碳中和目標(biāo)下四川梭羅溝金礦鐵鎂質(zhì)尾礦固碳潛力評(píng)估

余旭輝 李振江 周福篯 張文林 游水生 林鑫 李志偉

摘要：鐵鎂質(zhì)礦物可在自然條件下與CO2反應(yīng)形成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物，是一種安全、經(jīng)濟(jì)且長(zhǎng)久的碳捕獲與封存方式。介紹了鐵鎂質(zhì)礦物固碳機(jī)理，基于四川梭羅溝金礦鐵鎂質(zhì)尾礦儲(chǔ)量大，且可封存CO2的CaO、MgO和FeO等成分占比高，分析了其固碳能力及潛力。初步估算梭羅溝金礦現(xiàn)有尾礦的CO2封存量高達(dá)164萬(wàn)t，按目前的生產(chǎn)效率估算未來(lái)年均CO2封存量約12萬(wàn)t，未來(lái)生產(chǎn)的尾礦至少可以封存CO2 246萬(wàn)t。參考ERW法可將梭羅溝金礦尾礦砂進(jìn)一步分選出鐵鎂質(zhì)礦物后，噴撒在農(nóng)田使其自然風(fēng)化消耗CO2，全面推廣將極大地降低CO2封存成本。

關(guān)鍵詞：碳中和；二氧化碳；礦物固碳；尾礦綜合利用；鐵鎂質(zhì)礦物；梭羅溝金礦

中圖分類(lèi)號(hào)：TD926.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）06-0090-04doi：10.11792/hj20230618

引 言

全球氣候?qū)W家的種種觀測(cè)和試驗(yàn)?zāi)M表明，工業(yè)革命以來(lái)大氣中的溫室氣體逐年上升。2020年前，全球每年向大氣中排放的溫室氣體約51 Gt，平均氣溫相對(duì)于工業(yè)革命前水平已升高近1.2 ℃，全球氣候的變化已嚴(yán)重威脅人類(lèi)的生存和發(fā)展［1-3］。為了應(yīng)對(duì)氣候變化，國(guó)際社會(huì)于2015年達(dá)成《巴黎協(xié)定》，目標(biāo)是在21世紀(jì)末將全球升溫控制在較工業(yè)化前2 ℃（力爭(zhēng)1.5 ℃）以內(nèi)［4-5］。中國(guó)在2020年第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上作出“碳達(dá)峰、碳中和”的鄭重承諾，“雙碳”目標(biāo)升級(jí)為國(guó)家戰(zhàn)略［6］。

全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都提出了相關(guān)政策及可行方案，除了探索新的清潔能源、加大使用替代化石燃料的能源以外，正在積極推進(jìn)碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage， CCS），以實(shí)現(xiàn)最終凈零排放［7］。CCS技術(shù)是將大氣中或相關(guān)產(chǎn)業(yè)排放的CO2分離出來(lái)，再傳輸至海底或采空的礦洞密閉儲(chǔ)藏，還可以作為開(kāi)采石油的加壓介質(zhì)，既完成了油氣開(kāi)采，又實(shí)現(xiàn)了CO2的封存［8］。此外，CO2礦物封存技術(shù)是通過(guò)自然界中可與CO2發(fā)生化學(xué)風(fēng)化的巖石，如將CO2與富鐵鎂的無(wú)水硅酸鹽礦物進(jìn)行反應(yīng)形成自然條件下穩(wěn)定的碳酸鹽礦物，達(dá)到CO2礦物封存的目的［9-10］。

鐵鎂質(zhì)礦物碳酸鹽化作為更有優(yōu)勢(shì)的碳封存技術(shù)，可以將CO2快速轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的碳酸鹽礦物，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久固碳，且不需考慮CO2返回大氣的風(fēng)險(xiǎn)，在增加儲(chǔ)存安全性的同時(shí)也降低了對(duì)蓋層巖石的依賴，使得CO2

封存工程潛在的健康、安全及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)降到最低。四川梭羅溝金礦鐵鎂質(zhì)尾礦可為CO2封存提供巨大的碳儲(chǔ)空間，因此有必要估算該礦山巨量尾礦對(duì)CO2的封存量，評(píng)估其固碳潛力并采取行之有效的應(yīng)用方案。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

甘孜—理塘縫合帶是三江特提斯造山帶與松潘—甘孜造山帶的重要組成部分，是川西義敦古島弧與揚(yáng)子地塊碰撞拼貼的縫合線，也是川西高原重要貴金屬成礦帶之一［11］。甘孜—理塘縫合帶具有復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，從北到南孕育了30余處金礦床（點(diǎn)）［12］。

梭羅溝金礦床位于甘孜—理塘縫合帶南段（見(jiàn)圖1），是目前四川在產(chǎn)最大的巖金礦床。區(qū)域上海西期—印支期的巖漿活動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈，發(fā)育了一套以鐵鎂質(zhì)巖類(lèi)、超鐵鎂質(zhì)巖類(lèi)為代表的基性—超基性巖組合，包括以橄欖巖、輝石巖、輝石玄武巖等為組合的超基性巖，以塊狀玄武巖、球粒玄武巖等為組合的基性熔巖和以輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)玢巖、輝綠巖等為組合的基性巖墻群［13］。金礦體賦存于基性巖墻群的構(gòu)造蝕變帶內(nèi)，礦山選礦廠通過(guò)浮選法將金礦石中的載金黃鐵礦及毒砂提取后，剩下的大量鐵鎂質(zhì)礦物與其他少量脈石礦物排入尾礦壩［14-15］。這些鐵鎂質(zhì)尾礦中MgO、CaO和FeO含量相對(duì)較高，而MgO等可以直接與CO2發(fā)生反應(yīng)，因此這些鐵鎂質(zhì)高的尾礦是CO2礦物封存的合適原料［16］。

2 鐵鎂質(zhì)礦物固碳機(jī)理

銅鎳礦、石棉礦、蛇紋石礦及釩鈦磁鐵礦等尾礦中殘留的大量鐵鎂質(zhì)礦物，如橄欖石（（Mg，F(xiàn)e）2SiO4）、輝石（Ca（Mg，F(xiàn)e）Si2O6）、蛇紋石（Mg3Si2O5（OH）4）、硅灰石（CaSiO3）等，在自然條件下，容易與CO2水溶液發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用，形成更穩(wěn)定的碳酸鹽礦物（菱鎂礦、菱鐵礦、方解石等）和硅質(zhì)氧化物（石英、玉髓等）［17-18］。主要化學(xué)反應(yīng)式為：

3 梭羅溝金礦尾礦固碳分析

3.1 碳封存量估算分析

尾礦是選礦廠分選作業(yè)的產(chǎn)物之一，通常將其輸送至尾礦庫(kù)或尾礦壩堆存（見(jiàn)圖3）。一些礦山是不定期存放，待選冶技術(shù)升級(jí)改造后二次回收利用尾礦中的有價(jià)成分；一些礦山將尾礦用于回填采空區(qū)或是用作建筑材料；大部分礦山的尾礦都是長(zhǎng)期堆置，未有效利用［21］。

勘查報(bào)告顯示，梭羅溝金礦2006—2011年為生產(chǎn)初期，按年生產(chǎn)30萬(wàn)t礦石概算；自2012年礦山擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模，可按年生產(chǎn)60萬(wàn)t礦石概算。因此，從2006—2022年，礦山已生產(chǎn)840萬(wàn)t礦石。礦山尾礦產(chǎn)率平均為94.23 %，初步估計(jì)礦山尾礦壩已儲(chǔ)存約792萬(wàn)t尾礦。半工業(yè)選礦試驗(yàn)產(chǎn)生的尾礦中可作為封存CO2的成分有CaO（8.40 %）、MgO（8.70 %）和TFe（5.76 %）（見(jiàn)表1），以現(xiàn)有尾礦儲(chǔ)量計(jì)算，假設(shè)CaO、MgO和Fe全部轉(zhuǎn)化為CaCO3 、MgCO3和FeCO3，則梭羅溝金礦目前的尾礦可以封存CO2約164萬(wàn)t，未來(lái)每年生產(chǎn)的尾礦可以封存CO2約12萬(wàn)t（見(jiàn)表2），固碳潛力巨大。

四川省內(nèi)同類(lèi)型尾礦儲(chǔ)量龐大，且每年仍在不斷增長(zhǎng)，如攀枝花釩鈦磁鐵礦1970—2002年排放的尾礦堆積儲(chǔ)量已達(dá)1.05億t，年增加儲(chǔ)量0.35億t ［22］，估計(jì)現(xiàn)有近10億t尾礦儲(chǔ)量，是梭羅溝金礦尾礦儲(chǔ)量的近百倍，固碳潛力相當(dāng)可觀。

3.2 固碳潛力評(píng)價(jià)

利用尾礦中的鐵鎂質(zhì)礦物進(jìn)行CO2封存最大的優(yōu)勢(shì)在于礦物固碳的穩(wěn)定性和安全性，減少了長(zhǎng)期監(jiān)控CO2是否存在泄漏的投入，是一種具有巨大潛力的碳捕獲和封存技術(shù)［23］。但是，目前該技術(shù)還在起步階段，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還有很大的差距，主要原因是自然風(fēng)化過(guò)程的鐵鎂質(zhì)礦物固碳周期漫長(zhǎng)，而人為增強(qiáng)礦物固碳的試驗(yàn)流程長(zhǎng)、能耗高，均達(dá)不到高效、經(jīng)濟(jì)固碳的目標(biāo)。采用可循環(huán)助劑（如NH4Cl、NH4NO3、王水等）的間接礦物固碳技術(shù)可以提高固碳過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，還可進(jìn)一步采用礦山工業(yè)固體廢物作為原料，實(shí)現(xiàn)固體廢物處理的同時(shí)封存CO2并回收高附加值產(chǎn)品，具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙重價(jià)值［9］。

2018年，四川省涼山彝族自治州CO2主要由化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中碳酸鹽分解產(chǎn)生［24］。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，化石燃料燃燒的CO2排放總量為1 390萬(wàn)t，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的CO2排放總量為289萬(wàn)t，CO2排放總量為1 679萬(wàn)t。按照梭羅溝金礦現(xiàn)有尾礦CO2封存量，至少需要10個(gè)同等尾礦儲(chǔ)量的礦山才能完成鐵鎂質(zhì)礦物的固碳反應(yīng)，才能基本實(shí)現(xiàn)涼山彝族自治州內(nèi)2018年度 CO2凈零排放。以礦山目前的礦石儲(chǔ)量和年平均產(chǎn)量，預(yù)估梭羅溝金礦還能生產(chǎn)服務(wù)至少21 a，假設(shè)未來(lái)礦石原料性質(zhì)不變，則生產(chǎn)的尾礦至少可以封存CO2 246萬(wàn)t，能夠?qū)崿F(xiàn)涼山彝族自治州10個(gè)月（以2018年為例）工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的CO2凈零排放。若將攀枝花釩鈦磁鐵礦等礦集區(qū)同類(lèi)型尾礦也利用起來(lái)，將大大提高工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的CO2凈零排放。

以上估算還存在很多不確定的影響因素，如鐵鎂質(zhì)礦物的固碳速率、礦石質(zhì)量引起的尾礦成分變化、氣溫條件、大氣CO2濃度等。相比而言，梭羅溝金礦的尾礦更適合目前較為容易實(shí)施的方法，如將尾礦砂直接或進(jìn)一步分選出鐵鎂質(zhì)礦物后，撒落在地表或農(nóng)田中使其自然風(fēng)化消耗CO2。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Beerling教授及其團(tuán)隊(duì)推薦將這種方法應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中，并將這種地表碳礦化作用稱之為“增強(qiáng)的巖石風(fēng)化作用（Enhanced Rock Weathering，ERW）”，并指出現(xiàn)代農(nóng)田中普遍存在營(yíng)養(yǎng)元素流失、土壤酸化及土壤厚度減薄的問(wèn)題［25］；這些鐵鎂質(zhì)尾礦粉末的風(fēng)化產(chǎn)物一方面含呈弱堿性的HCO-3，另一方面富含鈣、鎂、硅、鉀等肥料元素，所以向土壤中噴撒鐵鎂質(zhì)尾礦粉末有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（見(jiàn)圖4）。此外，鐵鎂質(zhì)礦物風(fēng)化還具有提高土壤水分保持能力、限制有毒微量元素遷移、減緩海洋酸化等正面環(huán)境效應(yīng)［26］。

根據(jù)科學(xué)家們的估計(jì)，每年通過(guò)這種方法能夠吸收5億～20億t CO2，與自然界全球硅酸鹽風(fēng)化的碳匯效應(yīng)（5億～6億t/a）相近［27］。同時(shí)，與其他幾種人工措施的固碳潛力也基本一致［28］，如土壤有機(jī)碳封存（5億～50億t/a）、生物能源碳捕獲和儲(chǔ)存（5億～50億t/a）、植樹(shù)造林（5億～36億t/a）等。研究還發(fā)現(xiàn)，中國(guó)、美國(guó)和印度得益于擁有大面積農(nóng)田，是此方法固碳潛力最高的3個(gè)國(guó)家［24-25］。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)鐵鎂質(zhì)礦物風(fēng)化過(guò)程捕獲并固定CO2的機(jī)理，初步估算梭羅溝金礦現(xiàn)有尾礦可以封存CO2約164萬(wàn)t，按目前的生產(chǎn)效率估算未來(lái)年平均CO2封存量約12萬(wàn)t。以該礦山目前的礦石儲(chǔ)量和年平均產(chǎn)量，預(yù)估未來(lái)生產(chǎn)的尾礦至少可以封存CO2 246萬(wàn)t，基本能夠滿足涼山彝族自治州10個(gè)月工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的CO2凈零排放。此外，參考ERW法可將梭羅溝金礦尾礦砂進(jìn)一步分選出鐵鎂質(zhì)礦物后，噴撒在農(nóng)田使其自然風(fēng)化消耗CO2。這種方法已受到國(guó)際學(xué)者的關(guān)注和論證，全面推廣將極大地降低CO2封存成本。

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Abstract：Ferromagnesian minerals can react with CO2 under natural conditions to form stable carbonate minerals，which is a safe，economical，and sustainable way of carbon capture and storage.This paper introduces the carbon fixation mechanism of ferromagnesian minerals and analyzes their carbon fixation capacity and potential based on the large reserves of ferromagnesian tailings from the Suoluogou Gold Mine in Sichuan，where the proportion of CaO，MgO，F(xiàn)eO and other components that can fixate CO2 is high.It is estimated that the current carbon storage capacity of the Suoluogou tailings is as high as 1.64 million tons，and the average annual CO2 storage capacity in the future is estimated to be about 120 000 t based on the current production efficiency.At least 2.46 million tons of CO2 can be stored for the future production of tailings.Referring to the ERW method，ferromagnesian minerals can be further separated from the Suoluogou tailings and sprayed on farmland for natural weathering and consumption of CO2，which will greatly reduce the cost of CO2 storage by promoting comprehensive utilization of tailings.

Keywords：carbon neutralization;carbon dioxide;carbon fixation by minerals;comprehensive utilization of tailings;ferromagnesian minerals;Suoluogou Gold Mine