馬文軍， 程晉陽

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

化石燃料的持續(xù)使用導(dǎo)致全球能源及環(huán)境問題日益突出，其對環(huán)境與氣候變化的影響受到全球各界的更多關(guān)注。在此背景下，多國先后發(fā)布了禁售燃油汽車計劃，國內(nèi)外眾多車企也紛紛開始加大電動汽車的布局，推動了電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。受此影響，作為動力電池原料的鎳鈷金屬及開發(fā)低品位紅土鎳礦的HPAL濕法工藝技術(shù)也受到廣泛關(guān)注。本文結(jié)合當(dāng)前倍受關(guān)注的動力電池材料發(fā)展形勢，以及筆者在鎳鈷工程領(lǐng)域的長期工程實踐，提出了低品位紅土鎳礦資源未來的開發(fā)趨勢。

1 鎳供需及其發(fā)展趨勢

1.1 鎳需求：未來需求將持續(xù)增加

從需求端來看，目前全球鎳的70%用于不銹鋼生產(chǎn)，30%用于合金鋼、電鍍及電池等(其中約10%用于電鍍及電池)[1]。受電動汽車發(fā)展影響，對鎳的需求將會持續(xù)增長。根據(jù)國內(nèi)外各大機構(gòu)預(yù)測，全球在2025年因電動汽車而產(chǎn)生的鎳需求將在50萬t左右(圖1)，而礦業(yè)巨頭嘉能可公司更是預(yù)計到2030年電池汽車鎳需求量將達(dá)到110萬t[2]。

圖1 各不同機構(gòu)企業(yè)對2025年電動汽車鎳需求量的預(yù)測(數(shù)據(jù)來源：據(jù)文獻(xiàn)[3-6]整理)

1.2 鎳供應(yīng)：紅土鎳礦將持續(xù)成為鎳的主要供應(yīng)來源

從供給端來看，全球鎳資源供應(yīng)主要是兩大來源，分別是硫化鎳礦和紅土鎳礦，前者主要集中于俄羅斯、加拿大、中國及澳大利亞等國，后者主要集中于印度尼西亞、巴西、古巴、菲律賓等國。1980年以來的礦產(chǎn)鎳產(chǎn)量及來源結(jié)構(gòu)變化見圖2。

圖2 礦產(chǎn)鎳產(chǎn)量及來源結(jié)構(gòu)變化(數(shù)據(jù)來源：產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自World Metal Statistics Yearbook 1990—2017；紅土鎳礦及硫化鎳礦產(chǎn)量系根據(jù)USGS數(shù)據(jù)和恩菲礦業(yè)經(jīng)濟研究院數(shù)據(jù)整理)

從供給結(jié)構(gòu)來看，2010年之前，全球鎳資源供應(yīng)以硫化鎳礦為主，但是從2010年開始至今，紅土鎳礦產(chǎn)鎳的占比已超過硫化鎳礦，并呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

紅土鎳礦供給占比的升高，一方面原因是由于紅土鎳礦在資源豐富程度、開發(fā)周期、投資成本等方面優(yōu)于硫化鎳礦，另一方面原因是近20年來，全球范圍內(nèi)沒有新發(fā)現(xiàn)的大型硫化鎳礦，同時不少硫化鎳礦山由于資源枯竭而關(guān)閉，這兩個因素共同作用，推動紅土鎳礦逐漸成為鎳供應(yīng)的主要來源。

1.3 電動汽車的發(fā)展給低品位紅土鎳礦開發(fā)帶來新機遇

汽車電動化已成為中遠(yuǎn)期汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，荷蘭、挪威等國家提出禁售燃油車禁令[7]，各大車企也紛紛響應(yīng)，包括大眾、福特、通用等傳統(tǒng)車企也紛紛推出電動汽車生產(chǎn)計劃[8]。在汽車電動化的趨勢下，作為汽車動力電池正極材料主要組成元素的金屬鎳，在作為傳統(tǒng)金屬原材料的基礎(chǔ)上，疊加了戰(zhàn)略新興金屬的屬性，保障了動力電池原料的內(nèi)在需求，吸引了更多企業(yè)關(guān)注低品位紅土鎳礦的開發(fā)。

2 低品位紅土鎳資源開發(fā)的適用技術(shù)：HPAL濕法工藝

2.1 HPAL濕法工藝簡介

目前，紅土鎳礦的開發(fā)工藝主要有火法和濕法兩條路線?；鸱üに囍饕捎没剞D(zhuǎn)窯焙燒- 電爐還原工藝(簡稱“RKEF火法工藝”)，產(chǎn)品以鎳鐵為主；濕法工藝主要采用加壓酸浸- 鎳鈷沉淀工藝(簡稱“HPAL濕法工藝”)，該工藝的特點在于可以高效綜合回收紅土鎳礦中的鎳、鈷等元素，產(chǎn)品既可以是鎳、鈷金屬，也可以是鎳和鈷的硫酸鹽，既適用于不銹鋼產(chǎn)業(yè)也可用于電動汽車產(chǎn)業(yè)。

從紅土鎳礦HPAL濕法處理工藝的發(fā)展歷程來看，經(jīng)歷了三個階段。第一代HPAL濕法工藝技術(shù)起步于二十世紀(jì)五十年代末，代表項目是古巴Moa項目，高壓釜采用立式釜；第二代HPAL濕法工藝技術(shù)的標(biāo)志是二十世紀(jì)末西澳以Murrin Murrin項目為代表三個HPAL濕法項目的開發(fā)，高壓釜改為臥式釜；第三代HPAL濕法工藝技術(shù)的標(biāo)志是二十一世紀(jì)以瑞木項目為代表的HPAL濕法項目的成功達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)并超產(chǎn)，其已成為HPAL濕法工藝項目的新標(biāo)桿，代表著HPAL濕法工藝技術(shù)進(jìn)入成熟期。

經(jīng)過六十多年發(fā)展，HPAL濕法工藝已成為處理低品位紅土鎳礦的成熟、可靠，且具有成本競爭力的工藝技術(shù)。中國恩菲承擔(dān)設(shè)計及設(shè)備供貨的瑞木紅土鎳礦HPAL濕法建成項目見圖3。

圖3 中國恩菲承擔(dān)設(shè)計及設(shè)備供貨的瑞木紅土鎳礦HPAL濕法項目

2.2 HPAL濕法工藝投資及成本

對于HPAL濕法項目而言，其投資和成本一直是影響項目開發(fā)的關(guān)鍵因素。

通常來說，紅土鎳礦HPAL濕法項目由于地處偏遠(yuǎn)區(qū)域，造成基礎(chǔ)配套設(shè)施部分投資占比很大。但是通過對比歷史上紅土鎳礦RKEF火法項目和HPAL濕法項目的投資強度，以及從近期紅土鎳礦投資的情況來看，在合適的地區(qū)發(fā)揮項目建設(shè)中的當(dāng)?shù)貎?yōu)勢及中國優(yōu)勢的協(xié)同作用，建設(shè)HPAL濕法項目的投資可以控制在使項目具備競爭力的范圍內(nèi)。

對于HPAL濕法工藝的現(xiàn)金成本，根據(jù)恩菲礦業(yè)經(jīng)濟研究院的估算，預(yù)計未來新建紅土鎳礦濕法項目的現(xiàn)金成本將介于5 000～8 000美元/t鎳之間[8]，但對于不同項目而言，會由于礦石品質(zhì)、礦石成本、項目投資、消耗品價格、鈷價等因素的影響而有一定的差異。

根據(jù)2017年全球主要HPAL濕法項目與硫化鎳礦項目現(xiàn)金成本對比(圖4)，可以看出紅土鎳礦濕法工藝的現(xiàn)金成本已接近或低于硫化鎳礦成本。

圖4 2017年HPAL濕法項目與硫化鎳礦項目現(xiàn)金成本的對比(數(shù)據(jù)來源：恩菲礦業(yè)經(jīng)濟研究院數(shù)據(jù)庫)

因此，HPAL濕法工藝的日益成熟及其成本競爭力的提升，為其被市場廣泛接受創(chuàng)造了重要的內(nèi)在支撐條件，而動力電池市場的發(fā)展又為其發(fā)揮優(yōu)勢提供了廣闊的市場空間。

3 低品位紅土鎳礦資源開發(fā)的發(fā)展趨勢

3.1 HPAL濕法工藝應(yīng)用于動力電池產(chǎn)業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)

3.1.1 HPAL濕法工藝應(yīng)用于動力電池產(chǎn)業(yè)的機遇

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大環(huán)境來看，汽車電動化已成為未來發(fā)展的趨勢，這為動力電池材料產(chǎn)業(yè)提供了發(fā)展機遇。而從動力電池的正極材料選擇方面，鎳鈷錳三元體系已是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的路線，這也是各個機構(gòu)看好未來鎳鈷需求的一個主要原因。因此，對于鎳鈷資源的供應(yīng)及開發(fā)也就自然成為各方關(guān)注的重點。

紅土鎳礦含有鎳、鈷、錳三種正極材料所需的元素，加之可以高效提取鎳鈷的HPAL濕法工藝成熟與成本下降，使得HPAL濕法工藝非常適用于處理低品位紅土鎳礦，這也是目前越來越多身處動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)開始關(guān)注HPAL濕法項目的原因。

3.1.2 動力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的挑戰(zhàn)

為了讓新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，國家在政策層面上對動力電池的性能/成本指標(biāo)、對新能源汽車的補貼門檻等均提出了更高的要求，政府要求供應(yīng)端進(jìn)一步降低電池成本，以普及電動汽車的使用，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這些政策的加壓使得企業(yè)在保障電池安全性的前提下進(jìn)一步降低電池綜合成本的意愿更加強烈。

雖然通過HPAL濕法工藝能夠有效降低動力電池原料環(huán)節(jié)的成本，但仍需從動力電池全行業(yè)的角度進(jìn)一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上不同環(huán)節(jié)間的協(xié)同，保證各環(huán)節(jié)在投資、能源消耗、物料消耗、人員管理等方面的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)在成本上更大幅度的降低，最大程度解決電池企業(yè)關(guān)心的成本問題。

3.2 低品位紅土鎳礦開發(fā)的趨勢：“資源+能源+材料”一體化模式

在動力電池材料需求快速增長及動力電池成本制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雙重條件制約下，要實現(xiàn)動力電池材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，尋求新的解決途徑將是必然要求。因此，未來低品位紅土鎳礦資源的開發(fā)將需要更多與下游需求端緊密融合，選擇在具有鎳礦資源及能源優(yōu)勢的區(qū)域，依托當(dāng)?shù)刭Y源能源優(yōu)勢建設(shè)包括低品位紅土鎳礦資源開發(fā)(提供電池生產(chǎn)原料)、下游動力電池三元前驅(qū)體甚至是正極材料在內(nèi)的一體化項目，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的工藝協(xié)同及能源消耗的進(jìn)一步降低，以進(jìn)一步降低動力電池材料成本，將成為未來低品位紅土鎳礦的開發(fā)趨勢。這種進(jìn)一步提升動力電池材料競爭優(yōu)勢的開發(fā)模式，稱為“資源+能源+材料”一體化模式。

采用“資源+能源+材料”一體化模式在資源優(yōu)勢地區(qū)開發(fā)低品位紅土鎳礦資源，可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上、下游環(huán)節(jié)間的節(jié)能降耗及業(yè)務(wù)協(xié)同，有利于降低動電池材料成本，充分發(fā)揮資源能源效率，在促進(jìn)終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，促進(jìn)低品位紅土鎳礦資源的開發(fā)利用。

4 結(jié)語

在鎳資源及能源豐富的地區(qū)實施“資源+能源+材料”一體化模式是低品位紅土鎳礦未來的開發(fā)趨勢，此模式可降低電池材料成本，促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

采用“資源+能源+材料”一體化模式實現(xiàn)低品位紅土鎳礦資源開發(fā)與電池材料生產(chǎn)的一體化，將成為電池材料企業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵因素，而這一模式也將助力這些地區(qū)成為其所在區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)重要的電池材料供應(yīng)基地。