根據(jù)鎳礦種類不同,冶煉端一般會采取不同的技術(shù)與工藝。通常,紅土鎳礦采用火法冶煉直接生產(chǎn)水淬鎳(FeNi,Ni含量>15%)或鎳生鐵(NPI,Ni含量<15%),也會采用濕法工藝形成氫氧化鎳,再進一步制備生產(chǎn)硫酸鎳或電解鎳。硫化鎳礦的冶煉工藝以采取火法為主,而目前采用濕法冶煉硫化鎳礦的企業(yè)較少。

從紅土鎳礦來看,礦床分層通常在地表以下0~40米的范圍內(nèi),而有價元素主要分布在褐鐵礦層、過渡礦層和腐泥礦層。褐鐵礦層具有含鎳量低、含鈷量和含鐵量高的特征,主要采用濕法工藝回收金屬。過渡礦層和腐泥礦層兩類殘積層的特點與褐鐵礦層相反,主要通過火法冶煉處理(見表1)。

表1  紅土鎳礦礦層的特點和主要加工工藝

資料來源:公開資料整理,《紅土鎳礦選礦工藝與設(shè)備的現(xiàn)狀及展望》。

常用的紅土鎳礦濕法冶煉工藝包括加壓酸浸法(HPAL)和還原焙燒—氨浸法(RRAL)等。加壓酸浸法是在245℃~260℃、4MPa~5MPa的高溫高壓環(huán)境下,將紅土鎳礦研磨制得的礦漿與稀硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并將紅土鎳礦中的鎳、鈷、鐵、鋁、硅等礦物浸出。通過改變酸堿值使鐵、鋁、硅礦物形成沉淀,并讓鎳和鈷礦物進入浸出液中,而后再用還原法將鎳和鈷礦物沉淀得到氫氧化鎳鈷(MHP)。在此方法下,鎳的回收率高達90%左右。與之類似,常壓酸浸法是指通過磨細的礦漿、洗滌液和硫酸加熱反應(yīng),使鎳和鈷進入溶液,并使用碳酸鈣進行中和過濾,最后經(jīng)過除雜和沉淀使浸出液中的鎳和鈷析出。與加壓酸浸法相比,常壓酸浸法不需要高溫高壓的環(huán)境,故工藝簡單、設(shè)備成本和能耗較低。但是,此方法存在浸出液分離的問題,浸渣中易有殘留,鎳回收率略低于加壓酸浸。

還原焙燒—氨浸法是歷史更為悠久的紅土鎳礦濕法冶煉工藝。

第一步是將碾碎后的紅土鎳礦、煤粉和石灰混勻后還原焙燒,并對氨浸焙燒后的礦石進行硫化處理浸出液,使鈷以硫化物形式析出,再對浸出液蒸氨后得到堿式碳酸鎳,最后經(jīng)過煅燒制得氧化鎳。還原焙燒—氨浸法的優(yōu)點是碳酸銨溶劑易回收和循環(huán)利用、常壓、腐蝕性較小。但是,該工藝不僅能耗高,而且鎳和鈷的回收率低于加壓酸浸。到目前為止,全球采用該工藝處理紅土鎳礦的企業(yè)較少。整體而言,濕法工藝的鎳回收率尚可,且能耗較火法更低,但工藝流程較為復(fù)雜,項目前期建設(shè)周期和投資成本較大(見圖1、圖2)。

圖1　紅土鎳礦加壓酸浸生產(chǎn)中間品工藝流程

資料來源:公開資料整理。

圖2　紅土鎳礦還原焙燒—氨浸法生產(chǎn)氧化鎳工藝流程

資料來源:公開資料整理。

紅土鎳礦的火法冶煉可以通過鎳鐵工藝和還原硫化的方法制得鎳鐵和鎳锍。從鎳鐵工藝來看,由于我國鎳礦來源的品位偏低,鎳鐵工藝主要以NPI冶煉為主。NPI冶煉主要包括回轉(zhuǎn)窯—礦熱爐冶煉(RKEF)、電爐冶煉(EF)和高爐冶煉(BF)。RKEF工藝流程主要為:礦石配料—干燥窯—回轉(zhuǎn)窯焙燒—礦熱爐冶煉—產(chǎn)出鎳生鐵。該方法的工藝較為成熟,且生產(chǎn)效率高。但是,其生產(chǎn)能耗水平較高,且成本對鎳礦敏感度較高。礦石鎳品位每降低0.1%,生產(chǎn)成本增加3%~4%。EF工藝由于整體生產(chǎn)成本高于RKEF工藝,目前已逐步被淘汰,截至2022年,其NPI產(chǎn)量占比已低于0.5%。BF工藝的流程主要為:紅土鎳礦—脫水燒結(jié)造球—配入焦炭熔劑—高爐冶煉—產(chǎn)出低鎳生鐵。國內(nèi)采用BP工藝冶煉低鎳生鐵的企業(yè)主要以200系不銹鋼一體化生產(chǎn)為主(見圖3、圖4)。

圖3　2021年1月—2022年12月中國NPI分工藝產(chǎn)量

資料來源:上海有色網(wǎng)。

圖4　鎳鐵工藝流程

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我國通過RKEF工藝生產(chǎn)的NPI產(chǎn)量占比達80%左右。在印尼禁止鎳礦出口之后,青山、德龍等企業(yè)在印尼當?shù)貙⒓t土鎳礦加工生產(chǎn)NPI并出口至我國,工藝也以RKEF為主。因此,國內(nèi)市場流通的鎳鐵主要為RKEF生產(chǎn)的高鎳生鐵。FeNi的冶煉對鎳礦品位的要求較高,其工藝主要由海外企業(yè)所采用。它的工藝流程與NPI冶煉比較類似,在礦熱爐冶煉后增加了精煉環(huán)節(jié),產(chǎn)出的FeNi含鎳量更高。全球FeNi產(chǎn)能主要分布在海外地區(qū),如圖5所示。

圖5　全球FeNi產(chǎn)能主要分布

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從還原硫化的火法工藝來看,其主要是將紅土鎳礦加工至低冰鎳并轉(zhuǎn)爐吹煉至高冰鎳(見圖6)。盡管其工藝流程較為簡單、成本和能耗偏低,但是該工藝的鎳回收率顯著低于鎳鐵工藝,且需要處理工藝所產(chǎn)出的有害氣體,故目前所采用的企業(yè)較少(見表2)。

圖6　紅土鎳礦還原硫化工藝

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表2  采用還原硫化法加工紅土鎳礦至中間品的企業(yè)

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對比紅土鎳礦的濕法與火法冶煉,火法工藝目前已較為成熟,不僅工藝流程簡易,而且具有較高的鎳回收率、更低的初期建設(shè)成本和更短的建設(shè)周期。濕法工藝在能耗、碳排放等方面優(yōu)勢凸顯。同時,在項目運行投產(chǎn)階段,濕法項目每噸鎳的生產(chǎn)成本比火法項目低10%~20%。從長期投資來看,濕法工藝主要以加壓酸浸工藝為主,其產(chǎn)成品主要為更具有成本優(yōu)勢的氫氧化鎳,故在下游企業(yè)向上游冶煉端布局一體化的進程中更具經(jīng)濟性優(yōu)勢。然而,濕法工藝存在尾礦礦渣處理的環(huán)保問題,火法工藝和濕法工藝分別具有其各自的優(yōu)勢與劣勢(見表3)。

表3  火法工藝與濕法工藝優(yōu)劣勢比較

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全球重點企業(yè)的硫化鎳礦以火法冶煉工藝為主,包括中國金川、中國新鑫、中國吉恩、俄羅斯諾里爾斯克、加拿大淡水河谷、挪威嘉能可、澳大利亞必和必拓等。硫化鎳礦以火法冶煉生產(chǎn)高冰鎳為主,也是國內(nèi)重點企業(yè)的主要工藝(見表2-5)。首先,硫化鎳礦在進行火法冶煉前需要通過選礦工藝進行初步提純,若硫化鎳礦的鎳含量高于3%,則可以直接入爐冶煉,而鎳含量低于3%的富鎳或者貧鎳礦石需先經(jīng)選礦進行富集。焙燒過程需要在1350℃以上進行,所需設(shè)備主要包括鼓風(fēng)爐、反射爐、閃速爐和電爐等,而后再將制得的低冰鎳轉(zhuǎn)爐吹煉至高冰鎳(見圖7)。除了硫化鎳礦的火法冶煉之外,芬蘭Terrafame礦業(yè)公司也通過生物堆浸法生產(chǎn)鎳鈷硫化物(MSP)。

表4  全球中間品的生產(chǎn)以硫化鎳礦的火法冶煉為主

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圖7　硫化鎳礦火法冶煉工藝流程

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