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이 MgCl₂인, 방법.
제4항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이 MgCl₂의 수화된 형태인, 방법.
제5항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이 MgCl₂·6H₂0인, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 하이드록사이드 염이 Mg(OH)₂인, 방법.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 하이드록시클로라이드 염이 Mg(OH)Cl인, 방법.
제8항에 있어서, 상기 제1의 단계(a) 생성물이 주로 Mg(OH)Cl을 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 상기 제1의 단계(a) 생성물이 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl을 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 상기 제1의 단계(a) 생성물이 Mg(OH)Cl인, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 옥사이드 염이 MgO인, 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 상기 제2 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물이 제2 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물인, 방법.
제13항에 있어서, 상기 제2 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이 CaCl₂인, 방법.
제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염이 MgCl₂인, 방법.
제15항에 있어서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염이 MgCl₂의 수화된 형태인, 방법.
제15항에 있어서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염이 MgCl₂·6H₂0인, 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 스팀 또는 초임수계수의 형태로 존재하는, 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 단계(b)의 상기 물로부터 수득되는, 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)가 수산화나트륨 염을 상기 제2 혼합물에 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
(d) 2족 실리케이트 광물과 HCl을, 2족 클로라이드 염, 물 및 이산화규소를 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계
를 추가로 포함하는, 방법.
제21항에 있어서, 단계(d) 중의 상기 HCl의 일부 또는 전부가 단계(a)로부터 수득되는, 방법.
제21항에 있어서, 단계(d)의 상기 HCl이 2족 실리케이트 광물과 HCl을 진탕시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)에서 생성된 상기 열의 일부 또는 전부가 회수되는, 방법.
제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 상기 제2 양이온계 클로라이드 염의 일부 또는 전부가 단계(d)의 상기 2족 클로라이드 염인, 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 단계를 추가로 포함하고, 상기 이산화규소가 단계(d)에서 형성된 상기 2족 클로라이드 염으로부터 제거되는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 단계(d)의 상기 물로부터 수득되는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 2족 이노실리케이트(inosilicate)를 포함하는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 CaSi0₃을 포함하는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 MgSi0₃를 포함하는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 감람석(Mg₂[Si0₄])을 포함하는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 사문석(Mg₆[OH]₈[Si₄0₁₀])을 포함하는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 해포석(Mg₄[(OH)₂Si₆0₁₅]·6H₂0), 완화휘석(Mg₂[Si₂0₆]), 투휘석(CaMg[Si₂0₆]), 및/또는 투각섬석 Ca₂Mg₅{[OH]Si₄O₁₁}₂를 포함하는, 방법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2족 실리케이트가 규산철 및/또는 규산망간을 추가로 포함하는, 방법.
제34항에 있어서, 상기 규산철이 철감람석(Fe₂[Si0₄])인, 방법.
제3항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)에서 형성된 상기 제1 양이온계 클로라이드 염의 일부 또는 전부가 단계(a)에서 사용된 상기 제1 양이온계 클로라이드 염인, 방법.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소가 연소 배기 가스(flue gas) 형태로 존재하고, 상기 연소 배기 가스가 N₂ 및 H₂0를 추가로 포함하는, 방법.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 적합한 반응 조건이 약 200 내지 약 500℃의 온도를 포함하는, 방법.
제38항에 있어서, 상기 온도가 약 230 내지 약 260℃인, 방법.
제38항에 있어서, 상기 온도가 약 250℃인, 방법.
제38항에 있어서, 상기 온도가 약 200 내지 약 250℃인, 방법.
제38항에 있어서, 상기 온도가 약 240℃인, 방법.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 적합한 반응 조건이 약 50 내지 약 200℃의 온도를 포함하는, 방법.
제43항에 있어서, 상기 온도가 약 90 내지 약 260℃인, 방법.
제44항에 있어서, 상기 온도가 약 90 내지 약 230℃인 방법.
제45항에 있어서, 상기 온도가 약 130℃인, 방법.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 적합한 반응 조건이 약 400 내지 약 550℃의 온도를 포함하는, 방법.
제47항에 있어서, 상기 온도가 약 450 내지 약 500℃인, 방법.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 적합한 반응 조건이 약 20 내지 약 100℃의 온도를 포함하는, 방법.
제49항에 있어서, 상기 온도가 약 25 내지 약 95℃인, 방법.
제21항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 적합한 반응 조건이 약 50 내지 약 200℃의 온도를 포함하는, 방법.
제51항에 있어서, 상기 온도가 약 90 내지 약 150℃인, 방법.
공급원에 의해 생성된 이산화탄소의 격리 방법으로서,
상기 방법은
(a) 염화마그네슘 염과 물을, (i) 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl 및 (ii) 염화수소를 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 혼합하는 단계;
(b) (i) 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl, (ii) CaCl₂ 및 (iii) 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, (iv) 탄산칼슘, (v) 염화마그네슘 염 및 (vi) 물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 혼합하는 단계; 및
(c) 상기 탄산칼슘을 상기 제2 혼합물로부터 분리하는 단계
를 포함하고,
이에 의해 상기 이산화탄소는 광물 생성물 형태로 격리되는, 공급원에 의해 생성된 이산화탄소의 격리 방법.
제53항에 있어서, 단계(a)의 상기 염화수소의 일부 또는 전부가 물과 혼합되어 염산을 형성하는, 방법.
제53항에 있어서, 단계(b) (i)의 상기 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl의 일부 또는 전부가 단계(a) (i)로부터 수득되는, 방법.
제53항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 상기 염화마그네슘 염의 수화물 형태로 존재하는, 방법.
제53항에 있어서, 단계(a)가 1개, 2개 또는 3개의 반응기에서 발생하는, 방법.
제53항에 있어서, 단계(a)가 1개의 반응기에서 발생하는, 방법.
제53항에 있어서, 단계(a) (i)의 상기 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl이 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl인, 방법.
제53항에 있어서, 상기 염화마그네슘 염이 90중량% 초과의 MgCl₂·6(H₂0)인, 방법.
제53항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서,
(d) 2족 실리케이트 광물과 염화수소를, 2족 클로라이드 염, 물 및 이산화규소를 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계
를 추가로 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 염화수소의 일부 또는 전부가 단계(a)로부터 수득되는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)가 상기 2족 실리케이트 광물과 상기 염산을 진탕시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(a)의 상기 염화마그네슘 염의 일부 또는 전부가 단계(d)로부터 수득되는, 방법.
제61항에 있어서, 분리 단계를 추가로 포함하고, 상기 이산화규소가 단계(d)에서 형성된 상기 2족 클로라이드 염으로부터 제거되는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 단계(d)의 상기 물로부터 수득되는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 2족 이노실리케이트를 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 CaSi0₃을 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 MgSi0₃을 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 감람석을 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 사문석을 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물이 해포석, 완화휘석, 투휘석 및/또는 투각섬석을 포함하는, 방법.
제61항에 있어서, 상기 2족 실리케이트가 광물화된 철 및/또는 망간을 추가로 포함하는, 방법.
제53항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)가 CaCl₂와 물을 상기 제2 혼합물에 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.