云南省优势矿产尾矿砂捕集及矿化封存CO2潜力分析

张 云,胡 寒,周宏辉,田森林,黄建洪,胡学伟*

云南省优势矿产尾矿砂捕集及矿化封存CO2潜力分析

张 云1,2,胡 寒1,周宏辉1,田森林1,黄建洪1,胡学伟1*

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650500；2.西昌学院资源与环境学院,四川 西昌 615013)

为了解云南省尾矿库“两个清单”中保留库的碳减排潜力,使用改进的Steinour方程计算了云南省各州市不同类型尾矿砂的CO2固定量,根据《IPCC国家温室气体列表指南》中提供的方法计算了云南省2011～2020年碳排放量.结果表明,红河州、玉溪市、昆明市尾矿砂的捕集及矿化封存CO2的潜力较大,占云南省保留库尾矿砂CO2矿化封存量的65.79%;铅锌矿、赤泥、锡矿的理论固碳量较高,分别为0.201, 0.173, 0.158t/t,以上3种尾矿砂的固碳量占云南省尾矿砂固碳量的79.45%;若将云南省保留库堆存的尾矿砂全部用于CO2的矿化封存,可减少2011～2020年间云南省累积碳排放量的2.81%,工业碳累积排放量的3.16%,采矿业碳排放量的12.36%,具有较好的工业应用前景.

矿化封存；改进的Steinour方程；尾矿砂；碳排放；云南省

在全球气候变化的研究中, 全球碳循环是各国科学家和政府关注的焦点及热点[1-2],而其中一个最重要的挑战是已知碳汇不能平衡已知碳源,存在一个很大的剩余陆地碳汇[3-4],根据政府间气候变化委员会(ICPP)第五次气候变化评估报告,全球剩余陆地碳汇量达2.5PgC/a[3].陆地碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位,其中岩石圈是陆地碳循环最大的碳库,而碳酸盐和硅酸盐风化碳汇被认为是岩石圈的主要碳汇,在全球碳循环中扮演着重要角色[5].有学者认为碳酸盐岩风化碳汇可能是剩余陆地碳汇的重要来源[6-7];硅酸盐化学风化和CO2浓度负反馈机制则调控着长时间尺度的全球气候变化[8-10].因而开展含碳酸盐和硅酸盐类丰富的尾矿砂风化碳汇的相关研究对于解决碳循环收支不平衡问题具有重要的意义.

CO2捕集与封存技术,又称矿物封存技术,其原理在于利用二氧化碳与含钙镁硅酸盐矿物反应,使其以稳定的碳酸盐(MgCO3/CaCO3)形式封存起来[11-13].基于这一过程,ICPP在2005年的报告中提出了通过加速天然矿物,如蛇纹石、橄榄石、玄武石的风化移除大气中CO2的思路[3,14]. Lackner等[15-16]最早进行天然矿物直接矿化CO2研究,他们通过热力学计算表明蛇纹石、橄榄石、玄武岩等与CO2直接气固反应是放热过程,并可自发进行[17].自发反应过程碳酸化反应速率低,为加速天然矿石的矿化反应进程,破碎[18-19]和活化[20-21]的方法被用于加速碳酸化反应,这一过程将会带来巨大的能源消耗并产生新的碳源.就目前来看,碳捕集、封存和产物利用的产业化仍面临着技术和成本难题.相较于天然矿物,采用工业固废矿化CO2不仅具有活性较高的优势,还免去了采矿、运输、研磨等工序,同时其矿化产物还可再利用,在经济上更具有竞争力[17].

固体矿产资源经过破碎、磨矿、选别等方法回收有用矿物或元素后,会产生大量尾矿砂,如赤泥、钢渣、磷石膏、煤矸石等.Xie等[22]预测随着自然资源开发,工业固体废物处理的CO2矿化技术将会在不久的将来得到广泛应用.近年来,较多学者创新了尾矿砂固体资源捕获与封存CO2的技术,通过加速碳酸化反应实现CO2的有效捕获[23-27].此外,经碳酸化反应后的尾矿砂还可替换部分水泥、混凝土骨料或回收碳酸钙[28].碳酸化产物的利用一方面减少了水泥的用量,另一方面也可减少水泥行业CO2的排放量.因此,尾矿砂捕获并封存CO2及其产物利用技术在解决尾矿砂处置问题的同时也可作为对抗全球气候变暖的潜在技术之一.

目前为止,尚未有区域尾矿砂CO2整体减排潜力估算的相关报道.因尾矿砂原料来源广泛且成分组成各异,含有的氧化物(CaO、MgO、Na2O、K2O等)能通过多种反应途径捕集及矿化CO2.本研究以云南省优势及重要的矿产资源为研究对象,收集其尾矿砂中氧化物的含量,运用改进的Steinour equation(StE方程),估算了云南省各类尾矿砂理论的CO2减排潜力,以期为尾矿砂助力碳中和技术的发展提供数据支撑.

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

云南省位于中国西南地区(图1,底图下载自标准地图服务系统(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/),审图号:GS(2019)3333号,基于标准地图制作,底图无修改),地处特提斯成矿域与滨太平洋成矿域交汇部位,地质构造复杂,岩浆活动频繁,成矿条件优越[29].基于云南省的优势及重要矿产资源,以铅、锌、锡、铜、金、磷、铁、钛、铝土矿为研究对象,计算上述矿物尾矿砂矿化过程中对CO2的减排潜力.

图1 研究区域地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 碳汇指标体系构建 遵循指标选择的代表性、数据可获取性与完整性等原则,结合实际情况,最终选择云南各州市尾矿砂的堆存量、每吨矿尾矿砂的CO2理论固定量和各类尾矿砂能够实现的碳转化率3个方面的指标,计算尾矿砂的碳汇潜力.其中,每吨矿尾矿砂的CO2理论固定量选取尾矿砂中的CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3共5项碳化成分的含量计算.

1.2.2 云南省保留库尾矿砂矿化过程碳汇潜力估算 CO2矿物封存的原料包括镁橄榄石(Mg2SiO4)、蛇纹石(Mg3Si2O5(OH)4)、硅灰石(CaSiO3)等在内的天然矿物以及高炉渣、钢渣、废石膏、粉煤灰等含钙镁的工业固废[17].自然条件下硅酸盐矿物与大气中反应方程式如式(1)所示[30-31].从热力学角度,该反应为放热反应,虽然可自发进行,但是自然界大气中CO2浓度相对较低,故反应速率十分缓慢.但是,采选工业烟气中CO2排放浓度较高,且与尾矿砂处于同一区域,因此使用尾矿砂捕集与封存CO2具有较高的环境效益.

理论上,固体废物固定CO2的能力可以通过Huntzinger等[32]改进的StE方程计算.由于尾矿砂的组成物质多样,其它氧化物,如氧化镁、氧化钾、氧化钠等也能通过各种反应途径参与CO2的捕集并封存.因此,为了更好地估算各类矿砂对CO2的固定量,需考虑尾矿砂中风化成分的组成,以及这些组分可用于CO2反应的程度.类似于Steinour[33]对砂浆和混凝土和Huntzinger等[32]对水泥固废对CO2的捕集估算,结合本研究中查询文献得到的各类尾矿砂的组成成分数据(表3),本研究中尾矿砂的理论固定能力计算方程式如式(2)所示.

式中:t表示每吨矿尾矿砂CO2的理论固定量, t/t;代表云南省的各个州市,代表尾矿砂的种类;代表每种矿物的干质量百分比,%.本研究中,假设所有的CaO(除了CaCO3和CaSO4)最终都转化成了CaCO3,MgO最终形成MgCO3,Na2O最终形成Na2CO3,K2O(除了KCl)最终形成K2CO3,然后再运用公式(3)确定尾矿砂的矿化量(m).

1.2.3 基于化石能源消耗量的历史碳排放量测算 大气中绝大多数碳排放来源于人类活动消费的化石能源,本研究中选取化石能源包括原煤、焦炭、石油、天然气4种,这里没有考虑电能,是因为根据云南省的统计年鉴,发电量主要来源于水电和火电,水电的碳排放量几乎接近于零,火电能源的统计已经包含在化石能源的消费中.根据《IPCC国家温室气体列表指南》中提供的方法,云南省历年碳排放量的计算公式为:

式中:代表云南省各类化石能源消耗产生的碳排放量,万t;为化石能源的种类;e为化石能源的消耗量,万t;f表示标准煤折算系数, tce/t;k为各类化石能源的碳排放计算参数,t/tce.标准煤折算系数取自文献[34],各类化石能源的碳排放系数取自ICPP,参考值见表1.计算过程中,工业和采矿业的石油及产品按照柴油的相关系数进行折算,云南省消耗的石油及石油制品按照汽油的相关系数进行折算.

表1 各类化石能源消费碳排放系数[35]

2 数据采集

2.1 尾矿库名录及库容数据采集

以云南省各州、市、县、区政务公开网站公示的保留尾矿库为研究对象,统计保留库名录、类别及库存量.楚雄州保留库仅有部分头顶库的库容;曲靖市保留库无库容数据;红河州、临沧市、文山州保留库库容数据来源于下辖县、市、区.保留库名录清单及库容数据来源说明见表2.

表2 研究区尾矿库数据来源描述

续表2

注:“-”表示未查询到该项数据.

2.2 尾矿砂组成成分数据统计

原矿石中除了主采矿物外,通常还含有橄榄石、滑石、云母、蛇纹石等含钙、镁的次生矿物,其可以通过多种途径与大气中CO2反应.为科学合理的构建各类尾矿砂CO2理论固定量(t,j),在参考已有成果的基础上,整理了8种尾矿砂中的CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3共5项碳化成分指标的含量(表3).金矿尾矿砂碳化成分指标选取全国范围的数据,钛矿尾矿砂的容重参考铁矿尾矿砂的容重,其余指标均选择云南省已有研究数据的均值.

表3 云南省8种尾矿砂碳化成分组成

注:“-”表示未查询到该项数据.

2.3 各类尾矿砂能够实现的碳转化率

由于尾矿砂的复杂性,很难实现碳化的完全转化,即理论上的二氧化碳捕获力,因此本研究中尾矿砂能够实现的碳转化率收集自文献[75],取均值80%.

2.4 云南省化石能源消费数据来源

云南省每年各类化石能源消费量、工业化石能源消费量和采矿业化石能源消费量数据均来自云南省2011～2020年间的统计年鉴,其中2018年的统计年鉴未建立详细的全省综合能源平衡表,故无该年详细的各类能源消费数据.2018年的工业和采矿业各类能源消费总量数据从2019年年鉴中获取.

3 结果与分析

3.1 云南省各州市8种尾矿砂堆存情况

结合云南省各州(市)及县(市)公开发布的“两个清单”数据和云南省优势及重要矿产资源,分类整理了云南省各州(市)金尾矿砂、磷石膏、铅锌尾矿砂、钛尾矿砂、铁尾矿砂、铜尾矿砂、锡尾矿砂、赤泥8种尾矿砂的现状库存为61210.154万m3(表4),其在云南省各州市的分布如图2、图3所示.从尾矿砂的堆存量来看,昆明市、红河州、玉溪市尾矿砂堆存量较大,分别为21156.38, 14386.22, 9399.08万m3,依次占云南省尾矿砂堆存量的34.56%、23.50%、15.36%,3个州市堆存量占保留库尾矿砂堆存量的73.42%.

表4 云南省各州(市)保留库尾矿砂堆存量(万m3)

图2 云南省各州市保留库尾矿砂堆存量分布

3.2 云南省各州市尾矿砂碳酸化过程中捕集封存的CO2量

根据云南省各州市8种尾矿砂的历史堆存量,计算了尾矿砂矿化过程中捕集及封存的CO2的量(表5).红河州、玉溪市、昆明市捕集并封存CO2的潜力较大,分别为2057.039, 1258.375, 804.417万t,占尾矿砂固碳量的65.79%,其中红河州捕集并封存CO2的潜力最大,占32.85%.云南省保留库尾矿砂捕集及矿化封存CO2的量为6262.241万t(图4、图5).

图3 云南省各州市尾矿砂堆存量比例

表5 云南省各州市保留库尾矿砂捕集及矿化封存CO2减排量(万t)

图4 云南省保留库尾矿砂碳减排量

3.3 各类尾矿砂对云南省CO2减排的贡献

选取金矿渣、磷石膏、铅锌矿、钛矿、铁矿、铜矿、锡矿和赤泥8种尾矿砂分析风化过程中CO2的矿化潜力,各类尾矿砂理论固碳量见表6.根据改进的StE方程,铅锌矿、赤泥、锡矿的理论固碳量最大,而铁矿、金矿、磷石膏的理论固碳量则较小.云南省保留库堆存的尾矿砂能够捕集及封存6262.241万t CO2.在本文的估算中,铜尾矿、锡尾矿、磷石膏的理论固碳潜力分别为2474.108, 2086.487, 414.545万t,占尾矿砂固碳量的79.45%,其中铜尾矿砂、锡尾矿砂分别占39.51%和33.32%(图6).

图5 云南省保留库尾矿砂碳减排量占比

表6 尾矿砂理论固碳量(t/t)

图6 各类尾矿砂对云南省碳减排量的贡献

3.4 典型尾矿砂对云南省各州市CO2减排的贡献

根据以上分析,云南省可利用其数量较大的保留库尾矿砂实现CO2的矿化和利用,且潜力较大.综合上述8种尾矿砂的理论固碳量、历史堆存量和矿产资源产量,选择铅锌尾矿砂、锡尾矿砂、铜尾矿砂和铁尾矿砂分析其对云南省各州市CO2减排的贡献.铅锌矿尾矿砂分布在云南省12个州市,保山市和怒江市的铅锌矿尾矿砂固碳量为144.481万t,分别占云南省保留库铜尾矿砂固碳量的25.62%和22.31%;锡矿尾矿砂分布在云南省5个州市,红河州的锡尾矿砂固碳量2055.353万t,占锡尾矿砂固碳量的98.51%;铜尾矿砂分布在云南省7个州市,玉溪市的铜尾矿砂固碳量最高,达1221.847万t,占云南省保留库铜尾矿砂固碳量的49.39%;铁尾矿砂分布在云南省8个州市,保山市的铁尾矿砂固碳量最高,达181.370万t,占云南省保留库铁尾矿砂固碳量的51.73%.钛尾矿砂、赤泥固碳量虽然仅占云南省尾矿砂固碳量的5.44%和2.22%,但两者均具相对较高的理论固碳量,其固碳潜力也不容忽视.

3.5 基于化石能源消耗的云南省历年碳排放量测算

根据公式(4)的计算,2011～2020年间,云南省碳排放量、工业碳排放量和矿业碳排放量如图7所示.云南省的碳排放量随着时间的推移,总体呈现下降趋势.相较于2011年,云南省2020年碳排放总量减少了7.47%,工业碳排放量减少了14.28%,采矿业碳排放总量减少了23.82%.2011～2020年间,云南省累积碳排放量为222890.47万t,工业碳累积排放量为198293.15万t,采矿业碳累积排放量为50653.03万t.假设云南省保留库堆存的尾矿砂全部用于CO2的捕集及封存,则可减少2011～2020年间云南省累积碳排放量的2.81%,工业碳累积排放量的3.16%,采矿业碳排放量的12.36%,具有较好的工业应用前景.

基于化石能源消费计算的云南省碳排放量在2013年达到最高值,即排放28795.89万t;工业碳排放量于2012年达到最高值,即排放22588.95万t;矿业碳排放量在2015年达到最高值,即排放6339.15万t.据统计,相较于2011年,2020年云南省原煤消耗量减少了19.11%,焦炭消耗量减少了0.12%,石油及石油制品用量增加了57.50%,天然气用量增加了345.47%,电力用量增加了68.18%.云南省电力消费量与化石能源消费量的比例不断提高,从2011年的10.26%提高到2020年的19.32%(图8).云南省近10年来,在控制化石能源的消耗及推进清洁能源的使用方面做了努力,削减了化石能源的碳排放量.

图7 云南省历年碳排放量(2011～2020年)

图8 云南省电力消费与化石能源消费量的比例

4 讨论

4.1 基于尾矿砂种类及成分的固碳量差异

从云南省网站公开的数据来看,昆明市的尾矿砂堆存量最大,尾矿砂种类有6种,磷石膏占昆明市保留库堆存量的85.16%,占云南省保留库堆存量的29.43%;磷石膏固碳量占昆明市保留尾矿砂固碳量的51.03%,占云南省保留库尾矿砂固碳量的6.55%.从堆存量来看,磷石膏的堆存量最大,但其理论固碳量最小.

磷石膏中CaO含量在8种尾矿砂中含量最高,达30.879%,但磷石膏中含有磷酸氢根、磷酸二氢根、磷酸、氟离子等酸性离子,pH值较低,属酸性固废,故CO2的固定量较低,仅有0.023t/t,目前,磷石膏固碳技术中多添加氨水,形成磷石膏、氨水和CO2三相反应体系,固定CO2并回收CaCO3.铅锌矿尾矿砂中钙、镁成分含量相对较高,分别为20.718%、6.166%,因钙、镁氧化物是主要的碳化成分,故铅锌尾矿砂的固碳量在8种尾矿砂中最高,达0.201t/t.赤泥因含有较高的Na2O和CaO,故碱性较高,近年来也有学者用CO2与赤泥协同去除赤泥碱性或达到捕获封存CO2的目的[26, 76-78].CO2是酸性气体,与水混合后形成碳酸盐,由于CO2矿化技术的发展及创新,使用碱性工业固废能够有效且高效地从工业烟气中捕获CO2.铜矿尾矿砂相较于锡矿、钛矿尾矿砂,因其含较高的MgO,故其理论固碳量也相对较高.尾矿砂的理论固碳潜力受到CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3共5项碳化成分指标的影响,受钙、镁氧化物的影响较大.

4.2 基于化石能源消耗的碳排放量变化

从云南省2011～2020年能源消耗统计年鉴数据来看,原煤、焦炭、石油、天然气4种化石能源中,原煤产生的碳排放量占主要地位,在云南省碳排放总量、工业碳排放量和矿业碳排放量中分别占64.68%～74.46%、74.88%～83.96%、95.78%～99.01%,且出现占比最大的年份均是2015年,此后,云南省的原煤消耗量也逐年减少.云南省低碳排放能源天然气和清洁能源电力的用量增加显著.电力消费量与化石能源消费量的比例不断提高,从2011年的10.26%提高到2020年的19.32%.云南省通过推进绿色矿山建设,积极发展低碳经济和循环经济,初步实现碳减排.

5 结论

5.1 基于尾矿砂堆存量、尾矿砂的理论固碳量及碳转化量3项指标的计算,研究发现云南省保留库堆存的尾矿砂能够大量的捕集及封存CO2,固碳量达6262.241万t.红河州、玉溪市、昆明市的尾矿砂捕集及封存尾矿砂的潜力较大.

5.2 2011～2020年间,云南省累积碳排放量为222890.47万t,工业碳累积排放量为198293.15万t,采矿业碳累积排放量为50653.03万t.假设云南省保留库堆存的尾矿砂全部用于CO2的捕集及封存,则可减少2011～2020年间云南省累积碳排放量的2.81%,工业碳累积排放量的3.16%,采矿业碳排放量的12.36%,具有较好的应用前景.

5.3 铅锌尾矿砂、锡尾矿砂、铜尾矿砂和铁尾矿砂矿化封存CO2前景较大,利用尾矿砂捕集及封存CO2可被视为全球二氧化碳减排战略中所需的基本绿色技术之一.

[1] 曾庆睿,刘再华.玄武岩风化是重要的碳汇机制吗? [J]. 科学通报, 2017,62(10):1041-1049.

Zeng C R, Liu Z H. Is basalt weathering an important carbon sink mechanism? [J]. Scientific Bulletin, 2017,62(10):1041-1049.

[2] 宋贤威,高 扬,温学发,等.中国喀斯特关键带岩石风化碳汇评估及其生态服务功能 [J]. 地理学报, 2016,71(11):1926-1938.

Song X W, Gao Y, Wen X F, et al. Rock-weathering-related carbon sinks and associated ecosystem service functions in the karst critical zone in China [J]. Acta Geographica Sinica, 2016,71(11):1926-1938.

[3] 蒲俊兵,蒋忠诚,袁道先,等.岩石风化碳汇研究进展:基于IPCC第五次气候变化评估报告的分析 [J]. 地球科学进展, 2015,30(10):1081-1090.

Pu J B, Jiang Z C, Yuan D X, et al. Some opinions on rock-weathering-related carbon sinks from the IPCC fifth assessment report [J]. Advances in Earth Science, 2015,30(10):1081-1090.

[4] 李朝君,王世杰,白晓永,等.全球主要河流流域碳酸盐岩风化碳汇评估 [J]. 地理学报, 2019,74(7):1319-1332.

Li C J, Wang S J, Bai X Y, et al. Estimation of carbonate rock weathering-related carbon sink in global major river basins [J]. Acta Geographica Sinica, 2019,74(7):1319-1332.

[5] 李汇文,王世杰,白晓永,等.中国石灰岩化学风化碳汇时空演变特征分析 [J]. 中国科学:地球科学, 2019,49(6):986-1003.

Li H W, Wang S J, Bai X Y, et al. Analysis of temporal and spatial evolution characteristics of chemical weathering carbon sink of limestone in China [J]. Scientia Sinica(Terrae), 2019,49(6):986-1003.

[6] Liu Z H, Macpherson G L, Groves C, et al. Large and active CO2uptake by coupled carbonate weathering [J]. earth science reviews, 2018,182:42-49.

[7] Li H W, Wang S J, Bai X Y, et al. Spatiotemporal distribution and national measurement of the global carbonate carbon sink [J]. Science of the Total Environment, 2018,643:157-170.

[8] Bastian L, Mologni C, Vigier N, et al. Co-variations of climate and silicate weathering in the Nile Basin during the Late Pleistocene [J]. Quaternary Science Reviews, 2021,264:107012.

[9] Kump L R, Brantley S L, Arthur M A, et al. Chemical Weathering, Atmospheric CO2, and Climate [J]. Annual Review of Earth & Planetary Sciences, 2000,28(1):611-667.

[10] Maher K, Chamberlain C P. Hydrologic regulation of chemical weathering and the geologic carbon cycle [J]. Science, 2014,343(6178):1502-1504.

[11] Lim M, Han G C, Ahn J W, et al. Environmental remediation and conversion of carbon dioxide (CO2) into useful green products by accelerated carbonation technology [J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2010,7(1):203-228.

[12] Liu W Z, Teng L M, Rohani S, et al. CO2mineral carbonation using industrial solid wastes: A review of recent developments [J]. Chemical Engineering Journal, 2021,416:129093.

[13] Macdowell N, Florin N, Buchard A, et al. An overview of CO2capture technologies [J]. Energy & Environmental Science, 2010,3(11):1645-1669.

[14] Rim G, Roy N, Zhao D, et al. CO2utilization in built environment via the PCO2swing carbonation of alkaline solid wastes with different mineralogy [J]. Faraday Discussions, 2021,230:187-212.

[15] Lackner K S, Wendt C H, Butt D P, et al. Carbon dioxide disposal in carbonate minerals [J]. Energy, 1995,20(11):1153-1170.

[16] Lackner K S, Butt D P, Wendt C H. Progress on binding CO2in mineral substrates [J]. Energy Conversion and Management, 1997,38:259-264.

[17] 何民宇,刘维燥,刘清才,等.CO2矿物封存技术研究进展 [J]. 化工进展,2022,41(4):1825-1833.

He M Y, Liu W Z, Liu Q C, et al. Research progress in CO2mineralsequestration technology [J]. Chemical industry and Engineering Progress, 2022,41(4):1825-1833.

[18] Li J, Hitch M. Mechanical activation of magnesium silicates for mineral carbonation, a review [J]. Minerals Engineering, 2018,128:69-83.

[19] Fabian M, Shopska M, Paneva D, et al. The influence of attrition milling on carbon dioxide sequestration on magnesium-iron silicate [J]. Minerals Engineering, 2010,23(8):616-620.

[20] Fara A A, Rayson M R, Brent G F, et al. Formation of magnesite and hydromagnesite from direct aqueous carbonation of thermally activated lizardite [J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2019,38(3):13244.

[21] Farhang F, Oliver T K, Rayson M, et al. Experimental study on the precipitation of magnesite from thermally activated serpentine for CO2sequestration [J]. Chemical Engineering Journal, 2016,303:439-449.

[22] Xie H, Yue H, Zhu J, et al. Scientific and engineering progress in CO2mineralization using industrial waste and natural minerals [J]. Engineering, 2015,1(1):150-157.

[23] Pan S Y, Chiang P C, Chen Y H, et al. Ex situ CO2capture by carbonation of steelmaking slag coupled with metalworking wastewater in a rotating packed bed [J]. Environmental Science & Technology, 2013,47(7):3308-3315.

[24] Yadav V S, Prasad M, Khan J, et al. Sequestration of carbon dioxide (CO2) using red mud [J]. Journal of hazardous materials, 2010,176(1-3):1044-1050.

[25] Pan S Y, Chung T C, Ho C C, et al. CO2mineralization and utilization using steel slag for establishing a waste-to-resource supply chain [J]. Scientific Reports, 2017,7(1):17227.

[26] Ben Ghacham A, Cecchi E, Pasquier L C, et al. CO2sequestration using waste concrete and anorthosite tailings by direct mineral carbonation in gas-solid-liquid and gas-solid routes [J]. Journal of Environmental Management, 2015,163:70-77.

[27] Zhang Y, He L, Ma A, et al. CaO-based sorbent derived from lime mud and bauxite tailings for cyclic CO2capture [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018,25(28):28015-28024.

[28] Pan S Y, Chiang A, Chang E E, et al. An innovative approach to integrated carbon mineralization and waste utilization: A review [J]. Aerosol & Air Quality Research, 2015,15(3):1072-1091.

[29] 卢映祥,施玉北,孙 涛,等.云南关键矿产重要矿床成矿系列 [J]. 地质与勘探, 2021,57(4):693-727.

Lu Y X, Shi Y B, Sun T, et al. Minerogenetic series of key mineral deposits in Yunnan Province,China [J]. Geology and Exploration, 2021,57(4):693-727.

[30] Pan S Y, Chen Y H, Fan L S, et al. CO2mineralization and utilization by alkaline solid wastes for potential carbon reduction [J]. Nature Sustainability, 2020,3(5):399-405.

[31] 马铭婧,郗凤明,凌江华,等.二氧化碳矿物封存技术研究进展 [J]. 生态学杂志, 2019,38(12):3854-3863.

Ma M J, Xi F M, Ling J H, et al. Research progress on mineral carbonation of carbon dioxide [J]. Chinese Journal of Ecology, 2019,38(12):3854-3863.

[32] Huntzinger D N, Gierke J S, Kawatra S K, et al. Carbon dioxide sequestration in cement kiln dust through mineral carbonation [J]. Environmental Science & Technology, 2009,43(6):1986-1992.

[33] Steinour H H. Some efects of carbon dioxide on mortars and concrete—discussion. [J]. Journal of American Concrete Institute, 1959,30: 905–907.

[34] 中外能源编辑部.部分能源折算标准煤参考系数[J].中外能源,2009,14(7):18.

Sino-foreign energy editorial department . Partial energy conversion standard coal reference coefficient [J].Sino-Global Energy, 2009,14(7):18.

[35] 苏 凯,陈毅辉,范水生,等.市域能源碳排放影响因素分析及减碳机制研究——以福建省为例 [J]. 中国环境科学, 2019,39(2):859-867.

Su K, Chen Y H, Fan S S, et al. Influencing factors and reduction mechanism of carbon emissions at the city-range: An empirical study on Fujian province [J]. China Environmental Science, 2019,39(2):859-867.

[36] 陈兰兰,卢东方,王毓华.黄金矿山尾矿的组成、危害及资源化利用技术 [J]. 矿产保护与利用, 2020,40(5):161-169.

Chen L L, Lu D F, Wang Y H. Composition, harm and resource utilization technology of gold mine tailings [J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2020,40(5):161-169.

[37] 罗立群,张晓雪,林永峰,等.江西金尾矿资源的性质与绢云母提取研究 [J]. 矿产综合利用, 2021,(3):1-8.

Luo L Q, Zhang X X, Lin Y F, et al. Properties of gold tailing and sericite separation from gold tailing in Jiangxi Province [J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2021,(3):1-8.

[38] 邓代强.极细颗粒矿物全尾砂沉降性能研究 [J]. 化工矿物与加工, 2017,46(2):73-75.

Deng D Q. Study on settling properties of very fine particles of full tailings in a gold mine [J]. Industrial Minerals & Processing, 2017,46(2):73-75.

[39] 李振振.阿希金矿充填材料试验研究 [J]. 新疆有色金属, 2017,40(3):68-71.

Li Z Z. Study on filling materials of axi gold mine [J]. Xinjiang nonferrous metals, 2017,40(3):68-71.

[40] 耿世伟.磷石膏预处理及制硫酸钙晶须的工艺研究 [D]. 昆明:昆明理工大学, 2019.

Geng S W. Study on pretreatment of phosphogypsum and preparation of calcium sulfate whiskers [D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2019.

[41] 马丽萍.云南磷石膏资源化综合利用现状及发展思考 [J]. 云南化工, 2019,46(11):48-56.

Ma L P. Comprehensive utilization of phosphogypsum in Yunnan-present situation and analysis [J]. Yunnan Chemical Industry, 2019,46(11):48-56.

[42] 穆刘森,马丽萍,杨 静,等.氟磷灰石-碳还原过程热力学分析及钙、硅迁移转化 [J]. 磷肥与复肥, 2021,36(11):25-29.

Liu S, Ma L P, Yang J, et al. Thermodynamic analysis of fluoroapatite-carbothermal reduction process and the transport of calcium and silicon elements [J]. Phosphate Fertilizer and Compound Fertilizer, 2021,36(11):25-29.

[43] 肖洪贵.云南云天化股份有限公司磷石膏综合利用现状分析 [J]. 磷肥与复肥, 2019,34(7):35-37.

Xiao G. Status analysis on comprehensive utilization of phosphogypsum in Yunnan Yuntianhua Co., Ltd. [J]. Phosphate Fertilizer and Compound Fertilizer, 2019,34(7):35-37.

[44] 闫 贝.磷石膏低温催化分解及过程物相迀移研究 [D]. 昆明:昆明理工大学, 2014.

Yan Bei. Mechanism analysis of phosphogypsumdecomposition with catalyst in lowtemperature and Ca, S transformation [D]. Kunming:Kunming University of Science and Technology, 2014.

[45] 殷 霞,马丽萍.冶 金、化工固体废物再生利用研究发展现状 [J].再生资源与循环经济, 2020,13(9):31-35.

Yin X, Ma L P. Research development of metallurgical and chemical solid waste recycling [J]. Recycling Research, 2020,13(9):31-35.

[46] 赵思琪,马丽萍,杨 杰,等.CO2捕集的研究现状及钙基吸收剂的应用 [J]. 硅酸盐通报, 2017,36(11):3683-3690.

Zhao S Q, Ma L P, Yang J, et al. Review and research status of CO2capture technology and the application of calcium-based sorbent [J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2017,36(11):3683-3690.

[47] 马丽萍.磷石膏资源化综合利用现状及思考 [J]. 磷肥与复肥, 2019,34(7):5-9.

Ma L P. Current situation and consideration of comprehensive utilization of phosphogypsum resources [J].Phosphate & Compound Fertilizer, 2019,34(7):5-9.

[48] 张庆安,高 伟,吴 娟.磷石膏堆存技术 [J]. 化工设计, 2008,(4):67-71,62.

Zhang Q A, Gao W, Wu J. Stacking and preserving technology of gypsum[J].Chemical Engineering Design, 2008,(4):67-71,62.

[49] 雷 力.从铅锌尾矿中回收磁黄铁矿选矿试验研究 [D]. 昆明:昆明理工大学, 2008.

Lei L. Study on mineral processing of iron from a lead-zinc-tailing [D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2008.

[50] 李 航,肖唐付,谭显龙,等.云南金顶超大型铅锌矿区尾矿中Cd的形态分析 [J]. 地球与环境, 2009,37(2):111-117.

LI H, Xiao T F, Tan X L, et al.Speciation analysis of cadmium in tailings from the Jinding Pb-Zn Mining area, Yunnan Province [J]. Earth and Environment, 2009,37(2):111-117.

[51] 赵 瑜,谢 贤,童 雄.基于工艺矿物学的某铅锌尾矿中资源综合回收可行性研究 [J]. 矿产综合利用, 2021,(4):154-158.

Zhao Y, Xie X, Tong X.Feasibility study on multipurpose recovery of resource in lead and zinc tailings based on process mineralogy [J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources 2021,(4):154-158.

[52] 王 华,唐自安,董恒超,等.某铅锌矿全尾砂膏体胶结充填料配比实验研究 [J]. 现代矿业, 2013,29(3):11-14.

Wang H, Tang Z A, Dong H C, et al. Experimental study on proportion of paste-tailings cement filling materials of a lead-zinc mine [J]. Modern Mining, 2013,29(3):11-14.

[53] 戚华文,姜艳玲.云南武定迤纳厂铁铜稀土矿床铁精矿、铜精矿和尾矿稀土元素含量调查 [J]. 矿物岩石地球化学通报, 2018,37(6):1114-1122.

Qi H W, Jiang Y L. Investigation of rare earth elements in lron concentrates, copper concentrates, and tailings from the yinachang Fe-Cu-REE Deposit, Southwest China [J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2018,37(6):1114-1122.

[54] 封孝信,康志红,白瑞英.铁尾矿砂石的基本性质研究[C]. 2013年混凝土与水泥制品学术讨论会论文集, 2013:298-307.

Feng X X, Kang Z H, Bai R Y. Study on the basic properties of iron tailings [C]. Proceedings of the 2013Symposium on Concrete and Cement Products [C]. 2013:298-307.

[55] 牟联胜.云南某铁选厂尾矿回收赤褐铁矿的生产实践 [J]. 现代矿业, 2010,26(1):105-107.

Mou L S. Practices of recovering hematite from tailings of an iron concentrator in Yunnan [J]. Modern Mining, 2010,26(1):105-107.

[56] 牛 珊,王 硕.含云母铁尾矿的工艺矿物学研究 [J]. 中国金属通报, 2019,(5):50-52.

Niu S, Wang S. Research on process mineralogy of iron tailings containing mica [J]. China Metal Bulletin, 2019,(5):50-52.

[57] 万小金,魏 霞.云南某铁尾矿工艺矿物学特性与选矿工艺研究 [J]. 矿产综合利用, 2012,(4):39-42,63.

Wan X J, Wei X.Research on process mineralogy characteristics and mineral processing technology for an iron ore tailing in Yunnan [J].Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2012,(4):39-42,63.

[58] 郑海雷,张 敏.某铜钼尾矿二次资源综合利用工艺流程设计研究 [J]. 有色金属设计, 2019,46(1):16-21.

Zheng H L, Zhang M.Study on process design for comprehensive utilization of copper-molybdenum tailings [J]. Nonferrous Metals Design, 2019,46(1):16-21.

[59] 谢恩龙,高起方,段胜红,等.云南某含金多金属氧硫混合铜矿石选矿试验研究 [J]. 黄金, 2020,41(6):53-57.

Xie E L, Gao Q F, Duan S H,et al.Experimental research on the beneficiation of a gold-bearing polymetallic copper ore with mixed oxide and sulfide content in Yunnan [J]. Gold, 2020,41(6):53-57.

[60] 王 晓.金川高镁尾矿酸改性浮选回收铜镍的基础理论与分选工艺[D]. 昆明:昆明理工大学, 2017.

Wang X.Basic theory and separation technology of recovering copper and nickel from Jinchuan high magnesium tailings by acid modification flotation[D].Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2017.

[61] 田 键,申盛伟,叶 斌,等.铜尾矿资源化利用与处置新工艺 [J]. 矿产综合利用, 2016,(3):5-9.

Tian J, Shen S W, Ye B, et al. New disposal process and resource recovery of copper tailings [J].Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2016,(3):5-9.

[62] 谭 波,张冬冬,宁 平,等.铜尾矿综合利用研究进展 [J]. 化工矿物与加工, 2021,50(2):46-51.

Tan B, Zhang D D, Ning P, et al.Research progress on comprehensive utilization of copper tailings [J]. Industrial Minerals & Processing, 2021,50(2):46-51.

[63] Lv C, Wen S M, Bai S J, et al. Recovery Cu from a copper oxide ore by flotation and leaching [J]. Applied Mechanics and Materials, 2014,522-524:1484-1487.

[64] 朱永恒,李克中,张 衡,等.不同植物群丛下铜尾矿复垦地土壤线虫的分布特征 [J]. 应用生态学报, 2015,26(2):570-578.

Zhu Y H, Li K Z, Zhang H.Distribution characteristics of soil nematodes in reclaimed land of copper-mine-tailings in different plant associations [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015,26(2):570-578.

[65] 商云涛.个旧锡矿尾矿库地球化学特征及环境影响分析 [D]. 北京:中国地质大学(北京), 2012.

Shang Y T. Geochemical Characteristics and Environmental Impact Analysis of Ge Ju Tin Tailings [D]. Beijing:China University of Geosciences (Beijing), 2012.

[66] 甘凤伟,方维萱,胡瑞忠.个旧锡多金属矿尾矿物质组成特征研究 [J]. 金属矿山, 2011,(2):157-160.

Gan F W, Fang W X, Hu R Z.Research on major elements and mineral composition of tailings on tin-poly7metallic mine in Gejiu Yunnan province [J]. Metal Mine, 2011,(2):157-160.

[67] 仇云华.云锡某尾矿资源再利用选矿工艺试验研究 [J]. 矿业研究与开发, 2015,35(1):30-33.

Qiu Y H.Experimental study on mineral processing technology of tailings reutilization in Yunnan Tin Corporation [J]. Mining Research and Development, 2015,35(1):30-33.

[68] 张志勇.矿区废弃地土壤退化等级诊断分析 [D]. 昆明:昆明理工大学, 2008.

Zhang Z Y. Diagnosis of soil degraation in mining wasteland [D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2008.

[69] 郭玉乾,方维萱,童 祥,等.云南个旧新山矽卡岩钨多金属矿地球化学特征及找矿意义 [J]. 地质通报, 2020,39(11):1827-1839.

Guo Y Q, Fang W X, Tong X.Geochemical characteristics of W-Sn-Mo-Bi-Cu-bearing Manganoan skarn and petrogenesis and mineralization of the Xinshan tungsten polymetallic deposit in Gejiu, Yunnan Province, China. [J]. Geological Bulletin of China, 2020,39(11):1827-1839.

[70] 朱炳桥,谢 刚,俞小花,等.赤泥的脱碱及钠硅肥化研究 [J]. 有色金属工程, 2021,11(9):138-144.

Zhu B Q, Xie G, Yu X H.Study on application process of dealkalization of red mud [J]. Nonferrous Metals Engineering, 2021,11(9):138-144.

[71] 刘述仁,谢 刚,李荣兴,等.氧化铝厂废渣赤泥的综合利用 [J]. 矿冶, 2015,24(3):72-75.

Liu S R, Xie G, Li R X.Comprehensive utilization of the red mud from alumina plant [J].Mining and Metallurgy, 2015,24(3):72-75.

[72] 张林丰,任乐辉,何月田,等.利用制糖副产物土壤化赤泥的效果 [J]. 环境工程学报, 2018,12(4):1228-1236.

Zhang L F, Ren L H, He Y T.Effect of soil-conversion red mud by using sugar by-products [J].Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018,12(4):1228-1236.

[73] 刘继东,杜 平,任 杰,等.模拟降雨条件下赤泥对土壤盐碱化的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2017,36(9):1836-1843.

Liu J D, Du P, Ren J, et al. Effects of bauxite residue on soil salinize-alkalization under simulated rainfall conditions [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017,36(9):1836-1843.

[74] 李 辉,曲 洋,姚敏杰,等.赤泥自然成土过程及其微生物驱动机制 [J]. 应用生态学报, 2021,32(4):1452-1460.

Li H, Qu Y, Yao M J, et al. Natural soil genesis in red mud and underlying microbial mechanism [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2021,32(4):1452-1460.

[75] Pan S Y, Chiang A, Chang E E, et al. An innovative approach to integrated carbon mineralization and waste utilization: A review [J]. Aerosol & Air Quality Research, 2016,15(3):1072-1091.

[76] 王 琪,李 津,赵 颖,等.铝业碱性赤泥的悬浮碳化法脱碱工艺研究 [J]. 环境工程学报, 2009,3(12):2275-2280.

Wang Q, Li J, Zhao Y, et al. Study on the dealkalization of red mud by suspension and carbonation [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2009,3(12):2275-2280.

[77] 伊元荣,韩敏芳,于立安.利用赤泥捕获CO2反应特性 [J]. 化工学报, 2011,62(9):2635-2642.

Yi Y R, Han M F, Yu L A.Reaction characteristics of CO2captured by red mud [J]. CIESC Journal, 2011,62(9):2635-2642.

[78] 伊元荣,韩敏芳.废气和废渣协同作用脱钠反应特性及机制研究 [J]. 环境科学, 2012,33(7):2522-2527.

Yi Y R, Han M F. Characteristics and mechanism of sodium removal by the synergistic action of flue gas and waste solid [J].Chinese Journal of Environmental Science, 2012,33(7):2522-2527.

[79] 胡鞍钢.中国实现2030年前碳达峰目标及主要途径 [J]. 北京工业大学学报(社会科学版), 2021,21(3):1-15.

Hu A G. China's goal of achieving carbon peak by 2030and its main approaches [J]. Journal of Beijing University of Technology (Social Sciences Edition), 2021,21(3):1-15.

Potential of CO2capture and mineralization of dominant mineral tailings in Yunnan Province.

ZHANG Yun1,2, HU Han1, ZHOU Hong-hui1, TIAN Sen-lin1, HUANG Jian-hong1, HU Xue-wei1*

(1.Faculty of Environment Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China；2.Faculty of Resources and Environment, Xichang University, Xichang 615013, China)., 2022,42(9)：4351～4361

The modified Steinour equation was used to calculate the CO2mineralization of different types of tailings in various cities of Yunnan Province to understand the potential for mitigating carbon emissions from the reserve ponds on the "two lists" of tailings ponds in Yunnan Province. The carbon emissions in Yunnan Province from 2011 to 2020 were estimated using the method provided in IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventory. The tailings in Honghe Prefecture, Yuxi City, and Kunming City revealed a high potential for CO2sequestration, accounting for 65.79% of the total CO2mineralization sequestration of tailings in Yunnan Province. The theoretical carbon sequestration rate of lead-zinc ore, red mud, and tin ore is relatively high, being 0.201, 0.173, and 0.158t/t, respectively. The carbon sequestration of above three tailings accounts for 79.45% of the total carbon sequestration of tailings in Yunnan Province. By using all the reserved tailings for CO2mineralization and sequestration in Yunnan Province, the accumulated carbon emissions from 2011 to 2020 will be reduced by 2.81%, 3.16% from the industrial sector, and 12.36% from the mining sector. In summary, CO2capture and mineralization sequestration of tailings could serve as green technologies under dual carbon targets in China.

mineral sequestration；modified Steinour equation；tailings；carbon emission；Yunnan Province

X22

A

1000-6923(2022)09-4351-11

2022-02-25

国家重点研发计划(2018YFC1802603);云南省生态环境厅环保技术研究项目(YNJH2019224);矿物加工科学与技术国家重点实验室开放基金(BGRIMM-KJSKL-2022-08)

*责任作者, 教授, huxuewei@kust.edu.cn

张 云(1988-),女,四川会理人,昆明理工大学博士研究生,主要从事二氧化碳捕集与封存方向的研究.发表论文10余篇.