红土镍矿资源湿法冶炼开发技术
摘 要：随着硫化镍矿资源口趋枯竭，高效开发占全球镍资源72％的红土镍矿日益迫切。文章介绍了世界红土镍矿资源特点、国内外的开发现状，并阐述了其传统湿法生产工艺及进展。认为常压浸出和细菌浸出等新湿法流程具有工艺简单、能耗低、操作易于控制、投资少等优点，将会有很好的发展前景。
关键词：红土镍矿 湿法冶金技术 开发现状
按照地质成因来划分，镍矿床主要有两类：岩浆型硫化镍矿和风化型红土镍矿，其中红土镍矿资源储量占全球镍资源的72％。近年来，由于不锈钢行业的带动，全世界镍需求量在不断上升，2008年我国不锈钢产能达到1000万t，而实际产量仅为535万t，镍供应不足是重要原因之一。
目前约有60％的镍从硫化矿中提取，而硫化矿资源急剧减少，品位下降，开采深度增加，开采难度加大，成本升高。红土镍矿资源具有勘查、采矿成本低，可以直接生产氧化镍、镍锍、镍铁等产品的优点，因此，高效开发红土镍矿资源十分迫切。在20世纪50年代，从红土镍矿中提取镍金属仅占世界镍量的10％；而到2008年，该比例则达到45％，约5l万t预计到2012年，该比例将增长到5l％。
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红土镍矿生产镍工艺可以简单地分为火法和湿法。火法工艺由于冶炼过程中能耗高、成本高等原因，所以目前主要用于处理高品位的红土镍矿。湿法工艺虽然存在着工艺复杂、流程长、对设备要求高等问题，但它与火法相比，具有能耗低、金属回收率高等优势。特别是湿法工艺发展的几十年来，加压浸出技术的进步和新的湿法流程的出现，使红土镍矿开发利用重心由火法转为湿法。
一、世界红土镍矿资源分类和特点
氧化镍矿床的上部为褐铁型红土矿，适合于湿法工艺处理；下部为镁质硅酸镍矿(蛇纹岩为主)，适合用火法工艺处理。中间过渡段同时适于两种方法。据估计，适合用湿法处理的红土镍矿储量(褐铁矿、绿脱石、蒙脱石)是适合火法(硅镁镍矿、腐植矿）的两倍多。
随着红土镍矿资源的不断开发利用，人们对其利用性能和类型又有了新的认识：一类称为“湿型”，主要分布于近赤道地区，如新喀里多尼亚、印尼、菲律宾、巴布亚新几内亚和加勒比海地区，其品位较高，粘土少，易于处理；一类称为“干型”，主要分布于距赤道较远的南半球大陆，其成分复杂，粘土含量高，不易处理。
虽然红土镍矿有不同类型之分，但从总体上来看，它们都具有以下特点：
1、含镍1.0～3％，品位较低且组成比硫化镍矿复杂得多，很难通过选矿获得较高(6％以上)的镍精矿，同时含镍太低也难以直接用简单的冶金工艺富集。
2、成分含量波动大，不仅镍等有价元素的含量变化大，而且脉石成分如SiO2、MgO、Fe2O3、Al2O3和水分波动也很大，即使是在同一矿床，红土矿成分(Ni，Co，Fe和MgO等)也随着不同的矿层的深度而不断变化。
3、矿石中仅伴生有少量的钴，无硫，无热值。
4、矿石储量大，而且赋存于地表，易采，可露天操作，具有开发的优越条件。
二、世界红土镍矿的开发现状
以新喀里多尼亚红土矿开发为标志，从红土矿中生产金属镍迄今已经有100多年的历史了。近年来，由于不锈钢行业对镍的巨大需求，很多产镍大国都积极加大对红土矿的开发利用。较有影响的有菲律宾住友／三井公司2005年开始的Coral Bay项目；2007年Inco在新喀照多尼亚正式启动的Goro镍项目，预计年产镍5.4万t；此外，在澳大利亚、印度尼西亚、巴西等国的一些镍矿资源的开发也在实施和研究中，详情列于表l。
表1 国外在建的主要红土镍矿项目
由于我国红土镍矿资源较少，国内的一些大型企业看准时机，加大对国外红土镍矿项目的投资。目前已经或正在进行的国外红土镍矿项目有：(1)宝钢集团同金川集团联手，投资l0亿美元用于菲律宾诺克岛镍矿资源的开发，菲方的合作伙伴是该矿的业主Philnico公司；(2)中国五矿集团与古巴合作在Moa建设年产2.25万t镍的生产工厂，其中中国公司持股 49％；(3)中国有色矿业集团开发达贡山镍矿，该矿的镍平均品位为2％，约含镍金属量70万t；(4)中国冶金建设集团同吉恩镍业公司合作在开发位于巴布亚新几内亚的瑞木镍矿，该矿的镍平均品位约l％；(5)中国金宝矿业公司与矿业部所属公司签署了莫苇塘镍矿的合作勘探及可行性研究协议等等。在未来的红土矿项目中，湿法项目会占据很大的比例，预计到2012年，以湿法生产镍的量占总镍产量的比例将由目前的62％增长到80％。
三、红土镍矿的湿法冶金技术的现状
1、还原焙烧-氨浸工艺（RRAL)
还原焙烧-氨浸工艺是Caron教授发明的，所以又叫做Caron流程。古巴尼加罗镍厂用还原焙烧-氨浸法处理高氧化镁红土镍矿已达半个多世纪，适合采用这种氨碱浸出方 法处理的矿典型成分为1.4％Ni，8％MgO，14％SiO2。基本流程为粒度小于74μm的矿石放在多膛炉内进行还原焙烧。红土矿中的镍和钴基本上呈铁酸盐形式存在，经还原焙烧后，镍、钴转变为金属或合金。焙砂用氨-碳酸铵混合溶液浸出，经浓密机处理，溢流为富液，净化、蒸氨后产出碳酸镍浆料，经回转窑干燥和煅烧后，得到氧化镍产品，并用磁选法从浸出渣中选出铁精矿。为此，还原焙烧时既要使与铁结合的镍和钴充分还原，又要防止铁过分还原。我国在20世纪70年代援助阿尔巴尼亚爱尔巴桑钢铁联合企业项目中，首先在世界上完成从红土矿还原焙烧-氨浸提取镍钴-浸出渣磁选-铁精矿炼钢铁的研究，并成功地应用于工业生产。
为了提高镍钻浸出率，美国矿物局发展了还原焙烧-氨浸法处理红土矿的新流程，简称USBM法。该法的要点在于还原焙烧前加入了黄铁矿(FeS2)进行制粒，还原时用的是纯一氧化碳。浸出液用LIX64-N作为萃取剂实现钴镍的分离，整个系统为闭路循环，有效地利用了资源。据报道，用该法处理含镍1％、钴0.2％的红土矿时，镍、钴的回收率分别为 90％和85％。若处理含镍0.53％和钴0.06％的低品位红土矿时，钴的回收率亦能达到76％。与原来的氨浸工艺相比较，大大提高了镍钴的回收率，降低过程的能耗。
奥托昆普-鲁奇公司(Outokumpu-Lurgi）正在开发处理工艺为：焙烧和流化床预还原褐铁矿或腐殖土矿，还原后矿石分别用于后一步的Caron法处理。
在产品工艺方面，还原焙烧-氨浸法可产出烧结氧化镍(99％)、电镍、镍粉或镍块。典型生产厂家的工艺流程和产品列于表2。
表2 还原焙烧一氨浸法生产工艺典型厂家和产品
2、硫酸加压酸浸工艺(HPAL)
硫酸加压酸浸工艺适合处理含氧化镁低的褐铁矿型红土矿，加压酸浸原则流程如图一所示，此流程最大的优势在于金属的回收率都能达到90％以
图一 加压酸浸原则流程图
上，加压酸浸法的原则工艺流程如图一所示。该技术始于20世纪50年代，首次用于古巴Moa Bay矿，称A-MAX-PAL技术。此后，70年代澳洲QNI公司建成Yabula镍厂，酸浸处理新喀里多尼亚、印尼及澳州昆士兰州的红土型镍矿。1998年下半年澳大利亚的莫林莫林(Murrin Murrin)、科斯(Cawse)和布隆（Bulong)三个公司采用加压酸浸新工艺的红土矿开发项目陆续投入生产运营，引起很大的关注。这三个工艺中的酸性加压浸出技术与古巴莫奥公司生产中应用的工艺相近，只不过用卧式高压釜取代了莫奥公司的立式高压釜而已。然而，回收步骤却有以下区别：
1、在Cawse工艺中，混合氢氧化物是从高压浸出液中沉淀出来的，然后用氨浸出它们，接着再进行溶剂萃取和电积。
2、在Bulong工艺中，用H2S从高压浸出液中沉淀出混合硫化物，然后在有氧条件下浸出硫化物，接着再进行溶剂萃取、氢还原、压片等作业。
3、在Murrin工艺中，直接对高压浸出液进行溶剂萃取和电积。
这三个红土型镍厂的资源、年产量、达产率以及设计产能列于表3。从表3可以看出，澳大利亚这三个红土矿HPAL项目的进程并不十分令人满意，仅Cawse达到设计产能的 74％，生产成本从4.1美元／磅镍降至1.54美元／磅镍；Murrin Murrin为设计的1/3，并且是在原计划一推再推的情况下达到的，Bulong厂就因为技术和资金问题而被迫在2004年进入破产清算。
表3 西澳的三家HPAL镍厂的简况
这三个项目在技术、机械设计以及成本计算上存在着不少的问题，如设备选材不当、配套脱节等等。尽管这三个项目没有达到所期望的目标，但它们的建立为今后的加压酸浸技术的发展提供了宝贵的经验。
由于约70％的红土矿资源是褐铁矿型的，高压酸浸技术受到了最大的关注，在技术上得到了很多的改进。从1998年以来，几家大公司，包括BHPB、巴西国有矿业公司(CVRD)、加拿大的鹰桥公司(Falcon bridge)等都进行了技术开发项目。BHPB公司和CVRD公司都倾向于用新流程生产混合硫化物或氢氧化物。Inco公司采用了两步溶剂萃取法，镍从硫酸介质转入盐酸介质，然后将溶液高温水解，得到氧化镍产品和盐酸，盐酸可循环利用。
SGS Lakefileld公司研究出一种高压酸浸方案，其特点为：在高压釜内加入元素硫和氧，就地产生硫酸。这可使矿浆进入高压釜前的预热变得没有必要，从而显著节约设备成本。
3、其他的湿法流程
常压浸出(AL)：适合处理那些铁含量低和镁含量高的红土型镍矿石。目前Skye资源公司正在研究用于开发危地马拉红土矿矿床的常压浸出法，该法把褐铁矿浸出后的剩余酸和以针铁矿形式沉淀后释放的酸用于浸出大量的腐殖土组份。
堆浸：主要适合于腐植土矿。大量的研究结果表明，采用堆浸技术，3个月内镍的浸出率可以达到75％以上，钴的浸出率可达到60％以上。欧洲镍公司(European Nickel)目前正在土耳其进行大规模浸试验，有望建成世界上第一座采用堆浸技术提取镍和钴的工厂。
微波烧结-加压浸出法：将红土矿进行微波烧结以破坏矿物晶格，再在低温下加压浸出，使铁离子以赤铁矿的形式析出沉淀，达到强化浸出，降低高压酸浸温度和压力的目的。
氯化离析-氨浸：在矿石中加入一定量的碳质还原剂和氯化剂(氯化钠或氯化钙)，在中性或弱还原性的气氛下加热，使有价金属从矿石中氯化挥发，并同时在碳粒表面还原成金属颗粒。随后焙砂直接氨浸。王成彦采用此法处理元江贫氧化镍矿，实验结果为：镍浸出率大于80％，钴浸出率大于50％。
生物浸出：通过微生物催化的氧化-还原作用能使金属从低品位矿石中有效溶解出来。Castro等研究了异养微生物从硅镁镍矿中浸出镍。矿样取自巴西Acesita矿业公司，化学成份为43.2％SiO2、0.09％Ni。磨至粒度为147μm以下，浸矿用了5种异养微生物。浸出条件为：矿样重5g(事先在12l℃下灭菌)，含微生物的培养基1000mL，温度30℃，摇瓶速率200r/min，Ni浸出率大于80％。
四、红土镍矿湿法冶金技术的展望
传统的加压酸浸工艺越来越受重视，在未来几年新建的红土镍矿项目中，此法占了很大的比例。这是由于与火法和氨浸法相比较，加压酸浸在技术和经济上都占有优势。但是该技术也存在很多的问题，如一次性设备投入大；只适合处理含镁低的褐铁型矿石，且对矿石的品位有要求；同液废料多，污染环境等等，这些难题一直限制着该工艺的发展。人们在完善加压酸浸技术的同时也在不断地开发新的红土镍矿湿法流程，如常压浸出、生物浸出等技术。近年来这些新流程备受关注，与加压酸浸 工艺相比较，它们具有以下优点：
1、常压浸出、生物浸出技术能处理含镁比较高的红土镍矿，都适合处理低品位的矿石。
2、常压浸出、生物浸出可以在常温常压的条件下进行，对设备要求低、工艺简单、操作方便，因而投资少，生产成本低。
3、加压酸浸法固液废料多，污染环境。而新的流程如生物浸出不会产生SO2气体，产生的固液废弃物也能为环境所接受，十分环保。
但是这些新流程还不成熟，还存在一些技术难题，如常压浸出中浸出液分离困难，生物浸出也存在有机酸不能循环的问题，且从目前的报道可知，常压和生物浸出技术处理红土镍矿时镍、钴的浸出率一般都低于加压酸浸。虽然存在的难题多，但相信通过技术不断的改进，终将会被解决，常压浸出和生物浸出一定会有很好的发展前景。
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