瑞木红土镍矿高压酸浸的生产实践

皮关华， 孔凡祥， 贾露萍， 王长江， 杜建新



瑞木红土镍矿高压酸浸的生产实践

皮关华， 孔凡祥， 贾露萍， 王长江， 杜建新

叙述了巴布亚新几内亚瑞木红土镍矿的矿物组成特点，以及红土镍矿高压酸浸的工艺原理。在实际生产中控制高压酸浸反应温度245～255 ℃、反应压力4 300～4 800 kPa、反应时间40～60 min，同时根据原矿成分及时调整酸矿比，主金属的浸出率处于较高水平。

红土镍矿； 高压酸浸； 酸矿比； 浸出率

0 前言

镍是一种性能优越的重要战略金属，主要用于不锈钢、合金钢和特种钢等。传统的从硫化镍矿中提取镍金属的方法已有近百年历史，工艺成熟，但经百年开采，地球上硫化镍矿资源日渐枯竭，因此从红土镍矿(氧化镍矿)中提取镍金属正逐步成为主流。

目前湿法冶炼工艺被广泛用于红土镍矿冶炼，世界上比较有代表性的红土镍矿湿法冶炼项目有：西澳的考斯(Cawse)、布隆(Bulong)和莫林莫林(Murrin Murrin)；菲律宾住友公司2005年开发的Coral Bay项目；2007年Inco公司在新喀里多尼亚开发的Goro镍项目；以及中国中冶集团在巴布亚新几内亚投资建设的瑞木镍钴项目。

瑞木镍钴项目2006年开始施工建设，2012年3月份开始投产试车，2015年已突破85%的生产负荷，目前正在稳步实现达产达标。

红土镍矿湿法冶炼最为核心的部分是高压酸浸，本文叙述了瑞木镍钴项目红土镍矿高压酸浸的生产实践。

1 高压酸浸原理

区别于传统冶金工艺，红土镍矿的高压酸浸工艺属于较新的冶金工艺，因此必须深刻分析和理解高压酸浸的反应原理，才能对高压酸浸的生产操作进行正确的指导。

1.1 高压酸浸工艺概况

高压酸浸工艺较火法冶炼工艺有一定的优势。首先，该工艺能够处理火法冶炼工艺无法处理的矿石，如褐铁矿、绿脱石等；其次，该工艺不需要干燥、焙烧等工艺，能源消耗较低。在高温高压条件下，用硫酸将镍、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pH值等条件，铁、铝和硅等杂质元素水解进入渣中，镍、钴选择性进入溶液，从而与大部分脉石分离[1-3]。

高压酸浸工艺适合处理低镁含量的红土镍矿，矿石中镁含量过高会增加酸的消耗，提高操作成本，也会对工艺过程产生影响。矿石中的钴含量高，采用酸浸工艺，不仅钴的浸出率比氨浸工艺高，而且由于钴的价值比镍高，酸浸工艺的单位生产成本大幅度降低[4-8]。

瑞木公司处理的是巴布亚新几内亚湿型低镁高铁红土镍矿，该红土镍矿主要的矿层为褐铁矿层和残积矿层，其中褐铁矿层主要的矿物形态为水针铁矿(α-FeOOH)、 石英(SiO2)，另有少量的蛇纹石(MgO·SiO2)等；残积矿层主要的矿物形态为锰钴矿、硅镁镍矿，铁滑石[Mg(Si4O10)(OH)2]、高岭石[Al4(Si4O10)(OH)8]、辉石[CaMg(Si2O6)]、透闪石[Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2]等，瑞木公司投产初期按照褐铁矿与残积矿1∶1的比例配矿，最终的矿物成分见表1。

从表1中可以看出，瑞木红土镍矿含铁41.6%、铝2.2%、镁2.4%，如果采用常压浸出，铁铝将消耗大量的硫酸，工艺不经济。而采用高温浸出，铁及铝将水解成赤铁矿和水合明矾石，因此耗酸较少。

表1 2015年上半年瑞木公司原矿成分 %

瑞木公司高压酸浸工艺处理红土镍矿的工艺流程见图1。

图1 瑞木公司高压酸浸工艺流程图

1.2 红土镍矿高压酸浸过程中主要金属的行为[9-12]

①镍。瑞木红土镍矿中的镍主要存在于针铁矿中，少部分赋存于蛇纹石中，其它矿物中的量很少， 因此充分浸出镍的前提条件是针铁矿及镍蛇纹石分解。水针铁矿及镍蛇纹石中的镍的浸出反应为：

(1)

②钴、锰。钴绝大部分存在于富钴的锰水化合氧化物中，在有Fe2+存在的还原条件下易被浸出：

(2)

(3)

③铁。红土镍矿中的三价铁通常以针铁矿形式存在，其在硫酸介质中发生分解和转化反应生成赤铁矿，反应过程不消耗硫酸。部分浸出的Fe3+可形成草黄铁矾，草黄铁矾在高压条件下继续转化成赤铁矿，生成的赤铁矿会在高压釜内壁和管道内壁上结垢。

水针铁矿的分解：

(4)

硫酸铁在高温下水解生成赤铁矿沉淀：

(5)

总反应：

2FeOOH→Fe2O3+H2O

(6)

水针铁矿及蛇纹石中的部分FeO被溶出：

(7)

④铝。铝主要是以水铝矿的形式存在，浸出后主要呈水合明矾石：

Al2O3·3H2O+3H2SO4→Al2(SO4)3+6H2O

(8)

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

(9)

总反应：

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

(10)

⑤镁、硅和钙。镁主要是以碳酸盐和硅酸盐的形式存在，是主要的耗酸元素，浸出的硅在下游温度较低的工序中沉积形成硅酸，将造成结垢：

(11)

(12)

碳酸钙与硫酸的反应与碳酸镁一致，生成的硫酸钙将造成高压釜结垢：

(13)

⑥其它元素。少量铬尖晶石被分解溶出，这是瑞木红土镍矿尾渣排放中的重点控制元素：

(14)

微量的ZnO、CuO被浸出：

(15)

(16)

2 瑞木红土镍矿高压酸浸生产实践

主金属镍和钴的浸出率是高压酸浸工艺最核心的生产指标，影响浸出率的主要因素是反应温度、反应压力、反应时间和酸矿比。自2012年3月4日投产以来，瑞木公司在红土镍矿高压酸浸生产过程中不断探索实践，积累了丰富的生产经验。

2.1 反应温度对浸出率的影响

高压釜内的温度直接影响浸出效果。温度越高，浸出反应越快，可降低物料在高压釜内的停留时间和酸耗。然而，高温相应的压力也提高，能耗增加，因此高压釜的操作温度是基于经济性和工艺操作性综合考虑的。

瑞木公司高压釜正常的操作温度为245～255 ℃，设计最高操作温度为260 ℃。系统开车，开始加酸的温度一般选择釜温在235 ℃以上。2015年上半年的生产统计数据显示，只要高压釜内矿浆的温度在245～255 ℃之间，镍钴的浸出率相差并不大。但高压釜的反应温度在240℃以下，无论加酸多少，镍和钴的浸出率都会下降，详见表2。

表2 高压酸浸反应温度对镍、钴浸出率的影响

注：酸矿比250 kg/t干矿，反应时间60 min。

生产中发现，高压釜内的反应温度低于240 ℃时，铝的浸出率将升高，最高时达50%以上(正常情况下，铝的浸出率只有15%～20%)，大大降低了铝矾的产率，造成铝矾析出滞后，这是导致高压釜排料管堵塞的重要原因；其还将导致高压酸浸过程酸耗大幅上升；而且大量浸出的铝离子对后续除杂工序极为不利，除铝过程要添加大量的石灰石浆中和剂，需要进行固液分离处理的石膏和铁铝渣量非常巨大。

2.2 反应压力对浸出率的影响

红土镍矿中夹带的碳酸盐在高压釜内的浸出反应会产生诸如二氧化碳之类的不可凝气体，造成高压釜的压力高于对应温度水的饱和蒸汽压。

维持高压釜内一定的过压对生产操作是非常必要的，可以避免在高压釜排料过程中因为浸出后矿浆压力下降而导致的在高压釜排料管内出现的闪蒸现象。排料管内的物料闪蒸会导致管内出现气液双相混合流，对管道造成严重的磨蚀。

要使高压釜中矿浆的温度高于水的饱和压力之下对应的温度且不沸腾，高压釜内的压力必须始终高于该温度下水的饱和蒸汽压，245 ℃时水的饱和蒸汽压为3 548.8 kPa，255 ℃时水的饱和蒸汽压为4 220.2 kPa，因此，瑞木公司高压釜操作压力控制在4 100～4 800 kPa，设计最高操作压力为5 072 kPa，确保高压釜内始终有300～500 kPa的过压。

控制高压釜内压力最主要的措施是控制其温度，因为高压釜内的气压主要来源于饱和蒸汽压，其余来源于前面提到的过压，过压的控制主要有两点：①开采的红土镍矿中必须有一定数量的碳酸盐，②控制高压釜正常排气阀开度，避免不可凝气体大量排出。

总之，反应压力属于次控制参数，最主要的控制参数还是反应温度，也就是控制好反应温度，基本上也就控制好了反应压力。

2.3 反应时间对浸出率的影响

高压釜的作用是为矿浆浸出提供所需的高温、高压、高酸环境。矿浆的浸出反应可以在较低的温度和压力下进行，但是浸出速度极低，浸出时间很长。在高压釜内进行浸出，可以大大缩短反应时间，提高主金属浸出率，同时降低杂质金属的浸出率。表3为高压酸浸反应时间对镍、钴浸出率的影响。

表3 高压酸浸反应时间对镍、钴浸出率的影响

注：酸矿比250 kg/t干矿，反应温度250 ℃，反应压力4 300 kPa。

表3中数据表明：浸出45 min左右，镍钴基本完全浸出。浸出45 min比浸出60 min，镍浸出率低约1%，钴浸出率低约1%～2%，相差不明显。为最大限度地使镍钴主金属充分浸出，生产中将反应时间控制在60 min。

2.4 酸矿比对浸出率的影响

控制合理的酸矿比对于高压酸浸工艺非常关键。酸矿比低，将直接导致镍、钴的浸出率下降，但是酸矿比过大，过量的杂质金属被浸出，造成下游工序除杂时石灰石浆、石灰乳等试剂的消耗增大。镁是主要的耗酸元素，其次为镍、钴、锰、铝和碳酸盐等。

因为原矿浆中各元素含量波动，因此，在不同的酸矿比下，镍、钴和铁的浸出率变化很大，因此酸矿比不是一成不变的，必须根据原矿成分及时进行调整，以保证主金属的浸出率。

2015年上半年，瑞木公司在不同期间控制不同的酸矿比，主金属的浸出率见表4。

表4 控制不同酸矿比时镍、钴、铁的浸出率

3 结论

瑞木公司的生产实践表明，控制反应温度245～255 ℃、反应压力4 100～4 800 kPa、反应时间45～60 min，同时根据原矿成分及时调整酸矿比，能够保证高压酸浸主金属较高的浸出率，取得较好的经济效益。

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(瑞木镍钴管理(中冶)有限公司冶炼厂 巴布亚新几内亚国马当省马当市)

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

皮关华(1980—)，男，湖南株洲人，冶金工程师，硕士，2007年5月毕业于中南大学冶金学院，现就职于瑞木镍钴管理(中冶)有限公司，担任冶炼厂副厂长。

2015- 08- 18

TF815； TF111.31

B

1672- 6103(2015)06- 0011- 04