瑞木紅土鎳礦高壓酸浸的生產(chǎn)實踐

皮關(guān)華， 孔凡祥， 賈露萍， 王長江， 杜建新

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瑞木紅土鎳礦高壓酸浸的生產(chǎn)實踐

皮關(guān)華， 孔凡祥， 賈露萍， 王長江， 杜建新

敘述了巴布亞新幾內(nèi)亞瑞木紅土鎳礦的礦物組成特點，以及紅土鎳礦高壓酸浸的工藝原理。在實際生產(chǎn)中控制高壓酸浸反應(yīng)溫度245～255 ℃、反應(yīng)壓力4 300～4 800 kPa、反應(yīng)時間40～60 min，同時根據(jù)原礦成分及時調(diào)整酸礦比，主金屬的浸出率處于較高水平。

紅土鎳礦； 高壓酸浸； 酸礦比； 浸出率

0 前言

鎳是一種性能優(yōu)越的重要戰(zhàn)略金屬，主要用于不銹鋼、合金鋼和特種鋼等。傳統(tǒng)的從硫化鎳礦中提取鎳金屬的方法已有近百年歷史，工藝成熟，但經(jīng)百年開采，地球上硫化鎳礦資源日漸枯竭，因此從紅土鎳礦(氧化鎳礦)中提取鎳金屬正逐步成為主流。

目前濕法冶煉工藝被廣泛用于紅土鎳礦冶煉，世界上比較有代表性的紅土鎳礦濕法冶煉項目有：西澳的考斯(Cawse)、布隆(Bulong)和莫林莫林(Murrin Murrin)；菲律賓住友公司2005年開發(fā)的Coral Bay項目；2007年Inco公司在新喀里多尼亞開發(fā)的Goro鎳項目；以及中國中冶集團(tuán)在巴布亞新幾內(nèi)亞投資建設(shè)的瑞木鎳鈷項目。

瑞木鎳鈷項目2006年開始施工建設(shè)，2012年3月份開始投產(chǎn)試車，2015年已突破85%的生產(chǎn)負(fù)荷，目前正在穩(wěn)步實現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。

紅土鎳礦濕法冶煉最為核心的部分是高壓酸浸，本文敘述了瑞木鎳鈷項目紅土鎳礦高壓酸浸的生產(chǎn)實踐。

1 高壓酸浸原理

區(qū)別于傳統(tǒng)冶金工藝，紅土鎳礦的高壓酸浸工藝屬于較新的冶金工藝，因此必須深刻分析和理解高壓酸浸的反應(yīng)原理，才能對高壓酸浸的生產(chǎn)操作進(jìn)行正確的指導(dǎo)。

1.1 高壓酸浸工藝概況

高壓酸浸工藝較火法冶煉工藝有一定的優(yōu)勢。首先，該工藝能夠處理火法冶煉工藝無法處理的礦石，如褐鐵礦、綠脫石等；其次，該工藝不需要干燥、焙燒等工藝，能源消耗較低。在高溫高壓條件下，用硫酸將鎳、鈷等有價金屬和鐵、鋁礦物一起溶解，在隨后的反應(yīng)中，控制一定的pH值等條件，鐵、鋁和硅等雜質(zhì)元素水解進(jìn)入渣中，鎳、鈷選擇性進(jìn)入溶液，從而與大部分脈石分離[1-3]。

高壓酸浸工藝適合處理低鎂含量的紅土鎳礦，礦石中鎂含量過高會增加酸的消耗，提高操作成本，也會對工藝過程產(chǎn)生影響。礦石中的鈷含量高，采用酸浸工藝，不僅鈷的浸出率比氨浸工藝高，而且由于鈷的價值比鎳高，酸浸工藝的單位生產(chǎn)成本大幅度降低[4-8]。

瑞木公司處理的是巴布亞新幾內(nèi)亞濕型低鎂高鐵紅土鎳礦，該紅土鎳礦主要的礦層為褐鐵礦層和殘積礦層，其中褐鐵礦層主要的礦物形態(tài)為水針鐵礦(α-FeOOH)、 石英(SiO2)，另有少量的蛇紋石(MgO·SiO2)等；殘積礦層主要的礦物形態(tài)為錳鈷礦、硅鎂鎳礦，鐵滑石[Mg(Si4O10)(OH)2]、高嶺石[Al4(Si4O10)(OH)8]、輝石[CaMg(Si2O6)]、透閃石[Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2]等，瑞木公司投產(chǎn)初期按照褐鐵礦與殘積礦1∶1的比例配礦，最終的礦物成分見表1。

從表1中可以看出，瑞木紅土鎳礦含鐵41.6%、鋁2.2%、鎂2.4%，如果采用常壓浸出，鐵鋁將消耗大量的硫酸，工藝不經(jīng)濟(jì)。而采用高溫浸出，鐵及鋁將水解成赤鐵礦和水合明礬石，因此耗酸較少。

表1 2015年上半年瑞木公司原礦成分 %

瑞木公司高壓酸浸工藝處理紅土鎳礦的工藝流程見圖1。

圖1 瑞木公司高壓酸浸工藝流程圖

1.2 紅土鎳礦高壓酸浸過程中主要金屬的行為[9-12]

①鎳。瑞木紅土鎳礦中的鎳主要存在于針鐵礦中，少部分賦存于蛇紋石中，其它礦物中的量很少， 因此充分浸出鎳的前提條件是針鐵礦及鎳蛇紋石分解。水針鐵礦及鎳蛇紋石中的鎳的浸出反應(yīng)為：

(1)

②鈷、錳。鈷絕大部分存在于富鈷的錳水化合氧化物中，在有Fe2+存在的還原條件下易被浸出：

(2)

(3)

③鐵。紅土鎳礦中的三價鐵通常以針鐵礦形式存在，其在硫酸介質(zhì)中發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成赤鐵礦，反應(yīng)過程不消耗硫酸。部分浸出的Fe3+可形成草黃鐵礬，草黃鐵礬在高壓條件下繼續(xù)轉(zhuǎn)化成赤鐵礦，生成的赤鐵礦會在高壓釜內(nèi)壁和管道內(nèi)壁上結(jié)垢。

水針鐵礦的分解：

(4)

硫酸鐵在高溫下水解生成赤鐵礦沉淀：

(5)

總反應(yīng)：

2FeOOH→Fe2O3+H2O

(6)

水針鐵礦及蛇紋石中的部分FeO被溶出：

(7)

④鋁。鋁主要是以水鋁礦的形式存在，浸出后主要呈水合明礬石：

Al2O3·3H2O+3H2SO4→Al2(SO4)3+6H2O

(8)

Al2(SO4)3+14H2O→2(H3O)Al3(OH)6(SO4)2+5 H2SO4

(9)

總反應(yīng)：

3Al2O3·3 H2O+4 H2SO4→2(H3O)Al3(OH)6(SO4)2+4 H2O

(10)

⑤鎂、硅和鈣。鎂主要是以碳酸鹽和硅酸鹽的形式存在，是主要的耗酸元素，浸出的硅在下游溫度較低的工序中沉積形成硅酸，將造成結(jié)垢：

(11)

(12)

碳酸鈣與硫酸的反應(yīng)與碳酸鎂一致，生成的硫酸鈣將造成高壓釜結(jié)垢：

(13)

⑥其它元素。少量鉻尖晶石被分解溶出，這是瑞木紅土鎳礦尾渣排放中的重點控制元素：

(14)

微量的ZnO、CuO被浸出：

(15)

(16)

2 瑞木紅土鎳礦高壓酸浸生產(chǎn)實踐

主金屬鎳和鈷的浸出率是高壓酸浸工藝最核心的生產(chǎn)指標(biāo)，影響浸出率的主要因素是反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)時間和酸礦比。自2012年3月4日投產(chǎn)以來，瑞木公司在紅土鎳礦高壓酸浸生產(chǎn)過程中不斷探索實踐，積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗。

2.1 反應(yīng)溫度對浸出率的影響

高壓釜內(nèi)的溫度直接影響浸出效果。溫度越高，浸出反應(yīng)越快，可降低物料在高壓釜內(nèi)的停留時間和酸耗。然而，高溫相應(yīng)的壓力也提高，能耗增加，因此高壓釜的操作溫度是基于經(jīng)濟(jì)性和工藝操作性綜合考慮的。

瑞木公司高壓釜正常的操作溫度為245～255 ℃，設(shè)計最高操作溫度為260 ℃。系統(tǒng)開車，開始加酸的溫度一般選擇釜溫在235 ℃以上。2015年上半年的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，只要高壓釜內(nèi)礦漿的溫度在245～255 ℃之間，鎳鈷的浸出率相差并不大。但高壓釜的反應(yīng)溫度在240℃以下，無論加酸多少，鎳和鈷的浸出率都會下降，詳見表2。

表2 高壓酸浸反應(yīng)溫度對鎳、鈷浸出率的影響

注：酸礦比250 kg/t干礦，反應(yīng)時間60 min。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，高壓釜內(nèi)的反應(yīng)溫度低于240 ℃時，鋁的浸出率將升高，最高時達(dá)50%以上(正常情況下，鋁的浸出率只有15%～20%)，大大降低了鋁礬的產(chǎn)率，造成鋁礬析出滯后，這是導(dǎo)致高壓釜排料管堵塞的重要原因；其還將導(dǎo)致高壓酸浸過程酸耗大幅上升；而且大量浸出的鋁離子對后續(xù)除雜工序極為不利，除鋁過程要添加大量的石灰石漿中和劑，需要進(jìn)行固液分離處理的石膏和鐵鋁渣量非常巨大。

2.2 反應(yīng)壓力對浸出率的影響

紅土鎳礦中夾帶的碳酸鹽在高壓釜內(nèi)的浸出反應(yīng)會產(chǎn)生諸如二氧化碳之類的不可凝氣體，造成高壓釜的壓力高于對應(yīng)溫度水的飽和蒸汽壓。

維持高壓釜內(nèi)一定的過壓對生產(chǎn)操作是非常必要的，可以避免在高壓釜排料過程中因為浸出后礦漿壓力下降而導(dǎo)致的在高壓釜排料管內(nèi)出現(xiàn)的閃蒸現(xiàn)象。排料管內(nèi)的物料閃蒸會導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)氣液雙相混合流，對管道造成嚴(yán)重的磨蝕。

要使高壓釜中礦漿的溫度高于水的飽和壓力之下對應(yīng)的溫度且不沸騰，高壓釜內(nèi)的壓力必須始終高于該溫度下水的飽和蒸汽壓，245 ℃時水的飽和蒸汽壓為3 548.8 kPa，255 ℃時水的飽和蒸汽壓為4 220.2 kPa，因此，瑞木公司高壓釜操作壓力控制在4 100～4 800 kPa，設(shè)計最高操作壓力為5 072 kPa，確保高壓釜內(nèi)始終有300～500 kPa的過壓。

控制高壓釜內(nèi)壓力最主要的措施是控制其溫度，因為高壓釜內(nèi)的氣壓主要來源于飽和蒸汽壓，其余來源于前面提到的過壓，過壓的控制主要有兩點：①開采的紅土鎳礦中必須有一定數(shù)量的碳酸鹽，②控制高壓釜正常排氣閥開度，避免不可凝氣體大量排出。

總之，反應(yīng)壓力屬于次控制參數(shù)，最主要的控制參數(shù)還是反應(yīng)溫度，也就是控制好反應(yīng)溫度，基本上也就控制好了反應(yīng)壓力。

2.3 反應(yīng)時間對浸出率的影響

高壓釜的作用是為礦漿浸出提供所需的高溫、高壓、高酸環(huán)境。礦漿的浸出反應(yīng)可以在較低的溫度和壓力下進(jìn)行，但是浸出速度極低，浸出時間很長。在高壓釜內(nèi)進(jìn)行浸出，可以大大縮短反應(yīng)時間，提高主金屬浸出率，同時降低雜質(zhì)金屬的浸出率。表3為高壓酸浸反應(yīng)時間對鎳、鈷浸出率的影響。

表3 高壓酸浸反應(yīng)時間對鎳、鈷浸出率的影響

注：酸礦比250 kg/t干礦，反應(yīng)溫度250 ℃，反應(yīng)壓力4 300 kPa。

表3中數(shù)據(jù)表明：浸出45 min左右，鎳鈷基本完全浸出。浸出45 min比浸出60 min，鎳浸出率低約1%，鈷浸出率低約1%～2%，相差不明顯。為最大限度地使鎳鈷主金屬充分浸出，生產(chǎn)中將反應(yīng)時間控制在60 min。

2.4 酸礦比對浸出率的影響

控制合理的酸礦比對于高壓酸浸工藝非常關(guān)鍵。酸礦比低，將直接導(dǎo)致鎳、鈷的浸出率下降，但是酸礦比過大，過量的雜質(zhì)金屬被浸出，造成下游工序除雜時石灰石漿、石灰乳等試劑的消耗增大。鎂是主要的耗酸元素，其次為鎳、鈷、錳、鋁和碳酸鹽等。

因為原礦漿中各元素含量波動，因此，在不同的酸礦比下，鎳、鈷和鐵的浸出率變化很大，因此酸礦比不是一成不變的，必須根據(jù)原礦成分及時進(jìn)行調(diào)整，以保證主金屬的浸出率。

2015年上半年，瑞木公司在不同期間控制不同的酸礦比，主金屬的浸出率見表4。

表4 控制不同酸礦比時鎳、鈷、鐵的浸出率

3 結(jié)論

瑞木公司的生產(chǎn)實踐表明，控制反應(yīng)溫度245～255 ℃、反應(yīng)壓力4 100～4 800 kPa、反應(yīng)時間45～60 min，同時根據(jù)原礦成分及時調(diào)整酸礦比，能夠保證高壓酸浸主金屬較高的浸出率，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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(瑞木鎳鈷管理(中冶)有限公司冶煉廠 巴布亞新幾內(nèi)亞國馬當(dāng)省馬當(dāng)市)

Practice of the HPAL Ramu laterite nickel

PI Guan-hua, KONG Fan-xiang, JIA Lu-ping, WANG Chang-jiang, DU Jian-xin

The mineral composition characteristics of the Ramu laterite nickel and HPAL principium were described in this paper. The operation experience showed the factors of the HPAL in the autoclave were controlled at: operation temperature 245～255 ℃, operation pressure 4 300～4 800 kPa, retention time 40～60 min and the timely adjusted acid/ore addition according to raw ore composition. Under such operation factors, a high leaching rate of the main metals was ensured.

laterite nickel; HPAL; acid/ore addition; leaching rate

皮關(guān)華(1980—)，男，湖南株洲人，冶金工程師，碩士，2007年5月畢業(yè)于中南大學(xué)冶金學(xué)院，現(xiàn)就職于瑞木鎳鈷管理(中冶)有限公司，擔(dān)任冶煉廠副廠長。

2015- 08- 18

TF815； TF111.31

B

1672- 6103(2015)06- 0011- 04