世界镍红土矿资源开发与利用技术分析.pdf

朱景／ Z h u ] i n g h e S trateg y 世界镍红土矿资源 开 发 与利 用技术 分 析 Expl or a t i on l at er i t e - ni c ke l or e a nd a nal ysi s on u t i l i z a t i on t e chnol ogy II --⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一 镍作为一种重要的战略金属 ，广泛用于不 锈钢 、 高温合金 、催化 、二次 电池 、燃料 电池 等关键材料 和 高新技术领域 。随着这些行业 ，特别是不锈钢 工业 的 快速发展 ，镍的需求不断增加 ，从镍 红土矿提取镍 产 品的 比例在迅速提高。 镍红土矿资源 L a t e d t e n ic k el o r e r e s o u r c e s 世界 的镍 资源 比较丰富 ，据美国地质调查局 矿 物商品概要 2 0 0 6 9报导 ，世界 已查 明的镍金属储量约 为6 2 0 0 万t 。按地质成 因划分 ，镍矿 床主要分 为两大 类岩浆型硫化镍矿床和风化型红土镍矿床 。 由于 硫 化镍矿 资 源 品质好 ， 工艺技 术 成熟 ， 目前 6 0 ％以上的镍产量来源于硫 化镍矿 ，随着世界经济发 展 ，占镍用途6 5 ％的不锈钢需求增长强劲 ，而世界可 供近期开发的硫 化镍资源 ， 除 了加拿大的Vo i s e y b a y 镍矿 以外 ，几乎 廖廖 无几。传统 的几个硫化镍矿矿 山 加 拿大 的萨德伯利 、俄 罗斯的若里 尔斯 克、澳大利 亚的坎博尔达 、中国金川、南非里腾斯 堡等的开采 深 度 日益增加 ，矿 山开 采难度加大 。为此 ，全球镍 行 业将 资源开 发的重点 瞄准 占全球镍储量 7 2 ％的红土镍 矿资源。 镍红土矿床是含镍馓榄岩在热带或亚热带地区经 过 大规 模长期风化 淋滤变质而成 的，是 由铁 、铝 、硅 等含水氧化物组成 的疏松的粘土状氧化矿石 。世界上 红土镍矿分布在赤道线 南4 L 3 0 度以内的热带 国家 ，集 中分布在 环太平洋的热带 亚 热带地区 ，主要有 美 洲的古巴、巴西 ； 东南亚的印度尼西亚、菲律宾；大洋 洲的澳大利亚、新喀里多尼亚 、巴布亚新 几内亚等。 世界镍产 量及消费情况 Ou t p u t a n d c o n s u mp t i o n o f g lob a l n ic k e l o r e 镍 的生产 2 0 0 5 年世界精炼镍的产量达到1 3 1 ． 0 3 万t ， 与1 9 9 6 年相比，1 0 年 间累计增长了3 6 ． 7 ％， 平均年增长率达到 3 ． 5 4 ％，走出了上世纪八十年代镍产量徘徊不前，甚至 下降的局面 ，进入稳定增长时期 。俄 罗斯精炼镍产量 一 直居世界之首 ， 2 0 0 5 年达 11 2 6 ． 4 7 i t ，占世界总 产量 的2 0 ． 1 ％。其次是 日 本 、加拿大、澳大利亚、中国和挪 威 ， 这六个 国家的精炼镍产量占世界的6 6 ． 3 ％。 2 0 0 5 年 世界矿产 镍总 量为 1 3 0． 8 1 万t ，其 近十年 的增长速 度略低于精炼镍的增长速 度 ， 平均年增长率 达到2 ． 7 0 ％。俄 罗斯仍然是世 界最大矿产镍生 产国 ， 2 0 0 5 年 产量达 1J 2 8 ． 9 万t ，占世界 的2 2． 1 ％。其次为澳 表1 世界在建的主要镍红土矿项目 Ra v e g s t h o r On P u ma| Ra mu | Ve r me l h o 。 Ba r r o AI t o 她 E 怖亚 帮 现内 圈 巴 西 1 巴西一 j _ 冀 。 B 蹋 ， } C RD|j | 甚 ． 2 万脚 年 C I 娟 c j l | 。 4 ／年 Y 鼍 A i C a n 颀 魄， 。 久 | 坦荡 W OR L D N ON F E R R OU S M E T A L S 2 0 0 7 1 0 7 0 维普资讯 战略 ■●■■■●■●- ■y麈 大利亚、加 拿大 、新喀里多尼亚和 印度尼西亚 ，各 国 的产量都超过9 万t 。 由于近年 镍的需 求增长 强劲 ，一些新的镍开发项 目已经在 建设 实施 中， 较 有影 响的是I n c o 公司在新 喀 里 多尼亚的GO r o 红土 矿项 目，预计 2 0 0 7 年投 产 ，年 产镍5 ． 4 万t ；该公司同时还在开发加拿大的Vo i s e y S Ba y镍矿 ，该矿年 产镍 5 万t 。13 HP 13i l i t o n公司在澳 大利亚建设的Ra v e n s t h o r p 项 目也已经在建设 中，预 计于2 0 0 7 年建成。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 发也都在实施和研究中 详 见 表 1 。 镍的消费 白二十世纪六十年代中期以来 ，世界镍消 费量 的 增长速 度超过所有其他基本金属 ，包括铜和铝 。2 0 0 5 年全世界精炼 镍的消 费量达到了1 3 1 ． 7 万t 。1 9 9 6 年到 2 0 0 5 年世界精炼镍消费量增长了4 5 ． 7 ％，高于 同期精 炼镍 的增长速 度 ，远 高于 同期矿 产镍 生产 的增长 速 度。镍需 求强劲 的推动 力是 不锈钢 工业 。目前这一部 门占镍消费量将近三分之二 ， 预计它还会继续保证全 球镍的需求。 从全世界范 围来看 ， 镍的生产与消 费基本处于动 态平衡之中，镍的消费增长决定镍的生产。过 去十年 精镍的消 费平均增长率火约 为4． 2 7 ％，而同期精 镍的 生产增长率为3 ． 5 4 ％， 消费略高于生产。 世界上镍的消费主要 围家或地 区有中国 2 0． 1 万 t 、日本 1 7 ． 0 t 、美国 1 2 ． 6 万t 、德 国 1 2 ． 2 万t 、 韩国 1 1 ． 7 万t 、中国台湾 8 ． 4 万t 和意大利 8 ． 4 万 t 。2 0 0 5 年这七个国家和地区的消费量占全世界消费 量的6 8 ． 6 ％，其 中中国占1 5 ． 2 ％。中国也是世界上镍消 费增长速度最快的国家，近十年 1 9 9 6 年至2 0 0 5 年 的 年平均增长率达到了1 7 ． 7 1 ％ 。中国的镍消费量已经超过 日本，跃居世界第一位 ，E t 本屈居第二位 。世界镍消费 的主要区域已经从西方发达 国家及地区转向亚洲新兴经 济体，如中国、韩国、中国台湾等国家和地区。 世界原生镍的消 费结构 中，不锈钢 占到世界镍消 费量的6 3 ％，加上合金钢 5 ％及有色合金 1 6 ％， 冶金行业 占到镍消费总量的8 4 ％。世界镍的主导消费 市场是冶金行业，占总消费量的8 0 ％ 以上 ， 其中单是不 锈钢 行业消耗的镍就 占镍总消费量的6 0 ％以上 。它是 目前镍 市场增长的主要动力，E r a me t 公司预测未来五 年世界不锈钢生产将维持5 ％的年增长率 ，对镍的需求 会相应增长 。 与用于不锈钢生产的电镍相 比，镍铁用于不锈 钢 生产 的话 ，由于镍铁本身 含铁 ，另外 其形状 一般为丸 状或 片状 ，可以提高AOD转炉的生产效率 ，因此深受 不锈钢生产企业的欢迎 。根据E r a me t 的估计，2 0 0 4 年 镍铁 占不锈钢行业耗镍量的比例为3 1 ． 6 ％，2 0 0 5 年估 计 为3 1 ． 7 ％，并 且未来这个 比例会 不断提高，预计 到 2 0 0 9 年可以达到3 8 ． 7 ％。 1 9 9 6～2 0 0 5 年 中国精镍消费年平均增长率达到近 1 8 ％， 远远高于世 界同期 的增长 率。在未 来， 随 着中国 不锈钢的迅速增长 ， 中国的镍消费也将大幅增加 。2 0 0 3 ～ 2 0 0 4 年 ， 随着 山西太钢和 上海 宝钢的不锈钢扩建项 目的投产， 2 0 0 5 年我国不锈钢 生产已经形成 了 “ 南宝北 太”的模式 ，不锈钢产量实现了跨越式的增长 ， 突破 了 3 0 0 万t 大关。使中国的镍消费量又迈上一个新台阶， 同 时⋯批不锈钢扩建项 目也还在酝酿之中， 2 0 0 6 年中国的 镍消费量2 7 ． 4 万t ，同比增长2 4 ． 4 ％，净增加5 ． 4 万吨 ， 约占全球增量的l ／ 3 。 镍红 土矿的主要处 理工艺 Ma i n t e c h n i c al p r o c e s s o f la t er i t e n ic k e l o r e 镍红 土 矿的可 采 部分 一般 由三层组 成 褐 铁矿 层 、过渡 层和腐植 土层 ，其组成 和处理工艺如表 2 所 示 。 13前世 界 上镍 红土 ’ 的处理 工艺 归纳起 来大致 有三种 ，即火法工艺 、湿法工艺和火湿法结 合工艺 。 火法工艺还可以按其产 出的产品不 同分为还原熔炼生 产镍铁的工艺和还原硫化熔炼 生产镍锍 的工艺 ；湿法 工艺可以按其浸 出溶液的不同分为氨浸工艺和酸浸工 艺；火湿法结合工艺是指氧化镍矿经还原焙烧后采用 选矿方法选出有用产品的工艺。 火法工艺 表2 镍红土矿的分布 组成与提取技术 一 昌昌昌晶置圈■高墨圜 ■ i_■ _ ■ ■ ■ l ■ _ ■ 囝 _ ■ 圆 ■ _ ■ 圈 ■ 褐铁矿层0 ． 8 1 ． 5 0 ． 卜 0 ． 2 4 0 - 5 0 2 - 5 0 ． 5 - 5 高铁低镁 湿法 过渡层 1 。 5 1 ． 8 0 ． 0 2 0 。 1 腐植土层 1 。 8 - 3 0 。 0 2 - 0 。 1 8 世界有色金属 2 O O 7 年第1 O 期 2 5 4 0 l 0 2 5 l 一2 l 一2 5 一l 5 l 5 3 5 湿法或火法 低铁高镁 火法 维普资讯 ① 还原熔炼生产镍铁 。火法处理工艺世界上 用得 最 多的是还原熔炼生产镍铁 。目前至少有 1 4 家工厂使 用还原熔炼法处理氧 化镍矿生产镍铁 。镍铁年产量 含 镍计 在2 5 万吨左右 ， 大都采用电炉熔炼。 电炉熔炼 生产镍铁 的工艺则适合处理各种类型的 氧化镍旷 ，生产规模 则可依据原料 的供应 情况 、 矿石 的贮量等决定 ，可大可小 ，对入炉炉料的粒度也 没有 严格 的要 求，粉料以及较大块料都 可直接处理 。电炉 熔炼生产镍铁的唯一缺点就是能耗大。 ② 还原硫化熔炼生产镍锍。还原硫化熔炼处理氧 化镍矿生 产镍锍 的工艺是最早用来处理氧化镍矿的 ， 早在上世纪二三十年代就得到 了应用 ，当时采用 的都 是鼓风炉熔炼。该工艺 与鼓风炉还原熔炼生 产镍铁 的 工艺存在相同的缺 点。上世纪7 0 年 代以后 建设 的大 型 工 厂均采 用了 电炉熔 炼 的技术 处理 氧化镍 矿 生产镍 锍 。目前几个最大的、年产镍量大干4 万吨的工厂分 别 在印度尼西亚和新喀里多尼 亚。全世界 由氧化镍矿生 产镍锍的镍量在1 2 万吨左右。 还原 硫化熔 炼 的硫 化剂 可供 选择 的 有黄铁 矿 、 石膏 、硫 磺和含 硫的镍原料 。选择 的原则是 来源方 便 、充足 ， 价格 合理经济 以及考 虑氧化镍矿本身造渣 成分的含量等因素。采用硫磺作硫化剂的优点是 简单 易行， 而且对熔炼过程不 产生负面影 响 即不影响渣成 分、不影 响处理能 力、不增加电耗 ，但它价格较贵 ， 硫的有效利用率不高 ，而且要有一套硫磺熔化和输送 喷洒的设施 。国际镍公司 I NC O 所属的印度尼西亚 、 新喀里 多尼亚 的工厂均采用硫磺作硫化剂 。将硫磺熔 化后有控制地喷洒在 回转窑焙烧出来的尚处于一定温 度下的焙砂上 ，使铁 、镍转化为硫 化物 ，而后 送入 电 炉熔炼生产低镍锍。 采 用还原 硫 化熔炼 处理 氧化 镍矿 生产镍 锍 的工 艺 ，其 产品高镍锍具 有很大 的灵活性 经焙烧 脱硫后 的氧化镍可直接还原熔炼生产用于不锈钢工业的通用 镍 ；也可以作为常压羰基法精炼 镍的原料 生产镍丸和 镍粉 ；由于高镍锍 中不含铜 ，还可以直接铸成 阳极板 送硫化 镍电解 精炼的工厂生产阴极镍 。 总 之 ，可以进 一 步处 理 ，生产 各种 形式的镍产品 ，并可以 回收其中 的钴。 湿法工艺 ①氨浸法 C a r o n 法。湿法 工艺处理氧化镍矿 的工业始于上世纪4 0 年代 。最早采用的是氨浸工艺 ， 即氧化镍 矿经干 燥和 还原 焙烧后 进 行多段常 压 氨浸 出，其代表性的工厂是美 国建设的 古巴尼加 罗镍 厂。 S trateg y 。 灞 ●■■ ■●■●■■■■_ 氨浸法处理氧 化镍矿 ，其产品可以是镍盐 、烧结镍 、 镍粉 、镍块 等 。氨浸 法 处理 工艺不 适 合处理 含铜 和 含钴高的氧化镍矿以及硅镁镍 型 新喀里 多尼亚 的氧 化镍矿 ，只适 合于处理表层的红土矿 ，这就极大地限 制了氨浸工艺的发展 。此外 ，氨浸工艺镍钴 回收率偏 低 ，全流程镍 回收率仅为7 5 ～8 0 ％，钴约为4 0 ～5 0 ％。 到 目前为止 ，世界上只有四家工厂采用氨浸法处理氧 化镍矿 ， 而且都是 在上世纪7 0 年代 以前建设 的，三十 多年来没有一家新建工厂采用氨浸工艺。 ②酸浸法 。在2 5 0～2 7 0 ℃，4 ～5 MPa 的高温高 压条件 下 ，用稀硫酸将镍 、钴等 有价 金属和铁、铝矿 物 一起溶解 ，在随后的反应中，控制一定的p H值等条 件 ， 使铁、铝和硅等杂质元素水解进入渣中，镍、钴选 择性进入溶液 ， 从 溶液中采用溶 剂萃取 、硫化沉淀等 技术回收。 酸浸法工艺处理氧化 镍矿 的工业生产始于上世纪 的5 0 年代 。当时代表性的工厂是古 巴毛阿镍冶炼厂 ， 它也是 由美国设计建设的。酸浸工艺适 合于处理低镁 含 量的 氧化 镍矿 ，矿石 中镁含 量过 高会 增加 酸的消 耗 ，提高操作 成本 ，对工艺过程也会带来影 响。如果 矿石 中的钴含量 高，更适 合采用酸浸工艺 ，不仅钴 的 浸 出率 比氨浸 工艺 高 ， 而且 由于 钻的价值 比镍高 ， 使 酸浸工艺的单位生产成本大幅度降低。虽然高压酸浸 镍浸 出率可达9 0 ％以上 ，但 由于酸浸工艺也受到矿石 条件的制约 ，目前世界上采用酸浸法处理氧化镍矿的 工厂只有三家 ，且 由于高温高压的处理 条件对设备要 求苛刻 ，运转均不十 分正常 。总体而言 ，酸浸工艺发 展尚不成熟 。 火湿法结合 工艺 火法一湿法 相结合 的工艺处理氧化 镍的工厂 ，目 前世界上只有 日本冶金 Ni p p o n Ya k i m 公司的大江 山冶炼厂 Oy a ma S me l t e r 。主要工艺过程为 原矿磨 细与粉煤混合制 团，团矿 经干燥 和高温还原焙烧 ，焙 烧 矿团再磨细 ，矿浆进 行选矿 重选和 磁选 分离得到 镍铁 合金产品。该工艺的最大特点是生产成本低 ，能 耗 中的8 5 ％ 能源 由煤提供 ，吨旷耗煤 1 6 0 ～1 8 0 k g 。而 火法工艺 电炉熔炼的能耗 8 0 ％以上 由电能提供 ，吨矿 电耗5 6 0 ～6 0 0 k wh， 两者能耗成本差价很大 ，按照目 前 国内市场 的价值 计算 ， 两者价 格相差3 ～4 倍 。但是 该 工艺存在的问题 还比较多 ，大江 山冶炼厂虽经多次 改进 ，工艺技 术仍 不够 稳定 ，经过几 十年 其生产规 模 仍停 留在年 产镍1 万t 左右 。该工艺的技术关键是粉煤 下转第1 2 页 W OR [ D N O N F E R R O LU S M E T A L s 2 0 0 7 1 0 9 维普资讯 战略 ■■■■●■■■■■_●■■ 目 国内光伏 发电 累计 装机 容量将 达 1 8 O MWp。据 此测 算，太阳能用多晶硅材料需求 量可达到2 万吨左右，考 虑电路级消费量 ，总需求量可达2 ． 2 万吨以上。 国外市场需求预测 据围际s e mi 机构预测 ，到2 0 1 1 年，全球半导体各应 用领域市场需求规模预计达4 1 0 0 { L美元。目前国际上有 近2 0 0 条8 和3 0 余条1 2 集成电路芯片生产线已经或即 将投产，预计 q 2 0 1 0 年，全球硅片的市场出货量约在9 5 亿平方英 寸，届时多晶硅需求量将达到2 ． 6 5 万吨左右。 2 0 0 6年 ，全 世 界 太 阳 能 电 池 年 产 量 已 达 2 5 0 0 MWp，L L 2 o o 5 年的1 8 1 8 MWp 增加 f 3 7 ． 5 ％。到 2 0 0 6 年底 ，全球光伏发电累计装机容量达6 0 0 0 MWp 。 预计今后几年世界光伏发电将继续 以每年2 5 ％～3 5 ％ 的速度增长，到2 0 1 0 年底世 界光伏 发电累计装机容量 将达2 3 GWp，当年全 球太 阳能 电池产量有 可能达到 5 5 0 0 ～8 0 0 0 Mwp，需硅料5 ． 3 5 ～7 ． 3 5 万吨。 考虑电 路级多晶硅的需求 ， 总需求量将达到8 ～1 0 万吨 。 建 议 Su g g e s t i o n s 多晶硅生产还原电牦一般在1 5 ～2 0 7 J kWh／吨 ， 综合电耗 在2 3 ～3 0 万kWh ／吨 ，综 合能耗在 l l 0 ～1 4 0 吨标煤／吨 。从硅石开 始 ，到太阳能 电池 光佚组 件， 1 MWp 太阳能电池光伏组 件耗 电约4 0 0 万k Wh，综合 能耗约1 8 o o , 标煤 。因此 ，从单位 产品耗 能看，太 阳 能光伏电池属于高能耗产品。但从太阳能 光伏电站发 电偿还时 间和能源偿还时间看，按年光照时间l 2 0 0～ 2 0 0 0 z J 时计算 ，扣除 电站系统的消耗 ，以及考虑 电池 转换效率 的衰减 ，1 MWp 太阳能光伏电站 发电偿还时 间在3． 4～5 ． 7 年 ，综 合能源 偿还时 间在3 ． 8 ～6． 2 年 。 一 般 太阳能 电池 寿 命均在 2 0 年 以上 ，因此 ，可 以看 ，太阳能电池是绿色能源 ，值得大力推广 。 鉴于 目前国内太阳能 电池消 费量很 少，生产的多 晶硅和 太阳能 电池 主要是为 了出口 而 出口电池就相 当干出口能源，建议如下 ① 鉴 于多晶硅也是电子信 皂 、 产业的基础材料 ，为 了促进信息产业发展 ，国内应该 鼓励生产 电子级多晶 硅 ，满足国内信 自 、 产业的发展要求。 ②重点支持 低成 本太阳能 电池 用硅材料 的技 术 开发 及产业化 。同时支持 西门子法关键技术如氢化等 技术的攻关。 ③加速装备国产化，降低光伏电站的投资。以目 前的光 伏电站投资成本 ，达到同样的煤发 电厂 投资内 部收益 率，光伏电站发电 上 电价是煤 电上网电价 的 3 0 倍左右 ，难以在市场上立足。因此 ，太阳能电站生产 系统各个环节的装备国产化 ，包括多晶硅生产装备 如 还原炉 、氢化炉、尾气回收装置 ，电池生产设备如RTP 炉 ，自动丝网印刷设备 ，以及光伏电站的逆 变器、蓄电 池等装备的国产化，是降低光{ 犬电站投资的关键。 ④目前硅材料 光{ 犬电站投资是普通煤火 电厂投 资的 1 5～2 0 倍 ，因此 ，国外光{ 犬电站 现在 主要依靠国 家财政补贴等政策性支持得以生 存和发展。我国尽管 是发展 中国家 ， 财政 资金有限，但在 电价 中增加绿 色 能源发展基金还是可能的，用以补贴太阳能等绿 色电 站的建设 ，培育和 支持 国内太阳能电池光{ 犬产业的市 场 ，促进绿 色能源的发展 ，节约矿物能源 ，减少二氧 化碳排放 ，也有利于提升我 国在国际社会二氧化碳减 排行动中的 国际形象。 作者单位中国国际工程咨询公司 i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i ii一嘲撼隅_ 甚蛳瓣辎黼 上接第9 页 与矿 混 合和还 原焙烧过程 的温 度控制等 。从节能 、 低成本和综合利 用 处理低 品位氧化镍矿 镍资源的 角 度出发 ，这一工艺是值得进 一步研究和推 广的 。俄 罗 斯 的研究人员对乌拉 尔氧化镍矿采 用离析焙烧进行浮 选 或磁选 等方 面进行 r 试验研究后认为 ，它是 目前唯 一 能降低成 本，节约能源和增加镍 产量的方法 ，适合 于处理 任何类型的氧化镍矿。 综上所述，火法工艺处理氧化镍矿生产镍铁合金 具 有流程 短、效率 高等优点 ，但能 耗较高 ，其操作成 本中的最大构成项是能源消耗 ，如采用电炉熔炼 ，仅 电耗就约 占操作成 本的5 O o 0 ， 再 加 氧化镍旷熔炼前 的 卜 燥 、焙烧预处理工 艺的燃料消耗 ，操作成本中的 12 世界有 色金属 2 0 0 7 年第1 O 期 能耗成本 可能要 占6 5 ％以上，用火法上艺处理 中低品 位的镍红上 矿由于 冶炼矿石量火能耗高 ， 冶炼成本较 高，所以 目前火法工艺主要处理高品位的镍红土矿。 目前处理中低品位镍红土 矿的主要方法是湿法 工艺 ， 虽然 成本上 比火 法低 ，但 湿法 处理氧 化镍 矿工艺 复 杂、流程长 、L艺条件 对设备要求高。解决火湿法结 合工 艺中技 术难点以及火法工艺能耗 高的难题和开发 新 的湿法工艺处理中低品位镍红土矿将是今后镍冶炼 的发 展 方向 。 作者单位中国有色矿业集团有限公司 本栏 目责任编辑陈维胜 维普资讯