利用国内镍矿尾矿进行二氧化碳封存的技术可行性、技术经济性及生命周期评估：一种直接的异地热液处理方法

《Journal of Cleaner Production》：Technical feasibility, technoeconomic, and life cycle assessment of CO 2 sequestration using domestic nickel mine tailings: A direct ex-situ hydrothermal approach

本研究首次系统评估镍矿尾ings直接矿物碳化封存CO2的技术可行性与经济性。实验表明，未粉碎尾ings碳化效率16-35kg CO2/t，经细磨或使用slime分层提升至46-91kg CO2/t。矿物学分析证实橄榄石和辉石碳化为菱镁矿和磁铁矿，斜长石和石英惰性。TEA/LCA显示当前处理成本>585美元/吨CO2，GWP≥1.3。场景模拟表明，使用≥80%橄榄石的尾ings及低碳热源可达成目标成本100美元/吨和GWP<1。

　　本文探讨了直接外在矿物碳化技术在镍矿尾矿中用于二氧化碳永久封存的可行性。随着全球对减少碳排放的需求日益增加，矿物碳化作为一种将二氧化碳转化为地质稳定碳酸盐的方法，正受到越来越多的关注。这项研究特别关注了使用国内镍矿尾矿作为碳化原料的可能性，通过实验分析、技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）等手段，全面评估了该技术的潜力。

在实验部分，研究团队利用不同来源的镍矿尾矿样本，进行了二氧化碳吸收实验。实验结果表明，在不进行额外粉碎处理的情况下，每吨矿尾矿可封存16至35公斤二氧化碳，当矿尾矿进一步粉碎或使用污泥部分时，二氧化碳吸收量可提升至46至91公斤。这一发现表明，矿尾矿的物理形态对其碳化能力具有重要影响，颗粒越细，碳化效率越高。此外，矿物学分析确认了橄榄石和部分辉石发生碳化反应，生成了菱铁矿和菱镁矿，而斜长石和石英则表现出较低的反应活性，这说明矿尾矿中的不同矿物成分对碳化过程产生了显著影响。

在技术经济评估方面，研究指出，目前二氧化碳封存的成本超过每吨585美元，且全球变暖潜力（GWP）至少为1.3二氧化碳当量。这意味着，尽管矿物碳化技术具有一定的环保优势，但其经济成本仍然较高，难以满足当前的商业化目标。为了实现每吨二氧化碳封存成本低于100美元，并将GWP控制在1以下，研究提出需要使用超细矿尾矿，并且矿尾矿中橄榄石的含量需达到80%以上，同时还需要采用低碳热源。这些条件的满足将有助于降低能耗和成本，提高该技术的可行性。

此外，研究团队还分析了矿尾矿碳化过程中可能产生的环境影响。通过生命周期评估，他们发现矿尾矿碳化过程的碳排放与封存的二氧化碳量之间的比例关系是衡量该技术是否能够实现净碳减排的关键指标。如果这一比例低于1，则意味着该过程在整体上有助于减少碳排放。然而，当前的评估结果显示，该过程的净全球变暖潜力仍然较高，这提示需要进一步优化技术参数和工艺流程，以降低其环境足迹。

本研究还探讨了矿尾矿碳化技术在实际工业应用中的潜力。矿尾矿作为已经粉碎的工业废弃物，其使用可以显著减少采矿和粉碎过程所需的能量，从而降低整体的碳排放和经济成本。研究表明，矿尾矿碳化不仅可以作为处理工业废弃物的一种方式，还可以与现有的矿山复垦实践相结合，为矿山提供可持续的解决方案。此外，生成的碳酸盐和无定形二氧化硅可以用于多种工业用途，这为该技术的商业化提供了额外的经济激励。

为了更好地理解矿尾矿碳化过程的经济和环境影响，研究团队构建了技术经济和生命周期评估模型。这些模型基于实验数据，模拟了不同规模和条件下的碳化过程。模型的分析结果表明，随着矿尾矿颗粒尺寸的减小和橄榄石含量的增加，碳化效率显著提高，同时能耗和成本也相应降低。然而，要实现商业化应用，还需要解决一系列技术和经济上的挑战，例如如何高效地回收和再利用过程中的水和化学品，以及如何确保低碳热源的可用性。

本研究的实验部分采用了批次处理的方式，通过调整实验条件，如温度、压力和溶液化学成分，评估了不同矿尾矿样本的碳化能力。实验结果表明，在185摄氏度和50巴的二氧化碳分压下，矿尾矿的碳化能力得到了显著提升。同时，研究团队还发现，添加碳酸氢钠和氯化钠作为催化剂，能够进一步促进碳化反应的进行。这些发现为优化碳化过程提供了重要的参考依据。

在分析部分，研究团队不仅关注了碳化过程的效率，还考虑了其经济可行性和环境影响。他们发现，矿尾矿的使用可以有效降低采矿和粉碎的能源消耗，从而减少整个过程的碳排放。然而，要实现更低的成本和更小的环境影响，还需要进一步优化工艺参数和提高碳化效率。此外，研究还指出，矿尾矿碳化过程中产生的水和化学品需要进行有效的回收和再利用，以减少资源浪费和环境污染。

本研究的结论表明，直接外在矿物碳化技术在使用镍矿尾矿进行二氧化碳封存方面具有一定的潜力。特别是橄榄石含量较高的矿尾矿，其碳化效率显著高于其他类型的矿尾矿。然而，该技术的商业化应用仍面临诸多挑战，包括如何降低能耗和成本，以及如何提高碳化效率。研究团队建议，未来的研究应进一步探索如何优化矿尾矿的预处理和碳化过程，以提高其经济和环境效益。

总的来说，本研究为矿尾矿碳化技术的进一步发展提供了重要的科学依据和技术支持。通过实验和模拟分析，研究团队揭示了矿尾矿碳化过程中的关键因素，并提出了实现商业化应用的可能路径。这些发现不仅有助于推动二氧化碳封存技术的发展，还为工业废弃物的处理和利用提供了新的思路和方法。随着技术的不断进步和成本的逐步降低，矿尾矿碳化有望成为一种重要的碳减排手段，为实现全球碳中和目标做出贡献。