四川省区域矿物尾矿CO2捕集与矿化总体潜力评估——基于改进Steinour方程的行政区尺度研究

《Minerals》：The Overall Potential of CO2 Capture and Mineralization of Regional Mineral Tailings—A Case Study in Sichuan Province, China

　　

近年来，矿物碳封存（mineral carbon sequestration）技术的利用已成为缓解CO₂排放的一种有前景的途径。本研究旨在评估四川省各行政区（包括州和市）矿物尾矿的碳封存潜力。研究人员采用《政府间气候变化专门委员会（IPCC）国家温室气体清单指南》所述方法及增强版Steinour方程计算总碳排放量。研究发现，当前堆存尾矿总量为570.79百万m³。对于四川省这样的区域，通过该过程封存的累计碳量达115.25百万公吨。在分析较小区域时，攀枝花地区尾矿砂具备封存约93.05百万公吨碳的能力。在各种矿物中，钒钛磁铁矿（vanadium–titanium magnetite）表现出最高的理论碳封存潜力，估计为0.716公吨/公吨。利用含氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钠（Na₂O）、氧化钾（K₂O）、三氧化硫（SO₃）等组分的尾矿砂通过矿化进行捕集与封存，具有显著经济优势和更好的实际可行性。此外，该方法可有效降低封存成本并大幅提升经济竞争力。

研究背景与问题：全球碳循环面临CO₂产生与封存不匹配的问题，当前大气CO₂浓度已由1750年的278 ppm升至2024年的423.9 ppm。除减少化石燃料使用和转向清洁能源外，碳捕集与封存（CCS）是降低CO₂水平的有效举措。利用天然矿石进行CCS受到关注，但天然矿石CO₂矿化需开采、破碎、磨矿，部分情形还需加压、加热或机械活化，能耗较高，矿石基矿化每吨封存CO₂的能耗惩罚约为300—600 kWh。直接利用堆存工业尾矿进行CO₂矿化可避免新鲜矿石的高能耗开采与粉碎，降低能耗和运行成本，并最大化现有工业固废资源利用。可用于矿化捕集CO₂的工业固废包括钢渣、粉煤灰、石膏、高炉渣等含钙、镁等元素的废物。现有矿物化捕集CO₂文献相对有限，利用固废尾矿进行矿化CO₂捕集与封存研究较少，区域尾矿砂整体减排潜力估算报道少，综合利用尾矿库堆存尾矿进行固碳的研究更少，且缺乏成熟的尾矿固定CO₂计算统计方法。因此，获得区域尾矿砂CO₂减排潜力总体估算，对处理碳排放与封存平衡具有重要意义。本研究计算四川省区域尾矿砂理论碳封存能力，并确定能耗与碳排放降低潜力，为发展尾矿砂利用技术、助力碳中和提供数据支撑。

研究开展与结论意义：研究人员统计四川省尾矿库及尾矿砂库存，采用改进Steinour方程和IPCC方法估算理论固碳量与化石能源碳排放。研究得出，四川省尾矿当前总库存为570.79百万m³，理论CO₂捕集与矿化封存总量为115.25百万公吨；攀枝花尾矿砂可封存约93.05百万公吨；磷酸盐尾矿单位理论封存潜力最高（0.229 t/t），钒钛磁铁矿因库存巨大而绝对贡献最大；若全部现有堆存尾矿用于CO₂矿化封存，可抵消2005—2020年累计总碳排放的约2.41%和累计工业碳排放的2.75%。其意义在于，尾矿矿化可同时实现工业固废处置与CO₂减排，降低封存成本并提高经济竞争力，数据集可作为省级低碳政策制定的基准参考，钒钛磁铁矿、铁和稀土尾矿被列为未来矿物碳化示范项目的优先候选。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员以四川省11个地级市和州151座尾矿库为样本来源，数据来自四川省生态环境厅官网及《四川统计年鉴（2005—2020）》；统计7类尾矿砂库存及5种碳化组分（CaO、MgO、Na₂O、K₂O、SO₃）；采用改进Steinour方程（StE）计算单位尾矿理论CO₂固定量，假设CaO（除CaCO₃、CaSO₄）完全转化为CaCO₃，MgO完全转化为MgCO₃，Na₂O完全转化为Na₂CO₃，K₂O（除KCl）完全转化为K₂CO₃，碳转化率取平均80%；按IPCC指南公式以原煤、石油、天然气消费计算碳排放。

研究结果：
3.1 四川省各州市尾矿砂库存：通过官方尾矿库统计资料，四川省11个地级市和州分布151座尾矿库，包含11类尾矿；对钒钛磁铁矿、铁、铜、铅锌、金、稀土、磷矿及其他尾矿类型等8类尾矿砂资料进行系统归类整理。7类尾矿当前总库存为570.79百万m³。攀枝花市、凉山彝族自治州和甘孜藏族自治州尾矿库存分别占全省64.74%、31.37%和1.78%。攀枝花尾矿砂以钒钛磁铁矿为主；凉山以铁尾矿为主，占该地区尾矿总库存45.06%；甘孜以铜尾矿砂为主，占该地区尾矿总库存53.76%。由此得出，四川省尾矿库存高度集中于少数州市，且不同类型尾矿区域分布差异明显。
3.2 四川省各州市尾矿碳化捕集与封存量：基于7类尾矿砂在各州市的历史库存数据，计算尾矿砂矿化过程中捕集与封存的CO₂量。四川省尾矿库理论CO₂捕集与矿化封存总量为115.25百万公吨CO₂。攀枝花市和凉山州封存潜力较大，二者占全省尾矿砂碳封存的98.24%，其中攀枝花市为93.05百万公吨，凉山州为20.18百万公吨。攀枝花市CO₂捕集与封存分布占比最高，为89.03%。由此得出，四川省尾矿矿化封存潜力在区域上高度集中，攀枝花是核心贡献区。
3.3 各类尾矿砂对四川省CO₂减排的贡献：通过改进Steinour方程计算7类尾矿砂理论碳封存能力。磷酸盐、钒钛磁铁矿和稀土尾矿理论碳封存能力较高，铜、铅锌、金和铁尾矿潜力相对较低。磷酸盐尾矿单位理论碳封存潜力最高（0.229 t/t），铜尾矿最低（0.005 t/t），钒钛磁铁矿为0.176 t/t。四川省堆存尾矿总理论CO₂封存潜力为115.25百万公吨；钒钛磁铁矿尾矿为104.51百万公吨，占全省总量90.68%；铁尾矿和稀土尾矿分别为5.24和1.57百万公吨，合计占5.91%；铅锌、铜、金和磷酸盐尾矿分别为1.40、0.28、1.20和1.05百万公吨，合计占3.40%。由此得出，单位封存潜力与绝对封存贡献并不一致，库存规模显著影响实际贡献。
3.4 基于化石燃料消费的四川省年碳排放计算：利用IPCC指南公式和《四川统计年鉴（2005—2020）》数据计算四川省总碳排放和工业碳排放。年总碳排放呈波动趋势，2014年达峰值338.36百万公吨；原煤相关碳排放2008年达峰值261.32百万公吨，石油相关排放2014年达峰值83.58百万公吨后下降。2005—2020年，全省总碳排放增长19.34%，工业碳排放增长3.89%；16年累计总碳排放为4781.25百万公吨，其中工业碳排放4188.64百万公吨。若全部现有堆存尾矿用于CO₂矿化封存，可分别降低累计总碳排放约2.41%和累计工业碳排放约2.75%。2005—2020年原煤消费下降25.21%，石油、天然气和电力消费分别增长2.06倍、1.92倍和2.06倍，电力消费占化石能源消费比例由12.43%升至28.24%。由此得出，尾矿矿化在区域工业脱碳中具有应用前景，四川省能源结构亦呈逐步优化趋势。

讨论部分：
4.1 尾矿砂类型与组成对封存能力的影响：统计四川省公共尾矿库数据发现，凉山州尾矿类型最多样，覆盖全部7类尾矿，占全省尾矿库31.37%。钒钛磁铁矿尾矿是四川省堆存量最大的尾矿，广泛分布于攀枝花和凉山5个县市，贡献全省理论CO₂封存潜力的90.68%；攀枝花市钒钛磁铁矿尾矿占该类封存能力的89.03%。不同尾矿单位碳封存潜力与实际贡献差异显著：磷酸盐尾矿单位理论碳封存潜力最高（0.229 t/t），CaO含量亦最高（22.61%），但库存不足导致总体贡献小；钒钛磁铁矿单位封存潜力中等（0.176 t/t），CaO含量12.46%，因库存巨大而成为区域CO₂矿化封存主要贡献者；铜尾矿SiO₂含量高，可用于水泥和建材生产，但CaO和MgO含量低，固碳性能可能较差；铁尾矿因钙镁浓度低，固碳能力也有限。综上，工业尾矿碳封存效率与总量主要由尾矿类型、内部矿物化学组成和累计库存量三因素决定；单位矿化封存潜力高并不保证实现大规模区域碳减排效益，只有矿物组成有利且库存充足的尾矿才能实现高效大规模CO₂矿化封存。
4.2 基于化石燃料消费的碳排放影响：根据《四川统计年鉴（2005—2020）》能源消费数据，原煤是主要化石燃料碳排放贡献者，占四川省总碳排放55.03%—83.14%，占工业碳排放64.92%—90.56%。全省总碳排放2014年达峰，工业碳排放2013年较早达峰，随后原煤消费持续下降；电力消费占化石燃料消费比例由2005年12.43%稳步升至2020年28.24%，表明能源结构逐步优化。四川省正积极降低化石能源依赖、促进可再生能源利用并探索替代能源方案，以减少污染物和CO₂排放。

研究结论翻译：四川省区域矿山尾矿在CO₂矿化封存方面具有显著理论潜力。堆存尾矿总理论CO₂封存能力达115.25百万公吨，其中攀枝花市贡献93.05百万公吨，主要归因于钒钛磁铁矿尾矿。不同尾矿单位质量封存潜力不同，例如磷尾矿单位质量封存能力最高（0.229 t/t），而钒钛磁铁矿尾矿因库存量巨大而具有最大绝对封存量。该差异表明，单位封存潜力高并不保证大规模区域碳减排效益，库存规模是实际碳封存表现的关键因素。根据能源消费统计，2005—2020年四川省化石燃料相关累计碳排放为4781.25百万公吨，其中工业排放4188.64百万公吨。若全部可用尾矿资源用于矿物碳化处理，该时期可抵消累计总排放约2.41%和累计工业排放约2.75%。尾矿矿物封存可同时实现工业固废处置与CO₂减排，符合当地循环经济发展战略。在所调查尾矿类别中，钒钛磁铁矿、铁和稀土尾矿被确定为未来矿物碳化示范项目的优先候选。利用富含CaO和MgO的尾矿进行CO₂矿化可降低碳封存成本并增强经济竞争力。本研究构建的数据集可作为省级低碳政策制定的基准参考。仍需进一步努力推进尾矿矿物碳化实际应用；发展有价值元素回收与CO₂矿化同步实施的集成策略，将有助于实现固废处置和碳减排双重目标。