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随着高品位硫化镍矿的日益减少,红土镍矿的利用已逐渐成为镍冶金行业关注的焦点,近年来加压酸浸冶金工艺已成为湿法冶金领域的研究热点。然而,传统工艺均以提取镍、钴为目标,导致资源利用率低下和环境污染。中国科学院过程工程研究所湿法冶金清洁生产技术与绿色过程课题组与其他两家单位合作研发了碱-酸双循环法高效、清洁处理褐铁型红土镍矿集成新技术。新工艺可实现红土镍矿的多组份综合利用,无三废排放,为红土镍矿的冶炼提供了一条全新的清洁生产工艺路线。
碱法活化预处理红土镍矿回收铬、铝清洁生产新工艺是碱-酸新技术的第一部分,利用碱法破坏红土镍矿晶格结构,从中提取铬、铝等有价金属元素,提高后续酸浸工艺镍、钴浸出率和酸浸铁渣品位,并实现镍、钴的温和提取。本文对红土镍矿碱熔活化过程进行了系统的基础研究与工艺优化,为新工艺的产业化应用提供依据。主要内容如下:
1.对碳酸钠体系碱熔活化处理红土镍矿过程的化工热力学进行了系统研究。通过采用HSC热力学计算软件,对碱熔焙烧体系可能发生反应的热力学趋势,放热量进行了计算；对熟料浸出过程的E-pH关系进行了研究,确定出体系中可能存在的物相。
2.对碳酸钠体系碱熔焙烧过程脱铬、铝的动力学研究表明,在600～800℃时,铬的浸出为内扩散控制,表观活化能为3.9 kJ/mol；在900～1100℃时,其浸出过程为化学反应控制,表观活化能为54.3 kJ/mol。在600～1100℃温度范围内,铝的浸出过程符合Avrami方程,表观活化能为16.4 kJ/mol。
3.对碳酸钠体系碱熔活化处理红土镍矿过程的工艺研究表明,在焙烧温度1000℃,焙烧时间2 h,碱矿比0.6,碱液浓度35％,浸出温度95℃,浸出时间30 min,液固比1.5,熟料粒度44～74μm,洗涤次数为4次的条件下,铬、铝的浸出率分别为99.7％和82.8％。脱钠后碱浸渣中的Na含量降至2％左右。
4.对碱熔活化处理红土镍矿过程进行的活化机理分析表明,红土镍矿经碱熔活化后,原矿的晶格结构被破坏,使包覆于其中的镍、钴氧化矿物暴露于晶格之外。利用活化后得到的碱浸渣在温和的条件下进行加压酸浸时,Ni、Co的浸出率可以达到95％以上。
5.本文也对以氢氧化钠为反应介质的红土镍矿碱熔活化过程进行了热力学、动力学和工艺研究。400～800℃时的脱铬、铝动力学研究表明,铬、铝浸出过程均符合Avrami方程。在焙烧温度700℃,焙烧时间150 min,碱矿比1.2,的条件下,铬和铝的浸出率分别为95.6％和91.7％。
6.在对碱熔活化处理红土镍矿实验室研究的基础下,对万吨中试试验线碱熔焙烧过程进行了工艺设计和开车运行。试验线自2009年10月建成后一直稳定运行,为产业化应用提供了宝贵的理论基础和实践经验。