全球陸地鎳資源主要分為硫化鎳礦和氧化鎳礦兩類，賦存于紅土鎳礦中的為氧化鎳，占全球已探明鎳總儲(chǔ)量的65%-70%。因此，高效開(kāi)發(fā)利用紅土鎳礦，成為國(guó)內(nèi)外鎳產(chǎn)業(yè)高度關(guān)注的問(wèn)題。

紅土鎳礦是由含鎳橄欖石經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化、淋浸、蝕變、富集而形成的，由鐵、鋁、硅等含水氧化物組成的疏松粘土狀礦石，其處理工藝根據(jù)礦物成分的不同而不同，主要分為火法冶金和濕法冶金兩類。紅土鎳礦的火法處理工藝主要有鎳鐵工藝和鎳锍工藝兩種，主要適用于處理鎳品位相對(duì)較高的腐殖土型紅土鎳礦，而對(duì)褐鐵礦類型的紅土鎳礦和含鎂較低的硅鎂鎳礦，主要采用濕法冶金工藝處理。

圖1 印尼蘇拉威西島紅土鎳礦

一、紅土鎳礦濕法冶金工藝應(yīng)用的進(jìn)程

目前國(guó)內(nèi)外紅土鎳礦濕法冶金工藝主要有三種：一是還原焙燒-氨浸工藝，最早在古巴尼加羅項(xiàng)目中得到應(yīng)用，隨后在印度蘇金達(dá)、菲律賓諾諾克、澳大利亞亞布魯?shù)软?xiàng)目中相繼采用此工藝；二是硫酸常壓浸出工藝，主要是中國(guó)廣西銀億等企業(yè)采用此方法；三是加壓浸出工藝（HPAL），最早應(yīng)用于古巴MOA（毛阿）項(xiàng)目，后續(xù)在澳大利亞、巴西等地方均有應(yīng)用。近二十年全球新建的紅土鎳礦濕法冶煉廠主要采用加壓浸出工藝，如馬達(dá)加斯加Ambabovy，新喀里多尼亞Goro、巴布亞新幾內(nèi)亞Ramu（瑞木）等項(xiàng)目。

二、紅土鎳礦濕法冶金工藝概況

（一）還原焙燒-氨浸工藝

還原焙燒-氨浸工藝（Caron流程）[1]，該流程是最早的紅土鎳礦濕法處理工藝。古巴尼加羅項(xiàng)目于1943年首次將還原焙燒-氨浸法用于工業(yè)生產(chǎn)，處理高氧化鎂型紅土鎳礦。還原焙燒-氨浸原工藝流程如圖2所示，該工藝原理是將鎳、鈷和部分鐵還原成合金，其中褐鐵礦(Fe,Ni)O/(OH)2·H2O中的大部分鐵在還原焙燒中轉(zhuǎn)化為磁鐵礦,蛇紋巖(Mg,Fe,Ni)6Si4O10(OH)8中的鐵基本不被還原。經(jīng)多級(jí)逆流氨浸，金屬鎳及鈷與氨形成絡(luò)合物鎳氨及鈷氨，鐵氨形成后進(jìn)一步水解沉淀為氫氧化鐵，實(shí)現(xiàn)了鎳和鈷的選擇性浸出。浸出液經(jīng)凈化、蒸氨、干燥和煅燒制備氧化鎳產(chǎn)品（約76.5% Ni，0.6% Co）。氨浸法的優(yōu)點(diǎn)是碳酸銨溶劑易回收和循環(huán)利用、常壓、腐蝕性較小。同時(shí)，還原焙燒-氨浸過(guò)程中礦石中的鎂不被還原、浸出，適于處理鎂含量較高的紅土鎳礦。但該工藝的能耗高，鎳、鈷回收率較低（Ni約75%-80%，Co<60%）。到目前為止，全球僅有少數(shù)幾家工廠采用該工藝處理鎳紅土礦。

圖2 還原-焙燒氨浸工藝流程圖

（二）高壓硫酸浸出工藝

高壓酸浸工藝（HPAL）始于上世紀(jì)60年代古巴毛阿鎳廠，該工藝的主要特點(diǎn)是能耗低，適合處理褐鐵型紅土鎳礦，要求礦石含鎂、鋁低，通常含鎂<4%。高壓硫酸浸出過(guò)程反應(yīng)溫度一般為240-250℃，在此溫度下，Ni、Co等氧化物與硫酸反應(yīng)形成可溶性的硫酸鹽進(jìn)入溶液，而鐵則形成難溶的赤鐵礦留在渣中，高壓浸出礦漿經(jīng)閃蒸降溫后，用濃密機(jī)逆流傾析洗滌，得到的浸出液經(jīng)中和后得到高品位的鎳鈷硫化物富集物，送鎳鈷精煉廠進(jìn)行鎳鈷的分離提取。加壓酸浸工藝的優(yōu)勢(shì)在于鎳和鈷的回收率均達(dá)到90％以上，但加壓酸浸操作過(guò)程中會(huì)結(jié)垢，減少高壓釜容積，降低傳熱效率，阻塞管道，且工藝操作條件相對(duì)苛刻[2]。其工藝流程如圖3所示。

圖3  高壓硫酸浸出工藝

（三）常壓硫酸浸出工藝

紅土鎳礦高壓酸浸采用高壓條件操作，對(duì)設(shè)備、規(guī)模、投資、操作控制等都有很高的要求。研究工作者經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了常壓酸浸新工藝。

常壓硫酸浸出法具有工藝簡(jiǎn)單、投資少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是Fe3+和Al3+等被大量浸出，且浸出渣量大，酸耗較高，影響后續(xù)處理；浸出的鐵更多是以黃鉀鐵礬形式存在，很少是以赤鐵礦形式存在，既影響工藝進(jìn)行，又增加酸耗。該類技術(shù)除浸出和除鐵段外均與HPAL工藝一樣。根據(jù)目前的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鎳鈷總回收率在75%-80%。常壓酸浸工藝與高壓浸出工藝相比，除了對(duì)原料的適用性不同外，還具有生產(chǎn)成本低、鎳鈷等有價(jià)金屬回收率高等特點(diǎn)，兩種工藝主要技術(shù)指標(biāo)比較具體見(jiàn)表1。

表1  高壓酸浸工藝與常壓浸出工藝主要技術(shù)指標(biāo)比較表

（四）硫酸高壓-常壓聯(lián)合工藝

Caringarao[3]最早將兩段常壓浸出法用于處理不同層位的紅土鎳礦。在常壓硫酸浸出低鎂型紅土鎳礦的浸出液中加入高鎂型紅土鎳礦進(jìn)行二段常壓浸出，達(dá)到了中和游離酸和浸出鎳的雙重效果[4]。Chou[5]在專利中正式提出了著名的AMAX工藝流程，即采用高鎂型紅土鎳礦來(lái)中和紅土鎳礦高酸浸出液的思路。

必和必拓公司在2001-2014年申請(qǐng)了一系列的專利，開(kāi)發(fā)了EPAL工藝流程，應(yīng)用于Ravensthorpe項(xiàng)目處理澳大利亞紅土鎳礦。EPAL工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是酸耗低、鎳鈷浸出率高、中和劑消耗少以及浸出液純度較高，工藝流程如圖4所示。具體流程為：采用硫酸加壓浸出褐鐵礦型紅土鎳礦，得到的閃蒸礦漿直接采用含高鎂型腐殖土層紅土鎳礦進(jìn)行中和浸出，利用閃蒸后礦漿的余熱直接反應(yīng)。同時(shí)，在K+、Na+、NH4+存在的情況下，通過(guò)加入晶種，使溶液中的80%以上的鐵形成黃鉀鐵礬沉淀，隨后補(bǔ)充加入石灰石礦漿，促使形成更多的黃鉀鐵礬。中和浸出過(guò)程中鎳的浸出率可以達(dá)到89%以上，浸出液含鐵低于3g/L。在中和浸出液中加入氧化鎂，生產(chǎn)鎳鈷混合產(chǎn)物，最后送至精煉廠進(jìn)行精煉處理。

圖4  EPAL紅土鎳礦酸浸工藝流程

（五）硫酸化焙燒-水浸工藝

硫酸化焙燒-酸浸工藝（RAL）是將紅土鎳礦與硫酸混合后，在700℃下進(jìn)行焙燒，礦石中的鎳和鈷形成可溶性硫酸鹽，而礦石中的鐵則轉(zhuǎn)化為難溶于水的赤鐵礦，焙砂經(jīng)過(guò)水或稀酸浸出后，鎳鈷進(jìn)入到浸出液中，鐵則留在渣中，從而實(shí)現(xiàn)了鎳鈷的選擇性浸出[6]。

硫酸化焙燒-水浸工藝是將紅土鎳礦在SO2/O2氣氛中焙燒，使鎳和鈷氧化物轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的硫酸鹽，而鐵仍以不溶性氧化物形式存在，通過(guò)直接水浸選擇性提取鎳和鈷。該工藝的缺點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程難以控制，如SO2分壓、原料粒度以及鈉鹽的加入量，對(duì)鎳和鈷回收率有較大影響。其工藝流程如圖5所示。

圖5 硫酸化焙燒-水浸工藝

另外，硫酸熟化-水浸工藝和硫酸熟化焙燒-水浸工藝也被用于處理紅土鎳礦。硫酸熟化-水浸工藝是將濃硫酸與紅土鎳礦均勻混合，在100-150℃下烘烤一段時(shí)間，用水直接浸出。其主要問(wèn)題是鐵浸出率高，浸出液難過(guò)濾。硫酸熟化焙燒-水浸工藝是將濃硫酸與紅土鎳礦均勻混合，然后在700℃左右焙燒，焙砂用水直接浸出。該工藝能從紅土鎳礦中選擇性地提取鎳和鈷，具有良好的發(fā)展前景。該工藝目前尚處于研究階段，大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用需要解決鎳浸出率低問(wèn)題。

三、國(guó)內(nèi)外紅土鎳礦濕法冶金工藝的應(yīng)用案例

20世紀(jì)50年代在古巴Moa Bay建立的高壓酸浸法處理紅土礦的生產(chǎn)基地標(biāo)志著濕法冶金技術(shù)從紅土鎳礦中提取鎳的開(kāi)始。它是全球第一個(gè)采用高壓硫酸浸出工藝處理紅土鎳礦的工廠。從第一個(gè)紅土鎳礦高壓酸浸項(xiàng)目開(kāi)始，目前高壓酸浸技術(shù)已進(jìn)入第三代技術(shù)，成為世界紅土鎳礦濕法冶煉的主流技術(shù)。

（一）古巴MOA（毛阿）項(xiàng)目

作為世界上第一家采用高壓酸浸工藝處理紅土鎳礦的工廠，MOA采用高壓酸浸-CCD分離洗滌-中和-高溫硫化沉淀工藝，生產(chǎn)混合硫化鎳鈷產(chǎn)品；從1959年開(kāi)始投產(chǎn)，目前規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)3.2萬(wàn)噸鎳、2000噸鈷量的混合硫化鎳鈷，現(xiàn)階段正按原技術(shù)方案擴(kuò)建，將新增1.6萬(wàn)噸/年的生產(chǎn)能力。該項(xiàng)目處理的原料主要成分為：Ni1.38%，Co0.13%，Mg1.0%，Al5.0%，作為第一代高壓酸浸技術(shù)代表，其采用立式蒸汽攪拌高壓釜多級(jí)串聯(lián)作業(yè)。

（二）澳大利亞Murrin項(xiàng)目

作為第二代高壓酸浸技術(shù)代表之一，Murrin廠采用高壓酸浸-CCD分離洗滌-溶液中和-硫化沉淀-氧壓浸出-萃取-氫還原工藝，生產(chǎn)鎳塊、鈷塊產(chǎn)品，設(shè)計(jì)規(guī)模年產(chǎn)45000噸鎳、3000噸鈷；其處理的原料主要成分為：Ni1.24%，Co0.09%，Mg4.0%，Al2.5%。項(xiàng)目從1999年開(kāi)始試車投產(chǎn)至今已運(yùn)行近11年，由于礦石中鎳品位達(dá)不到原設(shè)計(jì)值，實(shí)際生產(chǎn)鎳金屬量達(dá)不到原設(shè)計(jì)的4.5萬(wàn)噸，但冶煉廠的實(shí)際礦石處理能力已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。與第一代高壓酸浸技術(shù)相比，二代高壓酸浸技術(shù)均采用多隔室臥式高壓釜作為浸出設(shè)備，高壓釜、高壓釜給料泵等的類型都發(fā)生了較大的變化，但由于受當(dāng)時(shí)的工藝技術(shù)、設(shè)備制造等方面的限制，以及高壓酸浸工藝的工程化應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致應(yīng)用不太成功。隨著工藝技術(shù)、核心設(shè)備制造以及人們對(duì)高壓酸浸工藝認(rèn)識(shí)的不斷深入，HAPL技術(shù)在工程上的應(yīng)用也越來(lái)越成熟。

（三）菲律賓Rio Tuba項(xiàng)目

菲律賓Rio Tuba廠處理原料主要成分：Ni1.26%，Co0.09%，Mg2.21%，Al1.83%，采用高壓酸浸-礦漿中和-CCD分離洗滌-溶液中和-硫化氫除鋅-硫化沉淀工藝，生產(chǎn)混合硫化鎳鈷產(chǎn)品。作為第三代高壓酸浸技術(shù)應(yīng)用的代表，Rio Tuba I期設(shè)計(jì)規(guī)模年產(chǎn)9000噸鎳、750噸鈷的混合硫化鎳鈷。從2002年開(kāi)始建設(shè)，到2005年4月投產(chǎn)，投產(chǎn)后不到1年達(dá)到100%的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，目前實(shí)際生產(chǎn)能力已達(dá)到1.2萬(wàn)噸；到2009年4月，Rio Tuba II期也已順利投產(chǎn)，其規(guī)模與I期相同，目前該項(xiàng)目的實(shí)際產(chǎn)能是2.4萬(wàn)噸/年。

（四）澳大利亞Ravensthorpe項(xiàng)目

Ravensthorpe廠處理原料主要成分為：Ni1.69%，Co0.06%，Mg3.74%，Al2.82%，采用常壓+高壓酸浸工藝（EHPAL），即褐鐵礦采用高壓酸浸、殘積礦采用常壓浸出-黃鉀鐵礬除鐵-礦漿預(yù)中和-CCD分離洗滌-溶液中和-MgO沉鎳工藝，生產(chǎn)混合氫氧化鎳鈷產(chǎn)品。設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)含鎳5萬(wàn)噸/年，鈷1400噸/年的混合氫氧化物產(chǎn)品。項(xiàng)目2008年開(kāi)始試運(yùn)行，在運(yùn)行大約9個(gè)月后，由于受市場(chǎng)、選礦工藝等方面的生產(chǎn)成本影響而關(guān)閉。

（五）巴布亞新幾內(nèi)亞Ramu項(xiàng)目

Ramu項(xiàng)目處理原料主要成分為：Ni1.13%，Co0.11%，Mg2.25%，Al 1.58%；采用高壓酸浸-礦漿中和-CCD分離洗滌-兩段中和-兩段氫氧化鎳鈷沉淀工藝，生產(chǎn)混合氫氧化鎳鈷中間產(chǎn)品。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。

圖6 巴布亞新幾內(nèi)亞Ramu項(xiàng)目

（六）馬達(dá)加斯加Ambatovy項(xiàng)目

Ambatovy項(xiàng)目處理原料主要成分為：Ni1.29%，Co0.11%，Mg1.03%，Al1.81%，采用高壓酸浸-礦漿中和-CCD分離洗滌-硫化氫沉淀除雜-溶液中和-硫化沉淀-氧壓浸出-萃取-氫還原工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模年產(chǎn)6萬(wàn)噸鎳塊、5000噸鈷塊。項(xiàng)目采用5套高壓酸浸裝置，目前已投產(chǎn)。

（七）印尼OBI鎳鈷項(xiàng)目

該項(xiàng)目利用印尼OBI島紅土鎳礦資源，由中國(guó)企業(yè)寧波力勤資源投資建設(shè)，采用高壓酸浸（HPAL）鎳鈷冶煉技術(shù)，生產(chǎn)鎳鈷中間體產(chǎn)品，投產(chǎn)后具備年產(chǎn)約24萬(wàn)噸鎳鈷中間產(chǎn)品的能力，產(chǎn)品將主要應(yīng)用于新能源汽車電池正極材料。項(xiàng)目已于2021年建成投產(chǎn)。

圖7 印尼OBI紅土鎳礦濕法冶煉項(xiàng)目

四、對(duì)紅土鎳礦濕法冶金工藝的展望

目前從已建成運(yùn)行和正在建設(shè)的項(xiàng)目情況來(lái)看，對(duì)于含鎂較低、含鐵較高的低品位紅土鎳礦采用高壓酸浸工藝是一個(gè)比較好的選擇，但從已生產(chǎn)運(yùn)行的幾個(gè)冶煉廠情況來(lái)看，采用高壓酸浸工藝時(shí)選擇合理的產(chǎn)品方案更有利于項(xiàng)目的順利實(shí)施。另外，紅土鎳礦原料經(jīng)高壓酸浸后浸出渣中含鐵在50%左右，有利于實(shí)現(xiàn)浸出渣中鐵的資源化。

截至目前，中國(guó)企業(yè)在印度尼西亞投資建設(shè)5個(gè)紅土鎳礦濕法冶煉項(xiàng)目，全部采用高壓酸浸工藝，全部建成投產(chǎn)后，將形成鎳金屬19.4萬(wàn)噸/年生產(chǎn)能力，也將成為世界先進(jìn)的動(dòng)力電池原料制造基地，助力打造世界新能源動(dòng)力電池鎳原料制造體系。此外，日本住友與巴西淡水河谷合作，也計(jì)劃在印尼建設(shè)一個(gè)采用高壓酸浸工藝的紅土鎳礦濕法冶煉項(xiàng)目，產(chǎn)能4萬(wàn)噸/年。高壓酸浸工藝在紅土鎳礦濕法冶煉技術(shù)中的地位將進(jìn)一步鞏固。

參考文獻(xiàn)

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注：原文載自《世界有色金屬》2020年第18期，本次發(fā)表有改動(dòng)。文中部分圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)。