賈露萍,吳 迪,劉楠才,肖貴龍

(瑞木鎳鈷管理(中冶)有限公司,巴布亞新幾內(nèi)亞馬當(dāng)省)

0 引言

世界鎳資源儲量很豐富,截止2020 年陸地鎳資源(平均品位0.5%以上)為3 億噸以上,其中硫化鎳礦占比40%,剩下60%為紅土鎳礦[1]。隨著地球上高品位硫化鎳礦的日趨枯竭和紅土鎳礦生產(chǎn)的成本下降趨勢,紅土鎳礦生產(chǎn)占鎳礦生產(chǎn)的比例近年來正在迅速提高。

紅土鎳礦的冶煉工藝有火法和濕法之分,典型的火法工藝有還原硫化熔煉鎳锍工藝、回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐鎳鐵工藝、還原焙燒磁選工藝,典型的濕法工藝有還原焙燒-銨浸-氫還原鎳粉鎳塊工藝[2]、高壓酸浸工藝。高壓酸浸工藝以其對低鎳-高鐵-低鎂型紅土鎳礦適應(yīng)性好、鎳鈷回收率高、生產(chǎn)成本較低、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)今主流的紅土鎳礦濕法冶煉工藝[3]。

本試驗(yàn)采用高壓酸浸技術(shù)處理典型的近赤道低品位濕型紅土鎳礦,首先開展單一因素(溫度、酸礦比、攪拌速度、浸出時間、入釜濃度)對鎳、鈷、鎂、鋁浸出率影響的試驗(yàn),對試驗(yàn)結(jié)果初步進(jìn)行分析選取較佳的工藝條件,然后開展溫度和酸礦比對浸出率影響的正交試驗(yàn),再對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析得出最佳工藝條件。由于鎂鋁是高壓酸浸工藝中主要的耗酸元素[4],同時鋁是高壓釜結(jié)垢的主要元素之一[5],因此探索高壓酸浸最佳工藝條件的原則是在獲得較低的鎂鋁浸出率(鋁的浸出率宜控制20%以下)、能源消耗、硫酸消耗的同時追求較高的鎳鈷浸出率。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)原料為典型的近赤道低品位濕型紅土鎳礦,取自經(jīng)洗礦、選礦、除鉻后的紅土礦漿,再經(jīng)烘干、破碎、粉碎等制樣方法處理后,其典型化學(xué)成分值如表1 所示、粒度分布如表2 所示。

表1 紅土鎳礦典型化學(xué)成分(wt%)

表2 紅土鎳礦粒度分布表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

2LParr 高壓釜及控制器、干燥箱、鄂式破碎機(jī)、真空泵、全密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)、電子稱、ICP 等。

1.3 試驗(yàn)試劑

Z98%分析純濃硫酸。

1.4 試驗(yàn)方法

將200 g 紅土礦、試驗(yàn)要求量的水和濃硫酸加入高壓釜,漿化后密封,啟動攪拌并升溫,至指定溫度后恒溫,完成要求的反應(yīng)時間后降溫至50 ℃,停止冷卻與攪拌,高壓釜泄壓、礦漿出釜、真空抽濾、濾餅洗滌3 次,同時對高壓釜內(nèi)壁和攪拌進(jìn)行洗滌,洗后液進(jìn)行抽濾洗滌。洗水均采用pH≈1 的酸性洗水,對所得濾餅烘干與濾后液分別進(jìn)行計(jì)量稱重和ICP 分析化學(xué)元素,以濾餅渣相分析結(jié)果計(jì)算浸出率,以液相分析結(jié)果作為計(jì)算參考。由于恒溫階段溫度最大波動為5 ℃,故溫度最小的試驗(yàn)單位為5 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對浸出率的影響

反應(yīng)條件:酸礦比250 kg/t-干礦,浸出時間1 h,攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min,入釜礦漿濃度25%,反應(yīng)溫度(℃)分別為:180、200、220、230、240 ℃、250、255、260、270。

試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示,從圖中可以看出,鎳的浸出率隨著溫度的上升而增高,在250 ℃及以上溫度區(qū)間獲得較高的鎳浸出率;鈷的浸出率始終高于鎳的浸出率,且隨著溫度的上升而增高,在230 ℃及以上溫度區(qū)間增高幅度很小;鎂在240 ℃以下時浸出率高于鎳的浸出率,鎂的浸出率隨溫度的升高而增大;鋁的浸出率在180 ℃以上區(qū)間隨溫度的升高而降低,250 ℃及以上溫度區(qū)間,鋁的浸出率低于20%。

圖1 溫度對浸出率的影響

從試驗(yàn)過程看,240 ℃及以上溫度的試驗(yàn)出釜礦漿為紅色,判斷此溫度下浸出的Fe3+水解生成了FeO,而低于240 ℃出釜礦漿皆呈現(xiàn)與原礦漿相同的黃色,判斷部分鐵雖有被浸出生成硫酸鹽,但沒有水解過程。

綜合考慮,溫度處于250～270 ℃區(qū)間時,鎳鈷浸出率較高,鎂鋁的浸出率較低,考慮到蒸汽能耗因素,浸出溫度選擇250～270 ℃區(qū)間為宜。

2.2 酸礦比對浸出率的影響

反應(yīng)條件:溫度250 ℃,浸出時間1 h,攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min,入釜礦漿濃度25%,酸礦比(kg/t-干礦)分別為:230、240、250、260、270、280、290、300、310、320。

試驗(yàn)所得的浸出率如圖2 所示,從圖中可以看出,低于280 kg/t-干礦酸礦比條件下,鈷的浸出率高于鎳的浸出率;鎳和鈷的浸出率都隨著酸礦比的增加而增高,270 kg/t-干礦時,鎳和鈷的浸出率接近或達(dá)到95%;隨著酸礦比的增加,鎂的浸出率略微增高,而金屬鋁的浸出率則顯著增高,300 kg/t-干礦時,鋁的浸出率超過20%。

圖2 酸礦比對浸出率的影響

綜合考慮,酸礦比為270～280 kg/t-干礦時,鎳和鈷的浸出率達(dá)到95% 以上,鎂的浸出率80%～82%,鋁的浸出率小于20%。

2.3 浸出時間對浸出率的影響

反應(yīng)條件:反應(yīng)溫度為255 ℃,酸礦比280 kg/t-干礦,攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min,入釜礦漿濃度25%,反應(yīng)時間(min)分別為:30、40、50、60、70、80、90、100、120。

試驗(yàn)所得的浸出率如圖3 所示,從圖中可以看出,鎳、鈷、鎂的浸出率對于浸出時間均不太敏感;鎳和鈷的浸出率隨反應(yīng)時間延長而略微增高,50 min反應(yīng)時間以后,鎳和鈷的浸出率均為95%以上,隨反應(yīng)時間的延長增高的幅度不大;鎂的浸出率隨反應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)緩慢增高的趨勢,反應(yīng)50 min 以后,鎂浸出率基本保持穩(wěn)定;鋁的浸出率隨反應(yīng)時間延長呈下降趨勢,50 min 以后,鋁的浸出率降至20%以下。

圖3 浸出時間對浸出率的影響

綜合考慮,反應(yīng)時間50 min 時,時間較短,鎳鈷浸出率較高,鎂鋁浸出率和能耗較低。

2.4 入釜礦漿濃度對浸出率的影響

反應(yīng)條件:反應(yīng)溫度為255 ℃,酸礦比280 kg/t-干礦,反應(yīng)時間60 min,攪拌速度為120 r/min,入釜礦漿濃度(%)分別為:24、25、26、27、28、29、30。

所得結(jié)果如圖4 所示,從圖中可以看出,鎳、鈷、鎂、鋁的浸出率對礦漿濃度的變化均不敏感;鎳浸出率隨著入釜礦漿濃度的增大而略微增高,鈷的浸出率則基本保持不變,鎂的浸出率隨著濃度的增加而略微增高,鋁的浸出率總體低于20%,濃度大于大于27%以后,隨濃度的增加而略微增高。

圖4 礦漿濃度對浸出率的影響

綜合考慮,25% 濃度時,鎳的浸出率為95.43%、鈷的浸出率為95.10%、鎂的浸出率80%、鋁的浸出率12%,總體技術(shù)指標(biāo)較好。

2.5 攪拌速度對浸出率的影響

反應(yīng)條件:反應(yīng)溫度為250 ℃,酸礦比255 kg/t-干礦,反應(yīng)時間60 min,入釜礦漿濃度25%,攪拌速度(r/min)分別為:240、200、160、120、100、80。

試驗(yàn)所得結(jié)果如圖5 所示,從圖中可以看出,120 r/min 時,鎳和鈷的浸出率最高;鎂的浸出率開始時隨著攪拌速度的提升而下降,至160 r/min 時鎂的浸出率達(dá)到最低,然后隨著攪拌速度的提升而略微提升;鋁的浸出率開始時隨著攪拌速度的提升而下降,至120 r/min 時降至最低的14.7%,然后隨著攪拌速度的提升而顯著提升。

圖5 攪拌速度對浸出率的影響

綜合考慮,轉(zhuǎn)速為120 r/min 時,鎳鈷浸出率較高,鎂鋁浸出率和能耗較低。

2.6 正交試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果開展關(guān)于溫度(250 ℃、255℃、260 ℃)和酸礦比(260 kg/t-干礦、270 kg/t-干礦、280 kg/t-干礦)對浸出率影響的正交試驗(yàn),其它試驗(yàn)條件為:

攪拌速度120 r/min,浸出時間50 min,濃度25%。鋁的浸出率均在15% 以下,鎂浸出率均在82%以下,鈷的浸出率基本穩(wěn)定,鎳的浸出率波動較大(如表1 所示)。從表3 的試驗(yàn)結(jié)果看,溫度越高,酸礦比越高,鎳浸出率越高。

表3 溫度與酸礦比正交試驗(yàn)的鎳浸出率結(jié)果

2.7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

對表3 的結(jié)果進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較,分析方法:浸出率的變化產(chǎn)生的效益折算成金屬鎳價值變化ΔV1;剩余溫度變化的成本以重油產(chǎn)蒸汽的形式最終折算成重油價值變化ΔV2;酸礦比變化的成本以硫磺制酸的形式最終折算成硫酸價值差異ΔV3。比較多產(chǎn)出鎳的價值與多投入的成本(能耗和酸耗)之間的經(jīng)濟(jì)效益,即比較多產(chǎn)出的鎳價值ΔV1與多投入的重油消耗價值ΔV2+多投入的硫酸價值ΔV3的關(guān)系,若ΔV1>ΔV2+ΔV3,則經(jīng)濟(jì)上可行,若ΔV1<ΔV2+ΔV3,則經(jīng)濟(jì)上不劃算,依此對表3 中9個樣的結(jié)果兩兩進(jìn)行比較,最終得出最佳工藝條件。本試驗(yàn)高壓釜為電間接加熱(未配備能量計(jì)量),實(shí)際生產(chǎn)一般為蒸汽直接加熱,為了便于分析計(jì)算,假定本試驗(yàn)采用270 ℃蒸汽直接加熱,加熱后蒸汽轉(zhuǎn)化為浸出溫度下的冷凝水。

計(jì)算基本參數(shù):

試驗(yàn)樣的原礦重量m礦=0.2 kg

樣品重量濃度W1=25%

原礦鎳品位G1=1.168%

水比熱容C水=4.2×103J/(kg·℃)

紅土礦比熱容C礦=364 J/(kg·℃)

180#重油熱值Q1=42.7 MJ/kg

180#重油價格P1=670 $/t

產(chǎn)蒸汽的重油單耗U1=65.5 kg/t-蒸汽

250 ℃蒸汽液體焓H1=1.08 MJ/kg

255 ℃蒸汽液體焓H2=1.11 MJ/kg

260 ℃蒸汽液體焓H3=1.13 MJ/kg

270 ℃蒸汽焓H4=2.76 MJ/kg

熱損失系數(shù)ω=10%

鎳價格P2=19 000 $/t

硫酸價格P3=70 $/t

以250 ℃、260 kg/t-干礦條件(以下稱為樣1)和255 ℃、260 kg/t-干礦條件(以下稱為樣2)為例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較。樣1 所得浸出率為87.91%,樣2所得浸出率為92.22%。因酸礦比相同,酸耗變化ΔV3為零,所以只需比較ΔV1和ΔV2值的大小。樣2 比樣1 多浸出金屬鎳的價值ΔV1=樣品原料中含的鎳×浸出率變化×鎳價格=G1×(L2-L1)×P2=1.89×10-3$。樣2 比樣1 增加重油消耗價值ΔV2=(紅土干礦所需熱量+礦漿中水所需熱量)×(1+ω)/(255 ℃蒸汽液體焓H2-250 ℃蒸汽液體焓H1)/蒸汽重油單耗× 重油價格=((C礦m礦ΔT+C水m水ΔT)×(1+ω)/(H2-H1)/U1×P1=4.86×10-6$。由以上結(jié)果可知,ΔV1(=1.89×10-3) >ΔV2(=4.42×10-6)+ΔV3(=0),即樣2 比樣1 雖多投入4.86×10-6$ 的重油成本但多浸出價值1.89×10-3$ 的金屬鎳,所以樣2 工藝條件比樣1更經(jīng)濟(jì)。

再次以樣1 和250 ℃、270 kg/t-干礦條件(以下稱為樣3)為例,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較。樣1 所得浸出率為87.91%,樣3 所得浸出率為93.46%。因溫度相同,能耗變化ΔV2為零,所以只需計(jì)算比較ΔV1和ΔV3值的變化。樣3 比樣1 多浸出的金屬鎳價值ΔV1=樣品原料中含的鎳×浸出率變化×鎳價格=m礦×G1×(L2-L1)×P2=2.45×10-3$。樣3 比樣1 增加硫酸消耗價值ΔV3=紅土礦干礦×酸礦比變化×硫酸價格=m礦×Δm酸×P=1.40×10-4$。由以上結(jié)果可知,ΔV1(=2.45×10-3) >ΔV2(=0)+ΔV3(=1.40×10-4),樣3 比樣1 雖多投入1.40×10-4$的硫酸成本但多浸出價值2.45×10-3$的金屬鎳,所以樣3 工藝條件比樣1 更經(jīng)濟(jì)。

以此類推,對表3 中任意兩樣的進(jìn)行比較,結(jié)果如表4 所示,最終得出,樣9(260 ℃,280 kg/t-干礦)時,經(jīng)濟(jì)效益最佳。

表4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果,得出以下結(jié)論:

(1)各因素對鎳浸出率影響的優(yōu)先級為:溫度>酸礦比>浸出時間>攪拌速度>礦漿濃度。

(2)鈷相對于鎳更容易被浸出。

(3)鋁的浸出率對浸出的溫度和酸礦比較為敏感。

(4)在本文假定的市場條件下,該紅土礦在260 ℃、280 kg/t-干礦、攪拌速度120 r/min、浸出時間50 min、濃度25%高壓酸浸條件下能獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

試驗(yàn)為間斷性操作、間接方式電加熱、升溫前已加酸和攪拌、降溫時礦漿仍在高壓釜內(nèi),與工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)加酸閃蒸、直接蒸汽加熱等工藝條件有所不同,故試驗(yàn)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際可能存在一定偏差。