低品位紅土鎳礦資源開發(fā)趨勢：“資源+能源+材料”一體化模式

馬文軍， 程晉陽

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

化石燃料的持續(xù)使用導(dǎo)致全球能源及環(huán)境問題日益突出，其對環(huán)境與氣候變化的影響受到全球各界的更多關(guān)注。在此背景下，多國先后發(fā)布了禁售燃油汽車計劃，國內(nèi)外眾多車企也紛紛開始加大電動汽車的布局，推動了電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。受此影響，作為動力電池原料的鎳鈷金屬及開發(fā)低品位紅土鎳礦的HPAL濕法工藝技術(shù)也受到廣泛關(guān)注。本文結(jié)合當(dāng)前倍受關(guān)注的動力電池材料發(fā)展形勢，以及筆者在鎳鈷工程領(lǐng)域的長期工程實踐，提出了低品位紅土鎳礦資源未來的開發(fā)趨勢。

1 鎳供需及其發(fā)展趨勢

1.1 鎳需求：未來需求將持續(xù)增加

從需求端來看，目前全球鎳的70%用于不銹鋼生產(chǎn)，30%用于合金鋼、電鍍及電池等(其中約10%用于電鍍及電池)[1]。受電動汽車發(fā)展影響，對鎳的需求將會持續(xù)增長。根據(jù)國內(nèi)外各大機構(gòu)預(yù)測，全球在2025年因電動汽車而產(chǎn)生的鎳需求將在50萬t左右(圖1)，而礦業(yè)巨頭嘉能可公司更是預(yù)計到2030年電池汽車鎳需求量將達到110萬t[2]。

圖1 各不同機構(gòu)企業(yè)對2025年電動汽車鎳需求量的預(yù)測(數(shù)據(jù)來源：據(jù)文獻[3-6]整理)

1.2 鎳供應(yīng)：紅土鎳礦將持續(xù)成為鎳的主要供應(yīng)來源

從供給端來看，全球鎳資源供應(yīng)主要是兩大來源，分別是硫化鎳礦和紅土鎳礦，前者主要集中于俄羅斯、加拿大、中國及澳大利亞等國，后者主要集中于印度尼西亞、巴西、古巴、菲律賓等國。1980年以來的礦產(chǎn)鎳產(chǎn)量及來源結(jié)構(gòu)變化見圖2。

圖2 礦產(chǎn)鎳產(chǎn)量及來源結(jié)構(gòu)變化(數(shù)據(jù)來源：產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自World Metal Statistics Yearbook 1990—2017；紅土鎳礦及硫化鎳礦產(chǎn)量系根據(jù)USGS數(shù)據(jù)和恩菲礦業(yè)經(jīng)濟研究院數(shù)據(jù)整理)

從供給結(jié)構(gòu)來看，2010年之前，全球鎳資源供應(yīng)以硫化鎳礦為主，但是從2010年開始至今，紅土鎳礦產(chǎn)鎳的占比已超過硫化鎳礦，并呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

紅土鎳礦供給占比的升高，一方面原因是由于紅土鎳礦在資源豐富程度、開發(fā)周期、投資成本等方面優(yōu)于硫化鎳礦，另一方面原因是近20年來，全球范圍內(nèi)沒有新發(fā)現(xiàn)的大型硫化鎳礦，同時不少硫化鎳礦山由于資源枯竭而關(guān)閉，這兩個因素共同作用，推動紅土鎳礦逐漸成為鎳供應(yīng)的主要來源。

1.3 電動汽車的發(fā)展給低品位紅土鎳礦開發(fā)帶來新機遇

汽車電動化已成為中遠期汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，荷蘭、挪威等國家提出禁售燃油車禁令[7]，各大車企也紛紛響應(yīng)，包括大眾、福特、通用等傳統(tǒng)車企也紛紛推出電動汽車生產(chǎn)計劃[8]。在汽車電動化的趨勢下，作為汽車動力電池正極材料主要組成元素的金屬鎳，在作為傳統(tǒng)金屬原材料的基礎(chǔ)上，疊加了戰(zhàn)略新興金屬的屬性，保障了動力電池原料的內(nèi)在需求，吸引了更多企業(yè)關(guān)注低品位紅土鎳礦的開發(fā)。

2 低品位紅土鎳資源開發(fā)的適用技術(shù)：HPAL濕法工藝

2.1 HPAL濕法工藝簡介

目前，紅土鎳礦的開發(fā)工藝主要有火法和濕法兩條路線。火法工藝主要采用回轉(zhuǎn)窯焙燒- 電爐還原工藝(簡稱“RKEF火法工藝”)，產(chǎn)品以鎳鐵為主；濕法工藝主要采用加壓酸浸- 鎳鈷沉淀工藝(簡稱“HPAL濕法工藝”)，該工藝的特點在于可以高效綜合回收紅土鎳礦中的鎳、鈷等元素，產(chǎn)品既可以是鎳、鈷金屬，也可以是鎳和鈷的硫酸鹽，既適用于不銹鋼產(chǎn)業(yè)也可用于電動汽車產(chǎn)業(yè)。

從紅土鎳礦HPAL濕法處理工藝的發(fā)展歷程來看，經(jīng)歷了三個階段。第一代HPAL濕法工藝技術(shù)起步于二十世紀五十年代末，代表項目是古巴Moa項目，高壓釜采用立式釜；第二代HPAL濕法工藝技術(shù)的標志是二十世紀末西澳以Murrin Murrin項目為代表三個HPAL濕法項目的開發(fā)，高壓釜改為臥式釜；第三代HPAL濕法工藝技術(shù)的標志是二十一世紀以瑞木項目為代表的HPAL濕法項目的成功達產(chǎn)達標并超產(chǎn)，其已成為HPAL濕法工藝項目的新標桿，代表著HPAL濕法工藝技術(shù)進入成熟期。

經(jīng)過六十多年發(fā)展，HPAL濕法工藝已成為處理低品位紅土鎳礦的成熟、可靠，且具有成本競爭力的工藝技術(shù)。中國恩菲承擔(dān)設(shè)計及設(shè)備供貨的瑞木紅土鎳礦HPAL濕法建成項目見圖3。

圖3 中國恩菲承擔(dān)設(shè)計及設(shè)備供貨的瑞木紅土鎳礦HPAL濕法項目

2.2 HPAL濕法工藝投資及成本

對于HPAL濕法項目而言，其投資和成本一直是影響項目開發(fā)的關(guān)鍵因素。

通常來說，紅土鎳礦HPAL濕法項目由于地處偏遠區(qū)域，造成基礎(chǔ)配套設(shè)施部分投資占比很大。但是通過對比歷史上紅土鎳礦RKEF火法項目和HPAL濕法項目的投資強度，以及從近期紅土鎳礦投資的情況來看，在合適的地區(qū)發(fā)揮項目建設(shè)中的當(dāng)?shù)貎?yōu)勢及中國優(yōu)勢的協(xié)同作用，建設(shè)HPAL濕法項目的投資可以控制在使項目具備競爭力的范圍內(nèi)。

對于HPAL濕法工藝的現(xiàn)金成本，根據(jù)恩菲礦業(yè)經(jīng)濟研究院的估算，預(yù)計未來新建紅土鎳礦濕法項目的現(xiàn)金成本將介于5 000～8 000美元/t鎳之間[8]，但對于不同項目而言，會由于礦石品質(zhì)、礦石成本、項目投資、消耗品價格、鈷價等因素的影響而有一定的差異。

根據(jù)2017年全球主要HPAL濕法項目與硫化鎳礦項目現(xiàn)金成本對比(圖4)，可以看出紅土鎳礦濕法工藝的現(xiàn)金成本已接近或低于硫化鎳礦成本。

圖4 2017年HPAL濕法項目與硫化鎳礦項目現(xiàn)金成本的對比(數(shù)據(jù)來源：恩菲礦業(yè)經(jīng)濟研究院數(shù)據(jù)庫)

因此，HPAL濕法工藝的日益成熟及其成本競爭力的提升，為其被市場廣泛接受創(chuàng)造了重要的內(nèi)在支撐條件，而動力電池市場的發(fā)展又為其發(fā)揮優(yōu)勢提供了廣闊的市場空間。

3 低品位紅土鎳礦資源開發(fā)的發(fā)展趨勢

3.1 HPAL濕法工藝應(yīng)用于動力電池產(chǎn)業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)

3.1.1 HPAL濕法工藝應(yīng)用于動力電池產(chǎn)業(yè)的機遇

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大環(huán)境來看，汽車電動化已成為未來發(fā)展的趨勢，這為動力電池材料產(chǎn)業(yè)提供了發(fā)展機遇。而從動力電池的正極材料選擇方面，鎳鈷錳三元體系已是業(yè)內(nèi)公認的路線，這也是各個機構(gòu)看好未來鎳鈷需求的一個主要原因。因此，對于鎳鈷資源的供應(yīng)及開發(fā)也就自然成為各方關(guān)注的重點。

紅土鎳礦含有鎳、鈷、錳三種正極材料所需的元素，加之可以高效提取鎳鈷的HPAL濕法工藝成熟與成本下降，使得HPAL濕法工藝非常適用于處理低品位紅土鎳礦，這也是目前越來越多身處動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)開始關(guān)注HPAL濕法項目的原因。

3.1.2 動力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的挑戰(zhàn)

為了讓新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，國家在政策層面上對動力電池的性能/成本指標、對新能源汽車的補貼門檻等均提出了更高的要求，政府要求供應(yīng)端進一步降低電池成本，以普及電動汽車的使用，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這些政策的加壓使得企業(yè)在保障電池安全性的前提下進一步降低電池綜合成本的意愿更加強烈。

雖然通過HPAL濕法工藝能夠有效降低動力電池原料環(huán)節(jié)的成本，但仍需從動力電池全行業(yè)的角度進一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上不同環(huán)節(jié)間的協(xié)同，保證各環(huán)節(jié)在投資、能源消耗、物料消耗、人員管理等方面的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)在成本上更大幅度的降低，最大程度解決電池企業(yè)關(guān)心的成本問題。

3.2 低品位紅土鎳礦開發(fā)的趨勢：“資源+能源+材料”一體化模式

在動力電池材料需求快速增長及動力電池成本制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雙重條件制約下，要實現(xiàn)動力電池材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，尋求新的解決途徑將是必然要求。因此，未來低品位紅土鎳礦資源的開發(fā)將需要更多與下游需求端緊密融合，選擇在具有鎳礦資源及能源優(yōu)勢的區(qū)域，依托當(dāng)?shù)刭Y源能源優(yōu)勢建設(shè)包括低品位紅土鎳礦資源開發(fā)(提供電池生產(chǎn)原料)、下游動力電池三元前驅(qū)體甚至是正極材料在內(nèi)的一體化項目，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的工藝協(xié)同及能源消耗的進一步降低，以進一步降低動力電池材料成本，將成為未來低品位紅土鎳礦的開發(fā)趨勢。這種進一步提升動力電池材料競爭優(yōu)勢的開發(fā)模式，稱為“資源+能源+材料”一體化模式。

采用“資源+能源+材料”一體化模式在資源優(yōu)勢地區(qū)開發(fā)低品位紅土鎳礦資源，可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上、下游環(huán)節(jié)間的節(jié)能降耗及業(yè)務(wù)協(xié)同，有利于降低動電池材料成本，充分發(fā)揮資源能源效率，在促進終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，促進低品位紅土鎳礦資源的開發(fā)利用。

4 結(jié)語

在鎳資源及能源豐富的地區(qū)實施“資源+能源+材料”一體化模式是低品位紅土鎳礦未來的開發(fā)趨勢，此模式可降低電池材料成本，促進電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

采用“資源+能源+材料”一體化模式實現(xiàn)低品位紅土鎳礦資源開發(fā)與電池材料生產(chǎn)的一體化，將成為電池材料企業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵因素，而這一模式也將助力這些地區(qū)成為其所在區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)重要的電池材料供應(yīng)基地。