紅土鎳礦高壓酸浸技術優化研究

摘要：近年來，印度尼西亞掀起高壓酸浸項目投資熱潮，多個項目已投產或處于規劃中。項目一般由中方背景主導，技術成熟，裝備可靠，單位投資較低，建設速度較快，運營經驗豐富，爬坡期較短，單線產能大，裝備國產化趨勢明顯。高壓酸浸（High Pressure Acid Leach，HPAL）技術優化涉及4個重點，一是提高原礦漿濃密底流濃度，二是預熱方式優化，三是一段沉鎳鈷流程優化，四是沉鎳鈷沉淀劑優化。高壓酸浸技術主要有5個發展方向，即尾渣綜合利用、關鍵設備國產化替代、增加高壓釜長度、配礦和錳綜合回收利用。本文結合近年來紅土鎳礦高壓酸浸技術的發展特點，分析高壓酸浸技術優化重點，指出高壓酸浸技術發展方向，為新建項目的規劃和運營提供有效指導。

關鍵詞：紅土鎳礦；高壓酸浸；技術優化

中圖分類號：TF815 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）02-00-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.02.028

Research on the Optimization of High-Pressure Acid Leaching Technology for Laterite Nickel Ore

LIU Xiquan1， ZHANG Zhi2，3， JIA Luping2，3， LIU Hong2，3， YE Minjie1， TANG Honghui1

（1. Hunan Brunp Recycling Technology Co.， Ltd.， Changsha 410600， China; 2. Guangdong Brunp Recycling Technology Co.， Ltd.;

3. Ningbo Contemporary Brunp Lygend Co.， Ltd.， Foshan 528137， China）

Abstract： In recent years， Indonesia has sparked a wave of investment in high-pressure acid leaching projects， with multiple projects already in operation or under planning. Projects are generally led by the Chinese background， with mature technology， reliable equipment， low unit investment， fast construction speed， rich operational experience， short ramp up period， large single line production capacity， and a clear trend of equipment localization. The optimization of High-Pressure Acid Leaching （HPAL） technology involves four key points： first， improving the concentration of the original slurry at the bottom flow; second， optimizing the preheating method; third， optimizing the first stage nickel-cobalt precipitation process; and fourth， optimizing the nickel-cobalt precipitation agent. There are five main development directions for high-pressure acid leaching technology， namely comprehensive utilization of tailings， domestic substitution of key equipment， increasing the length of high-pressure vessels， ore blending， and comprehensive recovery and utilization of manganese. Based on the development characteristics of high-pressure acid leaching technology for laterite nickel ore in recent years， this paper analyzes the optimization focus of high-pressure acid leaching technology， points out the development direction of high-pressure acid leaching technology， and provides effective guidance for the planning and operation of new projects.

Keywords： laterite nickel ore; high-pressure acid leaching; technical optimization

高壓酸浸（HPAL）是一種在高溫高壓條件下，高選擇性地從褐鐵礦型紅土鎳礦中提取有價金屬元素鎳鈷的工藝[1-3]。該工藝的流程主要包括洗礦和選礦、原礦漿濃密、高壓酸浸、循環浸出、逆流傾析（Counter Current Decantation，CCD）、除鐵鋁、沉鎳鈷以及尾渣中和等環節[4]。高壓酸浸的顯著特點在于操作溫度高（250～260 ℃）、壓強大（4.3～4.8 MPa），浸出時間短（45～60 min），并且酸耗較低（30 t酸/t鎳）[5-8]。同時，在冶煉系統中，該工藝能夠實現90%的鎳鈷回收率。高壓酸浸技術的工藝流程如圖1所示[9-10]。

1 紅土鎳礦高壓酸浸技術的發展特點

2021年以來，印度尼西亞（簡稱印尼）掀起高壓酸浸項目投資熱潮，已投產和規劃中的項目詳細信息如表1所示。這些項目有一些顯著的共同特點。

1.1 中方背景主導

從投資方組成、工程設計、設備供貨、施工建設到生產運營等項目全周期的多個方面，項目都以中資企業和中國人員為主導。

1.2 技術成熟，裝備可靠

得益于Ramu項目的成功經驗，新建項目采用與Ramu項目高度一致的工藝路線，并且使用經過行業驗證的關鍵設備。

1.3 單位投資較低

根據前述項目公告信息，這些項目的投資強度為2億美元/萬噸鎳，遠低于此前項目的投資強度

（3億～5億美元/萬噸鎳）。隨著項目規模和單線產能加大，投資強度還在進一步降低。

1.4 建設速度較快

在經歷完整社會危機沖擊的情況下，上述已投產項目普遍在3年內完成建設調試，建設速度遠超之前項目。

1.5 運營經驗豐富，爬坡期較短

Murrin-Murrin項目、Ambatovy項目和Goro項目多年來一直未能達產，Ramu項目也歷經3～4年才達產。相較于以往項目，這些印尼項目從投產到超產通常僅需要3～6個月，表明運營人員已經完全掌握高壓酸浸技術。

1.6 單線產能大，裝備國產化趨勢明顯

高壓酸浸單線產能達到20 000 t鎳/a，并廣泛應用國產高壓反應釜（容積超過1 000 m3）、大型攪拌槽（容積超過4 000 m3）、大型濃密機（容積超過

8 000 m3）。高壓攪拌槽、硫酸隔膜泵、濃密機、壓濾機、高壓球閥、閃蒸閥、安全閥和料漿閥等裝備的國產化替代也在加速進行。

2 高壓酸浸技術優化

高壓酸浸技術已經成熟，近年來涌現眾多投產和規劃中的項目，但依然存在較大的提升潛力。因此，有必要深入開展技術研究，提出優化措施。

2.1 提高原礦漿濃密底流濃度

提高原礦漿濃密底流濃度，有效固體量增加。在不增加高壓酸浸的設備投資和能耗情況下，可以提高產能。通常，在生產過程中，保持浸出后礦漿殘酸濃度在30～40 g/L。若原礦漿濃度提高，礦石處理量不變，則礦漿體積減小，酸耗降低。為了提高原礦漿濃密底流濃度，可采取兩項措施。

2.1.1 采用更大直壁高度和錐角的深錐高效濃密機

目前，原礦濃密機的直壁高度通常在4～8 m，錐角為30°，底流固含量一般為37%～39%。而采用深錐高效濃密機，其直壁高度大于8 m，錐角范圍為30°～45°。通過增加直壁高度和調整錐角，濃密機的總高度增加，從而產生更大的液柱靜壓強和泥層厚度，使得底流固含量可以提高為41%～43%。

2.1.2 提高原礦漿溫度

目前，原礦漿的溫度通常維持在20～30 ℃，底流固含量一般在37%～39%。隨著底流固含量繼續增加，礦漿的黏度和屈服應力顯著增加，使得底流泵輸送礦漿變得更為困難，要進一步提高泵的揚程，從而增加能耗。為了解決這一問題，可將原礦漿的溫度升高至50～100 ℃，礦漿黏度降低有助于底流泵更順暢地運行。

2.2 預熱方式優化

傳統礦漿三級預熱流程如圖2所示，礦漿在進入高壓釜前需要多次泵送（低溫預熱器給料泵1臺，中溫預熱器給料泵2臺串聯，高溫預熱器給料泵3臺串聯）。為了確保安全可靠，通常采用1組工作、1組備用的設計思路，因此需要12臺渣漿泵[11]。三級預熱方式是直接接觸逆流換熱，預熱器內閃蒸蒸汽（含酸）與礦漿換熱，使得礦漿由中性變為酸性（pH為2～5）。此外，由于溫度為100～210 ℃，物料具有強腐蝕性，因此預熱器和預熱器給料泵必須使用價格昂貴的材料，如鈦材、超級雙相不銹鋼和特種合金等。礦漿被泵送進入預熱器時，礦漿壓強瞬間降低至預熱器內部壓強，導致礦漿壓強的大量浪費。最后，預熱器內礦漿與蒸汽直接接觸，導致礦漿被稀釋、體積增大，從而增加硫酸的消耗。

濃縮后礦漿采用間接預熱方式，流程如圖3所示。采用4臺串聯的套管式預熱器，管內和管外分別進礦漿和蒸汽。前三臺預熱器（1#、2#、3#）使用閃蒸蒸汽作為加熱介質，而第4臺預熱器（4#）的加熱介質可以是生蒸汽、熔鹽或導熱油。由于預熱方式為間接接觸逆流換熱，礦漿在中性條件下被加熱到預定溫度，礦漿腐蝕性降低。因此，預熱器材質可以由昂貴的鈦材、超級雙相不銹鋼和特種合金變為碳鋼或雙相不銹鋼，減少預熱器投資。此外，采用一泵到底的方式，即只需要使用1臺高壓隔膜泵（出口壓強5.5～6.5 MPa），

將礦漿從預熱器進料口一路泵送到高壓釜，省去中間泵送環節，從而顯著減少輸送能耗。相比目前高壓隔膜泵在高溫酸性工況下工作，優化后高壓隔膜泵在常溫無腐蝕工況下工作，泵材質可選擇碳鋼，從而大幅降低高壓隔膜泵投資。最后，由于采用間接接觸預熱，礦漿被預熱后固含量不會降低。

2.3 一段沉鎳鈷流程優化

目前，一段沉鎳鈷出料槽礦漿被直接泵送至濃密機固液分離，濃密底流進入產品壓濾機，最終產出氫氧化鎳鈷（MHP），濾液和濃密溢流去二段沉鎳鈷。上述流程產出的MHP粒徑較細，粒度分布寬，同時含水率為55%～60%。優化一段沉鎳鈷流程后，在一段沉鎳鈷出料槽與濃密機之間增設旋流分級機。一段沉鎳鈷礦漿先泵送至旋流分級機，分級機底流去產品壓濾機，產出MHP。分級機溢流去沉鎳鈷濃密機，濃密機溢流自流進入二段沉鎳鈷，濃密機底流泵送至一段沉鎳鈷首槽，用作晶種。增設旋流分級機更有助于獲得粒徑大、粒度分布窄、形貌均勻、顆粒致密、含水率更低的MHP。濃密底流得到的晶種粒度小，表面能大，有助于晶種生長和附聚。

2.4 沉鎳鈷沉淀劑優化

紅土鎳礦高壓酸浸工藝中，一段沉鎳鈷使用5%～10%氫氧化鈉做沉淀劑，氫氧化鈉溶于水后完全電離，使一段沉鎳鈷礦漿局部過堿，礦漿中鎳鈷沉淀的同時，錳和鎂等雜質元素也會部分沉淀（錳沉淀率小于20%），這導致產品MHP富集雜質離子，鎳鈷含量低、水分高。混合硫化鎳鈷沉淀技術已成功應用于Moa、Ambatovy等項目，該技術通常在溫度65～125 ℃、時間15～60 min的條件下實施，沉淀終點pH控制在1.5～2.5，以確保鎳鈷沉淀率分別達到99%和98%。壓濾后產品含鎳量達到55%，同時含水率小于20%。然而，該工藝也存在易形成結垢、需要預防H2S危害、設備密封和防腐要求高等缺點[12]。

氧化鎂沉淀鎳鈷技術在澳大利亞Ravensthorpe項目已經得到應用，該技術沉淀溫度為60～70 ℃，鎳鈷沉淀率為95%。阮書鋒等[13]采用活性氧化鎂從含錳、鎂的硫酸鹽介質中選擇性沉淀富集鎳鈷，鎳沉淀率為97.96%，鈷沉淀率為96.43%。活性氧化鎂具有堿性溫和、不產生局部過堿、成本低等優點，更加適合做沉鎳鈷沉淀劑。固含量為25%～30%的氧化鎂料漿與一段沉鎳鈷礦漿混合，活性氧化鎂加入量為0.85 t/t鎳，反應時間為2～4 h，終點pH控制在7.5～8.0。壓濾后得到MHP產品，其含水率小于40%，鎂含量小于3%，而且活性氧化鎂沉鎳鈷過程不需要做晶種循環，可以降低能耗。

3 高壓酸浸技術發展方向

3.1 尾渣綜合利用

尾渣是提取紅土鎳礦中的有價金屬后產生的CCD渣和除鐵鋁渣，在尾渣中和工序匯合后，使用石灰乳調整pH至8.1～8.5，形成含固漿體。其外觀為紅色泥漿，固含量為30%～35%，具有較好的流動性，少量尾渣泥漿即可將水染成紅色。尾渣有一定危害且渣量巨大（大于110 t/t鎳），在印尼被劃歸為固體廢物。如果處置不當，易造成災難性安全和環保事故。

最經濟的處置方法是深海填埋（Deep Sea Tailing Placement，DSTP），該方法由Ramu項目首創，即將尾渣送至混合槽用海水稀釋，依靠尾渣與海水的密度差，通過高密度聚乙烯（High-Density Polyethylene，HDPE）管道將尾渣輸送至深海排放點，然而很多國家（包括印尼）都不允許尾渣深海填埋。目前，印尼投產的項目普遍采用尾渣庫堆存，包括干法堆存和濕法堆存兩種，但是印尼對干法庫和濕法庫的建設有諸多限制，例如，壩高超過一定高度（干法庫為15 m，濕法庫為50 m），需要獲得中央政府批準，審批難度大、時間長。此外，尾渣庫占地面積通常達到幾百公頃，存在征地難度大、建設周期長、投資巨大（單位庫容投資10～15元/m3）等問題。

關于高壓酸浸尾渣的綜合利用，許多研究人員已進行一些嘗試，主要方法為磁化焙燒和還原熔煉，旨在綜合利用尾渣中鐵資源。磁化焙燒是將尾渣中的鐵還原為磁性的Fe3O4，并通過磁選來富集鐵，形成鐵精礦。焙燒溫度一般為800～950 ℃，鐵回收率大于85%，鐵精礦含鐵量大于55%。但是，該方法焙燒溫度不高，未能改變尾渣性質，并未徹底解決尾渣堆存問題。

具有潛在應用前景的是還原熔煉法，該方法是將尾渣作為生產生鐵的原料。試驗證明，反應溫度為1 500～1 600 ℃，還原劑添加量為10%，助劑添加量為10%時，鐵回收率大于95%，而且生鐵中鐵含量大于93%。該方法的優點是尾渣價格低廉，煉鐵后尾渣由濕法渣轉變成火法渣，可以作為一般固廢堆存或作為建材原料，節約尾渣庫投資和處理費用，并產生顯著環境收益。鐵礦石價格較高時，該方法具有一定的經濟收益。但尾渣還原熔煉也有一定缺點，尾渣中鐵含量低、硫含量高、含水率高，相對于鐵礦石，相同設備投資的情況下，該方法產能低，能耗高，脫硫費用高。因此，鐵礦石價格低時，競爭力可能不足。

3.2 關鍵設備國產化替代

目前，已投產高壓酸浸項目中，關鍵設備的國產化比例較低，尤其是濃密機驅動裝置、壓濾機、隔膜泵、預熱器給料泵、苛刻工況閥門等，上述進口設備價格貴，采購周期長（很多超過1年），售后服務不及時，返廠維修周期長。相同規格國產裝備價格低，供貨周期短，售后維護及時，國產化替代的潛力很大。隨著國內廠商研究的不斷深入和加工技術的進步，上述設備已在多個項目進行一些國產化替代，取得一定經驗。

單個高壓酸浸項目一般需要配備20臺濃密機，規格（直徑）為28～55 m，核心驅動電機或者液壓泵可采用國際一線品牌，齒輪軸承、刮泥裝置及傳動軸都可以在國內完成制造，濃密機驅動裝置可以逐步實現全部國產化。國產壓濾機在重載工況已有超過10年應用經驗，其過濾面積可做到600～1 300 m2（立式壓濾機過濾面積可做到180 m2），過濾性能與進口壓濾機相差不大，但價格僅為后者的1/3左右，在產品壓濾和尾渣過濾工序完全可以替代進口壓濾機。

國產硫酸隔膜泵在印尼多個項目作為備用泵使用，性能已經得到驗證，完全可以替代進口硫酸隔膜泵。國產中溫高溫預熱器給料泵正在進行驗證，現場反饋運行穩定，且性能優于進口給料泵，待使用壽命達標后可以實現國產化替代。很多印尼投產項目使用進口刀閘閥，這些閥門可以由國產Y形閥（Y形料漿閥、平底放料閥和管接放料閥）替代，國產Y形閥在料漿系統有超過20年的應用經驗，耐磨、耐腐蝕、抗結疤等性能優異，且其價格僅為進口刀閘閥的1/4左右。

國產閃蒸閥已成功應用于100 m3高壓酸浸中試線，易損件使用壽命超過一年。接下來，國產閃蒸閥將在1 000 m3生產線上作為備件使用，待性能驗證可靠后可替代進口閃蒸閥。國產苛刻工況球閥已在高壓酸浸段替代部分同類型國外閥門，閥門密封和易損件使用壽命都能滿足要求，可逐步實現國產化替代。

3.3 增加高壓釜長度

受一系列問題（鋼廠壓制一致性、壓強變化、高壓釜厚度增加）約束，5 900 mm是當前高壓釜筒體直徑的極限，由于高壓釜長度方向由若干筒節焊接而成，增加筒節數量即可增大高壓釜容積。相比采用增加高壓釜數量來擴大產能的方式，增大高壓釜容積可同樣增大產能，且有效降低單噸礦石的硫酸和蒸汽的消耗，降低生產成本，提高項目的經濟效益，因而增加高壓釜長度將會是近期高壓釜制造和應用的發展方向。

3.4 配礦

高壓酸浸技術早期主要用于處理低鎂褐鐵礦，基于多年技術應用、硫酸或硫磺的市場價格，將品位更高的殘積礦配入褐鐵礦也是高壓酸浸應用技術發展方向之一。通過配礦，可提高鎳品位，降低鋁含量，提升紅土鎳礦的綜合利用水平和項目的經濟效益。

3.5 錳綜合回收利用

二段沉鎳鈷后，廢液鎳鈷濃度低（0.5 mg/L），但是錳濃度較大（0.2 g/L），低成本地回收廢液中的錳元素同樣是未來工藝研究和發展的方向之一。最常用的廢液除錳方法為化學沉淀法，該技術可將可溶性錳鹽轉化為不溶性沉淀。張少博等[14]在60 ℃溫度下用NaOH除錳，除錳后液中Mn2+含量小于10 mg/L。雖然該方法除錳效果好，但是化學試劑消耗量大、污泥產生量大，因此研發應用低成本的新型沉淀劑會是未來的研究方向之一。絮凝沉淀同樣可以用來去除廢液中錳元素，且除錳效果更佳，但該方法同樣存在化學試劑消耗量大、污泥產生量大的問題。余海軍等[15]制備負載α-FeOOH的樹脂，樹脂用量為2.2 g/L，反應溫度為25 ℃，反應時間為2 h時，樹脂除錳率達99.9%。該技術利用樹脂的特種功能基團對重金屬離子有高親和力的特性，選擇性地吸附廢液中的錳，且再生液是高濃度錳鹽，可完全實現錳資源的回收利用。

4 結語

經過70年的發展，紅土鎳礦高壓酸浸技術已經成熟。印尼投產的多個項目都采用最新的工藝路線，其共同特點為：中方背景主導，技術成熟，裝備可靠，單位投資較低，建設速度較快，運營經驗豐富，單線產能大，裝備國產化趨勢明顯。經深入調研，高壓酸浸技術優化涉及4個重點，即提高原礦漿濃密底流濃度、礦漿預熱方式優化、一段沉鎳鈷流程優化和沉鎳鈷沉淀劑優化；發展方向主要有5個，即尾渣綜合利用、關鍵設備國產化替代、增加高壓釜長度、配礦和錳綜合回收利用。技術優化有助于提高項目技術經濟指標，降低投資和運營費用，促進紅土鎳礦濕法冶煉可持續發展。在新項目工程設計和生產運營中，可以結合實際情況進行有效整合，預計年產6萬t鎳的紅土鎳礦新建項目，單位投資強度可以減低到1.5億美元/萬t鎳以內，完全生產成本降低600美元/t鎳。

參考文獻

1 田慶華，李中臣，王親猛，等.紅土鎳礦資源現狀及冶煉技術研究進展[J].中國有色金屬學報，2023（9）：2975-2997.

2 GUO X Y，SHI W T，LI D，et al.Leaching behavior of metals from limonitic litarite ore by high pressure acid leaching[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011（1）：191-195.

3 武兵強，齊淵洪，周和敏，等.紅土鎳礦濕法冶金工藝現狀及前景分析[J].中國冶金，2019（11）：1-5.

4 常龍嬌，傘欣悅，梁 棟，等.紅土鎳礦冶金技術研究現狀[J].礦冶，2020（5）：63-68.

5 施 洋.高壓酸浸法從鎳紅土礦中回收鎳鈷[J].有色金屬（冶煉部分），2013（1）：4-7.

6 付建國，劉 誠.紅土鎳礦高壓酸浸工藝現狀及關鍵技術[J].中國有色冶金，2013（2）：

6-13.

7 楊瑋嬌，馬寶中.紅土鎳礦加壓酸浸工藝進展[J].礦冶，2011（3）：61-67.

8 皮關華，孔凡祥，賈露萍，等.瑞木紅土鎳礦高壓酸浸的生產實踐[J].中國有色冶金，2015（6）：11-14.

9 馬保中，楊瑋嬌，王成彥，等.紅土鎳礦濕法浸出工藝的進展[J].有色冶金（冶煉部分），2013

（7）：1-8.

10 朱宇平.紅土鎳礦濕法冶金工藝綜述及進展[J].冶金冶煉，2020（18）：5-7.

11 劉希泉，葉民杰，黎 亮，等.一種紅土鎳礦高壓酸浸方法：CN111004916A[P].2020-04-14.

12 賈露萍.混合硫化鎳鈷沉淀工藝評述[J].中國有色冶金，2018（5）：1-5.

13 阮書鋒，居中軍，李 強，等.活性氧化鎂從硫酸鹽介質中選擇性沉淀鎳鈷的研究[J].有色金屬（冶煉部分），2013（9）：1-3.

14 張少博，王三反，邢 越.水中除錳技術綜述[J].應用化工，2020（3）：687-691.

15 余海軍，李愛霞，謝英豪，等.樹脂負載α-FeOOH處理含錳礦山廢水[J].廣東化工，2022（3）：148-152.