硝酸浸出紅土鎳礦發展現狀

許春蓮，何云霞，王曉民，劉道科，劉冰川，祁世兵

（1 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室1 ，甘肅 金川 737100；2 金川動力廠2，甘肅 金川 737100；3 金川營銷公司3 ，甘肅 金川 737100）

1 概述

隨著世界硫化鎳礦資源的不斷消耗，提升或開發從紅土鎳礦中更高效、經濟地提取鎳和鈷的工藝是目前及未來不斷研究和關注的焦點。工業化紅土鎳礦冶煉工藝總體上分為濕法與火法兩種，火法冶金工藝適用于腐殖土層紅土鎳礦，主流技術是回轉窯-礦熱爐（RKEF）工藝；濕法冶金工藝適用于褐鐵礦層紅土鎳礦，主流技術為高壓酸浸（HPAL）工藝。高壓酸浸工藝已不斷完善和發展，但該工藝中硫酸不能回收利用，運行成本高。為此，國內外研究者對硝酸浸出紅土鎳礦技術進行了研究和探索，目前成功開發并完成中試試驗的主要有DNiTM（Direct Nickel ProcessTM）工藝和我國褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術。

2 DNiTM工藝

DNiTM工藝是從紅土鎳礦中提取鎳的一種常壓濕法鎳冶金工藝，由艾替列姆集團有限公司（Altilium Group Ltd）與澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation以下簡稱CSIRO）及泰克資源有限公司(Teck Resources Limited)合作開發，能夠處理褐鐵礦層、過渡層及腐殖土層所有層位的紅土鎳礦，工藝的關鍵是以純硝酸代替傳統加壓酸浸工藝中的硫酸作為浸出介質，采用可回收95%以上的硝酸循環利用的專利技術。

采用DNiTM工藝，首先將鎳礦進行干燥破碎，將破碎粒度<1mm的鎳礦與硝酸混合，其中鎳礦粒占到20%到30%，然后加熱至110℃，浸出時間保持2-6小時（一般為4小時）后，約一半的鎳礦在硝酸中溶解，不溶的殘留物則在中和后送至尾礦處理車間。在對浸出液進行鐵水解以提取鐵和鉻過程中，赤鐵礦（Fe2O3）生成。將MgO添加到浸出液中以沉淀鋁，進一步添加MgO以生成混合鎳鈷氫氧化物產品，其含鎳（按重量計）35%～40%，含鈷（按重量計）約2%。剩余的溶液通過一系列蒸發器回收，然后進行熱分解。廢溶液轉化為MgO和NOx氣體。部分MgO在工藝流程中被重復利用，但大部分可以出售。NOx氣體被加工成硝酸，在工藝流程中被重復利用，工藝簡圖見圖1。

圖1 DNi TM工藝簡圖

2.1 DNiTM工藝特點

DNiTM工藝在常壓、溫度在110℃左右的條件下浸出鎳礦，能夠生產與高壓酸浸工藝（以下簡稱HPAL）工廠相同的兩種主要產品（鎳鈷氫氧化物中的氫氧化鎳和氫氧化鈷），但不涉及HPAL工藝所需的高壓和高溫。相比HPAL工藝，DNiTM工藝更具有以下特點：

（1）可處理整個紅土鎳礦床的鎳礦。

（2）工藝適應性強。在加工廠內，通過增加不同的精煉裝置，生產需要的產品。目前，DNiTM工藝可生產鎳/鈷金屬、鎳/鈷氧化物及鎳/鈷硫化物、商業赤鐵礦和氧化鎂產品。

（3）工藝95%以上的硝酸浸出介質可被回收和再生利用，降低了生產成本并有效地減少了相關環保問題。

（4）不需要高壓、高溫或特殊材料的設備，建廠資本成本大大降低。此外，其最低生產規模約為5000t/a鎳產量，明顯小于具有競爭性工藝必須建設的生產規模。

（5）可以采用應用于工業生產的現成設備，設備材質可選用304或316不銹鋼。工廠建設可采用模塊化設計，進一步降低成本。

（6）DNiTM工藝產生的廢渣約占HPAL工藝的三分之一。

（7）DNiTM工藝下資本性支出范圍在25000～30000$/t之間，生產的可產品可產生更多價值，而HPAL工藝平均資本性支出為49000$/t,只生產NiCo及少量Sc產品。

根據Altilium公司研究，建設同等規模工廠，由于DNiTM工藝在常壓下利用硝酸提取所有有價金屬并且可回收95%以上的硝酸，這與采用HPAL工藝相比，采用DNiTM工藝建廠的資本成本大大降低。鑒于目前對這兩項工藝下建廠資本成本難以進行實際定量對比，以采用DNiTM工藝下建設的工廠，每年處理約140萬t干鎳礦，生產20000t鎳（加上所有其他產品），資本成本不到7.5億美元作為參考。

至于運營成本，DNiTM工藝可提取的有價金屬對經濟分析產生了重大影響。DNiTM工藝下，當副產品的價值實現時，鎳生產的直接成本約為2.35$/lb（或5000 $/t）。

2.2 DNiTM工藝中試試驗

DNiTM工藝于2013年進行了實驗室試驗，并在CSIRO的西澳大利亞沃特福德試驗廠成功進行了從鎳礦浸出到硝酸回收全工藝流程的每天1噸處理量的中試試驗，共進行了19項鎳礦浸出試驗。

試驗廠分兩期建設。一期為一個簡化流程建設，缺少幾個關鍵的最終產品精煉步驟。資金到位后，二期將剩余的工藝步驟建設完成，工藝流程見圖2。根據二期工藝試驗運行的結果，DNi對二期的流程進行了部分改造，最終設計為后續工程研究奠定了基礎。

圖2 中試廠流程圖

2.2.1 試驗原料

試驗用原料包括來自印尼北馬魯古省譚勻布利(Tanjung Buli以下簡稱Buli)鎳礦、巴西鎳礦[2]，見表1，表2及表3。

表1 Buli 紅土鎳礦礦成分, wt%

表2 試驗廠用紅土鎳礦典型成分,wt%

表3 用于單項試驗巴西鎳礦成分, wt%

2.2.2 DNiTM工藝產品

采用DNiTM工藝生產的主要產品是混合鎳鈷氫氧化物（MHP）或混合鎳鈷氧化物（MOP），該工藝下處理印度尼西亞Tanjung Buli礦石的商業工廠產品質量為：混合鎳鈷氫氧化物中Ni、Co、Fe、Mg、Al、Mn的含量分別為45.4%、1.2%、0.5%、2.0%、2.9%、2.0%、1.5%；混合鎳鈷氧化物中Ni、Co、Fe、Mg、Al、Mn的含量分別為68.1%、1.8%、0.7%、3.0%、4.4%、3.0%。

除鎳/鈷產品外，DNi工藝還生產Fe和MgO產品，Fe產品中Mg、Fe、Fe2O3、Ni、Mn、Cr、Al 含量分別為0.27%、59.8%、85.4%、0.14%、0.46%、0.35%、0.78%，Ca含量<0.01%；MgO中Mg、MgO、Ca、Fe、Ni、Mn、Cr、Al 含量分別為57.0%、95.0%、1.0%、0.1%、0.06%、0.11%，Cr、Al 含量分別<0.02%、<0.02%。見表 6。品質好的MgO產品可用于化工和水處理工業，而較低質量的氧化鎂則用于農業。一般來說，60%左右的鐵產品是容易銷售的。

2.2.3 試驗試驗總結

（1）實驗結果表明，該工藝簡單安全，可連續運行。

（2）金屬鎳、鈷、鐵和鎂的金屬回收率符合實驗室結果，鎳回收率為90%，硝酸回收率達到95%。

（3）工藝運營成本在2.00美元至3.00美元/磅（信貸前）之間。

（4）混合鎳鈷氫氧化物鎳含量為40%，副產品質量良好。

2.3 工藝商業化推廣現狀

（1）NHT公司

PT Nickel Halmahera Timur（簡稱NHT）是 由PT International Mineral Capital（印尼國有礦商PT Aneka Tambang Tbk (簡稱Antam)的子公司）和PT Direct Nickel（Direct Nickel Pty Ltd的子公司）組成的一家50:50的合資公司，NHT公司正在對ANTAM在哈馬黑拉島（Halmahera）Tanjung Buli建設工業化工廠進行可行性研究，可行性研究的關鍵參數見表4。

表4 Buli項目關鍵參數

（2）Townsville Energy Chemicals Hub精煉廠

2018年10月Altilium公司與昆士蘭太平洋金屬有限公司（Queensland Pacific Metals Pty Ltd,簡稱QPM）簽署框架協議，授權QPM應用其DNiTM工藝在昆士蘭北部湯斯維爾新建電池材料精煉廠（名為Townsville Energy Chemicals Hub，簡稱 TECH）生產硫酸鎳、硫酸鈷及其他產品。

QPM公司紅土鎳礦原料來自新喀里多尼亞的高品位褐鐵礦層和過渡層紅土鎳礦，其中鎳鈷含量分別在1.45%～1.7%和0.15%～0.25%之間，工藝流程見圖 3。

QPM在2020年4月完成了TECH項目的預可行性研究。目前TECH項目正在有序推進，QPM公司2021年一季度報告顯示，TECH項目的最新試驗結果表明，主要金屬提取率超出預期，鎳、鈷及鐵的提取率分別達到98.7%、96.0%及95.3%，并開始進行年處理150萬噸紅土鎳礦的最終可行性研究。

3 國內褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術

國內對紅土鎳礦硝酸浸出工藝也進行了研究與探索，紅土鎳礦硝酸加壓浸出工藝于2008年開發并獲得專利。馬保中等人于2011年[4]、2013年[5]及2019年[6]年發表了對褐鐵型紅土鎳礦進行了硝酸加壓浸出的研究成果，從工藝角度分析紅土鎳礦硝酸加壓浸出是可行的。

褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出的中試試驗是北京礦冶研究總院在河南永通鎳業有限責任公司的資助和合作下進行并完成。

2020年6月國內邱定蕃院士等知名專家對北京科技大學王成彥教授團隊和眉山順應動力電池材料有限公司合作開發的“褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術”進行了技術成果評價并一致認為“褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術”整體技術水平處于國際領先地位，具有技術推廣潛力，建議加快產業化進程。

圖3 Townsville Energy Chemicals Hub精煉廠工藝流程簡圖

我國褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術浸出條件較溫和，鎳鈷浸出率≥95%、回收率＞92%，鐵以鐵精礦產出、鐵品位＞60%，工藝流程硝酸回收率＞97%、吸收后尾氣NOx濃度＜50mg/m3[7]。

2021年2月28日，西安陜鼓動力股份有限公司與北海順應新能源材料有限公司簽署了褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出新技術綠色示范項目-年處理褐鐵型紅土鎳礦 180 萬噸產業項目工程總承包意向合同。

4 歸納與分析

（1）國外硝酸浸出紅土鎳礦方面主要是DNiTM工藝，該工藝采用可回收95%以上的硝酸循環利用專利技術，可用于處理褐鐵礦層、過渡層及腐殖土層所有層位的紅土鎳礦，應用該工藝的項目目前已進行到可行性研究階段，該工藝目前正在進行工業化推廣。

（2）國內褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術已成功研發，并且全部裝備可國產化，國內知名專家一致認為“褐鐵型紅土鎳礦硝酸加壓浸出技術”整體技術水平處于國際領先地位，具有技術推廣及產業化潛力。

（3）目前硝酸浸出紅土鎳礦工藝在國內外仍沒有工業化應用，目前處于工業化推廣階段。