專利名稱：用于增強(qiáng)橄欖巖碳酸鹽化速度的系統(tǒng)和方法
用于增強(qiáng)橄欖巖碳酸鹽化速度的系統(tǒng)和方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2009年7月10日提交的美國臨時申請No. 61/224，707、2009年11月 17日提交的No. 61/261, 891,2010年4月洸日提交的No. 61/327，853,2010年4月洸日提交的No. 61/327，899,2010年4月27日提交的No. 61/328，232以及2010年5月4日提交的No. 61/331，184的優(yōu)先權(quán)，每個申請的全部公開內(nèi)容通過參引的方式并入本文。
背景技術(shù)：
對向大氣中的人為的二氧化碳(CO2)輸入已經(jīng)大幅增大大氣中二氧化碳的濃度的認(rèn)識、以及增多的二氧化碳又能夠推動快速的全球變暖的理論，已經(jīng)專注于從大氣中移除一些二氧化碳——也稱為固碳——的技術(shù)。一種可能性是將二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的固體碳酸鹽礦物，例如方解石(CaCO3)和菱鎂礦(MgCO3)。由于橄欖巖高濃度的鎂，因此從地球的上地幔在地質(zhì)上暴露的橄欖巖已經(jīng)被認(rèn)為是用于將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為固體碳酸鹽的有希望的反應(yīng)物，其中，橄欖巖主要由礦物橄欖石((Mg，F(xiàn)e)2Si04)構(gòu)成，具有較少比例的輝石礦物((Mg，F(xiàn)e, Ca)2Si206)和尖晶石 ((Mg, Fe) (Cr，AD2O4)以及其水化蝕變產(chǎn)品蛇紋巖。已發(fā)現(xiàn)橄欖巖的自然碳酸鹽化出奇地迅速。例如，在阿曼的地幔橄欖巖中的碳酸鹽脈具有平均約26，000年的mC年齡而不是先前認(rèn)為的3000至9500萬年。這些數(shù)據(jù)和勘探測繪表明，經(jīng)由在阿曼的橄欖巖風(fēng)化，每年大約104噸至105噸的大氣二氧化碳被轉(zhuǎn)化為固體碳酸鹽礦物。地幔橄欖巖通常在海底下面超過6km，并且與地球表面的空氣和水非常不平衡。其沿著大型逆沖斷層和沿著板塊邊界的暴露生成大的化學(xué)勢存貯器。盡管可利用化學(xué)勢，但是用于固碳的工程技術(shù)具有很多挑戰(zhàn)。工程解決方案涉及將橄欖巖研磨為細(xì)粉、凈化二氧化碳?xì)怏w、在升高的壓力下使用反應(yīng)容器和/或?qū)⒎磻?yīng)物加熱到100°c以上，這導(dǎo)致了大量的資金和能量成本。各種方法已經(jīng)被實驗評估，包括橄欖石粉和蛇紋石粉在升高的溫度下直接碳酸鹽化、蛇紋石或橄欖石在鹽酸中溶解且隨后使Mg離子和Ca離子在溶液中碳酸鹽化、以及橄欖石和蛇紋石與碳酸反應(yīng)(非常類似于自然蝕變)。對于大量的二氧化碳固碳而言，已發(fā)現(xiàn)反應(yīng)動力學(xué)太慢，除非橄欖石或蛇紋石反應(yīng)物被升高到超過50°C -100°C、被研磨為細(xì)粉和/ 或在> 600°C下進(jìn)行預(yù)處理以增加反應(yīng)表面積。在大多數(shù)情況下，由于加熱和加工的要求， 已發(fā)現(xiàn)這些方法目前在資金方面，并且更重要的是在能量消耗方面過于昂貴而不能進(jìn)行商業(yè)利用。

發(fā)明內(nèi)容
整體上，公開的主題涉及到通過優(yōu)化用于在橄欖巖與待固存的二氧化碳源(例如從發(fā)電廠排放物捕獲的二氧化碳、從大氣中捕獲的二氧化碳、或者包含在橄欖巖當(dāng)?shù)氐乃w中的二氧化碳)之間的碳酸鹽化反應(yīng)的條件而原位和離位地加速和控制自然橄欖巖碳
酸鹽化。
橄欖石和輝石(它們是橄欖巖的組分)的碳酸鹽化通常能夠由以下反應(yīng)式代表[l]Mg2Si04+2C02 = 2MgC03+Si02Mg-橄欖石菱鎂礦石英[2] Mg2S i 04+CaMgS i206+2C02+2H20 = Mg3Si2O5 (OH) 4+CaC03+MgC03Mg-橄欖石CaMg-輝石蛇紋石方解石菱鎂礦根據(jù)本公開主題的二氧化碳的固存包括促進(jìn)和控制在橄欖巖與待固存的二氧化碳之間的碳酸鹽化反應(yīng)[1]和[2]。本公開主題的一些實施例包括用于提高橄欖巖的碳酸鹽化速度的系統(tǒng)和方法。碳酸鹽化速度能夠通過改變反應(yīng)[1]和[2]發(fā)生的條件來提高。在本公開主題的一些實施例中，鉆孔、液壓破裂、在升高的壓力下輸入二氧化碳、輸入高濃度的PH值緩沖試劑(例如 NaHCO3 (碳酸氫鈉)、KHCO3 (碳酸氫鉀)、和LiHCO3 (碳酸氫鋰))、以及增大在深處的橄欖巖的溫度被用于增強(qiáng)用于反應(yīng)[1]和[2]的條件。在本公開主題的一些實施例中，橄欖巖中的流體壓力在流體飽和區(qū)間與無流體的干燥區(qū)間之間循環(huán)。流體壓力循環(huán)促進(jìn)固相在粒間孔隙空間中的流體中的過飽和和快速結(jié)晶，這局部地影響孔壁并且產(chǎn)生高應(yīng)力和破裂事件。破裂事件或破裂有助于維持未反應(yīng)的橄欖石表面的滲透率、孔隙度和暴露，以促進(jìn)持續(xù)的反應(yīng)和碳酸鹽的形成?？蛇x地，一些實施例包括在作為用于與橄欖巖反應(yīng)的二氧化碳源的相鄰海水中發(fā)現(xiàn)的局部的、溶解的二氧化碳的受控對流。


為了說明本發(fā)明，附圖示出了公開主題的實施例。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，本申請不限于在附圖中所示的精確裝置和設(shè)施，其中圖1是根據(jù)公開主題的一些實施例的系統(tǒng)和方法的圖；圖2是根據(jù)公開主題的一些實施例的方法的流程圖；圖3是根據(jù)公開主題的一些實施例的系統(tǒng)和方法的圖；圖4是根據(jù)公開主題的一些實施例的方法的流程圖；圖5是反應(yīng)速度對溫度的圖表，其示出了典型的橄欖石碳酸鹽化速度；圖6是橄欖石碳酸鹽化和蛇紋石化的速度作為溫度和壓力的函數(shù)的圖表；圖7是由于橄欖石碳酸鹽化而導(dǎo)致的溫度變化的速度作為橄欖巖的溫度和二氧化碳流體的流動速度的函數(shù)的圖表；圖8A-圖8D是根據(jù)公開主題的一些實施例的、用于從岸基位置鉆孔到且注入到淺海底內(nèi)的系統(tǒng)的示意圖；圖9A-圖9C包括在圖8中圖示的系統(tǒng)的截面圖和地圖視圖；圖IOA-圖IOE是根據(jù)公開主題的一些實施例的、用于從海洋中的繩系平臺鉆孔到且注入到淺海底內(nèi)的系統(tǒng)的示意圖；圖IlA和圖IlB包括在圖10中圖示的系統(tǒng)的截面圖和地圖視圖；以及圖12A-圖12D是根據(jù)公開主題的一些實施例的、用于從岸基位置鉆孔到且注入到淺海底內(nèi)的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參照圖1和圖2，一些實施例包括用于經(jīng)由原位和離位橄欖巖碳酸鹽化而使二氧化碳固存的系統(tǒng)和方法。一些實施例包括系統(tǒng)100，該系統(tǒng)100具有破裂模塊102、加熱模塊104、注入模塊106、以及用于有利于和控制碳酸鹽化反應(yīng)的控制模塊108。破裂模塊102包括用于使橄欖巖體塊110破裂的裝置(未示出)。體塊110典型地位于例如海洋或海的水體的底部111下面的深度處。在一些實施例中，使用當(dāng)前在礦物和石油開采中使用的已知的鉆孔和液壓破裂技術(shù)和設(shè)備來完成體塊110的破裂。在一些實施例中，在橄欖巖體塊中鉆孔，用于接收可調(diào)節(jié)的二氧化碳流，該二氧化碳流能夠包括在諸如海水之類的流體中。鉆孔和液壓破裂用于使容易可用于反應(yīng)的橄欖巖的深度(和體積) 增大200倍，S卩，從橄欖巖中的大約15m到大約3km。橄欖巖的另外的自然發(fā)生的破裂可能是由于加熱期間的熱膨脹、水化期間的體積增大、以及碳酸鹽化期間的體積增大。加熱模塊104用于加熱橄欖巖體塊110。加熱模塊104包括熱源112，其用于加熱流體體塊(未示出)，由此產(chǎn)生加熱的流體體塊(未示出)；導(dǎo)管116，其形成在加熱的流體體塊與橄欖巖體塊110之間；以及泵118，其用于將加熱的流體體塊泵吸到橄欖巖體塊中。 由于橄欖巖體塊110通常但不總是位于水體下面的深度處，因此覆蓋橄欖巖的海水通常用作流體體塊的來源。將橄欖巖體塊預(yù)加熱到用于橄欖巖碳酸鹽化的最佳溫度(大約185°C ) 快速起動碳酸鹽化反應(yīng)。能夠經(jīng)由多種流動速度、流體溫度和流體組成實現(xiàn)橄欖巖的加熱。 最后，從碳酸鹽化反應(yīng)輸出的放熱將維持橄欖巖體塊中的溫度為185°C。隨著時間流逝，通過放熱加熱的輸出流體能夠用于加熱橄欖巖體塊的其他區(qū)域。這在熱流體流到更冷的周圍巖石內(nèi)時很可能將自發(fā)地發(fā)生。注入模塊106包括二氧化碳源120，其能夠包括已經(jīng)從大氣或發(fā)電廠排放物中捕獲的二氧化碳；碳酸氫鹽材料源121 ；以及用于壓縮二氧化碳由此增大二氧化碳的壓力的壓縮機(jī)122。來自二氧化碳源120和碳酸氫鹽材料源121的加壓的二氧化碳經(jīng)由介于二氧化碳源和碳酸氫鹽源與橄欖巖體塊之間的導(dǎo)管注入橄欖巖體塊110內(nèi)。若必要，能夠采取另外的措施以確保二氧化碳源120中的二氧化碳在注入體塊110內(nèi)之前被基本凈化。純二氧化碳或富含二氧化碳的流體混合物的注入與利用溶解在表面水中的二氧化碳相比有助于保持與增強(qiáng)的碳酸鹽化反應(yīng)速度同步。控制模塊108包括用于監(jiān)控橄欖巖體塊110和二氧化碳源120的溫度的溫度傳感器1 和128?？刂颇K108包括用于監(jiān)控注入橄欖巖體塊110內(nèi)的二氧化碳的壓力的壓力傳感器130、以及用于監(jiān)控在橄欖巖體塊中發(fā)生的碳酸鹽化的速度的一個或多個碳酸鹽化傳感器132?？刂颇K108還包括用于分析分別由溫度、壓力和碳酸鹽化傳感器126、 128,130和132產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的分析子模塊134?；诜治鲎幽K134的分析結(jié)果，對破裂模塊120、加熱模塊104和二氧化碳注入模塊106進(jìn)行控制。例如，控制模塊108能夠被編程以在碳酸鹽化速度落到預(yù)定水平之下時引導(dǎo)破裂模塊102執(zhí)行對橄欖巖體塊110的另外的破裂。而且，控制模塊108能夠構(gòu)造為使得當(dāng)來自橄欖巖體塊110內(nèi)發(fā)生的碳酸鹽化反應(yīng)的熱量能夠維持橄欖巖體塊中的大約185°C的溫度時控制模塊108中斷加熱模塊104的操作?，F(xiàn)在參照圖2，公開主題的一些實施例包括增強(qiáng)橄欖巖碳酸鹽化速度的方法200。 典型地但不總是的，橄欖巖體塊位于水體下面的深度處。在202，方法200包括使橄欖巖體塊破裂。在一些實施例中，橄欖巖的破裂經(jīng)由在橄欖巖體塊中鉆出用于接收可調(diào)節(jié)的二氧化碳流的孔、液壓破裂或其他已知的技術(shù)實現(xiàn)。在204，橄欖巖體塊被加熱。在一些實施例中，通過將加熱流體注入橄欖巖體塊內(nèi)而加熱橄欖巖。加熱流體通常被注入直到橄欖巖體塊達(dá)到至少大約185°C為止。在206，二氧化碳被注入橄欖巖體塊內(nèi)。方法200典型地利用橄欖巖體塊原位執(zhí)行，但是也能夠使用離位磨碎的橄欖巖、離位未磨碎的橄欖巖、以及它們的組合執(zhí)行。在一些實施例中，二氧化碳具有大約25°C的溫度、大約150巴到300巴的壓力。二氧化碳的流動速度為大約0. 04m/s或有助于維持橄欖巖體塊中的大約185°C的溫度的其他流動速度。在208，碳酸氫鹽材料被注入橄欖巖體塊內(nèi)。在一些實施例中，碳酸氫鹽材料包括碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、和碳酸氫鋰中的至少一種，并且具有每升周圍流體大約Imol 的濃度。在210，橄欖巖體塊和二氧化碳反應(yīng)以形成碳酸鹽。碳酸鹽化反應(yīng)是放熱的，由此產(chǎn)生熱源。熱源還加熱并且維持橄欖巖體塊內(nèi)的溫度。在212，橄欖巖體塊的碳酸鹽化速度被監(jiān)控，并且如果速度落到預(yù)定水平下則執(zhí)行對橄欖巖體塊的另外的破裂。盡管未示出，但在一些實施例中，方法200包括使流體壓力在橄欖巖體塊中循環(huán)， 以在橄欖巖體塊中形成流體飽和區(qū)間和無流體的干燥區(qū)間。當(dāng)流體流動周期性地發(fā)生(在經(jīng)受季節(jié)性或偶然性的大雨的干旱地區(qū)中可以常見)時，反應(yīng)驅(qū)動的破裂也可以是有利的。在孔空間中的隔離流體穴的蒸發(fā)驅(qū)動增大的溶質(zhì)濃度，從而引致極端的過飽和。這又引致非常高的“結(jié)晶壓力”，該結(jié)晶壓力對于直徑大于幾微米的晶體而言一般可以較小?，F(xiàn)在參照圖3和圖4，公開主題的一些實施例包括使用自然二氧化碳源(例如溶解在覆蓋橄欖巖的海水中的二氧化碳)來提高橄欖巖碳酸鹽化速度的方法。如圖3中所示， 對于靠近水體304 (例如海洋或海)的底部302和頂面303的橄欖巖體塊300而言，能夠使用海水306到橄欖巖體塊內(nèi)或離開橄欖巖體塊的受控對流(如箭頭指示)以將橄欖巖加熱到適于碳酸鹽化的溫度，并且提供用于碳酸鹽化反應(yīng)的二氧化碳源。現(xiàn)在參照圖4，一些實施例包括提高橄欖巖碳酸鹽化速度的方法400。在方法400 的402，使橄欖巖體塊破裂。如上述，橄欖巖體塊典型地位于例如?；蚝Ｑ蟮牧黧w體塊的下面。流體體塊包括溶解的二氧化碳。在404，與頂面相鄰且與橄欖巖體塊相鄰的第一數(shù)量的流體體塊被加熱。典型地，橄欖巖體塊被加熱到大約185°C，該溫度如在下面進(jìn)一步描述的，基本為用于促進(jìn)碳酸鹽化反應(yīng)的最佳溫度。在406，在加熱之后，第一數(shù)量的流體體塊 (例如在一些實施例中為加熱的海水)被注入橄欖巖體塊內(nèi)。在407，碳酸氫鹽材料被注入橄欖巖體塊內(nèi)。在408，利用第一數(shù)量的橄欖巖體塊和溶解在所述第一數(shù)量的流體體塊內(nèi)的二氧化碳形成碳酸鹽。在形成碳酸鹽的同時，來自放熱碳酸鹽化反應(yīng)的熱量產(chǎn)生用于維持橄欖巖體塊的溫度的熱源。在410，與頂面相鄰的第二數(shù)量的流體體塊到橄欖巖體塊內(nèi)的對流被控制。第二數(shù)量的流體體塊在對流之前具有等于大約環(huán)境溫度的溫度。在412，基本使用熱源將橄欖巖體塊的溫度維持在大約185°C。在414，利用第二數(shù)量的橄欖巖體塊和溶解在所述第二數(shù)量的流體體塊中的二氧化碳形成碳酸鹽。在416，橄欖巖體塊的碳酸鹽化速度被監(jiān)控，并且當(dāng)速度低于預(yù)定水平時執(zhí)行對橄欖巖體塊的另外的破裂?，F(xiàn)在參照圖5-圖7，研究顯示，通過使用根據(jù)公開主題的方法和系統(tǒng)優(yōu)化反應(yīng)條件，例如將橄欖巖的溫度升高到最佳溫度和以最佳壓力和最佳流動速度注入二氧化碳，能夠?qū)崿F(xiàn)碳酸鹽化速度的大于大約IO6倍的另外的增大。如圖5和圖6中所示，加熱和升高二氧化碳的分壓力能夠通過加速水化和碳酸鹽化的擴(kuò)散動力學(xué)而使碳酸鹽化速度增大大于IO6倍。但是，當(dāng)溫度接近用于蛇紋石或碳酸鹽礦物的穩(wěn)定性的平衡相界時，驅(qū)動反應(yīng)的化學(xué)勢減小。組合的效果在介于表面條件與平衡相界之間的溫度獲得最大的反應(yīng)速度。解方程[3]和W]，其中蛇紋石化速度為[3] Γ = 0. 00000100exp [_0· 000209 (T_260°C )2]，而碳酸鹽化速度為[4] Γ 1· 15 X 1(Γ5 (P (CO2)，bars) 1/2exp [_0· 000334 (T_185°C )2]，均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)/s為單位，作為溫度的函數(shù)的蛇紋石化的反應(yīng)速度被發(fā)現(xiàn)在一定范圍的二氧化碳壓力上在大約260°C具有最大值，而碳酸鹽化速度在大約185°C和大約150 巴到300巴的二氧化碳壓力下為最佳。現(xiàn)在參照圖7，在300巴的二氧化碳壓力下由橄欖巖碳酸鹽化而導(dǎo)致的溫度變化的速度作為橄欖巖的溫度和二氧化碳流的流動速度的函數(shù)進(jìn)行計算。在具有冷流體(即， 大約25°C)的高二氧化碳流動速度下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是橄欖巖體塊不能由放熱反應(yīng)加熱。在低二氧化碳流動速度下，對流冷卻是可忽略的，并且能夠通過放熱加熱和擴(kuò)散冷卻控制溫度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二氧化碳流體流量調(diào)節(jié)為在大約185°C實現(xiàn)大約dT/dt = 0時，發(fā)生最佳的橄欖石碳酸鹽化速度。在下面的方程5中，當(dāng)dT/dt = 0時求解流體流量(w)以得到流
動速度，其中反應(yīng)體塊的溫度是恒定的， dT/dt=(Tin-T)PfCpf9w/(psCpsd)-(T-To)K/d2+r(T)AAH/[Cps(l-9)+Cpf(9)]對于方程5，Tin是輸入水或水性流體的溫度CC或開爾文)；T是體塊中的當(dāng)前溫度；T。是在體塊外部的遠(yuǎn)場溫度，其等于體塊中的初始溫度；Pf和Ps是流體和固體的密度；C/和cps是流體和固體的熱容；φ是孔隙度或流體的體積分?jǐn)?shù)(無單位，在此處所示的所有計算中為) ；w是流體的流動速度(m/s) ；d是體塊的尺寸或“大小”(m，在此處所示的所有計算中為1000m) ； κ是熱擴(kuò)散率(10-6m2/S) ； Γ是反應(yīng)速度，其是溫度的函數(shù)(單位為1/s) ；A是體塊中巖石的可用于反應(yīng)的分?jǐn)?shù)(無單位)；而Δ H是由于反應(yīng)的焓變化。已發(fā)現(xiàn)，通過以大約0. 040m/s泵送25°C的二氧化碳或通過以大約4. lX10_6m/S泵送251的!120，能夠維持大約185°C的恒定的橄欖巖溫度。已發(fā)現(xiàn)，對于橄欖石碳酸鹽化反應(yīng)，在大約185°C下溫度微分的范圍和穩(wěn)態(tài)流動速度比蛇紋石化反應(yīng)大很多。發(fā)現(xiàn)由水化/蛇紋石化而導(dǎo)致的加熱比由碳酸鹽化而導(dǎo)致的加熱效率低。這部分是由于例如在1巴和25°C下，八!1對于蛇紋石化為大約2501^/1^，而碳酸鹽化升高到大約760kJ/kg，并且部分是由于對于25°C與185°C之間的溫度，蛇紋石化比碳酸鹽化慢(參見圖6)。如上述，公開主題的一些實施例包括用于經(jīng)由離位橄欖巖碳酸鹽化而使二氧化碳固碳的系統(tǒng)和方法。能夠使用多晶體巖石碎塊而非精磨的單晶體顆粒，由此產(chǎn)生粒度的減小和新鮮(未碳酸鹽化)的反應(yīng)表面的持續(xù)暴露，而沒有為此目的輸入能量。該系統(tǒng)和方法避免了與巖石研磨相關(guān)的大比例成本。離位反應(yīng)速度也能夠使用[5]進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)在參照圖8-圖12，公開主題的一些實施例包括用于將海水流引入水下橄欖巖或其他反應(yīng)巖石內(nèi)，以從海水中提取二氧化碳以通過橄欖巖或其他巖石與海水反應(yīng)形成固體碳酸鹽礦物，由此導(dǎo)致地質(zhì)的二氧化碳捕獲以及存儲的系統(tǒng)和方法。參照圖8A-圖8D，海水通常應(yīng)當(dāng)從海面提取，在海面處海水與大氣二氧化碳平衡。海水與巖石的反應(yīng)應(yīng)當(dāng)?shù)湫偷卦诤５椎南旅姘l(fā)生，以使得由反應(yīng)期間的體塊變化、流體泄漏到表面和/或流體注入而導(dǎo)致的潛在的巖石變形的社會影響最小。在圖8A-圖8D中，水的深度標(biāo)記為“a”而在海底下面的上鉆孔的深度為“b”。由于二氧化碳(以及其它相關(guān)的碳形態(tài)，包括碳酸氫鹽)在海水中的濃度為大約lOOppm，因此非常大的海水體塊必須在較短的時間內(nèi)與巖石反應(yīng)。應(yīng)當(dāng)采取廣泛的鉆孔，優(yōu)選為幾乎水平的孔，以及圍繞鉆孔的液壓破裂，以使盡可能多的巖石暴露于反應(yīng)。在圖8-圖11中，這些孔的長度標(biāo)記為“e”，而通過液壓破裂暴露于流體注入的區(qū)域的寬度標(biāo)記為“d”。為了產(chǎn)生每個反應(yīng)體塊，應(yīng)當(dāng)生成兩個鉆孔，一個在另一個的上面。鉆孔之間的豎直距離標(biāo)記為“C”。水應(yīng)當(dāng)被注入下孔內(nèi)并且經(jīng)由上孔(盡可能多地)回收。耗盡二氧化碳的海水應(yīng)當(dāng)隨后回到海面，其在海面將與大氣反應(yīng)以引下大氣二氧化碳。盡管熱浮力可能在理論上驅(qū)動水流過孔，但是為了加速反應(yīng)時間，將海水壓縮到注入壓力ΔΡ可能是必要的。如果巖石體塊初始比注入水更熱，則熱流體回到上鉆孔中的回流能夠用于加熱注入流體和/或產(chǎn)生用于泵的電力。從該系統(tǒng)到海底的泄漏將使耗盡二氧化碳的海水回到海洋中。但是，如果該回流在水柱中較深，則其將需要較長的時間來影響
大氣二氧化碳。水性流體與巖石反應(yīng)以形成固體碳酸鹽的速度是二氧化碳的溫度和分壓力的函數(shù)。由此，我們提出的方法聚焦于將巖石體塊置于用于橄欖巖碳酸鹽化的最佳溫度 (185°C )下并且維持孔隙水中的高Pro2以及 IM NaCl和 0. 6M NaHC03。在這些條件下， 放熱礦物碳酸鹽化與冷流體的注入一起能夠獲得幾乎恒定的溫度，并且由礦物碳酸鹽化導(dǎo)致的正的固體體塊變化能夠獲得反應(yīng)驅(qū)動碎裂。合起來，所有這些因素能夠理論上每年獲得每km3巖石IGt的二氧化碳吸取率。結(jié)果產(chǎn)生了二氧化碳存儲機(jī)構(gòu)，其將可能需要供應(yīng)另外捕獲的二氧化碳。為了以合理的鉆孔成本實現(xiàn)幾百萬到幾十億噸的二氧化碳存儲，考慮到二氧化碳在海水中的低濃度，期望的是體積非常大的海水與巖石反應(yīng)。在這些條件下，加熱注入流體很大程度上是不現(xiàn)實的。存儲在巖石中的初始熱、以及任意放熱的產(chǎn)生被流體流快速地淹沒，使得巖石迅速接近注入流體的溫度。因此，最佳的是將用于二氧化碳捕獲和存儲的工廠設(shè)置在海面溫度高的熱帶地區(qū)。由于在任意具體的巖石體塊中水/巖石比率高，并且二氧化碳反應(yīng)以形成固體碳酸鹽的速度小，因此可能不必添加例如NaHCO3的催化劑以實現(xiàn)接近最佳的反應(yīng)速度。再次參照圖8和圖9，圖示的是用于從岸基位置鉆孔和注入到淺海底內(nèi)的系統(tǒng)。 為了使實現(xiàn)給定量的二氧化碳捕獲和存儲所需的海岸線長度最小，如在圖9B中的橫截面 B-B'中所示，鉆孔以距離“d”間隔開，并且也能夠豎直地堆疊，反應(yīng)體塊之間的間距由“f”表不。現(xiàn)在參照圖10和圖11，一些實施例包括用于從海洋中的繩系鉆孔平臺進(jìn)行鉆孔和注入的系統(tǒng)。用于這種鉆孔的成本目前比用于從岸基位置鉆孔的成本高大約十倍。通過反應(yīng)體塊的流動速度通常由介于兩個鉆孔之間的體塊的滲透率和高度(圖 8-圖12中的“C”，在下面的方程[6]和[7]和權(quán)利要求中的ζ)限制。假設(shè)滲透率恒定，能夠調(diào)節(jié)限界反應(yīng)體塊的成對鉆孔之間的豎直間距。為了實現(xiàn)用于在給定時間內(nèi)吸取期望的二氧化碳的低成本，最佳的是優(yōu)化豎直間距，使得海水的供應(yīng)盡可能快(考慮反應(yīng)速度的限制)但涉及到最大可能的巖石體塊。由此，控制流體二氧化碳供應(yīng)的流動速度應(yīng)當(dāng)正好等于控制流體二氧化碳消耗以形成固體碳酸鹽礦物的反應(yīng)速度。忽略浮力——并且忽略通過流體的平流、熱量向周圍的擴(kuò)散或從周圍的擴(kuò)散、以及在水化和碳酸鹽化反應(yīng)期間產(chǎn)生的熱量引致的巖石體塊的冷卻或加熱而導(dǎo)致的溫度變化——反應(yīng)巖石體塊的高度能夠由以下方程近似[6] ζ {k Δ PCswc02 P f/ [ η P s Γ (Τ, Pc02, Χ]}1氣其能夠與任意碳酸鹽化速度表達(dá)式 (以每秒轉(zhuǎn)化為碳酸鹽的巖石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表述)一起使用，并且能夠應(yīng)用到橄欖石在不同條件下的碳酸鹽化或者其他巖石和礦物的碳酸鹽化。方程[6]還能夠更具體地發(fā)展用于橄欖石在IM NaCUO. 64MNaHC03的水溶液中根據(jù)溫度和Pro2的碳酸鹽化，如下[7] ζ {k Δ PCswc02 P f/ [ n PsAl. 15 X 1(Γ5 (PC02,bars) 1/2exp {_0· 000334 (T_185°C )2}]
j 1/2其中k是單位為m2的滲透率；Δ P是單位為1 的流體過壓力；Cswc02是海水中(X)2的濃度；ρ f是單位為kg/m3的流體密度；ρ s是單位為kg/m3的固體巖石密度；n是單位為Pas的流體粘度；A是反應(yīng)表面積相對于70微米球體的表面積的表述；Pc02,bars是單位為巴的二氧化碳的分壓力 Catmro2 P fgd，或者CatmCQ2 P sgd，取決于流體壓力為靜水壓還是地壓；Catmc02是空氣中(X)2的濃度；g是單位為m/s2的重力加速度；d是反應(yīng)體塊從d-z/2延伸到d+z/2的平均深度(圖8中，(2b+c) /2)，單位為m， 以及T是單位為。C的反應(yīng)體塊溫度?？紤]到對反應(yīng)體塊的高度的這種限制(鉆孔之間的豎直間距)，反應(yīng)體塊的表面積(長度X寬度)的二氧化碳消耗量(單位為kg/m2)隨后由以下方程近似[8] J = w φ ρ fCswc02 = k Δ P ρ fCswc02/ ( η ζ)其中，除了以上定義的變量以外，w是單位為m/s的流體流動速度，或單位為m3/ (m2S)的單位面積上的流體流量，而Φ是在反應(yīng)體塊中的孔隙度或瞬時體積流體分?jǐn)?shù)。浮力驅(qū)動的流體穿過滲透網(wǎng)的流動能夠用于在沒有泵送的情況下促進(jìn)流體與巖石之間的礦物碳酸鹽化反應(yīng)。浮力能夠由下面的方程近似[9] Δ ρ Xg其中，冷流體與熱流體之間的密度差乘以重力加速度。這在200°C的溫度范圍內(nèi)對于給定的幾百kg/m3的密度變化通常對應(yīng)于大約20001^/m。自然晶體巖石的滲透率對于大約0. 01的破裂孔隙度通常確定為10_12m2或更少。由此，對于粘度為大約0. OOlPas的水性流體和大約0. 01的孔隙度，對于浮力驅(qū)動的流動的達(dá)西(Darcy)流動速度如下[10] w = 1 ΔρΧβ/(ηφ) 2 X 1(Γ12 X 103/1(Γ5 2Xl(T4m/s.如下，達(dá)西通量是wΦ = kΔ ρ Xg/ η 2X10_6m/s[m7(m2s)]，或?qū)τ诮o定的大約1000kg/m3的流體密度為大約2X 10_3kg/(m2S)。對于CO2濃度為大約10_4的海水，這又是2X10_7kg C02/(m2s)。即使對于非常大的注入界面(例如，10，OOOm長乘以500m寬)，這僅為Ikg C02/s，或 3X IO4噸CO2/年。 該計算已經(jīng)使用10_12m2的滲透率進(jìn)行，該滲透率對于晶體巖石中的自然滲透率而言是高的值。對于在地球表面下面多于幾km處的晶體巖石，更常見的估算是10_14或更少。現(xiàn)在參照圖12A-圖12D，對于通過多個液壓裂口相連的緊密間隔開的鉆孔，液壓裂口能夠使?jié)B透率增大到大于10_12的值。接下來，使用緊密間隔開的鉆孔(其產(chǎn)生小的豎直延伸的反應(yīng)體塊)表明，來自四周的巖石體塊中的擴(kuò)散加熱能夠維持高的溫度和快的反應(yīng)速度。為了將反應(yīng)溫度在期望值保持恒定，流體流動能夠被調(diào)節(jié)到小于浮力驅(qū)動的流動速度的值。下面的方程使溫度變化關(guān)聯(lián)于對流冷卻、與半無限方格反應(yīng)區(qū)域的頂部和底部的擴(kuò)散熱交換、以及碳酸鹽化和水化反應(yīng)的焓[ 11 ] dT/dt = (Tin-T) P fCpf Φ w/ ( P sCpsda) -2 (T-T0) κ /d/+ {A [ Γ c (Τ，Pc02，Χ) Δ Hc+ [ Γ h (Τ，ΡΗ20, Χ) Δ Hh] / [Cps (1-Φ) +C/ (Φ)],其中，t是單位為s的時間；w是單位為m/s (或m3/ (m2s))的流動速度；Tin是單位為°C的輸入流體的溫度；T是單位為。C的反應(yīng)體塊的溫度；T。是單位為。C的圍繞反應(yīng)體塊的遠(yuǎn)場溫度(在該情況下，高于或低于反應(yīng)體塊)；da是單位為m的用于對流的距離；dd是單位為m的用于擴(kuò)散的距離；ρ f是單位為kg/m3的流體密度；ρ s是單位為kg/m3的固體巖石密度；C/是單位為J/(kg K)的流體熱容；C；是單位為J/(kg K)的固體熱容；rc(T,PC02,X)是使礦物碳酸鹽化的速度(單位為質(zhì)量分?jǐn)?shù)/s)關(guān)聯(lián)于溫度、(X)2的分壓力和流體成分X的其他方面的表達(dá)式；Δ Hc是單位為J/Kg的碳酸鹽化反應(yīng)的焓；rh(T，PH2Q，X)是使礦物水化(蛇紋石化)的速度(單位為質(zhì)量分?jǐn)?shù)/s)關(guān)聯(lián)于溫度、H2O的分壓力和流體成分X的其他方面的表達(dá)式；Δ Hh是單位為J/Kg的碳酸鹽化反應(yīng)的焓；φ是在反應(yīng)體塊中的孔隙度或瞬時體積流體分?jǐn)?shù)；κ是單位為m2/s的圍繞反應(yīng)體塊的區(qū)域中的熱擴(kuò)散率；A是與巖石塊的尺寸(碎裂間距、粒度)相關(guān)的比例常數(shù)。
將其設(shè)定為零并且求解W，獲得以下在恒定溫度下的流體流動速度[12] W = {2 (T-T0) K /dd2-A[rc(T，Pc02，Χ) ΔΗ。+[?！唉常宝?0，X) AHh]/ [C； (ι- Φ) +C/ (Φ) ]} / {(Tin-T) P fCpf Φ / (P sCpsda)}擴(kuò)散距離將隨時間改變，并且能夠如下近似[13]dd (κ t)"2考慮到滲透率在大的反應(yīng)體塊內(nèi)能夠人為地增大到ΙΟ—1、2或更高，該方程式在窄的、方格反應(yīng)體塊內(nèi)獲得快的(X)2吸取速度，并且從單個位置使用鉆孔允許很多這種體塊的
豎直“堆疊”。根據(jù)公開主題的方法和系統(tǒng)提供了優(yōu)于已知的方法和系統(tǒng)的益處和優(yōu)點。在一些條件下，放熱橄欖巖蝕變，即蛇紋石化和碳酸鹽化，能夠維持高的溫度和快速反應(yīng)，其中碳酸鹽化比自然速度快到IO6倍，從而潛在地每年消耗數(shù)十億噸的二氧化碳。下面強(qiáng)調(diào)用于橄欖巖中的礦物碳酸鹽化的潛能在大氣中存在大約2. 9X1015kg 的二氧化碳，高于前工業(yè)時代的大約2. 2X 1015kg的值。在阿曼的索馬里蛇紋石為大于 350km長、大約40km寬，并且具有大約5km的平均厚度。該體塊的大約30%是殘余的地幔橄欖巖。添加重量的二氧化碳到橄欖巖中將消耗所估算的大氣二氧化碳的四分之一——大致等于自工業(yè)革命以來增加的量。將橄欖巖中的所有Mg離子轉(zhuǎn)化為碳酸鹽將消耗大約7X1016kg的二氧化碳。其他類似大小的蛇紋石位于巴布亞新幾內(nèi)亞(面積為大約 200kmX 50km)、新喀里多尼亞(大約150kmX40km)、以及沿著亞得里亞海的東海岸(大約 IOOkmX 40km的幾個地塊)。由于根據(jù)公開主題的礦物碳酸鹽化的方法和系統(tǒng)利用在地球表面的地幔橄欖巖的地質(zhì)暴露中固有的化學(xué)勢能，因此能夠以小的費用維持巖石體塊中的用于碳酸鹽化的最佳溫度。另外，在深處的巖石體塊固有地處于較高的壓力和升高的溫度下。由此，與“在重工業(yè)設(shè)施處的”加工礦物碳酸鹽化相比，根據(jù)公開主題的方法和系統(tǒng)不涉及橄欖巖的開采和運輸、經(jīng)由研磨和熱處理加工固體反應(yīng)物、或者在反應(yīng)容器中維持高的溫度和壓力。實際上，在根據(jù)公開主題的方法和系統(tǒng)中的主要的能源投入是用于鉆孔、液壓破裂、泵送流體、 預(yù)加熱流體以及二氧化碳的凈化。而且，不同于“重工業(yè)設(shè)施”礦物碳酸鹽化，根據(jù)公開主題的方法和系統(tǒng)允許原位的二氧化碳捕獲和將凈化的二氧化碳運輸?shù)教妓猁}化位置。盡管已經(jīng)通過其實施例描述和說明了公開的主題，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，公開實施例的特征能夠被組合、重新布置等以產(chǎn)生另外的實施例，并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行各種其他變化、省略、和添加而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高橄欖巖的碳酸鹽化速度的方法，所述方法包括使橄欖巖體塊破裂；加熱所述橄欖巖體塊；將可調(diào)節(jié)的二氧化碳流注入所述橄欖巖體塊內(nèi)；將碳酸氫鹽材料注入所述橄欖巖體塊內(nèi)；以及由所述橄欖巖體塊和所述二氧化碳在放熱反應(yīng)中形成碳酸鹽，由此產(chǎn)生自維持的熱源，所述熱源加熱所述橄欖巖體塊。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，破裂包括以下之中的一種在所述橄欖巖體塊中鉆孔以用于接收所述可調(diào)節(jié)的二氧化碳流、在所述橄欖巖體塊中鉆孔以用于使所述橄欖巖體塊破裂、液壓破裂以及它們的組合。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括使所述孔以距離ζ豎直地間隔開，其中，ζ= {kΔPCswc02 pf/[n Psr (τ, Pc02, χ]}1 氣
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，對于橄欖石在IMNaCUO. 64Μ NaHCO3的水溶液中的碳酸鹽化，所述孔以距離ζ豎直地間隔開，其中，ζ = {kAPCswC02Pf/[n PsAl. 15X IO"5 (Pc02j bars) 1/2exp {-0. 000334 (T-185°C )2}]}1/2。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述碳酸氫鹽材料包括碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、和碳酸氫鋰中的至少一種，并且具有關(guān)于周圍流體的大約lmol/1的濃度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，加熱包括將加熱的流體注入所述橄欖巖體塊內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，加熱包括將所述橄欖巖體塊加熱到至少大約 185 "C。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述二氧化碳具有大約25°C的溫度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，注入包括將具有大約300巴壓力的所述二氧化碳以大約0. 04m/s的流動速度注入。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括監(jiān)控所述橄欖巖體塊的碳酸鹽化速度，并且當(dāng)所述速度低于預(yù)定水平時執(zhí)行對所述橄欖巖體塊的另外的破裂。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述橄欖巖是以下之中的一種原位、離位研磨、 離位未研磨、以及它們的組合。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使所述流體壓力在所述橄欖巖體塊中循環(huán)，以在所述橄欖巖體塊中形成流體飽和區(qū)間和無流體干燥區(qū)間。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，為了維持所述熱源的恒定溫度，將所述可調(diào)節(jié)的二氧化碳流的流體流動速度維持為大約！2(Τ-Τ。)κ /dd2_A[r。(T，Pc02, Χ) ΔΗ。+[Γ\(Τ，ΡΗ20, Χ) Δ Hh] / [Cps (1-Φ) +C/ ( Φ) ]} / {(Tin-T) P fCpf Φ / ( P sCpsda)}。
14.用于經(jīng)由橄欖巖的碳酸鹽化使二氧化碳固存的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于使橄欖巖體塊破裂的破裂模塊用于加熱所述橄欖巖體塊的加熱模塊；注入模塊，所述注入模塊包括二氧化碳源和用于將二氧化碳從所述二氧化碳源注入所述橄欖巖體塊內(nèi)的裝置，并且包括碳酸氫鹽材料源和用于將碳酸氫鹽材料從所述碳酸氫鹽材料源注入所述橄欖巖體塊內(nèi)的裝置；以及控制模塊，所述控制模塊用于監(jiān)控所述橄欖巖體塊的溫度、用于監(jiān)控所述二氧化碳的壓力和溫度、并且用于監(jiān)控所述橄欖巖體塊的碳酸鹽化速度。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述破裂模塊包括用于在所述橄欖巖體塊中鉆孔以用于接收所述可調(diào)節(jié)的二氧化碳流的裝置、用于在所述橄欖巖體塊中鉆孔以用于使所述橄欖巖體塊破裂的裝置、以及用于使所述橄欖巖體塊液壓破裂的裝置。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述橄欖巖是以下之中的一種原位、離位研磨、 離位未研磨、以及它們的組合。
17.一種提高橄欖巖的碳酸鹽化速度的方法，所述方法包括使橄欖巖體塊破裂，所述橄欖巖體塊位于流體體塊的下面，所述流體體塊具有頂面，并且所述流體體塊包括溶解的二氧化碳；加熱與所述頂面相鄰且與所述橄欖巖體塊相鄰的第一數(shù)量的所述流體體塊；在加熱之后，將所述第一數(shù)量注入所述橄欖巖體塊內(nèi)；將碳酸氫鹽材料注入所述橄欖巖體塊內(nèi)；以及通過第一數(shù)量的所述橄欖巖體塊與溶解在所述第一數(shù)量的所述流體體塊中的二氧化碳形成碳酸鹽，其中形成碳酸鹽產(chǎn)生了熱源。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述橄欖巖是以下之中的一種原位、離位研磨、 離位未研磨、以及它們的組合。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述碳酸氫鹽材料包括碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、和碳酸氫鋰中的至少一種，并且具有關(guān)于周圍流體的大約lmol/1的濃度。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括控制與所述頂面相鄰的第二數(shù)量的所述流體體塊到所述橄欖巖體塊內(nèi)的對流，其中， 所述第二數(shù)量的所述流體體塊在對流之前具有等于大約環(huán)境溫度的溫度；基本使用所述熱源將所述橄欖巖體塊的溫度保持為大約185°C ；以及通過第二數(shù)量的所述橄欖巖體塊與溶解在所述第二數(shù)量的所述流體體塊中的二氧化碳形成碳酸鹽。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于原位和離位地提高橄欖巖的碳酸鹽化速度的方法和系統(tǒng)。在一些實施例中，所述方法和系統(tǒng)包括以下使橄欖巖體塊破裂；加熱所述橄欖巖體塊；將可調(diào)節(jié)的二氧化碳流注入所述橄欖巖體塊內(nèi)；將碳酸氫鹽材料注入所述橄欖巖體塊內(nèi)；以及由所述橄欖巖體塊和所述二氧化碳在放熱反應(yīng)中形成碳酸鹽，由此產(chǎn)生自維持的熱源，所述熱源加熱所述橄欖巖體塊。
文檔編號B01D53/62GK102497920SQ201080038473
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者J·M·馬特, P·B·克勒門 申請人:紐約市哥倫比亞大學(xué)理事會