进料浓度对红土镍矿加压酸浸效果的影响

苗 壮 刘涛涛 任甲林 孙宁磊 李少龙

(1.北京友鸿永盛科技有限公司， 北京 100041；2.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

金属镍具有良好的使用性能，已成为航空工业、国防工业等不可缺少的金属之一。镍的最大用途是生产不锈钢。随着不锈钢需求的迅猛增长，镍的需求量将进一步提高[1-2]。目前可供开发利用的镍资源为硫化镍矿和红土镍矿，但可供利用开发的硫化镍矿资源日渐匮乏，且勘探和建设周期较长，开发和利用难度较大[3]；而红土镍矿资源丰富，占整个镍资源量的70%，是未来镍增长的主要来源，因此红土镍矿开发将会成为未来镍生产的热点，受到了整个镍行业的重点关注。红土镍矿采矿成本低，选冶工艺成熟，可生产镍铁、氢氧化镍钴、硫化镍钴等多种中间产品，适应性强，同时红土镍矿矿源大多临海，便于运输。因此开发和利用红土矿具有重要的现实意义[4-5]。

红土镍矿处理工艺主要有火法和湿法。火法工艺主要有镍铁工艺和镍锍工艺，更适合处理镁、硅含量高，铁含量较低的矿石(过渡层或残积层的矿石)，但只有在处理镍品位较高的矿石时才有经济性[6-7]。由于许多国家规划未来逐步以新能源汽车取代燃油车，三元高镍动力电池迎来了蓬勃发展，红土镍矿湿法浸出工艺逐渐成为研究热点。目前行业主流的镍湿法冶炼工艺为加压酸浸工艺。该工艺具有镍、钴浸出率高，可有效分离铁、铝、硅与镍钴的优点，且具有成本优势，受到世界镍行业的青睐和不断关注[8]。目前在印度尼西亚建设的两个红土镍矿湿法冶炼项目——力勤OBI镍钴及华越镍钴项目，引进了世界上最先进的第三代红土镍矿加压酸浸湿法冶炼工艺。其中力勤项目于2021年5月一次性投产成功，产出产品氢氧化镍钴，目前产能也在不断提高。华越镍钴项目预计在2021年下半年投产。这两个湿法项目的成功，必将对未来镍行业的发展格局产生巨大影响，从而使其发生显著变化。

在整个红土镍矿加压酸浸的工艺技术指标中，如浸出率、pH值控制等，进料浓度是非常重要的指标之一。进料浓度指经过洗矿、选矿作业以及高效浓密机浓缩后进入加压酸浸系统的矿浆浓度。某项目的进料浓度设计值为32%，经过后期不断调整优化，目前可以达到38%。进料浓度的提高对矿浆流动性、用水消耗、镍钴产量、蒸汽消耗量、加压釜单向阀使用寿命等方面都有较大的影响。

1 进料浓度对矿浆流动性的影响

红土镍矿的矿浆属于非牛顿流体，性质比较复杂。当矿浆浓度略微提高时，其屈服应力迅速变大，从而影响矿浆的流动性。

通过对某项目镍红土矿浆流动性实验研究，总结的矿浆浓度与屈服应力之间的关系如公式(1)所示。从公式(1)中可以看出，矿浆浓度与屈服应力成指数关系。

Γy=1.755×10-2e23.60x

(1)

式中，Γy表示屈服应力，Pa；x表示矿浆质量浓度，%，取22.2%

矿浆浓度与屈服应力关系曲线如图1所示。从图1可以看出，当矿浆浓度超过35%后，屈服应力迅速增加；当矿浆浓度升高到38%时，屈服应力达到140 Pa，而屈服应力偏高，会降低矿浆的流动性。因此，为保障湿法冶炼工艺操作的连续性，矿浆浓度不宜太高，否则会影响浓密机底流泵的运行以及后续矿浆输送，产生矿浆堵塞现象，在生产过程中，某项目将进料浓度逐步由32%提高至38%，虽未出现较明显的堵管和矿浆输送困难现象，但屈服应力增加了4.12倍，受屈服应力的影响，矿浆输送泵的频率达到90%左右。因此，受矿浆流动性影响，生产过程中浓度达到了上限，目前生产浓度基本控制在38%以内。

图1 矿浆浓度与屈服应力关系曲线

2 进料浓度对选矿新水消耗的影响

红土镍矿经洗矿及选矿后，产出浓度约10%的矿浆输送至冶炼原矿浆浓密机系统进行浓密，而原矿在洗选的过程中需要消耗大量的水。这些水的来源主要有两部分：一为矿浆浓密后的溢流水，二为补充的新水，这两部分水的总量基本保持不变。因此，随着浓密后进料浓度的提高，溢流水量增多，可减少新水的消耗量。

以百吨干矿量为基础计算矿浆浓密底流浓度30%～45%的溢流水量，得到矿浆浓度与溢流水量关系，如图2所示。从图2中看出，以百吨干矿量计算，进料浓度达到38%时，相比浓度30%，溢流水量增加了70 t/h，从而减少洗选过程中的新水消耗量约70 t/h，按照年运行7 920 h，小时处理干矿量400 t进行计算，年节约用水量可达221.76万t，节水效果明显。

图2 矿浆浓度与溢流水量关系曲线

3 进料浓度对蒸汽消耗的影响

浓密后的矿浆进入加压酸浸系统进行连续选择性浸出反应，在反应的过程中需要利用大量的饱和蒸汽对矿浆进行加热加压，且蒸汽是高压釜加热的唯一热源。加压釜反应温度控制在255 ℃左右，压力为5 MPa。在进入系统干矿量一定的情况下，提高浓密后的矿浆浓度，相应矿浆的含水率必然会有所降低，无需对这部分水加热，从而降低了加压酸浸过程的蒸汽消耗。

以百吨干矿量为基础计算矿浆浓度为30%～45%时加压酸浸热平衡所需的饱和蒸汽量，结果如图3所示。从图3中可看出，以百吨干矿量计算，进料浓度达到38%时，相比浓度30%，蒸汽消耗量减少了7.98 m3，蒸汽节约可达22%。按照年运行7 920 h，小时处理干矿量400 t计算，年节约蒸汽量可达25.3万m3，蒸汽节约效果明显。节约的蒸汽可以用于发电，从而减少外购电量，降低了生产运行成本。

图3 矿浆浓度与蒸汽消耗量关系曲线

4 进料浓度对产能的影响

进料浓度的变化，对产能也会产生较大的影响。随着进料浓度提高，矿浆密度也逐渐提高。在同等进料流量情况下，进料浓度提高，进料干固量会增加，因为有价金属量投入量增多。在实际的生产过程中，进料浓度的提高不会影响加压酸浸的浸出率，也不会影响后续的除杂沉淀等工序，但会直接提高产能，增加经济效益。

按照百吨干矿量为基础计算矿浆浓度30%～45%进料干固量，如图4所示。从图4中可以看出，当矿浆浓度从30%提高到38%时，进料干固量明显提高。这表明在后续工序设备能力都满足的前提下，提高进料浓度是提产的重要手段之一。巴新某项目自2017年以来，金属镍产量都超过设计产能10%以上，主要原因之一是提高了原矿浆浓缩后的底流浓度。该项目的矿浆浓密浓度设计值为32%，目前稳定运行在38%左右，在同等流量条件下，增产了25.5%，提产效果显著。

图4 矿浆浓度与干固量关系曲线

5 矿浆浓度对单向阀使用寿命的影响

在巴新某项目的实际生产过程中，加压釜给料泵单向阀的使用寿命较短，对初期生产影响较大。当进料浓度达到35%时，加压釜给料泵单向阀的使用寿命基本在500 h左右，设备运转率偏低，因为每更换一次加压釜给料泵的单向阀，加压酸浸系统都会出现明显的波动，需要操作人员进行不断调整，影响了生产效率。

然而随着进料浓度的提高，加压釜给料泵单向阀的使用寿命明显延长。当浓度提高至38%时，单向阀的使用寿命基本在700～800 h。进料浓度的提高，降低了汽蚀对单向阀的影响，提升了单向阀的使用寿命，大大提高了加压釜给料泵的设备运转率，减少了系统波动的频次，也节约了维检费用。

6 结束语

红土镍矿加压酸浸工艺受到全世界镍行业的重点关注。原矿浆浓缩底流浓度是加压酸浸工艺非常重要的一个指标。底流浓度的提高既可以节约新水消耗，又可以减少蒸汽消耗量，还能提高生产产能，延长加压釜给料泵单向阀的使用寿命，提高设备运转率，降低单位生产成本。但是浓度的提高可加速提高屈服应力，降低矿浆流动性。因此，在矿浆流动性及设备性能允许的条件下，应尽可能地提高矿浆底流浓度。