印度尼西亚镍矿资源及利用概况

米寰鹏,张 恒

(中国有色金属建设股份有限公司,北京 100029)

0 引言

图1 世界镍消费结构

镍元素在地壳中含量约0.018%[3],资源较为丰富,其中,海底锰结核中储量巨大,约有6.9 亿t(镍金属量),但能够开采利用的陆基镍资源储量仅有9 400 万t,主要分布在印度尼西亚、澳大利亚、巴西等国家,2021 年全球陆基镍资源储量分布情况如图3 所示,印度尼西亚镍资源储量约2 100 万t,居世界首位[4]。

图2 中国镍消费结构

图3 全球陆基镍资源储量分布情况

陆基镍矿主要分为硫化镍矿和氧化镍矿(红土镍矿)。硫化镍矿约占陆基镍资源储量的40%,主要分布在加拿大、俄罗斯、澳大利亚等国家,硫化镍矿品位较高,成分相对简单,处理工艺也相对成熟,但资源量较少;氧化镍矿约占陆基镍资源储量的60%,主要分布在赤道南北纬30 度以内的印度尼西亚、菲律宾、巴西等热带国家[5],因矿石中富含Fe2O3而显红色,所以又称红土镍矿。印度尼西亚镍矿资源主要为红土镍矿,本文均基于印度尼西亚红土镍矿展开论述。

1 印度尼西亚镍矿资源概况

近年来,印度尼西亚镍矿产量大体呈上升趋势,如图4 所示。2014 年,由于《矿产和煤炭矿业法》中“全面禁止原矿出口政策”的正式实施,造成2014年至2016 年印度尼西亚镍矿产量下降。2017 年,印度尼西亚政府放宽矿石出口限制,允许以配额制的方式有条件出口,因此2017 年至2019 年的镍矿产量逐步增长。2019 年,印度尼西亚政府再次颁发原矿出口禁令,要求自2020 年起禁止原矿出口,加之全球新冠肺炎疫情影响,市场需求下降,致使2020 年印度尼西亚镍矿产量下降约11%。参考近三年世界主要产镍国的镍矿产量(如图5 所示),印度尼西亚镍矿产量一直处于大幅领先水平,2020年,印度尼西亚镍矿产量已达到全球产量的27%[4]。

图4 2006—2020 年印度尼西亚镍矿产量

图5 2018—2020 年世界主要产镍国镍矿产量

1.1 印度尼西亚镍矿分布

印度尼西亚红土镍矿主要分布在苏拉威西岛(Sulawesi)、马鲁卡岛(Maluku)和巴布亚岛(Papua),另外在加里曼丹岛东部也有少量镍矿(如图6所示)。规模较大的镍矿床有苏拉威西岛的Soroako镍矿(Ni 品位1.67%,Ni 金属储量300 万t)和Pomalaa 镍矿(Ni 品位2.3%～3.3%,Ni 金属储量126万t),马鲁卡岛的Halmahera 镍矿(Ni 品位1.37%,Ni 金属储量279 万t)[6]。目前,印度尼西亚镍矿约305 座,可以稳定供矿的约50 座,其中规模较大的有印度尼西亚国有矿业公司PT Aneka Tambang(Antam)、淡水河谷旗下的 PT Vale Indonesia(Vale)、鹰桥公司(Falconbridge)、必和必拓(BHP Billiton)、力拓(Rio Tinto)等[7-9],在印度尼西亚投资镍矿的中国企业有青山集团、金川集团、新华联等。

图6 印度尼西亚镍矿、冶炼厂分布图

1.2 印度尼西亚红土镍矿资源特点

1.2.1 成矿机制

超基性岩(超镁铁岩)是红土镍矿成矿的必备条件之一,在苏拉威西、马鲁卡群岛等镍矿主产区内厚大的超基性岩广泛分布,为镍矿生成提供了物质基础。其次,这些岛屿处于太平洋板块和亚欧板块之间,强烈的地壳活动,不仅将地壳深处的镍元素带至地表,而且使岩石破碎,加速了超基性岩的风化、剥蚀和分解。加之这些岛屿位于赤道附近,常年温度在30 ℃以上,降雨丰富,有利于超基性岩的风化-淋滤-沉积而富集成矿。独特的地理和气候条件,造就了印度尼西亚红土镍矿矿床规模大、埋藏浅、易于露天开采的特点[10-11]。

1.2.2 垂直分布

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红土镍矿垂直分带明显,按化学元素成分和内部地质结构区分,自上而下,依次为红土带——腐岩带——岩带,如图7 所示,各带的特征如下[12-14]:

图7 印度尼西亚红土镍矿垂直分布

(1)红土带:上部为紫红色铁帽层,出现大量胶结成粘粒状或团块状的铁氧化物,主要矿物有:褐铁矿、赤铁矿以及少量的次生石英和高岭土等。中下部为疏松多孔状的发育黄色铁质矿层,主要矿物有:针铁矿、褐铁矿以及少量基岩的风化残留碎块。红土带整体上主要由褐铁矿组成,具有高铁低镁的特点。

(2)腐岩带:主要呈现为绿色,上部为粒度较细的风化矿物层,向下混杂的基岩风化-半风化碎块逐渐增多,主要矿物有:蛇纹石等镁铁层状硅酸盐类矿物,沿裂隙或节理多见浸染状翠绿色硅镁镍矿。腐岩带是主要的含镍矿层。

(3)基岩带:为暗绿色、棕灰色、灰黑色橄榄岩。岩石裂隙和节理中可见少量的浅绿色硅酸镍细脉,主要矿物有橄榄石、蛇纹石。

由垂直分布可知,印度尼西亚红土镍矿的镍品位低,各种化学元素、矿物组成含量差异大,且镍不以独立矿物而以类质同象的形式存在,因此难以利用物理选矿富集,唯有直接冶炼,且冶炼难度也较大。

综上,印度尼西亚红土镍矿具有赋存于地表,易于露天开采的优点,但也存在矿物组成复杂,难以冶炼的缺点。

2 印度尼西亚镍矿利用概况

为增加矿产品的附属价值,印度尼西亚政府颁布了原矿禁止出口法令,受此影响,很多企业被迫在印度尼西亚投资建设镍冶炼项目,尤其是2014 年以后,镍冶炼厂逐渐增多,目前已有13 家冶炼厂投入使用,预计2023 年,印度尼西亚镍冶炼厂将达到30家(如图8 所示),镍产能也将达到约189 万t,届时印度尼西亚将成为全球最主要的镍生产国。印度尼西亚镍冶炼厂主要分布在镍矿主产区苏拉威西岛和马鲁卡岛,另外在爪哇岛也有四座(两座已建成)冶炼厂[9,15],镍冶炼厂分布如图6 所示。

图8 2012—2024 年印度尼西亚镍冶炼厂数量

印度尼西亚镍冶炼工艺分为火法冶炼和湿法冶炼两类。

(1)火法冶炼工艺

红土镍矿火法冶炼工艺包括高炉熔炼工艺、回转窑干燥预还原-电炉熔炼(RKEF)工艺、回转窑直接还原法等。火法工艺适于处理镍品位较高的腐岩型红土镍矿。

高炉熔炼工艺是指红土镍矿经破碎、干燥、配料后制成烧结料,然后加焦炭和熔剂进入高炉熔炼,产品为镍品位3%～5%的镍生铁(NPI,Nickel Pig Iron)[16]。采用高炉熔炼工艺的冶炼企业有万向镍业、新华联等。

RKEF 工艺是指红土镍矿于800 ℃下在回转窑内经干燥脱水和预还原处理,之后投入电炉,在1 550～1 600 ℃下与还原剂进行还原熔炼,产出镍含量在8%～12%的镍铁(FeNi),此工艺的镍回收率大于90%[17]。RKEF 工艺具有产品品位高、镍回收率高的优点。力勤矿业、Antam、德龙镍业等采用了RKEF 工艺。RKEF 镍铁产品经过硫化处理可以生产高冰镍(Nickel Matte),用以制备硫酸镍,Vale即在RKEF 的基础上增设硫化过程,制备高冰镍产品[18]。

(2)湿法冶炼工艺

湿法冶炼工艺包括高压酸浸(HPAL)工艺、还原焙烧-氨浸(Caron)工艺以及常压酸浸工艺等,在印度尼西亚,镍矿的主要湿法处理工艺为高压酸浸工艺。对于红土带中的镁含量较低、镍含量较低的褐铁矿型红土镍矿,主要采用HPAL 工艺。

HPAL 是指镍矿在高温(约250 ℃)和高压(约4 MPa)的条件下,与H2SO4反应,使Ni、Co、Fe、Al 等氧化物转化为可溶性的硫酸盐进入溶液,浸出液通过调节PH,选择性除去Fe、Al 等杂质,除杂浸出液经中和提纯,加入沉淀剂即可得到纯净的中间产品——混合镍钴氢氧化物沉淀(MHP,Mixed Nickel-Cobalt Hydroxide Precipitate),MHP 再经硫酸反萃制成硫酸镍和硫酸钴。高压酸浸工艺的优势是镍、钴回收率能达到90%以上,且可利用镍品位较低的褐铁矿型红土镍矿[19]。

近年来,新能源汽车大热,带动了对动力锂电池的旺盛需求,硫酸镍和硫酸钴作为电池正极三元前驱体(镍钴锰氢氧化物)的重要原料,同样需求旺盛。HPAL 工艺产品正可为新能源汽车行业提供优质的电池原料。

宁波力勤矿业(Lygend)与Harita Group 在OBI岛上的镍冶炼项目,采用的即是HPAL 工艺,该项目将于2021 年完工,每年将生产16 万t 电池级硫酸镍和2 万t 硫酸钴,将是全球产能最大的红土镍矿湿法项目[20]。

另外,格林美、Vale 也计划采用HPAL 工艺建设红土镍矿冶炼项目。宁德时代甚至计划与Antam合作,于2024 年在印度尼西亚直接生产电池。

以矿石处理量计,RKEF 和高炉熔炼是印度尼西亚镍冶炼的主要工艺,分别占总处理量的53%和36%,但随着市场需求以及政策要求,能够与电池行业相结合的HPAL 工艺,必将成为印度尼西亚镍冶炼的发展趋势。

3 结论

(1)印度尼西亚镍矿资源丰富,矿石种类为红土镍矿,具有易开采难分离的特点。

(2)以RKEF 法、高炉法为主的火法工艺在印度尼西亚红土镍矿冶炼中占有主导地位。随着新能源产业的发展,以及对低镍品位红土镍矿的利用,HPAL 等湿法冶炼工艺也将是印度尼西亚红土镍矿冶炼的趋势。