3.4 镍冶炼

    1  根据不同的原料选择相应的镍冶炼工艺流程。

        1)镍硫化矿可通过选矿富集，富集后产出的铜镍精矿的含镍品位可达6％～12％。浮选硫化铜镍精矿中含有以硫化铁形态存在的燃料成分。采用火法冶炼工艺处理，能充分利用精矿中的潜热，降低能源消耗。火法冶炼工艺还有利于回收铜镍精矿中的贵金属。

        2)氧化镍矿(红土矿)储量巨大，据1987年国际红土矿年会统计，镍储量的80％为红土矿，而且赋存于地表，易采，可露天开采，具有开发的优势条件。氧化镍矿(红土矿)不能通过选矿富集，应根据矿石品位和矿石类型选择冶炼工艺。火法冶炼流程有竖炉预还原电炉熔炼法、回转窑还原电炉熔炼法、煅烧还原成镍铁法；湿法冶炼流程有还原焙烧氨浸法、加压酸浸法等。一般来说，矿床上层矿石适宜于湿法冶炼，下层矿石适宜于火法冶炼，中间过渡层适宜于两种冶炼方法。

        3)利用废杂镍原料炼镍，不仅扩大了镍资源，而且还有投资省、能耗少、生产成本低、环境污染轻等优点。在有转炉吹炼低镍锍的工厂，废杂镍原料可作为冷料加入转炉处理，利用低镍锍吹炼作业的富余热量将废杂镍原料熔化并吹炼成高镍锍，既利用了余热，又满足了低镍锍吹炼作业温度控制的要求。含镍合金的高熔点废杂镍宜加入电炉中熔炼。

    2  火法炼镍的熔炼方法众多，归纳起来有传统的鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、电炉熔炼，以及现代的闪速熔炼(包括奥托昆普闪速熔炼、英可氧气闪速熔炼)、富氧顶吹浸没熔池熔炼(包括艾萨法、奥斯麦特法)、氧气顶吹自热熔炼法等强化熔炼工艺。

    传统的鼓风炉熔炼、反射炉熔炼和电炉熔炼工艺的共同特点是不能充分利用硫化铜镍精矿熔炼过程中的化学反应热，因此需要消耗大量的辅助燃料或电能。此外，熔炼过程产生的烟气二氧化硫浓度低，不能经济地回收，从而造成对生态环境的严重污染。因此，自20世纪70年代以来逐渐被一些新兴的强化熔炼方法所取代。由于电炉熔炼对物料的适应性强，热效率高，且热量集中，可获得冶炼需要的高温，并可控制冶炼产物的过热温度，从而有利于处理一些难熔复杂物料，在镍冶炼中仍有一定的使用价值。

    闪速熔炼和熔池熔炼的共同特点是可充分利用硫化铜镍精矿熔炼过程中的化学反应热，在自热或接近自热的条件下完成熔炼过程，有效地降低能源消耗。熔炼过程产生的烟气量小，烟气中二氧化硫浓度高，可以经济地回收，有利于消除污染，保护环境。

    3  闪速熔炼和各种熔池熔炼工艺普遍采用富氧熔炼技术，而且鼓风富氧浓度有越来越高的趋势。其原因是：

    采用富氧熔炼可以改善熔炼过程的热量平衡，减少烟气带走的热量，从而可以减少辅助燃料的消耗。

    采用富氧鼓风可以强化熔炼过程，提高设备的生产能力。因此提高鼓风富氧浓度常被作为提高生产能力、降低单位产品综合能耗的主要手段之一。

    鼓风富氧浓度的提高将直接导致烟气量的减少和烟气二氧化硫浓度的提高，降低了烟气处理过程的能耗，有利于烟气制酸及生态环境保护。

    制氧技术的进步降低了氧气能耗和生产成本，为熔炼过程大量使用氧气创造了有利条件。

    4  目前低镍锍的吹炼作业绝大多数在卧式转炉内进行。卧式转炉热量利用较好，除自热完成吹炼作业外，还可以利用富余热量处理含镍杂料、包壳、烟尘块等固态冷料。此外，卧式转炉还具有建设投资低、技术成熟、杂质脱除率高，高镍锍含铁容易控制，钴回收率稳定等优点。

    由于卧式转炉吹炼过程是间歇式的周期性作业，产出的烟气量和烟气中二氧化硫浓度都有波动，给烟气制酸带来麻烦。此外，卧式转炉炉口漏风量大，造成烟气量增大和烟气二氧化硫浓度降低；炉体倾动时炉口二氧化硫烟气逸出，污染操作环境。为了解决上述问题，在铜锍吹炼中相继出现了三菱法吹炼、闪速吹炼和奥斯麦特吹炼等连续吹炼工艺，这些新的吹炼方法的共同特点是烟气连续，二氧化硫浓度稳定，炉子密闭性好，改善了二氧化硫外逸所造成的操作环境恶化。在低镍锍吹炼方面，国内还没有连续吹炼生产实践，而且建设投资也较高。但是随着环保要求的日益严格，开发利用连续吹炼工艺也应是低镍锍吹炼技术的发展方向。目前，顶吹浸没吹炼技术在南非已成功应用于低镍锍的吹炼作业。

    5  镍精矿采用闪速熔炼和熔池熔炼进行造锍熔炼时，产出的炉渣含镍通常在1％以上，需经贫化处理。以热态炉渣进入电炉贫化，是工业上广泛应用的方法，具有能耗低、流程简便的优点。金川集团有限公司采用的闪速熔炼炉与贫化电炉组合在一起的合成炉更具有节能优点。富氧顶吹浸没熔炼的炉渣常在沉降电炉中同时进行贫化过程。低镍锍吹炼产出的吹炼渣一般返回熔炼炉处理，以回收其中有价金属。吹炼渣以热态炉渣加入贫化电炉，具有流程短、金属回收率高、能耗低等优点，被广泛认同。

    6  国内外高镍锍生产电镍技术主要有2类、4种方法，即硫化镍阳极电解法、粗镍电解法、氯浸-电积法和酸浸-电积法。目前，世界上俄罗斯、加拿大汤普森精炼厂和我国仍采用传统的高镍锍可溶阳极电解工艺，其产量占世界电镍总产量的60％～70％。20世纪70年代以来，许多老厂相继采用酸浸-电积和氯浸-电积精炼改造原有传统电解精炼工艺，新建的精炼厂多采用浸出-电积工艺。

    硫酸浸出-电积工艺，镍、钴浸出率高，浸出液中杂质含量少，阳极液闭路循环无污染，设备材质容易解决，产品可多样化，可生产电积镍、镍粉、镍块、钴粉、硫酸镍等。缺点是加压浸出设备昂贵，运行费用高。氯浸-电积工艺流程短，常压下浸出，镍钴浸出率高，溶液体积少，电解产出氯气可循环利用，电积镍外观质量、指标均优于酸浸工艺，成本更低，但环境的治理和设备的防腐有一定的难度。因此，选择镍的精炼工艺方案应根据具体建设条件综合分析比较后予以确定。

3.4.2  综合能耗指标主要依据对国内镍冶炼企业产品能耗情况的调查，以及参照现行国家标准《镍冶炼企业单位产品能源消耗限额》GB 21251规定的能耗指标。

    现行国家标准《镍冶炼企业单位产品能源消耗限额》GB 21251-2007的有关指标摘录见表9～表11。

表9  现有镍冶炼企业单位产品能耗限额限定值

表10  新建镍冶炼企业单位产品能耗限额准入值

表11  镍冶炼企业单位产品能耗限额先进值

    上述各表中“先进值”是世界先进水平，“准入值”是新建企业必须达到的能耗指标。本规范综合能耗指标的确定是以“先进值”作为一级能耗指标的参考值，以“准入值”作为三级能耗指标的参考值。

3.4.4  本条对铜镍精矿熔炼应采取的节能措施作出规定。

    1  熔炼过程实行精料方针，就是要提高精矿含镍品位，降低含高熔点的脉石成分，有利于减少无用成分消耗热能，降低冶炼温度，从而能够有效地降低冶炼能耗。

    2  闪速熔炼炉等强化熔炼工艺的烟气温度高达1350℃～1450℃，蕴含大量热能，炉后设置余热锅炉，可回收其中60％～70％的余热，所产中压蒸汽可供发电或生产、生活用汽，从冶金工业炉窑产出的高温烟气中回收余热是重要的节能措施，故本款为强制性条款，必须严格执行。

    3  硫化铜镍精矿闪速熔炼已有50年历史，我国金川集团有限公司于1992年建成投产了世界上第五座炼镍闪速熔炼炉，采用合成式闪速炉炉型。合成式闪速炉是将传统闪速炉与贫化电炉合二为一的一种炉型，其贫化区(实际上就是一台贫化电炉)与闪速炉沉淀池连通，闪速炉热渣不需要出炉就流入到贫化区，流程短、结构紧凑，充分利用了炉渣的显热，可降低炉渣贫化电能消耗。炼镍闪速炉渣含有价金属高，且其又不能通过选矿的方法进行回收，因此，采用电炉贫化是常用的有效途径。而合成式闪速炉的上述特点很适合镍冶炼的要求，在达到弃渣指标的同时，又有利于节能。

        1)闪速熔炼属悬浮熔炼，反应塔中的物料在2s～3s内完成氧化脱硫、熔化、造渣等主要化学反应。精矿含水如果超过0.3％，熔炼过程中物料颗粒表面将形成一层水蒸气薄膜，延长颗粒到达着火温度时间，影响颗粒在气流中的分散，阻碍反应的顺利进行，精矿还来不及反应就落入熔池产生“生料”，精矿中的可燃成分的潜热非但没有得到利用，而且为了熔化“生料”，还需增加补充燃料量，造成能耗升高。因此，精矿含水应控制在0.3％以下。精矿粒度越细，精矿的比表面积越大，表面能也越大，与富氧空气中的氧气接触就越充分，可以提高反应速度和反应的彻底程度，充分释放精矿中的反应潜热，降低补充的燃料量，节约能源。铜镍精矿的粒度一般控制在-200目占80％以上。

        2)闪速炉采用高富氧浓度、高处理量和高热强度熔炼技术，反应塔所需补充的燃料量非常少，沉淀池及上升烟道可以不消耗或少消耗燃料。

        3)闪速熔炼高镍锍品位宜控制镍加铜之和在45％～50％。

    4  富氧顶吹浸没熔炼包括艾萨法、奥斯麦特法。

        1)炉料水分过高会增加熔炼过程能耗，过低则增加烟尘率，一般控制入炉炉料水分为8％～10％。

        3)控制合理的氧化深度的目的是防止过氧化，减少还原的二次煤量。

        4)如果煤的低发热值过低，烟气量会增大，所带走的热量增多，烟气处理系统也会非常庞大，热损失增加。

    5  氧气顶吹自热熔炼由于采用水冷氧枪，且氧枪在熔体上部作业，氧枪寿命长，能够承受高富氧浓度和高温的作业环境。一般氧气浓度控制在90％以上，烟气量少，烟气带走的热量也少。

    6  电炉熔炼应根据炉渣的熔点、黏度、密度、导电性等选择渣型，选择熔点低、黏度低的渣型，将在较低熔炼温度下满足熔炼反应和生产操作的要求，从而降低电能消耗。渣型决定炉渣的导电性，从而决定电极的插入深度，电极插入深度不同，炉内的电气制度也发生变化，即熔池上部的三角形负荷和熔池下部的星形负荷发生变化，导致上下部温度发生变化；在一定功率下，为了获得合适的低镍锍温度和炉渣温度以及化料速度，应根据选择的渣型调整变压器电压等级，以使电极调整到最佳工作状态。最佳的电气制度使每吨物料消耗的能量最小。

3.4.5  本条对低镍锍吹炼应采取的节能措施作出规定。

    1  利用转炉吹炼低镍锍所产生的热量处理含镍物料以回收其中的镍，可以充分利用转炉吹炼的过剩热，节约能源。

    2  转炉吹炼低镍锍主要能耗是转炉鼓风机电耗，由于鼓风机功率大，在转炉加料、出料或处理故障时停吹的时间内，不能随开随停，故停吹时间愈长，浪费电力愈大，所以提高送风时率和采用节能的调节鼓风量技术可以降低电耗。

    3  转炉设置汽化冷却或水冷的密闭烟罩，能防止喷溅物和烟尘在烟罩内粘结和控制漏风率以减少烟气量的增加，保持烟气中SO2浓度，降低排烟及制酸系统的能耗。转炉密闭烟罩漏风率应控制在50％以内。

    4  低镍锍在转炉吹炼中产出的高温烟气蕴含大量热能，吹炼炉后设置余热锅炉，所产中压蒸汽可供发电或生产、生活用汽，符合国家节能减排的要求，目前国内普遍将烟气余热回收作为企业必须采用的重要节能措施，故本款为强制性条款，必须严格执行。

3.4.6  转炉渣电炉贫化节能措施与电炉熔炼原理相似，应选择熔点低、黏度低的渣型，在较低熔炼温度下满足熔炼反应和生产操作的要求，降低电能消耗。根据渣型选择合理的电气制度，降低每吨物料消耗的能量。

3.4.7  本条对高镍锍选矿分离应采取的节能措施作出规定。

    1  高镍锍大块砸碎采用液压碎石机代替低效率、高能耗的轨道转盘砸碎机，单位时间砸碎作业效率提高了30％，降低了电能消耗。

    2  GYP-900惯性圆锥破碎机是我国与俄罗斯共同研制的专利产品，设备具有良好的料层选择性破碎作用，破碎比大，产品粒度细，技术经济指标稳定，操作安全方便。细碎工序采用惯性圆锥破碎机取代传统颚式破碎机，单位时间内破碎作业效率提高近15％，高镍锍粒度由30mm降至20mm以下，进一步降低了能源消耗。

    3  过滤选用重力脱水器对浮选精矿进行预先脱水，在不增加浓缩、过滤设备的前提下，不仅能满足生产要求，而且提高了过滤机的单位生产作业效率，降低了能耗。

    4  根据加拿大Inco公司的生产经验，精选作业采用浮选柱可简化流程、提高精矿富集比、简化作业次数、减少设备台数。另外，对于细粒浮选也可选用杰姆森浮选槽实现优化经济技术指标、降低能耗的目的。

3.4.8  二次镍精矿熔铸反射炉烟气系统设置了余热锅炉和空气预热器，产出蒸汽和热风，用热风助燃粉煤，使燃烧稳定，提高产量和热效率，直接降低了一次能源消耗。

    采用富氧熔炼有利于节能和产能的提高。

3.4.9  本条对镍电解精炼应采取的节能措施作出规定。

    1  影响电解精炼蒸汽消耗的主要因素是电解液的蒸发造成的热损失以及电解槽体、溶液管道和设备的表面散热损失。本款中的降低蒸汽消耗的措施，均来源于工厂实际生产中总结出来的行之有效的经验。

    2  提高电流效率是降低镍电解精炼直流电耗的主要手段之一。本条中提高电流效率的措施均为工厂实际生产中总结出的行之有效的经验。

    提高电流效率的途径主要有防止槽体漏电，避免极板之间形成短路，合理控制阳极板杂质含量、溶液成分及酸度等。

    电解槽对地绝缘的好坏直接影响电能消耗、安全生产，因此要选择绝缘性能好、抗腐蚀强、韧性好、热膨胀系数小、表面光滑的云母绝缘装置，并安装固定“横电”装置。

    3  降低槽电压也是降低镍电解精炼直流电耗的主要手段之一，缩小同极中心距可以减少电解液阻力、降低电流通过电解液的电阻，对降低槽电压有直接的关系。

    提高电解液温度有利于降低电解液的黏度，加快离子扩散速度，降低电解液的电阻，对降低槽电压有利。目前各工厂电解液温度控制在65℃～75℃。

    电解槽溶液循环方式为上进下出方式，电解液由上液管向阴极室内不断供给足以补充电解过程中沉积在阴极上的镍量，同时靠静压力作用使贫化后的溶液通过隔膜渗入阳极室，这种循环方式有利于消除浓差极化现象，获得较高的电极电流效率。

    硫化镍电解过程中，阳极板含硫量高低对阳极的电化过程影响较大，直接影响槽电压的高低，通常生产要求阳极质量均匀，阳极含硫不低于20％。

    4  目前各电解工厂均采用可控硅整流机组，一般采用变压器和整流器靠紧的布置方式，额定功率条件下机组的整流效率可达95％～97％。

3.4.10  硫化镍阳极电解采用的是硫酸和盐酸的混酸体系，由于溶液体积很大，电解液的净化不适合采用萃取等工艺，仍采用处理量大的化学沉淀法净化工艺。

    某厂现有的净化工艺主要包括中和水解除铁、镍精矿加阳极泥除铜和氯气氧化水解除钴、铜渣再处理等工序，该流程较长，反复加热能耗高。

    重庆某厂用高冰镍阳极电解，先用电积脱铜把溶液中的铜降到0.8g/L以下，再用硫化氢除铜，用氯气一次除铁和钴。

     加拿大汤普森厂阳极液用硫化氢除铜，用磨碎的残极粉中和除铜过程产生的酸，用氯气一次除铁和钴，流程较短，能耗低。

    因此，应根据不同的流程、阳极液杂质含量优先选择杂质脱除程度高、流程短、能耗低的净化工艺。

3.4.11  世界上各个镍厂都是根据自己的具体情况来确定高镍锍湿法处理精炼工艺，没有完全一样的精炼厂，氯化浸出工艺和硫酸浸出工艺都比较成熟，各有优缺点，国内外近年来新建和改建的高镍锍精炼厂均根据自身具体情况采用湿法精炼工艺。氯化浸出工艺生产的电积镍外观质量好于硫酸浸出工艺，技术参数和经济指标优于酸浸工艺，氯化镍电积电阻率和溶液黏度都低于硫酸体系，槽电压低，电耗低，意味着氯化精炼工艺成本更低。