Verwerkingsproces en -technologie voor nikkelerts
Nikkel is een strategisch metaal met een steeds belangrijkere rol in diverse moderne industrieën. Naast het gebruik bij de productie van roestvrij staal, is nikkel ook een essentieel ingrediënt bij de ontwikkeling van accu's voor elektrische voertuigen, speciale legeringen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie en zelfs galvaniseren. Naarmate de wereldwijde vraag toeneemt, ontwikkelen de processen en technologieën voor de verwerking van nikkelerts zich snel om producten te produceren met specifieke kwaliteiten, een hoge efficiëntie en een gecontroleerde milieubelasting. Dit artikel bespreekt de algemene fasen en belangrijkste technologieën in de verwerking van nikkelerts, van mijnbouw tot raffinage.
Soorten nikkelerts: lateriet en sulfide
Over het algemeen wordt nikkelerts onderverdeeld in twee hoofdtypen: lateriet-nikkelerts en nikkelsulfide-erts. Laterieterts ontstaat door de verwering van ultramafische gesteenten in tropische gebieden en wordt meestal dicht bij het oppervlak gevonden. Lateriet bevat vaak nikkel in mineralen zoals limoniet en saproliet. Sulfide-erts daarentegen ontstaat door magmatische processen en bevat nikkel in sulfide-mineralen zoals pentlandiet. De verschillen in deze mineraaleigenschappen bepalen in belangrijke mate de gebruikte verwerkingsmethode.
Sulfide-ertsen zijn over het algemeen gemakkelijker te verrijken via flotatieprocessen, terwijl laterietertsen lastiger te verwerken zijn omdat het nikkel verspreid is in een matrix van oxide-/hydroxidemineralen. Daarom worden veel laterietertsen verwerkt via pyrometallurgische (smelt) of hogedruk-hydrometallurgische methoden.
Eerste fase: Mijnbouw en ertsbewerking
Het nikkelverwerkingsproces begint met de winning van erts, hetzij via dagbouw of ondergrondse mijnbouw, afhankelijk van de diepte en het type afzetting. Na de winning wordt het erts naar een verwerkingsinstallatie getransporteerd voor de volgende voorbereidingsstappen:
1. Breken: Het verkleinen van het erts om het gemakkelijker te kunnen hanteren en verwerken.
2. Vermalen: Produceert fijne deeltjes om de vrijgave van waardevolle mineralen te vergroten.
3. Zeven en classificeren: Het scheiden van de deeltjesgrootte op basis van de behoeften van het volgende proces.
4. Drogen: Vooral voor laterieterts, dat een hoog watergehalte heeft, is drogen belangrijk vóór het pyrometallurgische proces.
De voorbereidingsfase heeft een aanzienlijke invloed op de efficiëntie van de daaropvolgende processen. Deeltjesgrootte, vochtgehalte en erts-homogeniteit bepalen het energieverbruik en de nikkelwinningspercentages.
Verwerkingstechnologie voor nikkelsulfide-erts
Voor nikkelsulfide-ertsen is de meest gebruikelijke verwerkingsmethode een combinatie van mineraalconcentratie en smelten.
1. Flotatie (schuimflotatie)
Flotatie is het proces waarbij mineralen worden gescheiden op basis van hun oppervlakte-eigenschappen. Gemalen erts wordt gemengd met water, chemische reagentia en lucht. Sulfidemineralen worden na toevoeging van een collector doorgaans hydrofobischer, waardoor ze zich hechten aan luchtbellen en als schuim opstijgen. Dit schuim wordt teruggewonnen als een nikkelrijk concentraat, terwijl het resterende materiaal als residu achterblijft.
Het voordeel van flotatie is dat het het nikkelgehalte aanzienlijk kan verhogen voordat het smeltproces begint, waardoor de energiebehoefte in het daaropvolgende proces wordt verminderd.
2. Smelten en omzetting
Het nikkelconcentraat wordt vervolgens in een oven gesmolten om nikkelmatte te produceren – een vloeibare sulfidefase die nikkel, koper en ijzer bevat. De volgende stap is het omzetten van het ijzer en de zwavel om deze te oxideren, waardoor de matte rijker wordt aan nikkel. Het eindproduct kan verder worden verwerkt tot zuiver nikkel of tussenproducten zoals nikkelsulfaat voor batterijen.
3. Geavanceerde raffinage
Raffinage kan plaatsvinden via elektrolyse of hydrometallurgische processen. In sommige installaties wordt de matte opgelost en gescheiden met behulp van selectieve oplossings-, oplosmiddelextractie- en precipitatietechnieken om een hoogwaardig product te verkrijgen.
Verwerkingstechnologie voor nikkellaterieterts
Laterietertsen vormen een aanzienlijk deel van de wereldwijde nikkelreserves, met name in tropische gebieden. De verwerking ervan is complexer en valt over het algemeen in twee hoofdcategorieën uiteen: pyrometallurgie en hydrometallurgie.
1. Pyrometallurgie: RKEF voor ferronickel of NPI
Een van de meest gebruikte technologieën voor lateriet is de roterende elektrische oven (RKEF). Dit proces wordt vaak gebruikt om ferronikkel of nikkelgietijzer (NPI) te produceren, een grondstof voor de roestvrijstaalindustrie.
De fasen omvatten:
– Drogen en calcineren in een roterende oven: Vermindert het vochtgehalte en verwijdert vluchtige stoffen. Het erts wordt verhit terwijl het gemengd is met een reductiemiddel (meestal steenkool) en een specifiek vloeimiddel.
– Smelten in een elektrische oven: Het gecalcineerde erts wordt bij hoge temperaturen gesmolten om het metaal (ijzer-nikkelmengsel) van de slak te scheiden.
– Productraffinage: Gesmolten metaal wordt gegoten of verwerkt tot producten volgens specificaties.
De voordelen van RKEF zijn de technologische stabiliteit en de geschiktheid van het product voor roestvrij staal. Dit proces vereist echter aanzienlijke energie en is over het algemeen meer geschikt voor saprolietertsen met een relatief hoog nikkelgehalte.
2. Hydrometallurgie: HPAL voor gemengd hydroxideprecipitaat (MHP)
Voor limonieterts – dat meestal van lagere kwaliteit is maar in overvloed aanwezig – wordt vaak gekozen voor hydrometallurgische technologie, met name HPAL (High Pressure Acid Leach).
Bij HPAL wordt het erts gemengd met zuur (meestal zwavelzuur) en verwerkt in een autoclaaf bij hoge temperatuur en druk. Het nikkel en kobalt lossen op in de oplossing en worden vervolgens gescheiden van het vaste residu. Het nikkel en kobalt kunnen vervolgens worden neergeslagen tot tussenproducten zoals:
– MHP (Mixed Hydroxide Precipitate): Nikkel-kobalt gemengd hydroxideprecipitaat.
– MSP (Mixed Sulphide Precipitate): Gemengd sulfideprecipitaat.
Het MHP- of MSP-product kan vervolgens verder worden geraffineerd tot nikkelsulfaat en kobaltsulfaat, die als grondstof voor batterijen dienen.
Het voordeel van HPAL is dat het laagwaardig erts kan verwerken en producten kan produceren die geschikt zijn voor de batterijproductieketen. Uitdagingen zijn onder andere de behoefte aan corrosiebestendige materialen voor de apparatuur, het beheer van residuen, de operationele complexiteit en het reagentiaverbruik.
3. Uitloging uit de atmosfeer en alternatieve processen
Naast HPAL bestaat er ook atmosferische uitloging bij lagere drukken, wat doorgaans een langzamere oplossnelheid heeft, maar eenvoudiger kan zijn. Er wordt ook onderzoek gedaan naar het gebruik van bio-uitloging (met behulp van micro-organismen) en gecombineerde pyrometallurgische en hydrometallurgische processen om de economische haalbaarheid te verbeteren.
Tussenproducten en eindproducten: van NPI tot nikkelsulfaat
De producten die vrijkomen bij de verwerking van nikkel bestaan niet altijd uit puur nikkel. Afhankelijk van de behoeften van de industrie kunnen de verwerkte producten onder andere het volgende omvatten:
– NPI en ferronikkel: Over het algemeen voor roestvrij staal.
– Nikkelmatte: Een tussenproduct van de smelterij dat verder geraffineerd kan worden.
– MHP/MSP: Tussenproduct voor de raffinage van nikkel en kobalt, met name voor batterijen.
– Nikkelsulfaat (NiSO₄): Een belangrijke grondstof voor kathodes van batterijen.
– Zuiver metaalnikkel: Voor speciale legeringen en andere technische toepassingen.
De keuze voor een bepaalde verwerkingsmethode wordt bepaald door het type erts, de beschikbaarheid van energie, de kosten van reagentia, de infrastructuur, de milieuregelgeving en de beoogde producten.
Milieuaspecten en energie-efficiëntie
De verwerking van nikkel brengt milieuproblemen met zich mee die een serieuze aanpak vereisen, waaronder gasemissies bij pyrometallurgie, een hoog energieverbruik, het gebruik van zuren bij hydrometallurgie en het beheer van residuen en slakken. Moderne technologie is erop gericht de energie-efficiëntie te verbeteren, restwarmte te benutten, circulerend water te behandelen en residuen te stabiliseren voor veiligheid op lange termijn.
In sommige landen stimuleert de invoering van milieunormen de industrie om schonere energiebronnen te gebruiken, de CO2-uitstoot te verminderen en te zorgen voor meer verantwoorde mijnbouw- en herstelpraktijken.
Sluitend
De verwerking en technologie van nikkelerts worden sterk beïnvloed door het type erts en het gewenste eindproduct. Sulfide-ertsen worden doorgaans verwerkt via flotatie en smelten om matte en uiteindelijk zuiver nikkel of chemische producten te produceren. Laterietertsen worden daarentegen vaak verwerkt via RKEF (Refined Iron Oxide Processing) om ferronikkel/NPI te produceren of via HPAL om MHP/MSP te produceren, geschikt voor batterijtoepassingen. Met de toenemende vraag naar nikkel voor de energietransitie zijn innovatie in verwerkingstechnologie en verbeterde duurzaamheidspraktijken cruciale factoren om de nikkelindustrie te laten floreren en tegelijkertijd de milieubelasting te minimaliseren.
