許春蓮，何云霞，王曉民，劉道科，劉冰川，祁世兵

（1 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1 ，甘肅 金川 737100；2 金川動(dòng)力廠(chǎng)2，甘肅 金川 737100；3 金川營(yíng)銷(xiāo)公司3 ，甘肅 金川 737100）

1 概述

隨著世界硫化鎳礦資源的不斷消耗，提升或開(kāi)發(fā)從紅土鎳礦中更高效、經(jīng)濟(jì)地提取鎳和鈷的工藝是目前及未來(lái)不斷研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)化紅土鎳礦冶煉工藝總體上分為濕法與火法兩種，火法冶金工藝適用于腐殖土層紅土鎳礦，主流技術(shù)是回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐（RKEF）工藝；濕法冶金工藝適用于褐鐵礦層紅土鎳礦，主流技術(shù)為高壓酸浸（HPAL）工藝。高壓酸浸工藝已不斷完善和發(fā)展，但該工藝中硫酸不能回收利用，運(yùn)行成本高。為此，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)硝酸浸出紅土鎳礦技術(shù)進(jìn)行了研究和探索，目前成功開(kāi)發(fā)并完成中試試驗(yàn)的主要有DNiTM（Direct Nickel ProcessTM）工藝和我國(guó)褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)。

2 DNiTM工藝

DNiTM工藝是從紅土鎳礦中提取鎳的一種常壓濕法鎳冶金工藝，由艾替列姆集團(tuán)有限公司（Altilium Group Ltd）與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation以下簡(jiǎn)稱(chēng)CSIRO）及泰克資源有限公司(Teck Resources Limited)合作開(kāi)發(fā)，能夠處理褐鐵礦層、過(guò)渡層及腐殖土層所有層位的紅土鎳礦，工藝的關(guān)鍵是以純硝酸代替?zhèn)鹘y(tǒng)加壓酸浸工藝中的硫酸作為浸出介質(zhì)，采用可回收95%以上的硝酸循環(huán)利用的專(zhuān)利技術(shù)。

采用DNiTM工藝，首先將鎳礦進(jìn)行干燥破碎，將破碎粒度<1mm的鎳礦與硝酸混合，其中鎳礦粒占到20%到30%，然后加熱至110℃，浸出時(shí)間保持2-6小時(shí)（一般為4小時(shí)）后，約一半的鎳礦在硝酸中溶解，不溶的殘留物則在中和后送至尾礦處理車(chē)間。在對(duì)浸出液進(jìn)行鐵水解以提取鐵和鉻過(guò)程中，赤鐵礦（Fe2O3）生成。將MgO添加到浸出液中以沉淀鋁，進(jìn)一步添加MgO以生成混合鎳鈷氫氧化物產(chǎn)品，其含鎳（按重量計(jì)）35%～40%，含鈷（按重量計(jì)）約2%。剩余的溶液通過(guò)一系列蒸發(fā)器回收，然后進(jìn)行熱分解。廢溶液轉(zhuǎn)化為MgO和NOx氣體。部分MgO在工藝流程中被重復(fù)利用，但大部分可以出售。NOx氣體被加工成硝酸，在工藝流程中被重復(fù)利用，工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 DNi TM工藝簡(jiǎn)圖

2.1 DNiTM工藝特點(diǎn)

DNiTM工藝在常壓、溫度在110℃左右的條件下浸出鎳礦，能夠生產(chǎn)與高壓酸浸工藝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)HPAL）工廠(chǎng)相同的兩種主要產(chǎn)品（鎳鈷氫氧化物中的氫氧化鎳和氫氧化鈷），但不涉及HPAL工藝所需的高壓和高溫。相比HPAL工藝，DNiTM工藝更具有以下特點(diǎn)：

（1）可處理整個(gè)紅土鎳礦床的鎳礦。

（2）工藝適應(yīng)性強(qiáng)。在加工廠(chǎng)內(nèi)，通過(guò)增加不同的精煉裝置，生產(chǎn)需要的產(chǎn)品。目前，DNiTM工藝可生產(chǎn)鎳/鈷金屬、鎳/鈷氧化物及鎳/鈷硫化物、商業(yè)赤鐵礦和氧化鎂產(chǎn)品。

（3）工藝95%以上的硝酸浸出介質(zhì)可被回收和再生利用，降低了生產(chǎn)成本并有效地減少了相關(guān)環(huán)保問(wèn)題。

（4）不需要高壓、高溫或特殊材料的設(shè)備，建廠(chǎng)資本成本大大降低。此外，其最低生產(chǎn)規(guī)模約為5000t/a鎳產(chǎn)量，明顯小于具有競(jìng)爭(zhēng)性工藝必須建設(shè)的生產(chǎn)規(guī)模。

（5）可以采用應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)成設(shè)備，設(shè)備材質(zhì)可選用304或316不銹鋼。工廠(chǎng)建設(shè)可采用模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低成本。

（6）DNiTM工藝產(chǎn)生的廢渣約占HPAL工藝的三分之一。

（7）DNiTM工藝下資本性支出范圍在25000～30000$/t之間，生產(chǎn)的可產(chǎn)品可產(chǎn)生更多價(jià)值，而HPAL工藝平均資本性支出為49000$/t,只生產(chǎn)NiCo及少量Sc產(chǎn)品。

根據(jù)Altilium公司研究，建設(shè)同等規(guī)模工廠(chǎng)，由于DNiTM工藝在常壓下利用硝酸提取所有有價(jià)金屬并且可回收95%以上的硝酸，這與采用HPAL工藝相比，采用DNiTM工藝建廠(chǎng)的資本成本大大降低。鑒于目前對(duì)這兩項(xiàng)工藝下建廠(chǎng)資本成本難以進(jìn)行實(shí)際定量對(duì)比，以采用DNiTM工藝下建設(shè)的工廠(chǎng)，每年處理約140萬(wàn)t干鎳礦，生產(chǎn)20000t鎳（加上所有其他產(chǎn)品），資本成本不到7.5億美元作為參考。

至于運(yùn)營(yíng)成本，DNiTM工藝可提取的有價(jià)金屬對(duì)經(jīng)濟(jì)分析產(chǎn)生了重大影響。DNiTM工藝下，當(dāng)副產(chǎn)品的價(jià)值實(shí)現(xiàn)時(shí)，鎳生產(chǎn)的直接成本約為2.35$/lb（或5000 $/t）。

2.2 DNiTM工藝中試試驗(yàn)

DNiTM工藝于2013年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，并在CSIRO的西澳大利亞沃特福德試驗(yàn)廠(chǎng)成功進(jìn)行了從鎳礦浸出到硝酸回收全工藝流程的每天1噸處理量的中試試驗(yàn)，共進(jìn)行了19項(xiàng)鎳礦浸出試驗(yàn)。

試驗(yàn)廠(chǎng)分兩期建設(shè)。一期為一個(gè)簡(jiǎn)化流程建設(shè)，缺少幾個(gè)關(guān)鍵的最終產(chǎn)品精煉步驟。資金到位后，二期將剩余的工藝步驟建設(shè)完成，工藝流程見(jiàn)圖2。根據(jù)二期工藝試驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果，DNi對(duì)二期的流程進(jìn)行了部分改造，最終設(shè)計(jì)為后續(xù)工程研究奠定了基礎(chǔ)。

圖2 中試廠(chǎng)流程圖

2.2.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用原料包括來(lái)自印尼北馬魯古省譚勻布利(Tanjung Buli以下簡(jiǎn)稱(chēng)Buli)鎳礦、巴西鎳礦[2]，見(jiàn)表1，表2及表3。

表1 Buli 紅土鎳礦礦成分, wt%

表2 試驗(yàn)廠(chǎng)用紅土鎳礦典型成分,wt%

表3 用于單項(xiàng)試驗(yàn)巴西鎳礦成分, wt%

2.2.2 DNiTM工藝產(chǎn)品

采用DNiTM工藝生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是混合鎳鈷氫氧化物（MHP）或混合鎳鈷氧化物（MOP），該工藝下處理印度尼西亞Tanjung Buli礦石的商業(yè)工廠(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量為：混合鎳鈷氫氧化物中Ni、Co、Fe、Mg、Al、Mn的含量分別為45.4%、1.2%、0.5%、2.0%、2.9%、2.0%、1.5%；混合鎳鈷氧化物中Ni、Co、Fe、Mg、Al、Mn的含量分別為68.1%、1.8%、0.7%、3.0%、4.4%、3.0%。

除鎳/鈷產(chǎn)品外，DNi工藝還生產(chǎn)Fe和MgO產(chǎn)品，F(xiàn)e產(chǎn)品中Mg、Fe、Fe2O3、Ni、Mn、Cr、Al 含量分別為0.27%、59.8%、85.4%、0.14%、0.46%、0.35%、0.78%，Ca含量<0.01%；MgO中Mg、MgO、Ca、Fe、Ni、Mn、Cr、Al 含量分別為57.0%、95.0%、1.0%、0.1%、0.06%、0.11%，Cr、Al 含量分別<0.02%、<0.02%。見(jiàn)表 6。品質(zhì)好的MgO產(chǎn)品可用于化工和水處理工業(yè)，而較低質(zhì)量的氧化鎂則用于農(nóng)業(yè)。一般來(lái)說(shuō)，60%左右的鐵產(chǎn)品是容易銷(xiāo)售的。

2.2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)總結(jié)

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝簡(jiǎn)單安全，可連續(xù)運(yùn)行。

（2）金屬鎳、鈷、鐵和鎂的金屬回收率符合實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，鎳回收率為90%，硝酸回收率達(dá)到95%。

（3）工藝運(yùn)營(yíng)成本在2.00美元至3.00美元/磅（信貸前）之間。

（4）混合鎳鈷氫氧化物鎳含量為40%，副產(chǎn)品質(zhì)量良好。

2.3 工藝商業(yè)化推廣現(xiàn)狀

（1）NHT公司

PT Nickel Halmahera Timur（簡(jiǎn)稱(chēng)NHT）是 由PT International Mineral Capital（印尼國(guó)有礦商PT Aneka Tambang Tbk (簡(jiǎn)稱(chēng)Antam)的子公司）和PT Direct Nickel（Direct Nickel Pty Ltd的子公司）組成的一家50:50的合資公司，NHT公司正在對(duì)ANTAM在哈馬黑拉島（Halmahera）Tanjung Buli建設(shè)工業(yè)化工廠(chǎng)進(jìn)行可行性研究，可行性研究的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 Buli項(xiàng)目關(guān)鍵參數(shù)

（2）Townsville Energy Chemicals Hub精煉廠(chǎng)

2018年10月Altilium公司與昆士蘭太平洋金屬有限公司（Queensland Pacific Metals Pty Ltd,簡(jiǎn)稱(chēng)QPM）簽署框架協(xié)議，授權(quán)QPM應(yīng)用其DNiTM工藝在昆士蘭北部湯斯維爾新建電池材料精煉廠(chǎng)（名為T(mén)ownsville Energy Chemicals Hub，簡(jiǎn)稱(chēng) TECH）生產(chǎn)硫酸鎳、硫酸鈷及其他產(chǎn)品。

QPM公司紅土鎳礦原料來(lái)自新喀里多尼亞的高品位褐鐵礦層和過(guò)渡層紅土鎳礦，其中鎳鈷含量分別在1.45%～1.7%和0.15%～0.25%之間，工藝流程見(jiàn)圖 3。

QPM在2020年4月完成了TECH項(xiàng)目的預(yù)可行性研究。目前TECH項(xiàng)目正在有序推進(jìn)，QPM公司2021年一季度報(bào)告顯示，TECH項(xiàng)目的最新試驗(yàn)結(jié)果表明，主要金屬提取率超出預(yù)期，鎳、鈷及鐵的提取率分別達(dá)到98.7%、96.0%及95.3%，并開(kāi)始進(jìn)行年處理150萬(wàn)噸紅土鎳礦的最終可行性研究。

3 國(guó)內(nèi)褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)

國(guó)內(nèi)對(duì)紅土鎳礦硝酸浸出工藝也進(jìn)行了研究與探索，紅土鎳礦硝酸加壓浸出工藝于2008年開(kāi)發(fā)并獲得專(zhuān)利。馬保中等人于2011年[4]、2013年[5]及2019年[6]年發(fā)表了對(duì)褐鐵型紅土鎳礦進(jìn)行了硝酸加壓浸出的研究成果，從工藝角度分析紅土鎳礦硝酸加壓浸出是可行的。

褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出的中試試驗(yàn)是北京礦冶研究總院在河南永通鎳業(yè)有限責(zé)任公司的資助和合作下進(jìn)行并完成。

2020年6月國(guó)內(nèi)邱定蕃院士等知名專(zhuān)家對(duì)北京科技大學(xué)王成彥教授團(tuán)隊(duì)和眉山順應(yīng)動(dòng)力電池材料有限公司合作開(kāi)發(fā)的“褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)”進(jìn)行了技術(shù)成果評(píng)價(jià)并一致認(rèn)為“褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)”整體技術(shù)水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位，具有技術(shù)推廣潛力，建議加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

圖3 Townsville Energy Chemicals Hub精煉廠(chǎng)工藝流程簡(jiǎn)圖

我國(guó)褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)浸出條件較溫和，鎳鈷浸出率≥95%、回收率＞92%，鐵以鐵精礦產(chǎn)出、鐵品位＞60%，工藝流程硝酸回收率＞97%、吸收后尾氣NOx濃度＜50mg/m3[7]。

2021年2月28日，西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司與北海順應(yīng)新能源材料有限公司簽署了褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出新技術(shù)綠色示范項(xiàng)目-年處理褐鐵型紅土鎳礦 180 萬(wàn)噸產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目工程總承包意向合同。

4 歸納與分析

（1）國(guó)外硝酸浸出紅土鎳礦方面主要是DNiTM工藝，該工藝采用可回收95%以上的硝酸循環(huán)利用專(zhuān)利技術(shù)，可用于處理褐鐵礦層、過(guò)渡層及腐殖土層所有層位的紅土鎳礦，應(yīng)用該工藝的項(xiàng)目目前已進(jìn)行到可行性研究階段，該工藝目前正在進(jìn)行工業(yè)化推廣。

（2）國(guó)內(nèi)褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)已成功研發(fā)，并且全部裝備可國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家一致認(rèn)為“褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術(shù)”整體技術(shù)水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位，具有技術(shù)推廣及產(chǎn)業(yè)化潛力。

（3）目前硝酸浸出紅土鎳礦工藝在國(guó)內(nèi)外仍沒(méi)有工業(yè)化應(yīng)用，目前處于工業(yè)化推廣階段。