苗 壯 劉濤濤 任甲林 孫寧磊 李少龍

(1.北京友鴻永盛科技有限公司， 北京 100041；2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

金屬鎳具有良好的使用性能，已成為航空工業(yè)、國(guó)防工業(yè)等不可缺少的金屬之一。鎳的最大用途是生產(chǎn)不銹鋼。隨著不銹鋼需求的迅猛增長(zhǎng)，鎳的需求量將進(jìn)一步提高[1-2]。目前可供開發(fā)利用的鎳資源為硫化鎳礦和紅土鎳礦，但可供利用開發(fā)的硫化鎳礦資源日漸匱乏，且勘探和建設(shè)周期較長(zhǎng)，開發(fā)和利用難度較大[3]；而紅土鎳礦資源豐富，占整個(gè)鎳資源量的70%，是未來(lái)鎳增長(zhǎng)的主要來(lái)源，因此紅土鎳礦開發(fā)將會(huì)成為未來(lái)鎳生產(chǎn)的熱點(diǎn)，受到了整個(gè)鎳行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。紅土鎳礦采礦成本低，選冶工藝成熟，可生產(chǎn)鎳鐵、氫氧化鎳鈷、硫化鎳鈷等多種中間產(chǎn)品，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)紅土鎳礦礦源大多臨海，便于運(yùn)輸。因此開發(fā)和利用紅土礦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

紅土鎳礦處理工藝主要有火法和濕法。火法工藝主要有鎳鐵工藝和鎳锍工藝，更適合處理鎂、硅含量高，鐵含量較低的礦石(過(guò)渡層或殘積層的礦石)，但只有在處理鎳品位較高的礦石時(shí)才有經(jīng)濟(jì)性[6-7]。由于許多國(guó)家規(guī)劃未來(lái)逐步以新能源汽車取代燃油車，三元高鎳動(dòng)力電池迎來(lái)了蓬勃發(fā)展，紅土鎳礦濕法浸出工藝逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前行業(yè)主流的鎳濕法冶煉工藝為加壓酸浸工藝。該工藝具有鎳、鈷浸出率高，可有效分離鐵、鋁、硅與鎳鈷的優(yōu)點(diǎn)，且具有成本優(yōu)勢(shì)，受到世界鎳行業(yè)的青睞和不斷關(guān)注[8]。目前在印度尼西亞建設(shè)的兩個(gè)紅土鎳礦濕法冶煉項(xiàng)目——力勤OBI鎳鈷及華越鎳鈷項(xiàng)目，引進(jìn)了世界上最先進(jìn)的第三代紅土鎳礦加壓酸浸濕法冶煉工藝。其中力勤項(xiàng)目于2021年5月一次性投產(chǎn)成功，產(chǎn)出產(chǎn)品氫氧化鎳鈷，目前產(chǎn)能也在不斷提高。華越鎳鈷項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2021年下半年投產(chǎn)。這兩個(gè)濕法項(xiàng)目的成功，必將對(duì)未來(lái)鎳行業(yè)的發(fā)展格局產(chǎn)生巨大影響，從而使其發(fā)生顯著變化。

在整個(gè)紅土鎳礦加壓酸浸的工藝技術(shù)指標(biāo)中，如浸出率、pH值控制等，進(jìn)料濃度是非常重要的指標(biāo)之一。進(jìn)料濃度指經(jīng)過(guò)洗礦、選礦作業(yè)以及高效濃密機(jī)濃縮后進(jìn)入加壓酸浸系統(tǒng)的礦漿濃度。某項(xiàng)目的進(jìn)料濃度設(shè)計(jì)值為32%，經(jīng)過(guò)后期不斷調(diào)整優(yōu)化，目前可以達(dá)到38%。進(jìn)料濃度的提高對(duì)礦漿流動(dòng)性、用水消耗、鎳鈷產(chǎn)量、蒸汽消耗量、加壓釜單向閥使用壽命等方面都有較大的影響。

1 進(jìn)料濃度對(duì)礦漿流動(dòng)性的影響

紅土鎳礦的礦漿屬于非牛頓流體，性質(zhì)比較復(fù)雜。當(dāng)?shù)V漿濃度略微提高時(shí)，其屈服應(yīng)力迅速變大，從而影響礦漿的流動(dòng)性。

通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目鎳紅土礦漿流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)的礦漿濃度與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系如公式(1)所示。從公式(1)中可以看出，礦漿濃度與屈服應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系。

Γy=1.755×10-2e23.60x

(1)

式中，Γy表示屈服應(yīng)力，Pa；x表示礦漿質(zhì)量濃度，%，取22.2%

礦漿濃度與屈服應(yīng)力關(guān)系曲線如圖1所示。從圖1可以看出，當(dāng)?shù)V漿濃度超過(guò)35%后，屈服應(yīng)力迅速增加；當(dāng)?shù)V漿濃度升高到38%時(shí)，屈服應(yīng)力達(dá)到140 Pa，而屈服應(yīng)力偏高，會(huì)降低礦漿的流動(dòng)性。因此，為保障濕法冶煉工藝操作的連續(xù)性，礦漿濃度不宜太高，否則會(huì)影響濃密機(jī)底流泵的運(yùn)行以及后續(xù)礦漿輸送，產(chǎn)生礦漿堵塞現(xiàn)象，在生產(chǎn)過(guò)程中，某項(xiàng)目將進(jìn)料濃度逐步由32%提高至38%，雖未出現(xiàn)較明顯的堵管和礦漿輸送困難現(xiàn)象，但屈服應(yīng)力增加了4.12倍，受屈服應(yīng)力的影響，礦漿輸送泵的頻率達(dá)到90%左右。因此，受礦漿流動(dòng)性影響，生產(chǎn)過(guò)程中濃度達(dá)到了上限，目前生產(chǎn)濃度基本控制在38%以內(nèi)。

圖1 礦漿濃度與屈服應(yīng)力關(guān)系曲線

2 進(jìn)料濃度對(duì)選礦新水消耗的影響

紅土鎳礦經(jīng)洗礦及選礦后，產(chǎn)出濃度約10%的礦漿輸送至冶煉原礦漿濃密機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行濃密，而原礦在洗選的過(guò)程中需要消耗大量的水。這些水的來(lái)源主要有兩部分：一為礦漿濃密后的溢流水，二為補(bǔ)充的新水，這兩部分水的總量基本保持不變。因此，隨著濃密后進(jìn)料濃度的提高，溢流水量增多，可減少新水的消耗量。

以百噸干礦量為基礎(chǔ)計(jì)算礦漿濃密底流濃度30%～45%的溢流水量，得到礦漿濃度與溢流水量關(guān)系，如圖2所示。從圖2中看出，以百噸干礦量計(jì)算，進(jìn)料濃度達(dá)到38%時(shí)，相比濃度30%，溢流水量增加了70 t/h，從而減少洗選過(guò)程中的新水消耗量約70 t/h，按照年運(yùn)行7 920 h，小時(shí)處理干礦量400 t進(jìn)行計(jì)算，年節(jié)約用水量可達(dá)221.76萬(wàn)t，節(jié)水效果明顯。

圖2 礦漿濃度與溢流水量關(guān)系曲線

3 進(jìn)料濃度對(duì)蒸汽消耗的影響

濃密后的礦漿進(jìn)入加壓酸浸系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)選擇性浸出反應(yīng)，在反應(yīng)的過(guò)程中需要利用大量的飽和蒸汽對(duì)礦漿進(jìn)行加熱加壓，且蒸汽是高壓釜加熱的唯一熱源。加壓釜反應(yīng)溫度控制在255 ℃左右，壓力為5 MPa。在進(jìn)入系統(tǒng)干礦量一定的情況下，提高濃密后的礦漿濃度，相應(yīng)礦漿的含水率必然會(huì)有所降低，無(wú)需對(duì)這部分水加熱，從而降低了加壓酸浸過(guò)程的蒸汽消耗。

以百噸干礦量為基礎(chǔ)計(jì)算礦漿濃度為30%～45%時(shí)加壓酸浸熱平衡所需的飽和蒸汽量，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可看出，以百噸干礦量計(jì)算，進(jìn)料濃度達(dá)到38%時(shí)，相比濃度30%，蒸汽消耗量減少了7.98 m3，蒸汽節(jié)約可達(dá)22%。按照年運(yùn)行7 920 h，小時(shí)處理干礦量400 t計(jì)算，年節(jié)約蒸汽量可達(dá)25.3萬(wàn)m3，蒸汽節(jié)約效果明顯。節(jié)約的蒸汽可以用于發(fā)電，從而減少外購(gòu)電量，降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。

圖3 礦漿濃度與蒸汽消耗量關(guān)系曲線

4 進(jìn)料濃度對(duì)產(chǎn)能的影響

進(jìn)料濃度的變化，對(duì)產(chǎn)能也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。隨著進(jìn)料濃度提高，礦漿密度也逐漸提高。在同等進(jìn)料流量情況下，進(jìn)料濃度提高，進(jìn)料干固量會(huì)增加，因?yàn)橛袃r(jià)金屬量投入量增多。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)料濃度的提高不會(huì)影響加壓酸浸的浸出率，也不會(huì)影響后續(xù)的除雜沉淀等工序，但會(huì)直接提高產(chǎn)能，增加經(jīng)濟(jì)效益。

按照百噸干礦量為基礎(chǔ)計(jì)算礦漿濃度30%～45%進(jìn)料干固量，如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)?shù)V漿濃度從30%提高到38%時(shí)，進(jìn)料干固量明顯提高。這表明在后續(xù)工序設(shè)備能力都滿足的前提下，提高進(jìn)料濃度是提產(chǎn)的重要手段之一。巴新某項(xiàng)目自2017年以來(lái)，金屬鎳產(chǎn)量都超過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)能10%以上，主要原因之一是提高了原礦漿濃縮后的底流濃度。該項(xiàng)目的礦漿濃密濃度設(shè)計(jì)值為32%，目前穩(wěn)定運(yùn)行在38%左右，在同等流量條件下，增產(chǎn)了25.5%，提產(chǎn)效果顯著。

圖4 礦漿濃度與干固量關(guān)系曲線

5 礦漿濃度對(duì)單向閥使用壽命的影響

在巴新某項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，加壓釜給料泵單向閥的使用壽命較短，對(duì)初期生產(chǎn)影響較大。當(dāng)進(jìn)料濃度達(dá)到35%時(shí)，加壓釜給料泵單向閥的使用壽命基本在500 h左右，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率偏低，因?yàn)槊扛鼡Q一次加壓釜給料泵的單向閥，加壓酸浸系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，需要操作人員進(jìn)行不斷調(diào)整，影響了生產(chǎn)效率。

然而隨著進(jìn)料濃度的提高，加壓釜給料泵單向閥的使用壽命明顯延長(zhǎng)。當(dāng)濃度提高至38%時(shí)，單向閥的使用壽命基本在700～800 h。進(jìn)料濃度的提高，降低了汽蝕對(duì)單向閥的影響，提升了單向閥的使用壽命，大大提高了加壓釜給料泵的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，減少了系統(tǒng)波動(dòng)的頻次，也節(jié)約了維檢費(fèi)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

紅土鎳礦加壓酸浸工藝受到全世界鎳行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。原礦漿濃縮底流濃度是加壓酸浸工藝非常重要的一個(gè)指標(biāo)。底流濃度的提高既可以節(jié)約新水消耗，又可以減少蒸汽消耗量，還能提高生產(chǎn)產(chǎn)能，延長(zhǎng)加壓釜給料泵單向閥的使用壽命，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低單位生產(chǎn)成本。但是濃度的提高可加速提高屈服應(yīng)力，降低礦漿流動(dòng)性。因此，在礦漿流動(dòng)性及設(shè)備性能允許的條件下，應(yīng)盡可能地提高礦漿底流濃度。