紅土鎳礦制備高鎳锍技術研究進展

摘要：伴隨新能源行業的快速發展，鎳作為能源金屬備受關注。高品位硫化鎳礦日益減少，如何高效開發和利用紅土鎳礦再次成為研究的熱點。分析了紅土鎳礦鎳鐵硫化工藝和富氧側吹工藝制備高鎳锍的應用研究現狀，對未來紅土鎳礦生產高鎳锍需注意的問題及未來發展進行了展望。與已產業化的鎳鐵硫化工藝相比，富氧側吹工藝使用廉價煤資源，具有原料適應性廣、投資強度低、運營成本低等優勢。綜合來看，該工藝處理紅土鎳礦生產高鎳锍非常有競爭力。富氧側吹工藝目前在處理紅土鎳礦方面的應用還處于中試階段，相較于已工業化的鎳鐵硫化工藝，該工藝生產高鎳锍仍然需要開展大量的工程試驗工作。

關鍵詞：紅土鎳礦；富氧側吹；高鎳锍

中圖分類號：TF 815 文獻標志碼：A

鎳是一種戰略性資源，主要應用于不銹鋼、合金鋼、電鍍、電池等制造領域，是軍工、航空航天、新能源汽車等不可或缺的原料。鎳按照生產原料的不同可分為原生鎳和再生鎳。原生鎳的生產原料來自鎳礦，再生鎳的生產原料來自含鎳廢料。鎳礦主要分為硫化鎳礦和紅土鎳礦兩個礦種。硫化鎳礦含鎳1%（本文中百分數均為質量分數）左右，還含有6%～10% 的銅、鈷等有價金屬及少量貴金屬。硫化鎳礦中硫以硫化亞鐵形式存在， 熱值在2 091～4 182 MJ/t，熔煉能耗低，成本較低[1]。紅土鎳礦是指硫化鎳礦經過巖體風化—淋濾—沉積形成的鎳礦，含鎳一般為1%～3%。美國地質調查局2021 年數據顯示，全球鎳資源可開采儲量約9 400 萬t，其中約60% 是紅土鎳礦，約40% 是硫化鎳礦。紅土鎳礦集中分布在環太平洋的熱帶?亞熱帶地區，硫化鎳礦主要分布在加拿大、俄羅斯、澳大利亞、中國等國家。近年來，隨著電動汽車的發展，對鎳資源的需求量越來越大。如何更好地利用紅土鎳礦資源生產為新能源汽車行業提供原料成為一個重要課題[2-9]。

硫化鎳礦和紅土鎳礦均可以通過火法冶煉處理得到高鎳锍。高鎳锍也叫高冰鎳，是鎳、銅、鈷、鐵、金屬硫化物的共熔體。高鎳锍根據礦源不同其組分也有所差別，由于原礦中含銅量不同，硫化鎳礦所產高鎳锍含鎳50%～65%，氧化鎳礦所產高鎳锍含鎳75% 左右。高鎳锍是目前制備硫酸鎳成本最低的原材料，高鎳锍或將成為硫酸鎳原材料的主要來源。硫化鎳礦火法冶煉高鎳锍的工藝主要有閃速熔煉、電爐熔煉、頂吹熔煉，主要工藝環節為硫化鎳礦→閃速熔煉（ 電爐熔煉或頂吹熔煉） →低鎳锍→轉爐吹煉→高鎳锍。紅土鎳礦的火法冶煉工藝主要為還原熔煉生產鎳鐵和還原硫化熔煉生產鎳锍兩種。比較成熟的冶煉方法包括回轉窯?礦熱爐（rotary kiln-electric furnace，RKEF）熔煉、紅土鎳礦回轉窯硫化生產鎳锍法等[10-11]。近年來，由于大量采用RKEF 熔煉工藝生產鎳鐵的生產線在印尼投產，使鎳鐵嚴重過剩和鎳鐵價格不斷走低。同時，電動汽車市場化的加快使其對鎳原料的需求與日俱增，而電池行業需求以硫酸鎳為主。目前硫酸鎳的生產工藝主要有兩種：一是傳統的硫化鎳礦經火法冶煉過程處理得到高鎳锍，高鎳锍再通過加壓浸出—萃取—結晶處理后得到硫酸鎳；二是紅土鎳礦經高壓酸浸技術得到中間品氫氧化鎳鈷，氫氧化鎳鈷經酸溶—萃取—結晶處理后得到硫酸鎳。鑒于高鎳锍是目前制備硫酸鎳成本最低的原材料，紅土鎳礦轉產高鎳锍進入新能源行業是鎳行業增量發展的有效途徑。目前，盡管新能源行業與傳統不銹鋼行業一樣，需求表現不及預期、原料價格下跌嚴重。但高鎳锍與鎳鐵相比仍然有利潤上的優勢，具備轉產高鎳锍的驅動力。如何利用紅土鎳礦生產高鎳锍，使之與后續高壓酸浸的生產線匹配生產硫酸鎳成了擺在冶金科研工作者面前的一個現實問題。本文主要對紅土鎳礦富氧側吹工藝、RKEF 鎳鐵硫化工藝生產高鎳锍進行了對比分析，總結了兩種工藝路線的優勢和劣勢，并對下一步紅土鎳礦生產高鎳锍的發展趨勢進行了展望。

1 紅土鎳礦鎳鐵硫化工藝制備高鎳锍

利用紅土鎳礦生產高鎳锍在國外主要有兩種。一種是國際鎳公司（現為PT VALE）印尼梭羅阿科冶煉廠采用的回轉窯硫化?轉爐吹煉工藝，利用此工藝將還原過的焙砂用熔融硫磺在回轉窯中硫化處理，電爐熔化產出低鎳锍后送臥式雙轉爐吹煉得到高鎳锍。另一種為埃赫曼公司新喀里多尼亞多尼安博冶煉廠采用的回轉窯?電爐工藝。如圖1 所示，其生產流程是礦石干燥后用回轉窯進行選擇性還原，后加入電爐熔化產出鎳鐵，液態鎳鐵進入轉爐硫化產出高鎳锍[12]。印尼青山采用埃赫曼公司類似工藝于2021 年7 月開始在印尼試制高鎳锍，并于2021 年底成功投產。印尼青山高鎳锍的投產，標志著紅土鎳礦鎳鐵硫化工藝制備高鎳锍大規模工業化應用的開始， 其采用的主工藝路線為： 前序RKEF 工段→鎳鐵→轉爐硫化→轉爐吹煉→高鎳锍。硫化和吹煉分別在轉爐中完成，鎳鐵合金和石英石等熔劑從硫化轉爐爐口加入，液態硫磺從爐體側部的硫化噴嘴鼓入，大部分的鎳、鈷以及小部分鐵與硫磺發生硫化反應，生成金屬化鎳锍?？諝鈴臓t體側部風口鼓入，約70%～85% 的鐵與鼓入的空氣發生氧化反應，并與石英石造渣生成硫化轉爐渣。硫化產出的中鎳锍轉運加入吹煉轉爐，同時從爐口加入冷料、石英石熔劑等，空氣從爐體側部風口鼓入，中鎳锍中超過90% 的鐵與鼓入的空氣發生氧化反應，并與石英石造渣生成吹煉轉爐渣。由于吹煉程度較深，少量鎳和鈷也被氧化進入到渣中，需要進一步回收。大部分的鎳和鈷保留在锍相中產出高鎳锍[12]。

2 紅土鎳礦富氧側吹工藝制備高鎳锍

富氧側吹工藝是熔池熔煉技術的一種，工藝流程如圖2 所示。熔池熔煉技術是目前先進的火法冶煉技術。頂吹熔煉、底吹熔煉和側吹熔煉等都屬于熔池熔煉[13]。富氧側吹是一種采用高濃度氧氣強化冶煉過程，熔池中的物料由于受到鼓風的強烈攪拌作用快速浸沒于熔體之中，完成物理化學反應的用于處理不發熱物料的強化熔池熔煉技術[14]。由于反應產物在熔體之間形成一個寬廣的熱傳導表面，大幅強化了熱交換過程，保證了冶煉過程反應所需的溫度。同時氣體的攪拌作用又加速了液相中的化學反應，使冷料熔化速度加快，使冶金過程能穩定有效進行。富氧側吹工藝具有以下優點：（1）由于其投資小、成本低、產能大，對原料適應性很強，具有強大的應用前景；（2）既可以生產鎳鐵，也可以生產高鎳锍；（3）有處理高品位腐殖土、褐鐵礦層的前景。

陳學剛等[15] 開展了石膏選擇性還原硫化紅土鎳礦基礎試驗，并在此基礎上進行了富氧側吹硫化紅土鎳礦擴大試驗。研究發現，脫硫石膏短流程直接還原硫化紅土鎳礦生產低鎳锍工藝可行。該工藝采用工業固廢脫硫石膏作為硫化劑，可全組分利用石膏渣中的Ca、S 元素，達到“固廢綠色循環、資源化利用”的目的。且鎳回收率大于90%，鈷回收率大于87%，硫利用率大于75%，鐵回收率低于60%，可滿足紅土鎳礦鎳、鈷、鐵的選擇性還原硫化富集回收目的。

3 紅土鎳礦鎳鐵硫化和富氧側吹工藝制備高鎳锍對比分析

3.1 RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍工藝異同分析

表1 為紅土鎳礦制備高鎳锍兩種工藝路線的對比。從表1 可以看出，兩種工藝路線的差別主要體現在硫化工藝上，RKEF 鎳鐵硫化需要在轉爐中進行硫化，而富氧側吹工藝直接在側吹爐中硫化，側吹爐硫化后熔體熔點會降低，有利于后續生產的進行，具有一定的優勢。

3.2 RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍主要技術經濟指標對比分析

表2 為RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍主要技術經濟指標的對比。從表2 的對比可見，從投資來看，RKEF 鎳鐵硫化每噸投資額比富氧側吹高1 916 美元，富氧側吹工藝具有投資相對較少的優勢；從全成本來看，在不含硫化部分成本的前提下，單噸Ni 富氧側吹成本比鎳鐵硫化的低1 200 美元，具有單位加工成本低的優勢。從回收率來看，富氧側吹工藝鎳回收率比鎳鐵硫化的低 2%，但鈷回收率相對較高。綜合來看，富氧側吹工藝占優。

3.3 RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍主要環保指標對比分析

表3 給出了RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍主要環保指標的對比。由表3 可見，廢水和廢渣產出量上兩種工藝差別不大，但富氧側吹工藝的煙粉塵排放量遠高于RKEF 工藝的。這主要與富氧側吹工藝過程需要的煤約為RKEF 工藝的1.5 倍，還需要大量氧氣和壓縮空氣參與熔池熔煉反應，故煙塵的產出量增加較多。但由于煙塵大部分能夠通過收塵回收并返回原料端配料使用，實際生產過程中并不會有大量粉塵進入環境種。此外，盡管富氧側吹工藝使用了大量的煤，但其電耗只有RKEF 鎳鐵硫化工藝的36%?？紤]到印尼當地電主要來源于煤發電，綜合來講，富氧側吹綜合能耗較低。

3.4 RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍綜合對比分析

表4 為RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍綜合對比分析。從表4 可見，與RKEF 鎳鐵硫化工藝相比，富氧側吹工藝具有原料適應性廣、投資強度低、運營成本低、能耗較低的優勢，是一種非常有競爭力的處理紅土鎳礦生產高鎳锍的生產工藝。

4 結 論

鎳資源的開采與消耗不斷增加，紅土鎳礦目前已成為鎳資源需求的主要來源，鎳鐵過剩導致鎳鐵和高鎳锍之間存在的高價差將長期存在。如果純鎳價格維持在1.43 萬美元以上，鎳鐵（按鎳計）和純鎳的差價大于20%，這種高價差將驅動更多鎳鐵生產企業轉產高鎳锍。

RKEF 鎳鐵硫化和富氧側吹制備高鎳锍作為紅土鎳礦生產高鎳锍的兩種主流技術路線，工藝各有其優勢。RKEF 鎳鐵硫化工藝成熟，與目前存在的鎳鐵生產線匹配度高，在現有鎳鐵生產線基礎上改造更有優勢。富氧側吹工藝直接在側吹爐中硫化，側吹爐硫化后熔體熔點會降低，有利于后續生產進行， 具有一定的優勢。從技術經濟指標來看，RKEF 鎳鐵硫化萬噸投資額比富氧側吹工藝的高，單噸成本比富氧側吹工藝的略高。從回收率來看，富氧側吹工藝鎳回收率比鎳鐵硫化工藝的低，但鈷回收率相對較高。從主要環保指標來看，廢水和廢渣產出量兩種工藝的差別不大，但富氧側吹工藝煙粉塵排放量遠高于RKEF 工藝的。綜合看來， 與RKEF 鎳鐵硫化工藝相比，富氧側吹工藝具有原料適應性廣、投資強度低、運營成本低、能耗較低的優勢，是一種非常有競爭力的處理紅土鎳礦生產高鎳锍的生產工藝。

在印尼青山鎳鐵硫化批量產出高鎳锍后，表明采用鎳鐵硫化工藝使鎳鐵轉產高鎳锍在工業上是可行的。富氧側吹工藝使用廉價煤資源，成本略有優勢，但富氧側吹工藝在處理紅土鎳礦方面的應用還處于中試階段，相較于有著成熟的鎳鐵硫化熔煉工藝，該工藝還需要開展大量的工程試驗工作?？梢灶A見，在設計院和國內礦冶企業的持續努力下，富氧側吹工藝處理紅土鎳礦生產高鎳锍實現大規模生產應用只是時間問題。