印度尼西亞鎳礦資源及利用概況

米寰鵬,張 恒

(中國有色金屬建設股份有限公司,北京 100029)

0 引言

圖1 世界鎳消費結構

鎳元素在地殼中含量約0.018%[3],資源較為豐富,其中,海底錳結核中儲量巨大,約有6.9 億t(鎳金屬量),但能夠開采利用的陸基鎳資源儲量僅有9 400 萬t,主要分布在印度尼西亞、澳大利亞、巴西等國家,2021 年全球陸基鎳資源儲量分布情況如圖3 所示,印度尼西亞鎳資源儲量約2 100 萬t,居世界首位[4]。

圖2 中國鎳消費結構

圖3 全球陸基鎳資源儲量分布情況

陸基鎳礦主要分為硫化鎳礦和氧化鎳礦(紅土鎳礦)。硫化鎳礦約占陸基鎳資源儲量的40%,主要分布在加拿大、俄羅斯、澳大利亞等國家,硫化鎳礦品位較高,成分相對簡單,處理工藝也相對成熟,但資源量較少;氧化鎳礦約占陸基鎳資源儲量的60%,主要分布在赤道南北緯30 度以內的印度尼西亞、菲律賓、巴西等熱帶國家[5],因礦石中富含Fe2O3而顯紅色,所以又稱紅土鎳礦。印度尼西亞鎳礦資源主要為紅土鎳礦,本文均基于印度尼西亞紅土鎳礦展開論述。

1 印度尼西亞鎳礦資源概況

近年來,印度尼西亞鎳礦產量大體呈上升趨勢,如圖4 所示。2014 年,由于《礦產和煤炭礦業法》中“全面禁止原礦出口政策”的正式實施,造成2014年至2016 年印度尼西亞鎳礦產量下降。2017 年,印度尼西亞政府放寬礦石出口限制,允許以配額制的方式有條件出口,因此2017 年至2019 年的鎳礦產量逐步增長。2019 年,印度尼西亞政府再次頒發原礦出口禁令,要求自2020 年起禁止原礦出口,加之全球新冠肺炎疫情影響,市場需求下降,致使2020 年印度尼西亞鎳礦產量下降約11%。參考近三年世界主要產鎳國的鎳礦產量(如圖5 所示),印度尼西亞鎳礦產量一直處于大幅領先水平,2020年,印度尼西亞鎳礦產量已達到全球產量的27%[4]。

圖4 2006—2020 年印度尼西亞鎳礦產量

圖5 2018—2020 年世界主要產鎳國鎳礦產量

1.1 印度尼西亞鎳礦分布

印度尼西亞紅土鎳礦主要分布在蘇拉威西島(Sulawesi)、馬魯卡島(Maluku)和巴布亞島(Papua),另外在加里曼丹島東部也有少量鎳礦(如圖6所示)。規模較大的鎳礦床有蘇拉威西島的Soroako鎳礦(Ni 品位1.67%,Ni 金屬儲量300 萬t)和Pomalaa 鎳礦(Ni 品位2.3%～3.3%,Ni 金屬儲量126萬t),馬魯卡島的Halmahera 鎳礦(Ni 品位1.37%,Ni 金屬儲量279 萬t)[6]。目前,印度尼西亞鎳礦約305 座,可以穩定供礦的約50 座,其中規模較大的有印度尼西亞國有礦業公司PT Aneka Tambang(Antam)、淡水河谷旗下的 PT Vale Indonesia(Vale)、鷹橋公司(Falconbridge)、必和必拓(BHP Billiton)、力拓(Rio Tinto)等[7-9],在印度尼西亞投資鎳礦的中國企業有青山集團、金川集團、新華聯等。

圖6 印度尼西亞鎳礦、冶煉廠分布圖

1.2 印度尼西亞紅土鎳礦資源特點

1.2.1 成礦機制

超基性巖(超鎂鐵巖)是紅土鎳礦成礦的必備條件之一,在蘇拉威西、馬魯卡群島等鎳礦主產區內厚大的超基性巖廣泛分布,為鎳礦生成提供了物質基礎。其次,這些島嶼處于太平洋板塊和亞歐板塊之間,強烈的地殼活動,不僅將地殼深處的鎳元素帶至地表,而且使巖石破碎,加速了超基性巖的風化、剝蝕和分解。加之這些島嶼位于赤道附近,常年溫度在30 ℃以上,降雨豐富,有利于超基性巖的風化-淋濾-沉積而富集成礦。獨特的地理和氣候條件,造就了印度尼西亞紅土鎳礦礦床規模大、埋藏淺、易于露天開采的特點[10-11]。

1.2.2 垂直分布

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紅土鎳礦垂直分帶明顯,按化學元素成分和內部地質結構區分,自上而下,依次為紅土帶——腐巖帶——巖帶,如圖7 所示,各帶的特征如下[12-14]:

圖7 印度尼西亞紅土鎳礦垂直分布

(1)紅土帶:上部為紫紅色鐵帽層,出現大量膠結成粘粒狀或團塊狀的鐵氧化物,主要礦物有:褐鐵礦、赤鐵礦以及少量的次生石英和高嶺土等。中下部為疏松多孔狀的發育黃色鐵質礦層,主要礦物有:針鐵礦、褐鐵礦以及少量基巖的風化殘留碎塊。紅土帶整體上主要由褐鐵礦組成,具有高鐵低鎂的特點。

(2)腐巖帶:主要呈現為綠色,上部為粒度較細的風化礦物層,向下混雜的基巖風化-半風化碎塊逐漸增多,主要礦物有:蛇紋石等鎂鐵層狀硅酸鹽類礦物,沿裂隙或節理多見浸染狀翠綠色硅鎂鎳礦。腐巖帶是主要的含鎳礦層。

(3)基巖帶:為暗綠色、棕灰色、灰黑色橄欖巖。巖石裂隙和節理中可見少量的淺綠色硅酸鎳細脈,主要礦物有橄欖石、蛇紋石。

由垂直分布可知,印度尼西亞紅土鎳礦的鎳品位低,各種化學元素、礦物組成含量差異大,且鎳不以獨立礦物而以類質同象的形式存在,因此難以利用物理選礦富集,唯有直接冶煉,且冶煉難度也較大。

綜上,印度尼西亞紅土鎳礦具有賦存于地表,易于露天開采的優點,但也存在礦物組成復雜,難以冶煉的缺點。

2 印度尼西亞鎳礦利用概況

為增加礦產品的附屬價值,印度尼西亞政府頒布了原礦禁止出口法令,受此影響,很多企業被迫在印度尼西亞投資建設鎳冶煉項目,尤其是2014 年以后,鎳冶煉廠逐漸增多,目前已有13 家冶煉廠投入使用,預計2023 年,印度尼西亞鎳冶煉廠將達到30家(如圖8 所示),鎳產能也將達到約189 萬t,屆時印度尼西亞將成為全球最主要的鎳生產國。印度尼西亞鎳冶煉廠主要分布在鎳礦主產區蘇拉威西島和馬魯卡島,另外在爪哇島也有四座(兩座已建成)冶煉廠[9,15],鎳冶煉廠分布如圖6 所示。

圖8 2012—2024 年印度尼西亞鎳冶煉廠數量

印度尼西亞鎳冶煉工藝分為火法冶煉和濕法冶煉兩類。

(1)火法冶煉工藝

紅土鎳礦火法冶煉工藝包括高爐熔煉工藝、回轉窯干燥預還原-電爐熔煉(RKEF)工藝、回轉窯直接還原法等。火法工藝適于處理鎳品位較高的腐巖型紅土鎳礦。

高爐熔煉工藝是指紅土鎳礦經破碎、干燥、配料后制成燒結料,然后加焦炭和熔劑進入高爐熔煉,產品為鎳品位3%～5%的鎳生鐵(NPI,Nickel Pig Iron)[16]。采用高爐熔煉工藝的冶煉企業有萬向鎳業、新華聯等。

RKEF 工藝是指紅土鎳礦于800 ℃下在回轉窯內經干燥脫水和預還原處理,之后投入電爐,在1 550～1 600 ℃下與還原劑進行還原熔煉,產出鎳含量在8%～12%的鎳鐵(FeNi),此工藝的鎳回收率大于90%[17]。RKEF 工藝具有產品品位高、鎳回收率高的優點。力勤礦業、Antam、德龍鎳業等采用了RKEF 工藝。RKEF 鎳鐵產品經過硫化處理可以生產高冰鎳(Nickel Matte),用以制備硫酸鎳,Vale即在RKEF 的基礎上增設硫化過程,制備高冰鎳產品[18]。

(2)濕法冶煉工藝

濕法冶煉工藝包括高壓酸浸(HPAL)工藝、還原焙燒-氨浸(Caron)工藝以及常壓酸浸工藝等,在印度尼西亞,鎳礦的主要濕法處理工藝為高壓酸浸工藝。對于紅土帶中的鎂含量較低、鎳含量較低的褐鐵礦型紅土鎳礦,主要采用HPAL 工藝。

HPAL 是指鎳礦在高溫(約250 ℃)和高壓(約4 MPa)的條件下,與H2SO4反應,使Ni、Co、Fe、Al 等氧化物轉化為可溶性的硫酸鹽進入溶液,浸出液通過調節PH,選擇性除去Fe、Al 等雜質,除雜浸出液經中和提純,加入沉淀劑即可得到純凈的中間產品——混合鎳鈷氫氧化物沉淀(MHP,Mixed Nickel-Cobalt Hydroxide Precipitate),MHP 再經硫酸反萃制成硫酸鎳和硫酸鈷。高壓酸浸工藝的優勢是鎳、鈷回收率能達到90%以上,且可利用鎳品位較低的褐鐵礦型紅土鎳礦[19]。

近年來,新能源汽車大熱,帶動了對動力鋰電池的旺盛需求,硫酸鎳和硫酸鈷作為電池正極三元前驅體(鎳鈷錳氫氧化物)的重要原料,同樣需求旺盛。HPAL 工藝產品正可為新能源汽車行業提供優質的電池原料。

寧波力勤礦業(Lygend)與Harita Group 在OBI島上的鎳冶煉項目,采用的即是HPAL 工藝,該項目將于2021 年完工,每年將生產16 萬t 電池級硫酸鎳和2 萬t 硫酸鈷,將是全球產能最大的紅土鎳礦濕法項目[20]。

另外,格林美、Vale 也計劃采用HPAL 工藝建設紅土鎳礦冶煉項目。寧德時代甚至計劃與Antam合作,于2024 年在印度尼西亞直接生產電池。

以礦石處理量計,RKEF 和高爐熔煉是印度尼西亞鎳冶煉的主要工藝,分別占總處理量的53%和36%,但隨著市場需求以及政策要求,能夠與電池行業相結合的HPAL 工藝,必將成為印度尼西亞鎳冶煉的發展趨勢。

3 結論

(1)印度尼西亞鎳礦資源豐富,礦石種類為紅土鎳礦,具有易開采難分離的特點。

(2)以RKEF 法、高爐法為主的火法工藝在印度尼西亞紅土鎳礦冶煉中占有主導地位。隨著新能源產業的發展,以及對低鎳品位紅土鎳礦的利用,HPAL 等濕法冶煉工藝也將是印度尼西亞紅土鎳礦冶煉的趨勢。