劉 紅，劉希泉，袁 科，唐紅輝

（1.湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600；2.廣東邦普循環(huán)科技有限公司，廣東 佛山 528137；3.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528137）

近年來(lái)，隨著新能源電動(dòng)汽車和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的不斷推廣和普及，全球鋰離子二次電池需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，作為鋰離子二次電池的關(guān)鍵材料——鎳及鎳基化合物需求旺盛。全球鎳礦資源主要以硫化鎳礦和紅土鎳礦為主，而硫化鎳礦經(jīng)過(guò)去近百年的開(kāi)采，資源已經(jīng)逐漸枯竭，目前市場(chǎng)上的鎳產(chǎn)品原料供應(yīng)量以紅土鎳礦為主，占比達(dá)到65%以

上［1-4］。

紅土鎳礦的冶煉方法可分為濕法和火法冶煉兩大類?；鸱ㄒ睙捯话銇?lái)說(shuō)適用于鎳含量在1.8%以上的腐泥土型，產(chǎn)品主要為鎳鐵和高冰鎳；濕法冶煉主要是處理褐鐵礦型紅土鎳礦，其產(chǎn)品主要為氫氧化鎳鈷［5-7］。褐鐵礦型紅土鎳礦主要特點(diǎn)是鐵多、硅少、鎂少、鎳含量較低（1.8%及以下）。

濕法冶煉工藝主要有常壓酸浸和高壓酸浸。常壓酸浸工業(yè)簡(jiǎn)單、投資少，但Fe3+和Al3+等被大量浸出，酸耗較高，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，鎳鈷總回收率在75%～80%［8］。而高壓酸浸的工藝適應(yīng)性強(qiáng)，鎂含量小于10%的礦石均可以采用，且具有浸出時(shí)間短、鎳鈷浸出率高（鎳與鈷的回收率都超過(guò)90%）、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)絕大多數(shù)紅土鎳礦濕法冶煉建設(shè)項(xiàng)目都采用高壓酸浸工藝。

本文主要根據(jù)國(guó)外某紅土鎳礦鎳資源項(xiàng)目，介紹高壓酸浸工藝、主要設(shè)備及管道材質(zhì)選擇及配管方面的一些經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒。

1 高壓酸浸工藝概述

原礦在選礦廠經(jīng)洗礦、破碎、篩分、磨礦和選礦工序后，成品礦漿固含約為10%，粒度要求為：-8 μm＞80%，-200μm為100%。經(jīng)選礦后成品礦漿中鉻含量大大降低，選礦前Cr含量為2.05%，選礦后Cr含量降低了55%。這也就降低了浸出渣中鉻的含量，有利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)也得到了一部分鉻精礦副產(chǎn)品。

成品礦漿再經(jīng)濃密機(jī)把固體含量提高到34%～40%，濃縮后礦漿先在給料槽內(nèi)貯存以備酸浸使用，礦漿濃縮產(chǎn)生的溢流送回洗礦系統(tǒng)循環(huán)使用。

在部分中和工序中加入石灰石中和殘酸，中和后的漿料利用濃密機(jī)進(jìn)行六級(jí)逆流洗滌。一級(jí)濃密機(jī)溢流進(jìn)除鐵鋁工序，末級(jí)濃密機(jī)底流進(jìn)尾渣中和工序處理。除鐵鋁目的是通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，使鐵鋁等水解沉淀，從而去除中和后液中的鐵、鋁、硅等雜質(zhì)元素，同時(shí)使二氧化硅沉淀除去。沉鎳鈷采用氧化鎂作為沉淀劑，使溶液中的鎳、鈷形成氫氧化物沉淀，得到鎳鈷中間產(chǎn)品。工藝流程如圖1所示。

圖1 高壓酸浸工藝流程圖

當(dāng)然不同項(xiàng)目由于產(chǎn)品方案選擇不同，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程也不一樣［9-11］。

2 設(shè) 備

高壓酸浸車間主設(shè)備有預(yù)熱器、高壓釜、閃蒸槽。主設(shè)備的選擇直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備使用壽命、物料消耗指標(biāo)、操作要求等。合理的設(shè)備選擇應(yīng)能滿足投產(chǎn)后生產(chǎn)的要求、設(shè)備質(zhì)量可靠、性能成熟、經(jīng)濟(jì)合理。

2.1 預(yù)熱器

高壓酸浸浸出溫度控制在250～260℃，礦漿進(jìn)入高壓釜前需要進(jìn)行逐級(jí)預(yù)熱。預(yù)熱采用閃蒸系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽。由于紅土鎳礦普遍具有高黏度的特性，這導(dǎo)致采用間接換熱時(shí)熱傳導(dǎo)率極低且管道容易結(jié)垢效果不佳，因此一般采用直接換熱式換熱器。

不同項(xiàng)目預(yù)熱及閃蒸系統(tǒng)的級(jí)數(shù)有所不同，以往項(xiàng)目中有的采用2級(jí)預(yù)熱，有的采用3級(jí)或4級(jí)預(yù)熱及閃蒸。此項(xiàng)目采用3級(jí)預(yù)熱與3級(jí)閃蒸。根據(jù)工藝計(jì)算及給料泵的性能參數(shù)，低溫預(yù)熱后礦漿溫度為105℃、固體濃度35%；中溫預(yù)熱后礦漿為160℃、固體濃度32%；高溫預(yù)熱后礦漿溫度為208℃、固體濃度29%。根據(jù)介質(zhì)工況條件選擇低溫預(yù)熱器材質(zhì)為S22053雙相不銹鋼、中溫及高溫預(yù)熱器材質(zhì)為鋼鈦爆炸復(fù)合板。

2.2 高壓釜

高壓釜是高壓酸浸工藝的核心設(shè)備，礦漿在密閉的高溫、高壓環(huán)境內(nèi)進(jìn)行液固兩相或液、固、氣三相的浸出反應(yīng)，可以獲得遠(yuǎn)大于常壓的反應(yīng)推動(dòng)力。

第一代高壓酸浸技術(shù)典型特征采用立式無(wú)機(jī)械攪拌高壓浸出釜，古巴MOA廠高壓釜尺寸為Φ3.05 m×15.8 m；第二代及第三代技術(shù)采用臥式多隔室機(jī)械攪拌釜，同時(shí)采用鋼鈦復(fù)合板材料，以澳大利亞Bulong廠為例，高壓釜尺寸Φ4.6 m×31 m，6個(gè)隔室，每隔室均有單獨(dú)的攪拌器，攪拌裝置垂直安裝在釜體上方［12-13］。

目前在紅土鎳礦項(xiàng)目上多采用鋼制外殼+鈦襯里即鋼鈦復(fù)合板形式［14-15］。此項(xiàng)目高壓釜材料選擇鋼鈦爆炸復(fù)合板，尺寸Φ4.8 m×33 m，浸出溫度在260℃，工作壓力控制在5.5 MPa。高壓釜進(jìn)出料管口均采用插入式方案，礦漿、濃硫酸及蒸汽等通過(guò)插入管直接進(jìn)入攪拌強(qiáng)度較大的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)物料的快速混合。為防止稀硫酸對(duì)酸槍的腐蝕，酸槍采用鉭管。礦漿及蒸汽采用鈦管。由于浸出過(guò)程中容易在釜內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，另外原料中會(huì)有時(shí)夾帶大顆粒物料，高壓釜內(nèi)流體流動(dòng)選擇部分底流流動(dòng)方案。

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2.3 閃蒸槽

閃蒸過(guò)程是使高溫高壓物料進(jìn)入控制壓力的擴(kuò)容環(huán)境下，由于壓力低于飽和蒸氣壓，出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)瞬間降溫，并且釋放出二次蒸汽。

高壓酸浸中的閃蒸是采用閃蒸閥及閃蒸管系統(tǒng)以受控的方式將礦漿高速汽化。礦漿在進(jìn)入閃蒸閥時(shí)流速?gòu)?～2 m／s急速升高到100～300 m／s，這對(duì)閃蒸流道的設(shè)計(jì)及設(shè)備的磨損均提出了很高的要求。閃蒸閥及閃蒸管為耐磨陶瓷材料。閃蒸槽操作環(huán)境惡劣，內(nèi)襯磚及隔離層長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高酸性、高磨損的環(huán)境中，對(duì)內(nèi)襯磚和隔離層的要求非常高。高壓閃蒸槽采用3層耐酸耐高溫耐高壓陶磚做內(nèi)襯，隔離層采用搪鉛材料。中壓及低壓閃蒸槽采用兩層耐酸耐高溫耐高壓陶磚做內(nèi)襯。

為防止閃蒸礦漿對(duì)閃蒸槽沖擊過(guò)大進(jìn)而損壞設(shè)備，閃蒸槽設(shè)計(jì)采用兩種方式來(lái)進(jìn)行處理：第一，閃蒸槽采用溢流出料，利用從溢流口至槽底這段礦漿來(lái)吸收閃蒸礦漿的沖擊；第二，在槽底設(shè)置防沖刷裝置。

3 管道設(shè)計(jì)

高壓酸浸中因礦漿介質(zhì)具有高溫、高壓、高腐蝕及高磨蝕特點(diǎn)，大量用到304L、316L、2205、2507以及鈦材等材質(zhì)，以往項(xiàng)目中對(duì)這些材料的適用性也進(jìn)行了驗(yàn)證［16］。

某項(xiàng)目高壓酸浸車間用到的材料類型及長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

表1 高壓酸浸車間材料表

碳鋼主要用在蒸汽、工藝用水、壓縮空氣等公輔類管道上。蒸汽系統(tǒng)主要為系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備、管道進(jìn)行預(yù)熱及生產(chǎn)過(guò)程中向高壓釜補(bǔ)充蒸汽滿足工藝要求，包括蒸汽罐、相應(yīng)的蒸汽管道及閥門等。蒸汽罐前的管道采用碳鋼，罐后蒸汽管道選用2205雙相不銹鋼材料，目的是為防止高壓釜中礦漿在極端情況下倒灌進(jìn)蒸汽罐。

304L、316L奧氏體不銹鋼主要用于濃硫酸、各漿料放凈管、污水管、高壓空氣、洗滌水等管道上。同一介質(zhì)根據(jù)其不同位置可能采用不同材料，例如濃硫酸管道從界區(qū)外到濃硫酸儲(chǔ)槽及高位槽用304L，從高位槽到濃硫酸給料泵的管道及閥門為316L材料，濃硫酸給料泵出口管道仍采用316L，但進(jìn)入高壓釜前采用ALLOY 20管道。

雙相不銹鋼2205、2507及鈦材主要用在預(yù)熱段和閃蒸段。預(yù)熱后的低溫礦漿管道采用2205，中溫及高溫礦漿采用2507。從高壓釜給料隔膜泵出來(lái)的高溫礦漿用鈦材。高閃礦漿、高閃蒸汽、中閃礦漿、中閃蒸汽、低閃礦漿管道均為鈦材，低閃蒸汽用2205。

到尾氣處理系統(tǒng)的各管道材質(zhì)如下，低溫預(yù)熱器尾氣用2205，中溫及高溫預(yù)熱器尾氣用鈦材。

鑒于礦漿的高腐蝕及高磨蝕，管道設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)易沖刷腐蝕部位材料進(jìn)行了加厚。例如從中溫預(yù)熱器一級(jí)給料泵到中溫預(yù)熱器二級(jí)給料泵之間的短管，由于礦漿流速高，沖蝕速率大大加快，設(shè)計(jì)時(shí)采用DN200厚度為8 mm的2205管道，而對(duì)于其它沖刷腐蝕性稍弱的同規(guī)格管道壁厚僅取5 mm。另外，對(duì)彎頭的壁厚也進(jìn)行了加厚處理。

在高壓酸浸的整個(gè)過(guò)程中，浸出溶液中的鐵、鋁、硅、鎂等容易水解，在高壓釜內(nèi)和管道內(nèi)結(jié)垢，堵塞管道。這需要第一時(shí)間開(kāi)展清理，對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響。設(shè)計(jì)時(shí)從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，首先漿料管道設(shè)置3%的坡度，避免堵料，且彎頭采用3D彎頭；其次從預(yù)熱礦漿到閃蒸的主要管道均采用法蘭連接，設(shè)計(jì)為6 m一段，便于拆卸檢修，盡量縮短檢修時(shí)間。例如從高壓釜排料管出口到高壓閃蒸槽的管道采用加厚鈦材管，彎頭采用3D彎頭，彎頭兩端均采用法蘭連接，直管段超過(guò)6 m的中間設(shè)置法蘭連接，水平管段設(shè)置3%的坡度。且鈦材管道采用在制造廠預(yù)制和檢驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)組裝的方法，減少了現(xiàn)場(chǎng)焊口，保證了焊接質(zhì)量。

從礦漿預(yù)熱到礦漿閃蒸，高壓酸浸工序工程中礦漿具有高溫、高壓、高腐蝕、高磨損，管路上閥門類型一般選擇金屬硬密封球閥。另外，此項(xiàng)目開(kāi)創(chuàng)性的將氧化鋁行業(yè)中廣泛運(yùn)用的平底出料閥運(yùn)用到高壓酸浸工藝中。平底出料閥具有抗固體顆粒磨蝕、可破結(jié)晶塊結(jié)疤、密封嚴(yán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。高壓酸浸中因閃蒸密封槽出料管道易結(jié)晶，在出料口位置采用平底出料閥（上展式）替代以往類似項(xiàng)目中使用的進(jìn)口刀閘閥，性價(jià)比大幅提高。

管道布置主要是在保證管道安全的前提下，長(zhǎng)度盡可能短以節(jié)省投資及降低運(yùn)行成本，管道支架的選擇主要根據(jù)管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和管道布置特點(diǎn)來(lái)設(shè)置。某項(xiàng)目三維模型如圖2所示。

圖2 高壓酸浸車間三維模型

4 結(jié) 語(yǔ)

高壓酸浸工藝經(jīng)過(guò)近70多年的發(fā)展，工藝日趨成熟。從已建和正在建設(shè)中的項(xiàng)目來(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。近年來(lái)，很多企業(yè)在印度尼西亞投資建設(shè)的紅土鎳礦濕法冶煉項(xiàng)目，也均采用高壓酸浸工藝。

本文主要根據(jù)國(guó)外某紅土鎳礦高壓酸浸項(xiàng)目，對(duì)其工藝、主要設(shè)備及管道材料等方面進(jìn)行了介紹、總結(jié)歸納。設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合了以往實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)流程、材質(zhì)等進(jìn)行了更合理的優(yōu)化，在保證項(xiàng)目順利實(shí)施的同時(shí)，又有利于生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，有效控制生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。