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紅土鎳礦與硫化鎳礦

鎳礦可以區分為兩種類型,低緯度地表風化層開採的紅土(laterites)鎳礦,以及高緯度需深層探鑽火成岩層的硫化(sulfide)鎳礦。前者主要開採於印尼、澳大利亞、菲律賓、巴西、新克里多尼亞等地區,後者開採於俄羅斯、加拿大、中國等地區。註釋各國陸地被預測能開採的鎳儲量至少有1億噸,其中約6成存在於紅土鎳礦床,4成存在於硫化鎳礦床。

硫化鎳礦(Sulfide Nickel Ore)、紅土鎳礦(Laterite Nickel Ore)各國地理分佈

硫化鎳礦(Sulfide Nickel Ore)、紅土鎳礦(Laterite Nickel Ore)各國地理分佈

資料出處:
By Jianbin Meng, Director of Economics and Environment, International Nickel Study Group (INSG)
《Stainless Steel World 》雜誌2022.10月刊 <Featured Story│an overview of world nickel resources>

硫化鎳的礦石品位高鎳含量高註釋,通常與銅、金伴生。紅土鎳的礦石品位低鎳含量低,並且依照成分比例可區分為鐵含量多的褐鐵礦型,與硅鎂較多的硅鎂礦型。不同成分類型的鎳原礦,為了分離精煉,有各自較合適的冶煉方式。

礦石品位(ore grade)指的是單位體積或重量礦石中有用礦物的含量,是衡量礦床經濟價值的指標。 根據INSG國際鎳研究組織〈2021 年世界鎳概況〉(p.8)指出,硫化鎳礦鎳含量落在1.5-3%,紅土鎳礦鎳含量落在0.8-2.5%。

目前鎳的主要產品註釋為不鏽鋼和電池,而產品需要什麼原料,影響鎳原礦要初級加工的方向。

使用鎳的產品包括:stainless steel不銹鋼、batteries電池、special steels特殊鋼、electroplanting電鍍、alloys合金等。

2017年至2021年全球產業鎳使用量占比統計

資料出處: 2023/03,李志賢<汽車電動化對鎳金屬材料的影響>,《工業材料雜誌第435期》:p140。

不鏽鋼的主要原料為「鎳鐵」,因為成本考量,主要來自於火法冶煉的紅土鎳礦。而三元電池主要原料為硫酸鎳,原本主要來自於硫化鎳礦,由於該礦伴生的銅金貴金屬,是價值高的副產品,多採用濕法冶煉 註釋來分離精煉。

冶煉方式主要區分為火法冶煉和濕法冶煉。

火法冶煉,指的是透過高溫將金屬氧化物進行還原熔煉回金屬的技術。在鎳的應用上,鎳鐵在高溫條件下,以碳為還原劑,採用選擇性還原技術對鎳礦中的鎳鐵氧化物進行還原而得。

濕法冶煉,指的是通過溶液分離金屬的技術。使要提取的金屬以離子型態進入溶液,透過沉澱過濾掉雜質,這種技術稱為「浸出」。而在溶液中進行金屬的置換、還原、電解、電積的方式來取得所需的金屬也都算是濕法冶煉。

過往「紅土鎳礦冶煉加工硫酸鎳」的技術就已經存在,但被視為不符合經濟價值的技術 註釋。然而硫化鎳礦開採量的下降,高品位的鎳稀缺,導致成本居高不下。為了使用紅土鎳礦來解決問題,讓低品位鎳礦能適用於更廣泛的用途,供給動力電池的冶煉廠被迫思考如何提升這項技術來實現其經濟價值。

紅土鎳礦以高壓酸浸法(HPAL)冶煉高冰鎳為例,最初投入的設備建設成本高,且因為設備管線易腐蝕結垢,設備操作條件嚴苛,導致發生過資本支出超支、延誤和無法達到預期產能的紀錄。冶煉完後,有帶酸性的尾渣需要處理。

若紅土鎳礦以火法冶煉高冰鎳,進行還原硫化,再透過轉吹爐生成高冰鎳。由於步驟多,這過程除了會消耗大量能源、排放大量二氧化碳外,還會排放二氧化硫,需要做尾氣處理。

目前紅土鎳礦有兩種主要生產硫酸鎳的方式,一種是透過濕法冶煉以硫酸高壓浸出沉澱的方式製成「濕法中間品MHP」和「高冰鎳」,另一種是火法冶煉將鎳鐵透過添加硫化劑轉爐吹煉製成「高冰鎳」來分離精煉。註釋

 

紅土鎳礦生成硫酸鎳詳細的冶煉方法,主要有這四種技術路徑

紅土鎳礦生成硫酸鎳的四種供應路徑

資料出處:2022/01/14 安信證卷<一體化鏈路優勢體現,打造全球鋰電材料龍頭>