用于增强橄榄岩碳酸盐化速度的系统和方法

专利名称：用于增强橄榄岩碳酸盐化速度的系统和方法
用于增强橄榄岩碳酸盐化速度的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2009年7月10日提交的美国临时申请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的优先权，每个申请的全部公开内容通过参引的方式并入本文。
背景技术：
对向大气中的人为的二氧化碳(CO2)输入已经大幅增大大气中二氧化碳的浓度的认识、以及增多的二氧化碳又能够推动快速的全球变暖的理论，已经专注于从大气中移除一些二氧化碳——也称为固碳——的技术。一种可能性是将二氧化碳气体转化为稳定的固体碳酸盐矿物，例如方解石(CaCO3)和菱镁矿(MgCO3)。由于橄榄岩高浓度的镁，因此从地球的上地幔在地质上暴露的橄榄岩已经被认为是用于将大气中的二氧化碳转化为固体碳酸盐的有希望的反应物，其中，橄榄岩主要由矿物橄榄石((Mg，Fe)2Si04)构成，具有较少比例的辉石矿物((Mg，Fe, Ca)2Si206)和尖晶石 ((Mg, Fe) (Cr，AD2O4)以及其水化蚀变产品蛇纹岩。已发现橄榄岩的自然碳酸盐化出奇地迅速。例如，在阿曼的地幔橄榄岩中的碳酸盐脉具有平均约26，000年的mC年龄而不是先前认为的3000至9500万年。这些数据和勘探测绘表明，经由在阿曼的橄榄岩风化，每年大约104吨至105吨的大气二氧化碳被转化为固体碳酸盐矿物。地幔橄榄岩通常在海底下面超过6km，并且与地球表面的空气和水非常不平衡。其沿着大型逆冲断层和沿着板块边界的暴露生成大的化学势存贮器。尽管可利用化学势，但是用于固碳的工程技术具有很多挑战。工程解决方案涉及将橄榄岩研磨为细粉、净化二氧化碳气体、在升高的压力下使用反应容器和/或将反应物加热到100°c以上，这导致了大量的资金和能量成本。各种方法已经被实验评估，包括橄榄石粉和蛇纹石粉在升高的温度下直接碳酸盐化、蛇纹石或橄榄石在盐酸中溶解且随后使Mg离子和Ca离子在溶液中碳酸盐化、以及橄榄石和蛇纹石与碳酸反应(非常类似于自然蚀变)。对于大量的二氧化碳固碳而言，已发现反应动力学太慢，除非橄榄石或蛇纹石反应物被升高到超过50°C -100°C、被研磨为细粉和/ 或在> 600°C下进行预处理以增加反应表面积。在大多数情况下，由于加热和加工的要求， 已发现这些方法目前在资金方面，并且更重要的是在能量消耗方面过于昂贵而不能进行商业利用。

发明内容
整体上，公开的主题涉及到通过优化用于在橄榄岩与待固存的二氧化碳源(例如从发电厂排放物捕获的二氧化碳、从大气中捕获的二氧化碳、或者包含在橄榄岩当地的水体中的二氧化碳)之间的碳酸盐化反应的条件而原位和离位地加速和控制自然橄榄岩碳
酸盐化。
橄榄石和辉石(它们是橄榄岩的组分)的碳酸盐化通常能够由以下反应式代表[l]Mg2Si04+2C02 = 2MgC03+Si02Mg-橄榄石菱镁矿石英[2] Mg2S i 04+CaMgS i206+2C02+2H20 = Mg3Si2O5 (OH) 4+CaC03+MgC03Mg-橄榄石CaMg-辉石蛇纹石方解石菱镁矿根据本公开主题的二氧化碳的固存包括促进和控制在橄榄岩与待固存的二氧化碳之间的碳酸盐化反应[1]和[2]。本公开主题的一些实施例包括用于提高橄榄岩的碳酸盐化速度的系统和方法。碳酸盐化速度能够通过改变反应[1]和[2]发生的条件来提高。在本公开主题的一些实施例中，钻孔、液压破裂、在升高的压力下输入二氧化碳、输入高浓度的PH值缓冲试剂(例如 NaHCO3 (碳酸氢钠)、KHCO3 (碳酸氢钾)、和LiHCO3 (碳酸氢锂))、以及增大在深处的橄榄岩的温度被用于增强用于反应[1]和[2]的条件。在本公开主题的一些实施例中，橄榄岩中的流体压力在流体饱和区间与无流体的干燥区间之间循环。流体压力循环促进固相在粒间孔隙空间中的流体中的过饱和和快速结晶，这局部地影响孔壁并且产生高应力和破裂事件。破裂事件或破裂有助于维持未反应的橄榄石表面的渗透率、孔隙度和暴露，以促进持续的反应和碳酸盐的形成。可选地，一些实施例包括在作为用于与橄榄岩反应的二氧化碳源的相邻海水中发现的局部的、溶解的二氧化碳的受控对流。


为了说明本发明，附图示出了公开主题的实施例。但是，应当理解的是，本申请不限于在附图中所示的精确装置和设施，其中图1是根据公开主题的一些实施例的系统和方法的图；图2是根据公开主题的一些实施例的方法的流程图；图3是根据公开主题的一些实施例的系统和方法的图；图4是根据公开主题的一些实施例的方法的流程图；图5是反应速度对温度的图表，其示出了典型的橄榄石碳酸盐化速度；图6是橄榄石碳酸盐化和蛇纹石化的速度作为温度和压力的函数的图表；图7是由于橄榄石碳酸盐化而导致的温度变化的速度作为橄榄岩的温度和二氧化碳流体的流动速度的函数的图表；图8A-图8D是根据公开主题的一些实施例的、用于从岸基位置钻孔到且注入到浅海底内的系统的示意图；图9A-图9C包括在图8中图示的系统的截面图和地图视图；图IOA-图IOE是根据公开主题的一些实施例的、用于从海洋中的绳系平台钻孔到且注入到浅海底内的系统的示意图；图IlA和图IlB包括在图10中图示的系统的截面图和地图视图；以及图12A-图12D是根据公开主题的一些实施例的、用于从岸基位置钻孔到且注入到浅海底内的系统的示意图。
具体实施例方式现在参照图1和图2，一些实施例包括用于经由原位和离位橄榄岩碳酸盐化而使二氧化碳固存的系统和方法。一些实施例包括系统100，该系统100具有破裂模块102、加热模块104、注入模块106、以及用于有利于和控制碳酸盐化反应的控制模块108。破裂模块102包括用于使橄榄岩体块110破裂的装置(未示出)。体块110典型地位于例如海洋或海的水体的底部111下面的深度处。在一些实施例中，使用当前在矿物和石油开采中使用的已知的钻孔和液压破裂技术和设备来完成体块110的破裂。在一些实施例中，在橄榄岩体块中钻孔，用于接收可调节的二氧化碳流，该二氧化碳流能够包括在诸如海水之类的流体中。钻孔和液压破裂用于使容易可用于反应的橄榄岩的深度(和体积) 增大200倍，S卩，从橄榄岩中的大约15m到大约3km。橄榄岩的另外的自然发生的破裂可能是由于加热期间的热膨胀、水化期间的体积增大、以及碳酸盐化期间的体积增大。加热模块104用于加热橄榄岩体块110。加热模块104包括热源112，其用于加热流体体块(未示出)，由此产生加热的流体体块(未示出)；导管116，其形成在加热的流体体块与橄榄岩体块110之间；以及泵118，其用于将加热的流体体块泵吸到橄榄岩体块中。 由于橄榄岩体块110通常但不总是位于水体下面的深度处，因此覆盖橄榄岩的海水通常用作流体体块的来源。将橄榄岩体块预加热到用于橄榄岩碳酸盐化的最佳温度(大约185°C ) 快速起动碳酸盐化反应。能够经由多种流动速度、流体温度和流体组成实现橄榄岩的加热。 最后，从碳酸盐化反应输出的放热将维持橄榄岩体块中的温度为185°C。随着时间流逝，通过放热加热的输出流体能够用于加热橄榄岩体块的其他区域。这在热流体流到更冷的周围岩石内时很可能将自发地发生。注入模块106包括二氧化碳源120，其能够包括已经从大气或发电厂排放物中捕获的二氧化碳；碳酸氢盐材料源121 ；以及用于压缩二氧化碳由此增大二氧化碳的压力的压缩机122。来自二氧化碳源120和碳酸氢盐材料源121的加压的二氧化碳经由介于二氧化碳源和碳酸氢盐源与橄榄岩体块之间的导管注入橄榄岩体块110内。若必要，能够采取另外的措施以确保二氧化碳源120中的二氧化碳在注入体块110内之前被基本净化。纯二氧化碳或富含二氧化碳的流体混合物的注入与利用溶解在表面水中的二氧化碳相比有助于保持与增强的碳酸盐化反应速度同步。控制模块108包括用于监控橄榄岩体块110和二氧化碳源120的温度的温度传感器1 和128。控制模块108包括用于监控注入橄榄岩体块110内的二氧化碳的压力的压力传感器130、以及用于监控在橄榄岩体块中发生的碳酸盐化的速度的一个或多个碳酸盐化传感器132。控制模块108还包括用于分析分别由温度、压力和碳酸盐化传感器126、 128,130和132产生的数据的分析子模块134。基于分析子模块134的分析结果，对破裂模块120、加热模块104和二氧化碳注入模块106进行控制。例如，控制模块108能够被编程以在碳酸盐化速度落到预定水平之下时引导破裂模块102执行对橄榄岩体块110的另外的破裂。而且，控制模块108能够构造为使得当来自橄榄岩体块110内发生的碳酸盐化反应的热量能够维持橄榄岩体块中的大约185°C的温度时控制模块108中断加热模块104的操作。现在参照图2，公开主题的一些实施例包括增强橄榄岩碳酸盐化速度的方法200。 典型地但不总是的，橄榄岩体块位于水体下面的深度处。在202，方法200包括使橄榄岩体块破裂。在一些实施例中，橄榄岩的破裂经由在橄榄岩体块中钻出用于接收可调节的二氧化碳流的孔、液压破裂或其他已知的技术实现。在204，橄榄岩体块被加热。在一些实施例中，通过将加热流体注入橄榄岩体块内而加热橄榄岩。加热流体通常被注入直到橄榄岩体块达到至少大约185°C为止。在206，二氧化碳被注入橄榄岩体块内。方法200典型地利用橄榄岩体块原位执行，但是也能够使用离位磨碎的橄榄岩、离位未磨碎的橄榄岩、以及它们的组合执行。在一些实施例中，二氧化碳具有大约25°C的温度、大约150巴到300巴的压力。二氧化碳的流动速度为大约0. 04m/s或有助于维持橄榄岩体块中的大约185°C的温度的其他流动速度。在208，碳酸氢盐材料被注入橄榄岩体块内。在一些实施例中，碳酸氢盐材料包括碳酸氢钠、碳酸氢钾、和碳酸氢锂中的至少一种，并且具有每升周围流体大约Imol 的浓度。在210，橄榄岩体块和二氧化碳反应以形成碳酸盐。碳酸盐化反应是放热的，由此产生热源。热源还加热并且维持橄榄岩体块内的温度。在212，橄榄岩体块的碳酸盐化速度被监控，并且如果速度落到预定水平下则执行对橄榄岩体块的另外的破裂。尽管未示出，但在一些实施例中，方法200包括使流体压力在橄榄岩体块中循环， 以在橄榄岩体块中形成流体饱和区间和无流体的干燥区间。当流体流动周期性地发生(在经受季节性或偶然性的大雨的干旱地区中可以常见)时，反应驱动的破裂也可以是有利的。在孔空间中的隔离流体穴的蒸发驱动增大的溶质浓度，从而引致极端的过饱和。这又引致非常高的“结晶压力”，该结晶压力对于直径大于几微米的晶体而言一般可以较小。现在参照图3和图4，公开主题的一些实施例包括使用自然二氧化碳源(例如溶解在覆盖橄榄岩的海水中的二氧化碳)来提高橄榄岩碳酸盐化速度的方法。如图3中所示， 对于靠近水体304 (例如海洋或海)的底部302和顶面303的橄榄岩体块300而言，能够使用海水306到橄榄岩体块内或离开橄榄岩体块的受控对流(如箭头指示)以将橄榄岩加热到适于碳酸盐化的温度，并且提供用于碳酸盐化反应的二氧化碳源。现在参照图4，一些实施例包括提高橄榄岩碳酸盐化速度的方法400。在方法400 的402，使橄榄岩体块破裂。如上述，橄榄岩体块典型地位于例如海或海洋的流体体块的下面。流体体块包括溶解的二氧化碳。在404，与顶面相邻且与橄榄岩体块相邻的第一数量的流体体块被加热。典型地，橄榄岩体块被加热到大约185°C，该温度如在下面进一步描述的，基本为用于促进碳酸盐化反应的最佳温度。在406，在加热之后，第一数量的流体体块 (例如在一些实施例中为加热的海水)被注入橄榄岩体块内。在407，碳酸氢盐材料被注入橄榄岩体块内。在408，利用第一数量的橄榄岩体块和溶解在所述第一数量的流体体块内的二氧化碳形成碳酸盐。在形成碳酸盐的同时，来自放热碳酸盐化反应的热量产生用于维持橄榄岩体块的温度的热源。在410，与顶面相邻的第二数量的流体体块到橄榄岩体块内的对流被控制。第二数量的流体体块在对流之前具有等于大约环境温度的温度。在412，基本使用热源将橄榄岩体块的温度维持在大约185°C。在414，利用第二数量的橄榄岩体块和溶解在所述第二数量的流体体块中的二氧化碳形成碳酸盐。在416，橄榄岩体块的碳酸盐化速度被监控，并且当速度低于预定水平时执行对橄榄岩体块的另外的破裂。现在参照图5-图7，研究显示，通过使用根据公开主题的方法和系统优化反应条件，例如将橄榄岩的温度升高到最佳温度和以最佳压力和最佳流动速度注入二氧化碳，能够实现碳酸盐化速度的大于大约IO6倍的另外的增大。如图5和图6中所示，加热和升高二氧化碳的分压力能够通过加速水化和碳酸盐化的扩散动力学而使碳酸盐化速度增大大于IO6倍。但是，当温度接近用于蛇纹石或碳酸盐矿物的稳定性的平衡相界时，驱动反应的化学势减小。组合的效果在介于表面条件与平衡相界之间的温度获得最大的反应速度。解方程[3]和W]，其中蛇纹石化速度为[3] Γ = 0. 00000100exp [_0· 000209 (T_260°C )2]，而碳酸盐化速度为[4] Γ 1· 15 X 1(Γ5 (P (CO2)，bars) 1/2exp [_0· 000334 (T_185°C )2]，均以质量分数/s为单位，作为温度的函数的蛇纹石化的反应速度被发现在一定范围的二氧化碳压力上在大约260°C具有最大值，而碳酸盐化速度在大约185°C和大约150 巴到300巴的二氧化碳压力下为最佳。现在参照图7，在300巴的二氧化碳压力下由橄榄岩碳酸盐化而导致的温度变化的速度作为橄榄岩的温度和二氧化碳流的流动速度的函数进行计算。在具有冷流体(即， 大约25°C)的高二氧化碳流动速度下，已经发现的是橄榄岩体块不能由放热反应加热。在低二氧化碳流动速度下，对流冷却是可忽略的，并且能够通过放热加热和扩散冷却控制温度。已经发现，当二氧化碳流体流量调节为在大约185°C实现大约dT/dt = 0时，发生最佳的橄榄石碳酸盐化速度。在下面的方程5中，当dT/dt = 0时求解流体流量(w)以得到流
动速度，其中反应体块的温度是恒定的， dT/dt=(Tin-T)PfCpf9w/(psCpsd)-(T-To)K/d2+r(T)AAH/[Cps(l-9)+Cpf(9)]对于方程5，Tin是输入水或水性流体的温度CC或开尔文)；T是体块中的当前温度；T。是在体块外部的远场温度，其等于体块中的初始温度；Pf和Ps是流体和固体的密度；C/和cps是流体和固体的热容；φ是孔隙度或流体的体积分数(无单位，在此处所示的所有计算中为) ；w是流体的流动速度(m/s) ；d是体块的尺寸或“大小”(m，在此处所示的所有计算中为1000m) ； κ是热扩散率(10-6m2/S) ； Γ是反应速度，其是温度的函数(单位为1/s) ；A是体块中岩石的可用于反应的分数(无单位)；而Δ H是由于反应的焓变化。已发现，通过以大约0. 040m/s泵送25°C的二氧化碳或通过以大约4. lX10_6m/S泵送251的!120，能够维持大约185°C的恒定的橄榄岩温度。已发现，对于橄榄石碳酸盐化反应，在大约185°C下温度微分的范围和稳态流动速度比蛇纹石化反应大很多。发现由水化/蛇纹石化而导致的加热比由碳酸盐化而导致的加热效率低。这部分是由于例如在1巴和25°C下，八!1对于蛇纹石化为大约2501^/1^，而碳酸盐化升高到大约760kJ/kg，并且部分是由于对于25°C与185°C之间的温度，蛇纹石化比碳酸盐化慢(参见图6)。如上述，公开主题的一些实施例包括用于经由离位橄榄岩碳酸盐化而使二氧化碳固碳的系统和方法。能够使用多晶体岩石碎块而非精磨的单晶体颗粒，由此产生粒度的减小和新鲜(未碳酸盐化)的反应表面的持续暴露，而没有为此目的输入能量。该系统和方法避免了与岩石研磨相关的大比例成本。离位反应速度也能够使用[5]进行优化。现在参照图8-图12，公开主题的一些实施例包括用于将海水流引入水下橄榄岩或其他反应岩石内，以从海水中提取二氧化碳以通过橄榄岩或其他岩石与海水反应形成固体碳酸盐矿物，由此导致地质的二氧化碳捕获以及存储的系统和方法。参照图8A-图8D，海水通常应当从海面提取，在海面处海水与大气二氧化碳平衡。海水与岩石的反应应当典型地在海底的下面发生，以使得由反应期间的体块变化、流体泄漏到表面和/或流体注入而导致的潜在的岩石变形的社会影响最小。在图8A-图8D中，水的深度标记为“a”而在海底下面的上钻孔的深度为“b”。由于二氧化碳(以及其它相关的碳形态，包括碳酸氢盐)在海水中的浓度为大约lOOppm，因此非常大的海水体块必须在较短的时间内与岩石反应。应当采取广泛的钻孔，优选为几乎水平的孔，以及围绕钻孔的液压破裂，以使尽可能多的岩石暴露于反应。在图8-图11中，这些孔的长度标记为“e”，而通过液压破裂暴露于流体注入的区域的宽度标记为“d”。为了产生每个反应体块，应当生成两个钻孔，一个在另一个的上面。钻孔之间的竖直距离标记为“C”。水应当被注入下孔内并且经由上孔(尽可能多地)回收。耗尽二氧化碳的海水应当随后回到海面，其在海面将与大气反应以引下大气二氧化碳。尽管热浮力可能在理论上驱动水流过孔，但是为了加速反应时间，将海水压缩到注入压力ΔΡ可能是必要的。如果岩石体块初始比注入水更热，则热流体回到上钻孔中的回流能够用于加热注入流体和/或产生用于泵的电力。从该系统到海底的泄漏将使耗尽二氧化碳的海水回到海洋中。但是，如果该回流在水柱中较深，则其将需要较长的时间来影响
大气二氧化碳。水性流体与岩石反应以形成固体碳酸盐的速度是二氧化碳的温度和分压力的函数。由此，我们提出的方法聚焦于将岩石体块置于用于橄榄岩碳酸盐化的最佳温度 (185°C )下并且维持孔隙水中的高Pro2以及 IM NaCl和 0. 6M NaHC03。在这些条件下， 放热矿物碳酸盐化与冷流体的注入一起能够获得几乎恒定的温度，并且由矿物碳酸盐化导致的正的固体体块变化能够获得反应驱动碎裂。合起来，所有这些因素能够理论上每年获得每km3岩石IGt的二氧化碳吸取率。结果产生了二氧化碳存储机构，其将可能需要供应另外捕获的二氧化碳。为了以合理的钻孔成本实现几百万到几十亿吨的二氧化碳存储，考虑到二氧化碳在海水中的低浓度，期望的是体积非常大的海水与岩石反应。在这些条件下，加热注入流体很大程度上是不现实的。存储在岩石中的初始热、以及任意放热的产生被流体流快速地淹没，使得岩石迅速接近注入流体的温度。因此，最佳的是将用于二氧化碳捕获和存储的工厂设置在海面温度高的热带地区。由于在任意具体的岩石体块中水/岩石比率高，并且二氧化碳反应以形成固体碳酸盐的速度小，因此可能不必添加例如NaHCO3的催化剂以实现接近最佳的反应速度。再次参照图8和图9，图示的是用于从岸基位置钻孔和注入到浅海底内的系统。 为了使实现给定量的二氧化碳捕获和存储所需的海岸线长度最小，如在图9B中的横截面 B-B'中所示，钻孔以距离“d”间隔开，并且也能够竖直地堆叠，反应体块之间的间距由“f”表不。现在参照图10和图11，一些实施例包括用于从海洋中的绳系钻孔平台进行钻孔和注入的系统。用于这种钻孔的成本目前比用于从岸基位置钻孔的成本高大约十倍。通过反应体块的流动速度通常由介于两个钻孔之间的体块的渗透率和高度(图 8-图12中的“C”，在下面的方程[6]和[7]和权利要求中的ζ)限制。假设渗透率恒定，能够调节限界反应体块的成对钻孔之间的竖直间距。为了实现用于在给定时间内吸取期望的二氧化碳的低成本，最佳的是优化竖直间距，使得海水的供应尽可能快(考虑反应速度的限制)但涉及到最大可能的岩石体块。由此，控制流体二氧化碳供应的流动速度应当正好等于控制流体二氧化碳消耗以形成固体碳酸盐矿物的反应速度。忽略浮力——并且忽略通过流体的平流、热量向周围的扩散或从周围的扩散、以及在水化和碳酸盐化反应期间产生的热量引致的岩石体块的冷却或加热而导致的温度变化——反应岩石体块的高度能够由以下方程近似[6] ζ {k Δ PCswc02 P f/ [ η P s Γ (Τ, Pc02, Χ]}1气其能够与任意碳酸盐化速度表达式 (以每秒转化为碳酸盐的岩石的质量分数表述)一起使用，并且能够应用到橄榄石在不同条件下的碳酸盐化或者其他岩石和矿物的碳酸盐化。方程[6]还能够更具体地发展用于橄榄石在IM NaCUO. 64MNaHC03的水溶液中根据温度和Pro2的碳酸盐化，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是单位为m2的渗透率；Δ P是单位为1 的流体过压力；Cswc02是海水中(X)2的浓度；ρ f是单位为kg/m3的流体密度；ρ s是单位为kg/m3的固体岩石密度；n是单位为Pas的流体粘度；A是反应表面积相对于70微米球体的表面积的表述；Pc02,bars是单位为巴的二氧化碳的分压力 Catmro2 P fgd，或者CatmCQ2 P sgd，取决于流体压力为静水压还是地压；Catmc02是空气中(X)2的浓度；g是单位为m/s2的重力加速度；d是反应体块从d-z/2延伸到d+z/2的平均深度(图8中，(2b+c) /2)，单位为m， 以及T是单位为。C的反应体块温度。考虑到对反应体块的高度的这种限制(钻孔之间的竖直间距)，反应体块的表面积(长度X宽度)的二氧化碳消耗量(单位为kg/m2)随后由以下方程近似[8] J = w φ ρ fCswc02 = k Δ P ρ fCswc02/ ( η ζ)其中，除了以上定义的变量以外，w是单位为m/s的流体流动速度，或单位为m3/ (m2S)的单位面积上的流体流量，而Φ是在反应体块中的孔隙度或瞬时体积流体分数。浮力驱动的流体穿过渗透网的流动能够用于在没有泵送的情况下促进流体与岩石之间的矿物碳酸盐化反应。浮力能够由下面的方程近似[9] Δ ρ Xg其中，冷流体与热流体之间的密度差乘以重力加速度。这在200°C的温度范围内对于给定的几百kg/m3的密度变化通常对应于大约20001^/m。自然晶体岩石的渗透率对于大约0. 01的破裂孔隙度通常确定为10_12m2或更少。由此，对于粘度为大约0. OOlPas的水性流体和大约0. 01的孔隙度，对于浮力驱动的流动的达西(Darcy)流动速度如下[10] w = 1 ΔρΧβ/(ηφ) 2 X 1(Γ12 X 103/1(Γ5 2Xl(T4m/s.如下，达西通量是wΦ = kΔ ρ Xg/ η 2X10_6m/s[m7(m2s)]，或对于给定的大约1000kg/m3的流体密度为大约2X 10_3kg/(m2S)。对于CO2浓度为大约10_4的海水，这又是2X10_7kg C02/(m2s)。即使对于非常大的注入界面(例如，10，OOOm长乘以500m宽)，这仅为Ikg C02/s，或 3X IO4吨CO2/年。 该计算已经使用10_12m2的渗透率进行，该渗透率对于晶体岩石中的自然渗透率而言是高的值。对于在地球表面下面多于几km处的晶体岩石，更常见的估算是10_14或更少。现在参照图12A-图12D，对于通过多个液压裂口相连的紧密间隔开的钻孔，液压裂口能够使渗透率增大到大于10_12的值。接下来，使用紧密间隔开的钻孔(其产生小的竖直延伸的反应体块)表明，来自四周的岩石体块中的扩散加热能够维持高的温度和快的反应速度。为了将反应温度在期望值保持恒定，流体流动能够被调节到小于浮力驱动的流动速度的值。下面的方程使温度变化关联于对流冷却、与半无限方格反应区域的顶部和底部的扩散热交换、以及碳酸盐化和水化反应的焓[ 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是单位为s的时间；w是单位为m/s (或m3/ (m2s))的流动速度；Tin是单位为°C的输入流体的温度；T是单位为。C的反应体块的温度；T。是单位为。C的围绕反应体块的远场温度(在该情况下，高于或低于反应体块)；da是单位为m的用于对流的距离；dd是单位为m的用于扩散的距离；ρ f是单位为kg/m3的流体密度；ρ s是单位为kg/m3的固体岩石密度；C/是单位为J/(kg K)的流体热容；C；是单位为J/(kg K)的固体热容；rc(T,PC02,X)是使矿物碳酸盐化的速度(单位为质量分数/s)关联于温度、(X)2的分压力和流体成分X的其他方面的表达式；Δ Hc是单位为J/Kg的碳酸盐化反应的焓；rh(T，PH2Q，X)是使矿物水化(蛇纹石化)的速度(单位为质量分数/s)关联于温度、H2O的分压力和流体成分X的其他方面的表达式；Δ Hh是单位为J/Kg的碳酸盐化反应的焓；φ是在反应体块中的孔隙度或瞬时体积流体分数；κ是单位为m2/s的围绕反应体块的区域中的热扩散率；A是与岩石块的尺寸(碎裂间距、粒度)相关的比例常数。
将其设定为零并且求解W，获得以下在恒定温度下的流体流动速度[12] W = {2 (T-T0) K /dd2-A[rc(T，Pc02，Χ) ΔΗ。+[Γ“Τ，ΡΗ20，X) AHh]/ [C； (ι- Φ) +C/ (Φ) ]} / {(Tin-T) P fCpf Φ / (P sCpsda)}扩散距离将随时间改变，并且能够如下近似[13]dd (κ t)"2考虑到渗透率在大的反应体块内能够人为地增大到ΙΟ—1、2或更高，该方程式在窄的、方格反应体块内获得快的(X)2吸取速度，并且从单个位置使用钻孔允许很多这种体块的
竖直“堆叠”。根据公开主题的方法和系统提供了优于已知的方法和系统的益处和优点。在一些条件下，放热橄榄岩蚀变，即蛇纹石化和碳酸盐化，能够维持高的温度和快速反应，其中碳酸盐化比自然速度快到IO6倍，从而潜在地每年消耗数十亿吨的二氧化碳。下面强调用于橄榄岩中的矿物碳酸盐化的潜能在大气中存在大约2. 9X1015kg 的二氧化碳，高于前工业时代的大约2. 2X 1015kg的值。在阿曼的索马里蛇纹石为大于 350km长、大约40km宽，并且具有大约5km的平均厚度。该体块的大约30%是残余的地幔橄榄岩。添加重量的二氧化碳到橄榄岩中将消耗所估算的大气二氧化碳的四分之一——大致等于自工业革命以来增加的量。将橄榄岩中的所有Mg离子转化为碳酸盐将消耗大约7X1016kg的二氧化碳。其他类似大小的蛇纹石位于巴布亚新几内亚(面积为大约 200kmX 50km)、新喀里多尼亚(大约150kmX40km)、以及沿着亚得里亚海的东海岸(大约 IOOkmX 40km的几个地块)。由于根据公开主题的矿物碳酸盐化的方法和系统利用在地球表面的地幔橄榄岩的地质暴露中固有的化学势能，因此能够以小的费用维持岩石体块中的用于碳酸盐化的最佳温度。另外，在深处的岩石体块固有地处于较高的压力和升高的温度下。由此，与“在重工业设施处的”加工矿物碳酸盐化相比，根据公开主题的方法和系统不涉及橄榄岩的开采和运输、经由研磨和热处理加工固体反应物、或者在反应容器中维持高的温度和压力。实际上，在根据公开主题的方法和系统中的主要的能源投入是用于钻孔、液压破裂、泵送流体、 预加热流体以及二氧化碳的净化。而且，不同于“重工业设施”矿物碳酸盐化，根据公开主题的方法和系统允许原位的二氧化碳捕获和将净化的二氧化碳运输到碳酸盐化位置。尽管已经通过其实施例描述和说明了公开的主题，但是本领域的技术人员应当理解的是，在本发明的范围内，公开实施例的特征能够被组合、重新布置等以产生另外的实施例，并且能够对其进行各种其他变化、省略、和添加而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种提高橄榄岩的碳酸盐化速度的方法，所述方法包括使橄榄岩体块破裂；加热所述橄榄岩体块；将可调节的二氧化碳流注入所述橄榄岩体块内；将碳酸氢盐材料注入所述橄榄岩体块内；以及由所述橄榄岩体块和所述二氧化碳在放热反应中形成碳酸盐，由此产生自维持的热源，所述热源加热所述橄榄岩体块。
2.如权利要求1所述的方法，其中，破裂包括以下之中的一种在所述橄榄岩体块中钻孔以用于接收所述可调节的二氧化碳流、在所述橄榄岩体块中钻孔以用于使所述橄榄岩体块破裂、液压破裂以及它们的组合。
3.如权利要求2所述的方法，还包括使所述孔以距离ζ竖直地间隔开，其中，ζ= {kΔPCswc02 pf/[n Psr (τ, Pc02, χ]}1 气
4.如权利要求2所述的方法，其中，对于橄榄石在IMNaCUO. 64Μ NaHCO3的水溶液中的碳酸盐化，所述孔以距离ζ竖直地间隔开，其中，ζ = {kAPCswC02Pf/[n PsAl. 15X IO"5 (Pc02j bars) 1/2exp {-0. 000334 (T-185°C )2}]}1/2。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述碳酸氢盐材料包括碳酸氢钠、碳酸氢钾、和碳酸氢锂中的至少一种，并且具有关于周围流体的大约lmol/1的浓度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，加热包括将加热的流体注入所述橄榄岩体块内。
7.如权利要求1所述的方法，其中，加热包括将所述橄榄岩体块加热到至少大约 185 "C。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述二氧化碳具有大约25°C的温度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，注入包括将具有大约300巴压力的所述二氧化碳以大约0. 04m/s的流动速度注入。
10.如权利要求1所述的方法，还包括监控所述橄榄岩体块的碳酸盐化速度，并且当所述速度低于预定水平时执行对所述橄榄岩体块的另外的破裂。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述橄榄岩是以下之中的一种原位、离位研磨、 离位未研磨、以及它们的组合。
12.如权利要求1所述的方法，还包括使所述流体压力在所述橄榄岩体块中循环，以在所述橄榄岩体块中形成流体饱和区间和无流体干燥区间。
13.如权利要求1所述的方法，其中，为了维持所述热源的恒定温度，将所述可调节的二氧化碳流的流体流动速度维持为大约！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.用于经由橄榄岩的碳酸盐化使二氧化碳固存的系统，所述系统包括用于使橄榄岩体块破裂的破裂模块用于加热所述橄榄岩体块的加热模块；注入模块，所述注入模块包括二氧化碳源和用于将二氧化碳从所述二氧化碳源注入所述橄榄岩体块内的装置，并且包括碳酸氢盐材料源和用于将碳酸氢盐材料从所述碳酸氢盐材料源注入所述橄榄岩体块内的装置；以及控制模块，所述控制模块用于监控所述橄榄岩体块的温度、用于监控所述二氧化碳的压力和温度、并且用于监控所述橄榄岩体块的碳酸盐化速度。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述破裂模块包括用于在所述橄榄岩体块中钻孔以用于接收所述可调节的二氧化碳流的装置、用于在所述橄榄岩体块中钻孔以用于使所述橄榄岩体块破裂的装置、以及用于使所述橄榄岩体块液压破裂的装置。
16.如权利要求14所述的系统，其中，所述橄榄岩是以下之中的一种原位、离位研磨、 离位未研磨、以及它们的组合。
17.一种提高橄榄岩的碳酸盐化速度的方法，所述方法包括使橄榄岩体块破裂，所述橄榄岩体块位于流体体块的下面，所述流体体块具有顶面，并且所述流体体块包括溶解的二氧化碳；加热与所述顶面相邻且与所述橄榄岩体块相邻的第一数量的所述流体体块；在加热之后，将所述第一数量注入所述橄榄岩体块内；将碳酸氢盐材料注入所述橄榄岩体块内；以及通过第一数量的所述橄榄岩体块与溶解在所述第一数量的所述流体体块中的二氧化碳形成碳酸盐，其中形成碳酸盐产生了热源。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述橄榄岩是以下之中的一种原位、离位研磨、 离位未研磨、以及它们的组合。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述碳酸氢盐材料包括碳酸氢钠、碳酸氢钾、和碳酸氢锂中的至少一种，并且具有关于周围流体的大约lmol/1的浓度。
20.如权利要求17所述的方法，还包括控制与所述顶面相邻的第二数量的所述流体体块到所述橄榄岩体块内的对流，其中， 所述第二数量的所述流体体块在对流之前具有等于大约环境温度的温度；基本使用所述热源将所述橄榄岩体块的温度保持为大约185°C ；以及通过第二数量的所述橄榄岩体块与溶解在所述第二数量的所述流体体块中的二氧化碳形成碳酸盐。
全文摘要
本发明公开了用于原位和离位地提高橄榄岩的碳酸盐化速度的方法和系统。在一些实施例中，所述方法和系统包括以下使橄榄岩体块破裂；加热所述橄榄岩体块；将可调节的二氧化碳流注入所述橄榄岩体块内；将碳酸氢盐材料注入所述橄榄岩体块内；以及由所述橄榄岩体块和所述二氧化碳在放热反应中形成碳酸盐，由此产生自维持的热源，所述热源加热所述橄榄岩体块。
文档编号B01D53/62GK102497920SQ201080038473
公开日2012年6月13日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月10日
发明者J·M·马特, P·B·克勒门 申请人:纽约市哥伦比亚大学理事会