根据镍矿种类不同,冶炼端一般会采取不同的技术与工艺。通常,红土镍矿采用火法冶炼直接生产水淬镍(FeNi,Ni含量>15%)或镍生铁(NPI,Ni含量<15%),也会采用湿法工艺形成氢氧化镍,再进一步制备生产硫酸镍或电解镍。硫化镍矿的冶炼工艺以采取火法为主,而目前采用湿法冶炼硫化镍矿的企业较少。

从红土镍矿来看,矿床分层通常在地表以下0~40米的范围内,而有价元素主要分布在褐铁矿层、过渡矿层和腐泥矿层。褐铁矿层具有含镍量低、含钴量和含铁量高的特征,主要采用湿法工艺回收金属。过渡矿层和腐泥矿层两类残积层的特点与褐铁矿层相反,主要通过火法冶炼处理(见表1)。

表1  红土镍矿矿层的特点和主要加工工艺

资料来源:公开资料整理,《红土镍矿选矿工艺与设备的现状及展望》。

常用的红土镍矿湿法冶炼工艺包括加压酸浸法(HPAL)和还原焙烧—氨浸法(RRAL)等。加压酸浸法是在245℃~260℃、4MPa~5MPa的高温高压环境下,将红土镍矿研磨制得的矿浆与稀硫酸发生化学反应,并将红土镍矿中的镍、钴、铁、铝、硅等矿物浸出。通过改变酸碱值使铁、铝、硅矿物形成沉淀,并让镍和钴矿物进入浸出液中,而后再用还原法将镍和钴矿物沉淀得到氢氧化镍钴(MHP)。在此方法下,镍的回收率高达90%左右。与之类似,常压酸浸法是指通过磨细的矿浆、洗涤液和硫酸加热反应,使镍和钴进入溶液,并使用碳酸钙进行中和过滤,最后经过除杂和沉淀使浸出液中的镍和钴析出。与加压酸浸法相比,常压酸浸法不需要高温高压的环境,故工艺简单、设备成本和能耗较低。但是,此方法存在浸出液分离的问题,浸渣中易有残留,镍回收率略低于加压酸浸。

还原焙烧—氨浸法是历史更为悠久的红土镍矿湿法冶炼工艺。

第一步是将碾碎后的红土镍矿、煤粉和石灰混匀后还原焙烧,并对氨浸焙烧后的矿石进行硫化处理浸出液,使钴以硫化物形式析出,再对浸出液蒸氨后得到碱式碳酸镍,最后经过煅烧制得氧化镍。还原焙烧—氨浸法的优点是碳酸铵溶剂易回收和循环利用、常压、腐蚀性较小。但是,该工艺不仅能耗高,而且镍和钴的回收率低于加压酸浸。到目前为止,全球采用该工艺处理红土镍矿的企业较少。整体而言,湿法工艺的镍回收率尚可,且能耗较火法更低,但工艺流程较为复杂,项目前期建设周期和投资成本较大(见图1、图2)。

图1　红土镍矿加压酸浸生产中间品工艺流程

资料来源:公开资料整理。

图2　红土镍矿还原焙烧—氨浸法生产氧化镍工艺流程

资料来源:公开资料整理。

红土镍矿的火法冶炼可以通过镍铁工艺和还原硫化的方法制得镍铁和镍锍。从镍铁工艺来看,由于我国镍矿来源的品位偏低,镍铁工艺主要以NPI冶炼为主。NPI冶炼主要包括回转窑—矿热炉冶炼(RKEF)、电炉冶炼(EF)和高炉冶炼(BF)。RKEF工艺流程主要为:矿石配料—干燥窑—回转窑焙烧—矿热炉冶炼—产出镍生铁。该方法的工艺较为成熟,且生产效率高。但是,其生产能耗水平较高,且成本对镍矿敏感度较高。矿石镍品位每降低0.1%,生产成本增加3%~4%。EF工艺由于整体生产成本高于RKEF工艺,目前已逐步被淘汰,截至2022年,其NPI产量占比已低于0.5%。BF工艺的流程主要为:红土镍矿—脱水烧结造球—配入焦炭熔剂—高炉冶炼—产出低镍生铁。国内采用BP工艺冶炼低镍生铁的企业主要以200系不锈钢一体化生产为主(见图3、图4)。

图3　2021年1月—2022年12月中国NPI分工艺产量

资料来源:上海有色网。

图4　镍铁工艺流程

资料来源:上海有色网。

我国通过RKEF工艺生产的NPI产量占比达80%左右。在印尼禁止镍矿出口之后,青山、德龙等企业在印尼当地将红土镍矿加工生产NPI并出口至我国,工艺也以RKEF为主。因此,国内市场流通的镍铁主要为RKEF生产的高镍生铁。FeNi的冶炼对镍矿品位的要求较高,其工艺主要由海外企业所采用。它的工艺流程与NPI冶炼比较类似,在矿热炉冶炼后增加了精炼环节,产出的FeNi含镍量更高。全球FeNi产能主要分布在海外地区,如图5所示。

图5　全球FeNi产能主要分布

资料来源:上海有色网。

从还原硫化的火法工艺来看,其主要是将红土镍矿加工至低冰镍并转炉吹炼至高冰镍(见图6)。尽管其工艺流程较为简单、成本和能耗偏低,但是该工艺的镍回收率显著低于镍铁工艺,且需要处理工艺所产出的有害气体,故目前所采用的企业较少(见表2)。

图6　红土镍矿还原硫化工艺

资料来源:上海有色网。

表2  采用还原硫化法加工红土镍矿至中间品的企业

资料来源:上海有色网。

对比红土镍矿的湿法与火法冶炼,火法工艺目前已较为成熟,不仅工艺流程简易,而且具有较高的镍回收率、更低的初期建设成本和更短的建设周期。湿法工艺在能耗、碳排放等方面优势凸显。同时,在项目运行投产阶段,湿法项目每吨镍的生产成本比火法项目低10%~20%。从长期投资来看,湿法工艺主要以加压酸浸工艺为主,其产成品主要为更具有成本优势的氢氧化镍,故在下游企业向上游冶炼端布局一体化的进程中更具经济性优势。然而,湿法工艺存在尾矿矿渣处理的环保问题,火法工艺和湿法工艺分别具有其各自的优势与劣势(见表3)。

表3  火法工艺与湿法工艺优劣势比较

资料来源:上海有色网,公开资料整理。

全球重点企业的硫化镍矿以火法冶炼工艺为主,包括中国金川、中国新鑫、中国吉恩、俄罗斯诺里尔斯克、加拿大淡水河谷、挪威嘉能可、澳大利亚必和必拓等。硫化镍矿以火法冶炼生产高冰镍为主,也是国内重点企业的主要工艺(见表2-5)。首先,硫化镍矿在进行火法冶炼前需要通过选矿工艺进行初步提纯,若硫化镍矿的镍含量高于3%,则可以直接入炉冶炼,而镍含量低于3%的富镍或者贫镍矿石需先经选矿进行富集。焙烧过程需要在1350℃以上进行,所需设备主要包括鼓风炉、反射炉、闪速炉和电炉等,而后再将制得的低冰镍转炉吹炼至高冰镍(见图7)。除了硫化镍矿的火法冶炼之外,芬兰Terrafame矿业公司也通过生物堆浸法生产镍钴硫化物(MSP)。

表4  全球中间品的生产以硫化镍矿的火法冶炼为主

资料来源:上海有色网。

图7　硫化镍矿火法冶炼工艺流程

资料来源:上海有色网,公开资料整理。