《从镍矿到电动车》

Ken

本文是《从镍矿到电动车》系列文章的第三篇，重点关注原镍开采和生产工艺，涉及硫化镍矿和红土镍矿，并以红土镍矿为主。欢迎留言补充并提供更多信息，未来在Milestone的时刻一并感谢。

全球镍开采与生产总体情况

镍主要以氧化物、硫化物和硅酸盐的形式赋存于自然界。原镍（原生镍、新产镍）通常以镍铁、氧化镍、化学品，以及纯镍金属的形式进行生产和使用。目前，全球原镍或新镍的年产量超过300万吨，共有超过25个国家对含镍矿石进行具有全球或地区经济意义的开采。其中，中国、印度尼西亚、澳大利亚、南非、加拿大、巴西、俄罗斯、日本、芬兰、菲律宾等10个国家拥有较多的镍采矿、冶炼和精炼设施，在全球镍开采和生产中发挥着显著影响力（本估算基于有统计的采矿和生产设施数量，并非基于绝对精确的现实产能。如果基于实际产能评估，排序会发生变化，但并不会影响总体格局）。

从不同种类的镍矿石中提取镍，需要采用不同的技术。无论是对硫化镍矿的开采生产，还是对红土镍矿的开采生产，相关企业都是为了获得进一步生产电池材料用的化学品和生产不锈钢用的铁镍合金。新开采镍矿的一般生产工艺流程如下图所示：

硫化镍矿的开采与生产工艺流程

硫化镍矿的生产和赋存可以接近地表或深藏地下，并且通常除了含钴之外，还含有铜、铂和钯等伴生有价元素。这些伴生元素的总价值有可能超过镍本身。

硫化镍矿的矿石的大都可以在矿区现场加工升级为可交付的镍精矿。镍精矿随后可以在集中设施进行处理。这些设施大多是镍冶炼厂，在这些厂中，镍精矿通过电力熔化并利用矿物内含的硫，以生成高冰镍，并可以进一步精炼，但也有矿区现场直接性的湿法冶金方法在使用。

红土镍矿的开采与生产工艺流程

红土镍矿成因。红土矿体是由水流对基岩的风化而形成的，水流在原始岩石上形成了层状结构。这些矿床的其他变体可以含有铝（铝土矿）或黄金，其成分由母岩和风化程度决定。红土镍矿来源于含镁较高的基岩，其硅酸盐岩中的镍含量较低。在风化过程中，元素被溶解并迁移，然后重新结晶。这些过程可以在不到百万年的时间里形成红土镍矿，但一些暴露在温带和北方地区的矿床经过超过十亿年的风化仍未完全成矿。

红土镍矿的主要加工方法有两种：以回转窑电炉（RKEF）为代表的火法冶炼（RKEF）和以高压酸浸（HPAL）为代表的湿法冶炼。RKEF火法冶炼主要用于处理腐殖土型红土镍矿，以获得铁镍合金（镍铁合金 - FeNi，镍生铁- NPI），而HAPL高压酸浸主要用于处理褐铁矿或用于生产更高纯度的最终产品。

红土镍矿回转窑电炉(RKEF)生产工艺

RKEF工艺包括三个主要步骤：烘干、还原和冶炼。腐殖土型红土镍矿矿石是常规炉料，但褐铁矿石也可以进行冶炼。大多数生产设施遵循下述工艺，但也有例外。

准备好的矿石（根据需要破碎和混合）在回转烘干机中进行烘干，通常使用煤或天然气加热到100°C以上，以去除矿石中的游离水分。目标是生产出既不粘结也不尘土飞扬的物料，以便进行下一步加工。

烘干后，矿石送入回转窑进行进一步干燥和化学处理。在回转窑中，通过燃烧化石燃料增加更多热量，将温度提高到约900°C。还会加入高碳产品，如无烟煤，作为化学还原剂——以去除铁氧化物和镍氧化物矿物中的氧，从而将其还原为金属。

还可能添加石灰石来调整冶炼化学反应。两种热滚筒设备都会产生灰尘，必须从排出气体中和回收的固体中捕集这些灰尘，这增加了灰尘捕集和将灰尘与新炉料混合的复杂性。

简化的RKEF工艺流程。回转烘干机的直径通常为3-5米，长度为30-50米，而回转窑的长度可以远超100米。热的、部分还原的矿石接着被输入电炉，在这里完成化学还原。通过电力输入和回转窑中添加的碳的持续反应，以及逐渐消耗的碳电极的反应，矿石在约1500°C的温度时被熔化。最终得到的液态的“金属化”铁镍产品沉到底部，从那里被移除，而较轻的炉渣则漂浮在顶部。熔融态的铁镍合金经过精炼以去除对后续钢铁生产过程有害的物质，然后转换为固体形式以便运输，或者在一些近期的一体化生产项目中，直接热送到钢铁生产中。这些大型回转设备，必须在保养良好的辊系统上保持持续高温运行。电炉需要非常大的连续电力供应，有些生产设施需要高达40
MWh/t Ni的电力。大多数电路需要复杂的冷却系统以确保炉衬的长寿命。冶炼过程能耗极高，使用化石燃料提供热能并进行化学还原，以及发电。煤燃烧产生的空气污染与电厂相似，只要含金属的粉尘得到良好控制。产生的炉渣相对稳定，通常可用作建筑材料。

红土镍矿高压酸浸(HAPL)生产工艺

高压酸浸工艺的起源可以追溯到近70年前，但随着镍基电池需求的增长，这项技术正在得到越来越广泛应用。近年来，为了满足电池行业对镍中间体产品的需求，不少企业正在投资扩大高压酸浸（HPAL）工艺的产能，生产氢氧化镍钴（MHP）和硫化镍钴（MSP），这些材料可用于生产电池用纯镍硫酸盐。

高压酸浸的工艺相对简单：加入硫酸并提高温度，以溶解整个矿石。然后中和多余的酸，去除不需要的金属，并回收所需的金属。

浸出过程

浸出过程在约250°C的高温和高压下进行，矿石中的大部分铁和铝会留在浸出残渣中，而贵金属则会被溶解在溶液中。浸出工艺是一个高温且具有强酸性的过程，化学反应极为剧烈，需要使用像钛碳钢爆炸复合钢板的那种复杂材料（如昂贵钛金属）在外表覆盖薄薄一层钛用于防腐蚀，而厚厚一层的碳钢则用于提供强度。湿化的红土镍矿与水混合并筛除粗颗粒，然后进行浓缩，成为一种粘稠但仍可泵送的液体浆料。该浆料随后会被加热到一定的反应温度（超过90%的加热能量用于加热浆液中的水，而非固体物质）。为了降低加热成本，下料浆液逐步降至环境压力，生成闪蒸扩容蒸汽，并在生产流程中重新利用这些蒸汽作为预热源。

中和过量的酸

在回收金属之前，通过加入磨细的石灰石来中和过量的酸，形成石膏残渣。混合残渣通常使用逆流分溶法（CCD）进行洗涤，并作为尾矿进行沉积。标准做法是将尾矿作为浓缩浆液沉积在靠近处理厂的工程尾矿管理设施中，并回收由沉降固体释放的液体。

回收金属

一旦酸被中和，溶液中主要含有镍和钴，少量的锌和铜，较多的铁、铝和锰，以及浓度较高的镁。铜和锌的经济重要性价值相对较小（通常占总价值的不到2%），因此可能被去除并作为废料或副产品处理。镍和钴则可以通过若干种方式进行回收。

史上首个高压酸浸工厂在1950年代末建于古巴的莫阿湾。这座工厂和随后的几座工厂都选择使用硫化氢来沉淀混合硫化物中间体，以便精炼成1类镍。混合硫化物沉淀具有相当高的纯度、密度大并且沉降性好，非常适合运输生产，因为它含有大约50~55%的镍和钴，并作为潮湿粉末进行生产。混合氢氧化物沉淀（MHP）在过去10年中变得非常流行，使用苛性钠或氢氧化镁来沉淀较低品位的中间体（含有大约40%的镍和钴），但水分含量要高得多（约占50%的重量），这意味着所生产的产品中镍和钴的重量仅为20%左右。

工业废水的处理

在贵金属（镍和钴）经过了回收流程后，剩下的工业废水溶液中则会含有大量的镁和一些锰（以硫酸盐形式存在）。为了节约水资源，需要采用“部分回收”的工艺，但这会使得排放物中镁的含量增高。最终，还需要进行排放操作，以消除工艺流程中所产出的镁。在干旱气候地区，该溶液可以通过蒸发流程（在蒸发池中进行结晶）析出金属硫酸盐。而工厂若是在热带气候的地区，工业废水将会被排放至海洋。在排放之前，应将废水中像铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）和钴（Co）等这类受法规管控的金属去除至可接受水平。

新一代的高压酸浸工艺

高压酸浸设施通常在启动时会遇到显著问题，这些问题一般与极其苛刻的工况有关，这些工况要求使用分层材料建造，如钛材质衬里的高压酸浸高压釜和其他橡胶或砖衬的容器，并且需要多次连续的处理步骤均以类似的速率运行。现在，印度尼西亚正在建设新一代高压酸浸设施，看起来，通过建造多个类似设施过程中所积累的经验，确保了这些设施从投入使用的第一天起就能持续顺利运行。

与“回转窑电炉”（RKEF）相比，高压酸浸的环境问题非常不同：高压酸浸工艺中产生的温室气体排放相对较低，特别是在矿区现场就地取材生产硫酸时。然而，这一工艺确实会产生大量的矿石处理残渣，需要建设尾矿库进行永久性的拦蓄。拦蓄这一步骤可以通过一些方法把风险最小化，但要真正消除高压酸浸工艺中析出的残渣的影响，实际上只能通过循环处理的方法，即将这些残渣再处理成其他材料，如水泥或建筑材料骨料。虽然人们已验证了这一处理方法的有效性，但由于涉及复杂的化学构成反应，以及经济可行性问题，实施起来仍然面临挑战。但法规对镍行业提交环境绩效的要求日益完善，生产企业将积极共同采取促使来解决环境保护问题。

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