从红土镍矿中提取镍的技术研究现状及展望.pdf

文章编号1006 - 4079200801 - 0018 - 05 从红土镍矿中提取镍的技术研究现状及展望 Ξ 周晓文1,张建春1 ,2,罗仙平1 ,3 1. 江西理工大学,江西 赣州341000 ;2.四川省有色冶金研究院,四川 成都610081 ; 3.钨资源高效开发与应用技术教育部工程研究中心,江西 赣州341000 摘要随着世界上硫化镍矿资源日趋枯竭,开发利用红土镍矿是未来镍业发展的方向。本 文介绍的红土镍矿处理工艺有火法工艺和湿法工艺,其中火法工艺和湿法工艺中的氨浸 法、 高压酸浸法存在明显缺点,而常压酸浸法有工艺简单、 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。 关键词镍;红土镍矿;氨浸法;高压酸浸法;常压酸浸法;微生物浸出 中图分类号TF815 文献标识码A The Current Situation and Prospects of the Process and Technology of Nickel Extraction from Laterite - nickel ore ZHOU Xiao - wen1,ZHANGJian - chun1 ,2,LUO Xian - ping1 ,3 1. Jiangxi University of Science and Technology , Ganzhou341000, Jiangxi , China 2.Sichuan Research Institute of Non-ferrous Metals Metallurgy , Chengdu610081, Sichuan , China 3. Engineering research center of high-ef f iciency development and application technology of tungsten resources , Ministry of Education , Ganzhou341000, Jiangxi , China Abstract With the sulfide nickel ore in the world resources dry up day by day , the development of laterite - nickel ore will be the main direction of nickel industry in future. Pyrometallurgy and hydrometallurgy are introduced in this article , pyrometallurgy , ammoniacal leaching and high - pressured acid leaching hasobvi2 ous disadvantage. Craft simply , energy consumption low , the operation easy to control , investment low are the merits of the constant - pressured acid leaching. It is belived that constant - pressured acid leaching will be have very good prospects for development. Key words Nickel ;Laterite - nickel ore ;Ammoniacal leaching; High - pressured acid leaching;Constant - pressured acid leaching; Microbial leaching 1 概述 镍是一种银白色金属,具有良好的机械强度、 延展性和很高的化学稳定性[1],广泛应用于生产 不锈钢和各种合金,已成为发展现代航天航空工 业、 军事工业、 医疗器械工业和发展人类现代文明 不可或缺的金属。 地球上的镍资源比较丰富,据美国地质调查 81 Ξ收稿日期2008 - 02 - 29 基金项目江西省青年科学家井冈之星培养对象计划资助项目 作者简介周晓文1983 - ,男,山东人,江西理工大学资源与环境工程学院矿物加工工程硕士研究生. 四川有色金属 Sichuan Nonferrous Metals 2008年3月 局 矿物商品概要2006 报道,世界已查明的镍金 属储量约为6200万t[2]。我国属世界上镍资源 较丰富的国家之一,占总储量的9 左右,位居世 界第四[3 ,4]。 镍在地壳中的平均含量为0. 01 ,但可开采 的矿床并不多,目前主要有硫化镍矿床和红土型 镍矿床两类,在现有储量中,红土矿占70 ,硫化 矿占30 ,但目前约60 的镍产品来自于硫化 矿[5]。但是世界上可供开采的硫化镍矿资源越 来越少,随着世界经济的高速发展,镍需求增加, 价格上扬,开发利用红土镍矿已成为十分迫切的 任务。 2 红土矿资源分布及特点 红土镍矿是由含镍的矿石经风化、 浸淋、 蚀 变、 富集而成的,是由铁、 铝、 硅等等含水氧化物组 成的疏松粘土状矿石。由于铁的氧化,矿石呈红 色,所以被称为红土矿。现已探明的红土镍矿资 源多分布在南北回归线一带,如澳大利亚、 巴布亚 新几内亚、 新喀里多尼亚、 印度尼西亚、 菲律宾和 古巴等地,如表1所示[6]。 表1世界红土镍矿主要分布状况 国家古巴新喀里多尼亚印度尼西亚澳大利亚菲律宾 储量/万 t 以镍计23001500130011001100 国家多米尼加哥伦比亚委内瑞拉中国美国 储量/万 t 以镍计900110705018 红土镍矿床一般分为三层,上层是褐铁矿层, 这层铁、 钴含量高,硅、 镁、 镍含量较低;下层是硅 镁镍矿,这层硅、 镁含量较高,铁、 钴含量较低,但 镍的含量较高;中间是过渡层,各主要金属含量介 于上层和下层之间[7]。 3 国内外红土镍矿处理工艺 目前,根据红土镍矿床不同的分层,处理工艺 有所不同,但不外乎火法和湿法两种处理工艺。 3. 1 火法处理工艺 火法处理工艺的原则流程如图1所示[8]。 图1 火法处理工艺原则流程 火法处理工艺根据最终产品的不同,又分为 镍铁工艺和镍锍工艺。 3. 1. 1 镍铁工艺 首先将矿石破碎至50 - 150mm ,送入干燥窑 干燥到矿石既不黏结又不太粉化,再送锻烧回转 窑,在700℃ 温度下干操、 预热和煅烧,得到焙砂, 然后将焙砂加入电炉,并加入10 - 30mm的挥发 性煤,经过1000℃ 的还原熔炼,产出粗镍铁合金。 在电炉还原熔炼的过程中几乎所有的镍和钻的氧 化物都被还原成金属,而铁的还原则通过焦炭的 加入量加以调整,最后将粗镍铁合金经过吹炼产 出成品镍铁合金[9]。采用该法生产镍铁合金的 工厂主要有法国镍公司的新喀里多尼亚多尼安博 冶炼厂、 哥伦比亚塞罗马托莎厂、 日本住友公司的 八户冶炼厂[10],产出的产品中镍质量分数为 20 ～30 ,镍回收率90 - 95 ,钴不能回 收[6]。 从目前实际的生产情况看,镍生产大多采用 工艺简单、 易于控制的电炉熔炼生产镍铁合金,但 电炉熔炼能耗高,污染严重,这对节能减排是十分 不利的。 3. 1. 2 镍锍工艺 镍锍生产工艺是在镍铁工艺的基础上,在电 炉熔炼过程中加入硫化剂,产出低镍锍,然后再通 过转炉吹炼生产高镍锍。镍锍的成分可以通过还 91 第1期周晓文等从红土镍矿中提取镍的技术研究现状及展望 原剂焦粉和硫化剂的加入量加以调整。 还原硫化熔炼的硫化剂可供选择的有黄铁矿 FeS 2、 石膏CaSO42H2 O 、 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。 目前国际大公司多采用硫磺做硫化剂。生产高镍 锍的主要工厂有法国镍公司的新喀里多尼亚多尼 安博冶炼厂、 印度尼西亚的苏拉威西 梭罗阿科冶 炼厂。高镍锍产品一般镍质量分数为79 ,硫 质量分数为19. 5 。全流程镍回收率约70 [6]。 火法工艺处理红土镍矿,最大的缺点是能源 消耗高,采用电炉熔炼仅电耗就约占操作成本的 50 ,再加上氧化镍矿熔炼前的干燥、 焙烧预处理 工艺的燃料消耗,操作成本中的能耗成本可能要 占65 以上。另外,火法处理工艺对处理的红土 矿镍品位有一定要求,矿石含镍每降低1 ,生产 成本大约提高3 - 4 。 3. 2 湿法处理工艺 湿法处理红土镍矿主要的工艺是浸出,目前 主要有氨浸法[11]、 高压酸浸法[12]、 常压酸浸 法[13]、 微生物浸出[14]等工艺流程。 3. 2. 1 氨浸法 还原焙烧-氨浸工艺RRAL是由Caron教 授发明的,因此又称Craon流程[15],基本流程如 图2所示[8]。 图2 还原焙烧-氨浸工艺基本流程 氨浸法是湿法处理红土镍矿工艺中最早应用 的,还原焙烧-氨浸的一般工艺是先将红土矿干 燥,然后在600 - 700℃ 温度下还原焙烧,使镍、 钴 和部分铁还原成合金,然后再经过多级逆流氨浸。 由于镍和钴可与氨形成配和物,镍、 钴等有价金属 进入浸出液。浸出液经硫化沉淀,沉淀母液再除 铁、 蒸氨,产出碱式硫酸镍,碱式硫酸镍再经煅烧 转化成氧化镍,也可以经还原生产镍粉。还原焙 烧的目的是使硅酸镍和氧化镍最大限度地被还原 成金属,同时控制还原条件,使大部分Fe还原成 Fe3O4,只有少部分Fe被还原成金属。氨浸是将 焙烧矿用NH3及CO2将金属镍和钻转为镍氨及 钻氨络合物进人溶液[15]。 氨浸法是最早的湿法处理工艺。目前,世界 上采用该工艺处理红土矿的仅有澳大利亚QNI 公司的雅布鲁精炼厂和古巴的尼加罗冶炼厂。一 般生产的镍块中镍质量分数达90 ,全流程镍的 回收率达到75 - 80 。与火法冶炼流程相比, 钴可以部分回收,回收率约40 - 50 [7]。 氨浸法只适合处理红土镍矿床上层的红土 矿,不适合处理下层硅镁含量高的矿层,这就极大 的限制了氨浸法的发展,从上世纪70年代以后就 没有新建工厂选用该工艺。 3. 2. 2 高压酸浸法 高压酸浸工艺HPAL的基本流程如图3所 示[8]。 图3 高压酸浸法原则流程 高压酸浸法处理红土镍矿是从上世纪50年 代发展起来的,一般流程为在250 - 270℃、4 - 5MP的高温高压条件下,用稀硫酸将镍、 钻等与 铁、 铝矿物一起溶解,在随后的反应中,控制一定 的pH值等条件,使铁、 铝和硅等杂质元素水解进 入渣中,镍、 钻选择性进入溶液。浸出液用硫化氢 还原中和、 沉淀,得到高质量的镍钻硫化物,再通 过传统的精炼工艺配套产出最终产品[9]。 高压酸浸法最大的优点是钴的浸出率高,可 达90 以上,大大高于其他流程[9]。但这种工艺 02 周晓文等从红土镍矿中提取镍的技术研究现状及展望第1期 只适合处理含镁低的红土镍矿,因为,镁含量高会 加大酸耗量并影响工艺流程。另外,高压、 高温的 操作条件也限制了高压酸浸法的应用。 3. 2. 3 常压酸浸法 常压酸浸工艺是目前红土镍矿处理工艺研究 较为热门方向,其基本流程如图4所示[13]。 图4 常压酸浸法原则流程 常压酸浸法处理红土镍矿的一般工艺为对 镍红土矿先进行磨矿和分级处理,将磨细后的矿 浆与洗涤液和硫酸按一定的比例在加热的条件下 反应,将矿石中的镍浸出进入溶液,再采用碳酸钙 进行中和处理,过滤进行液固分离,得到的浸出液 用CaO或Na2S做沉淀剂进行沉镍。 罗仙平等[16]用硫酸在常压条件下对某含镍 蛇纹石矿进行了浸出试验研究,在磨矿细度- 0. 074mm占87. 1 、 硫酸浓度1. 5mol/ L、 矿浆浓度 167g/ L、 浸出时间8小时、 浸出温度60℃ 的条件 下,镍的浸出率超过85 。浸出液经过黄铁胆矾 法除铁、 硫化法除重金属、 中和沉镍分离碱金属和 碱土金属后,得到含镍41. 24 的Ni OH2镍精 矿,综合回收率达到75. 93 。 刘瑶[13]采用常压浸出工艺对低含量镍红土 矿进行了试验,磨矿粒度在- 0. 074mm - 200 目占80 、 浸出温度95℃ 和酸料比0. 85∶1条件 下,镍浸出率为85 左右。浸出液通过氢氧化镍 沉淀、 碳酸镍沉淀和硫化镍沉淀等多种方法回收 镍。其中采用硫化钠沉淀,镍沉淀物中含镍量可 达20 以上,镍回收率可达80 以上。 常压浸出方法具有工艺简单、 能耗低、 不使用 高压釜、 投资费用少、 操作条件易于控制等优点, 但是浸出液分离困难,浸渣中镍含量仍较高。 3. 2. 4 微生物浸出 微生物浸出有真菌衍生有机酸浸出、 异样微 生物直接浸出等工艺。 真菌衍生有机酸浸出的工艺为先培养真菌, 在培养液pH值降低到2 - 3时,将培养液抽滤得 到清液,再用清液浸出红土镍矿。刘学等[14]利用 黑曲菌产生的有机酸对红土镍矿进行了浸出试 验,在矿浆浓度为2. 5 、 温度33℃、 转速120r/ min时,镍的浸出率达到73. 5 ,钴的浸出率达到 53.2 ,而铁的浸出率仅为47. 2 ,这大大低于 使用硫酸浸出时铁的浸出率。 Castro[17]等对异样微生物从硅镁镍矿中浸出 镍进行了研究,他们用含微生物的培养基100mL 在磨矿细度- 100目、 温度30℃、 摇瓶速率300r/ min ,对在121℃ 灭菌20min的5g矿样进行了浸 出试验,镍的浸出率大于80 。 真菌衍生有机酸对镍、 钴有良好选择浸出功 能,不仅浸出时间短而且浸出条件温和,比传统工 艺更为环保,工艺易操作。但是,浸出液中镍钴分 离、 有机酸的循环利用是目前还没有解决的问题。 异样微生物浸出也存在微生物培养成本高等问 题。 4 结语与展望 ⑴未来几年,金属镍的消费将继续保持快速 增长,而世界上可开发利用的硫化镍矿越来越少, 开发利用红土镍矿是镍工业发展的方向。 ⑵火法冶炼工艺是处理红土镍矿效果比较 好的工艺,但存在能耗高、 污染重等问题,这不符 合未来社会发展的方向。 ⑶湿法工艺中,氨浸法和高压酸浸都存在明 显缺点,它们对入选矿石有严格要求,氨浸法只适 合处理红土镍矿床上层的红土镍矿,高压酸浸法 只适合处理含镁低的红土镍矿,这对资源的综合 利用是十分不利的。 ⑷微生物浸出虽然更环保,但也存在浸出液 中镍、 钴困难、 异样微生物培养成本高、 有机酸不 能循环利用等问题。 ⑸常压酸浸法处理红土镍矿,工艺简单、 能 12 第1期周晓文等从红土镍矿中提取镍的技术研究现状及展望 耗低、 投资少、 操作条件易于控制,若能解决好浸 出液分离问题,将会有很好的发展前景。 参考文献 【1】 刘岩,翟玉春,王虹.镍生产工艺研究进展[J ].材料导 报. 2006 ,203 79 - 81 ,96 【2】 朱景和.世界镍红土矿开发与利用的技术分析[J ].中 国金属通报. 2007 ,35 22 - 25 【3】 朱训.中国矿情.第二卷[M].北京科学出版社. 1999 【4】 陶炳昆,殷先明.我国镍资源形式及开发对策[J ].中国 地质经济. 1991 ,10 13 - 16 【5】 张友平,周渝生,李肇毅等.红土矿资源特点和火法冶 金工艺分析[J ].铁合金. 2007 ,6 18 - 21 ,40 【6】 李建华,程威,肖志海.红土镍矿处理工艺综述[J ].湿 法冶金. 2004 ,4 191 - 194 【7】Roorda H. 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