В условиях экспоненциального роста спроса на никель в связи с глобальным переходом к чистой энергетике запасы высокосортных сульфидных никелевых руд стремительно истощаются. Исследователи из Университета Торонто совместно с глобальным горнодобывающим гигантом Vale Base Metals опубликовали прорывное исследование в дочернем журнале Nature «Communications Engineering», в котором впервые описан новый низкотемпературный, преимущественно твердофазный процесс извлечения никеля. В этом процессе используется дешевое металлическое железо в качестве «уловителя никеля», что позволяет при температуре ниже 950°C и за время около 3 часов получать ферроникелевый сплав с содержанием никеля 16–24% без каких-либо выбросов диоксида серы. По оценкам, в ультраосновных рудах по всему миру содержится около 45 миллионов тонн неосвоенного никеля — цифра, сопоставимая со значительной долей разведанных мировых запасов никеля. Промышленное внедрение этой технологии может оказать глубокое влияние на устойчивость и экологичность глобальной цепочки поставок никеля.

Истощение высокосортных ресурсов: «крепкий орешек» долгое время оставался нетронутым

Никель является ключевым сырьем для производства нержавеющей стали, никелевых сплавов и литий-ионных аккумуляторов, и его стратегическое значение возрастает в условиях перехода к чистой энергетике. Однако после многих лет добычи мировые запасы высокосортных сульфидных никелевых руд быстро истощаются, вынуждая отрасль обратить внимание на низкосортные, трудно поддающиеся переработке ультраосновные руды.

Хотя запасы ультраосновных руд велики, их сложный минеральный состав и высокое содержание силикатных магниевых пустых пород долгое время препятствовали их экономически эффективному использованию. Существует два основных традиционных метода извлечения:

Высокотемпературная пирометаллургическая плавка: требует огромных затрат энергии и приводит к значительным выбросам диоксида серы.

Гидрометаллургическое выщелачивание: сложный процесс, высокий расход реагентов и трудности с утилизацией отработанных растворов.

Оба этих подхода сталкиваются с экономическими и технологическими ограничениями при переработке низкосортных ультраосновных руд, в результате чего такие ресурсы долгое время остаются невостребованными.

Четыре прорыва низкотемпературного твердофазного процесса

Команда исследователей с кафедры материаловедения и инженерии Университета Торонто (Wei Lv, Fanmao Wang, Brian Makuza, Sam Marcuson, Mansoor Barati) совместно с отделом технологий и инноваций Vale Base Metals разработала инновационный процесс термической обработки. Этот процесс был проверен в пилотном масштабе (mini-plant scale), что свидетельствует о выходе технологии из лабораторной стадии и создании основы для промышленного масштабирования.

Стратегия «уловителя»: дешевое металлическое железо целенаправленно «захватывает» никель

Ключевое новшество процесса заключается в использовании дешевого металлического железа в качестве «уловителя никеля» (nickel getter). При тщательно контролируемых температуре, атмосфере и количестве добавляемого железа в реакторе создаются благоприятные термодинамические условия, которые заставляют никель селективно мигрировать из руды и концентрироваться в металлической фазе сплава.

Техническая суть процесса заключается в следующем: железо захватывает серу из сульфидов, образуя немагнитный FeS, а избыточное железо образует с никелем ферроникелевый сплав. Этот путь «твердофазного замещения» позволяет обойти высокотемпературные условия плавления, необходимые для традиционной плавки.

Ранее использовавшийся метод, включающий агломерацию железного порошка с концентратом и последующий нагрев до ~920°C, имел ограничения. Данный процесс обеспечивает эффективное извлечение при низких температурах (ниже 950°C), снижая температуру реакции с более чем 1200°C (при традиционной плавке) до менее 950°C.

Экологичность: полное отсутствие выбросов диоксида серы

Одной из самых серьезных экологических проблем традиционной никелевой плавки являются выбросы диоксида серы. Данный процесс, стабилизируя серу в твердой сульфидной фазе, полностью исключает образование SO₂. Такая конструкция делает этот процесс устойчивым путем извлечения, полностью соответствующим целям декарбонизации металлургии.

Быстрота и эффективность: получение продукта за 3 часа, контроль размера частиц

Время обработки в данном процессе составляет всего около 3 часов, а получаемый ферроникелевый сплав содержит 16–24% никеля. Что еще более важно, исследовательской группе удалось добиться точного контроля размера и морфологии частиц сплава — это напрямую определяет эффективность последующего отделения сплава от пустой породы с помощью физических методов обогащения. Контролируемость размера и формы частиц позволяет эффективно использовать такие методы физического разделения, как магнитная сепарация. Полученный ферроникелевый сплав может быть далее переработан в никель аккумуляторного качества с помощью обычного рафинирования.

Пилотное подтверждение: ключевой шаг от лаборатории к промышленности

Процесс был проверен в пилотном масштабе. Исследование получило техническую поддержку от Vale Base Metals и финансирование от Канадского совета по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC).

Фактические данные показывают, что этот процесс позволяет перерабатывать сульфидный концентрат с содержанием никеля 7,7% в ферроникелевый сплав с содержанием никеля около 16% при извлечении никеля около 89%, полностью избегая прямых выбросов SO₂.

Почему «низкотемпературный твердофазный» процесс является ключевым?

Логика традиционного извлечения никеля — «высокотемпературная плавка»: нагрев руды до температуры, значительно превышающей ее точку плавления, для перевода металлических компонентов в жидкое состояние с последующим разделением. Этот путь требует огромных затрат энергии и неизбежно приводит к образованию большого количества SO₂.

Логика инновации команды Университета Торонто — «твердофазное замещение»: при температуре, значительно ниже точки плавления, за счет химической реакции между железом и сульфидом никеля никель мигрирует из руды в сплав в твердом состоянии. Преимущества этого подхода:

Значительное снижение энергопотребления: температура реакции снижается с более чем 1200°C (традиционная плавка) до менее 950°C.

Отсутствие необходимости в плавильном оборудовании: твердофазная реакция может проводиться в более простых реакторах.

Сера «запирается»: полное предотвращение выбросов SO₂.

Изменение структуры глобальных поставок никеля

Освобождение 45 миллионов тонн «спящих» ресурсов

По оценкам, в ультраосновных рудах по всему миру содержится около 45 миллионов тонн неосвоенного никеля. Эта цифра сопоставима со значительной долей разведанных мировых запасов никеля. Промышленное внедрение этой технологии позволит напрямую вовлечь в оборот «спящие» ультраосновные никелевые ресурсы по всему миру.

Смягчение напряженности с глобальными поставками никеля

Спрос на никель в связи с глобальным переходом к чистой энергетике растет беспрецедентными темпами, в то время как запасы высокосортных сульфидных руд истощаются. Данная технология предлагает новый инженерный путь для экологически чистой разработки низкосортных ультраосновных никелевых руд. Открывая доступ к ранее неиспользуемым никелевым ресурсам, эта технология может смягчить напряженность с глобальными поставками никеля, поддерживая устойчивое развитие индустрии электромобилей и возобновляемых источников энергии.

Отраслевой эталон «зеленого» извлечения

Проблемы высокого энергопотребления и выбросов, присущие традиционной никелевой плавке, долгое время беспокоили отрасль. Низкотемпературный характер данного процесса и отсутствие выбросов SO₂ делают его эталонным прорывом в области «зеленой» металлургии. Исследовательская группа подчеркивает, что этот процесс расширяет технологические границы извлечения никеля, способствуя созданию более справедливой и устойчивой глобальной цепочки поставок никеля.

В то время как глобальный спрос на никель продолжает расти из-за взрывного роста производства электромобилей и систем хранения энергии из возобновляемых источников, а запасы высокосортных сульфидных никелевых руд истощаются, этот прорыв Университета Торонто и компании Vale открывает новую дверь для мировой никелевой промышленности: замена высокотемпературной плавки низкотемпературным твердофазным «захватом», использование дешевого железа для «улавливания» ценного никеля и переосмысление стандартов «зеленой» металлургии с нулевыми выбросами SO₂.

Промышленное внедрение этой технологии коренным образом изменит структуру освоения мировых никелевых ресурсов, превратив 45 миллионов тонн «спящих» ультраосновных никелевых ресурсов из «крепкого орешка» в «лакомый кусок», обеспечив прочную сырьевую базу для глобального перехода к чистой энергетике.