一、项目背景
镍是生产不锈钢的主要合金元素，也是多种合金及镍化合物的基本原料，在工业上有着广泛的用途。全球已探明镍资源约1.6亿吨，其中30%为硫化镍矿、70%为氧化镍矿(红土镍矿)。随着镍品位高的硫化镍矿的减少以及镍价格因素等的影响，由红土镍矿生产的镍量不断增加。但现有的红土镍矿冶炼技术越来越难以跟上日益加码的环境政策的要求，对新近出台的气候政策的要求则更是相去甚远，因此，这种储量丰富的氧化镍矿的开发利用前景堪忧。
约十五年前，国内的民营企业开发了氧化镍矿的冶炼工艺。该工艺的产物镍铁在此之前并不是标准产品，市场上也没有与之对应的需求，但它并不妨碍作为镍合金使用的内在价值。从加工顺序上评价，其合理性优于采用纯镍及纯铁配置镍合金。所以，该方法一经创立就迅速发展，致使氧化镍矿取代硫化镍矿成为金属镍的主要来源，极大地影响了投资界的风向。此后，红土镍矿冶炼镍铁的发展形式大好。
国内外对红土镍矿处理工艺主要有湿法和火法两种。较成熟的湿法冶炼工艺有还原焙烧-氨浸和高压酸浸工艺，湿法工艺普遍存在投资大、生产工艺复杂、维护费用高、环保治理不易达标等缺点，印尼和菲律宾的红土镍矿极少采用湿法工艺来处理。
目前国内的火法工艺有回转窑—电炉(RKEF)流程和高炉流程，其中，高炉法由于存在污染大、要使用大量焦炭、产品镍品位低、无法大型化等缺点正逐渐被国家强制淘汰。现在，国内红土镍矿主流的冶炼工艺是回转窑—电炉(RKEF)工艺，虽然RKEF工艺有诸如产品品位高，污染相对较小等优点，但也存在着投资大、电耗大、碳排放大，不太适合低品位红土镍矿冶炼等缺点。
年开始，印尼对中国实施红土镍矿禁运，且国内建厂许可的门槛越来越高，导致国内大量采用RKEF工艺的企业走出国门，去南亚地区收购红土镍矿矿山并在当地建立红土镍矿冶炼工厂，但南亚的基础设施落后，缺电少焦，若采用RKEF工艺，还要建设配套的电厂，投资巨大；而高炉不仅污染大、产品品位低，还需要使用大量的焦炭，南亚没有焦矿，只能从国内转运，增加了生产成本。
面对突如其来的、全球一致的气候政策的要求：通过在产品中附加碳排放的成本、碳足迹追踪、碳泄漏、碳边界规则的执行，使得传统的规避许可的方法失效，现有工艺已显得力不从心。没有可选择的方案以应对即将大幅度增加的碳排放成本使行业焦虑，使投资界再陷迷茫。
随着RKEF工艺和高炉工艺成为鸡肋，目前形势迫切呼唤一种节能环保、产品品质好、可不用焦炭、不需外供电力及碳排放合规的红土镍矿冶炼新工艺。
二、红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”工艺的发明
“闪速冶金”是我国有色行业所广泛应用的成熟技术，具有流程短、节能和清洁生产的突出优点，曾获国家科技进步一等奖，是我国居世界领先的强势技术，有40余年的产业经验积累。闪速熔炼最初应用于炼铜，随后，在我国又分别应用于锌、铅、镍（硫化镍矿）的冶炼，每一次创新的冶炼方法，都是采用修改工程设计的方式，并且都实现了一步建设投产成功。闪速炼镍目前已成为硫化镍矿的主流冶炼技术。
天津闪速炼铁技术有限公司于年开始了闪速冶金技术拓展用于红土镍矿冶炼的工业试验研究工作，采用工程技术集成创新的方法，成功开发出了红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”新工艺。
红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”工艺的加工成本、建设投资、清洁生产等指标全面优于RKEF法，其中最突出的优点是减排：它的碳排放量不超过RKEF法的70％，即减排30％以上。本工艺没有明显的缺陷(要投资数千万元做工业试验可能是唯一缺点)。
三、天闪炉结构简介
红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”工艺的核心设备是“天闪炉”，天闪炉由两个成熟的设备串联而成：粉煤气化的气化室与通用闪速炉通过连接通道在垂直方向串联起来，形成所有高温区贯通一体的冶金炉，如图1所示：
图1天闪炉结构示意简图
上部空间（煤气化室）用于制造高温、高浓度的还原气体(H2、CO)，下部空间（反应塔/还原空间）用于进行空间还原反应。下部空间的顶部设有燃料喷嘴，用于微调下部空间还原反应的温度。
类似长方体的熔池的一端其上部连接下部空间（反应塔）的下端，另一端的上部连接上升烟道，熔池的主要作用：1）造渣、熔渣和镍铁熔体分离。2）深度还原氧化镍提高镍回收率。
在位于上升烟道一侧的熔池壁上设有镍铁合金出口及炉渣排放口。在熔池的两个侧壁上，还设有可以向熔体内喷射物料的喷枪。在熔池中部熔体上方、顶盖下方的通道称为“水平烟道”，下部空间的烟气通过该通道进入上升烟道。
上升烟道是天闪炉烟气出口通道，也是天闪炉与余热锅炉的连接装置，对烟气有一定的阻尼，兼有降尘的作用。
四、红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”全工艺流程简述
红土镍矿天闪炉闪速熔炼工艺流程由原料准备与原料输送、天闪炉熔炼、烟气回收利用及产品初处理等四个部分组成，如图2所示：
图2红土镍矿天闪炉闪速熔炼工艺简图
1.原料准备及原料输送
红土镍矿原矿经磨矿、脱水、干燥后与熔剂一起进入天闪炉炉顶料仓。
粉煤、氧气及水蒸气送至天闪炉上部空间。
2.天闪炉熔炼
将煤粉、气化剂（氧气及水蒸气）喷入高温的上部空间（煤气化室），通过气化反应得到合成气。上部空间生成的还原气体中CO+H2的体积浓度在50%至95%之间可调，气体的温度在--℃之间可控。
上部空间生产的高温、高浓度的还原气体以及熔融状的煤灰渣，通过连接通道排入天闪炉下部空间，与从此喷入的红土镍矿矿粉充分的混合，红土镍矿粉以最大的比表面积状态弥撒于炽热、呈还原气分的空间。“爆炸式”的动力学条件，使传热、传质和气-固、气-液反应的速度极快，迅速完成铁镍矿粉的还原和熔化。通过调节喷入的煤气中还原气浓度建立NiO还原的最佳空间环境，可实现Ni的选择性还原，即使NiO基本完成还原而氧化铁部分还原。
熔池类似长方体，沿长度方向在熔池的两边布置了两排喷枪，喷枪为双通道，分别喷入氧气及粉煤。控制好喷入的煤氧量及相互间的比例，一方面为补充熔池热量，使熔池维持℃-℃的高温环境；另一方面使熔池形成可控的弱还原环境，使少量未还原的NiO彻底还原为Ni，同时通过缺碳操作控制FeO的还原程度，使合金产品中镍品位达到设计的预定值。
在熔池中矿粉的脉石成分及未还原的铁氧化物在熔池中与熔剂造渣，渣量较大。天闪炉的熔池是长方形卧式容器，熔体的表面积与熔渣深度的比值远大于同等规模的高炉、电炉，所以渣层厚度相对要小，从下部空间落入熔池的镍铁更易穿过熔渣进入金属层，且侧吹粉煤和氧气将带动熔体翻滚加快熔体上下层热量及物质的交换，利于氧化物造渣及渣铁分离。
熔体在向排放口流动的过程中，逐渐沉淀分层，从下至上形成镍铁熔体层及熔渣层，再分别从合金排放口和排渣口排出炉外。
3.烟气的回收利用
出炉烟气约为-℃，且含高浓度的还原气体，这种煤气作为一种高价值的原料有很多用途，可以用于本工艺的循环，以减少加煤量。考虑到红土镍矿开采地往往缺电，将烟气用于发电解决了大问题。经热力学计算，天闪炉闪速熔炼工艺发电量可以满足本工艺冶炼工厂生产和生活所需的全部要求。该工艺是缺电地区的福音。
4、产品初处理
根据后续工艺流程的要求，镍铁合金熔体可选择连续排放，也可选择断续排放，因为熔池可以采取高低液位工作制或恒定液位工作制。熔体通过溜槽浇铸成锭，成为镍铁合金产品。熔炼渣通过溜槽流入渣水淬装置和脱水装置，水淬渣堆存于渣堆场，直接外卖。水淬渣中元素基本以氧化物形态固化，成分主要为FeO、SiO2、MgO、CaO等，为无害渣，可用于筑路、做无机保温材料和耐火砖等用途。
五、红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”选择性还原的基本原理
镍选择性还原，产品中镍和铁的比例可控、可调，其原理和方法的详情如下。
红土镍矿中主要含有NiO、Cr2O3、Fe2O3、Al2O3、SiO2等多种氧化物，在红土镍矿的熔点范围内（～K)，氧化物稳定性排序为Al2O3Cr2O3CaOMgOFe2O3SiO2FeONiO，这其中，NiO最易被还原。
以CO为还原剂还原红土镍矿为例，根据冶金热力学分析（见图3），只需在合适的温度维持较低的CO浓度（如℃下30%的浓度），即可实现NiO的充分还原，抑制FeO的还原。而天闪炉还原空间的温度及还原气体的浓度精确可调，可以准确对熔炼空间中金属氧化物进行选择性还原。
若还原气体中除CO外，还含有H2，或只用H2，选择性还原的原理类似。
图3一氧化碳还原气相平衡图
红土镍矿天闪炉闪速熔炼工艺是以空间冶炼为主，熔池冶炼为辅，在一个炉腔内完成冶金气体的生产和金属冶炼的冶金工艺技术：
干燥的粉状红土镍矿与天闪炉上部空间生产的高温煤气（含一定温度和浓度比例的CO和H2)在下部空间相遇，充分混合，矿粉以较大的比表面积状态弥撒于炽热、呈还原气分的空间，从而形成了“爆炸式”的动力学条件，通过传热、传质和气-固、气-液反应，完成红土镍矿矿粉中镍及铁氧化物的还原。
在落入熔池时,红土镍矿粉中的NiO几乎全部被还原成金属镍，高价氧化铁也被还原成低价氧化物FeO和金属Fe，在上述空间熔炼过程中，通过控制煤气中还原气（CO+H2)的浓度和还原空间的温度在保证镍全部还原后控制Fe的还原比例，从而达到控制产品中Ni/Fe比例的目的。
六、红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”工艺的优点
1）不用焦炭，不需烧结，干燥的矿粉可以直接入炉，短流程、节能、污染小；
2）生产成本及单位建设投资低于RKEF工艺；
3）集空间冶炼和熔池熔炼为一体，冶炼效率高；节能30％以上；
4）可实现镍铁万吨以上的单炉生产规模；
5）全流程密闭、微负压冶炼，高清洁生产，无组织排放接近0；
6）高富氧或纯氧冶炼，热损失小，氮氧化物排放少；
7）装备成熟，天闪炉的安全使用周期达30年以上；
8）镍的品位可控，一般可达8%-50%；
9）镍和钴的回收率高，高达96%以上；
10）产品质量好，镍铁合金中C、P、S、Si含量低；
11）燃料选择的范围广，如煤、油、气等；
12）出炉烟气热值高，余热发电效益好；
13）碳排放低。
天闪炉上部空间（煤气化室）生产的还原气体中H2的含量不少于40％，且相比于主流的RKEF工艺，由于节能30％，对减排量的贡献大于30％。
如此大的减排量，可以满足气候政策第一、第二阶段的要求，至少不被罚，或许还有额外的负碳收益。在中国可以运行到年。
14）可以平滑地选择实现净零排放
天闪炉闪速熔炼的本质是气体熔炼，它允许使用H2做唯一的气体来源。只要生产H2的过程净零，那么本工艺就净零。
本工艺赋予用户依据碳价的变动调整工艺方案的权利，而不必考虑技术上的障碍，在合成气(粉煤制得)、天然气、重油，氢气之平滑地切换。
红土镍矿“天闪炉闪速冶炼”与高炉法及RKEF法的一些特点比较：
七、产业化路径
产业化的道路不是唯一的，视利益相关者的偏好而定。
我们基于闪速冶金大规模拓展应用的背景开发的红土镍矿“天闪炉闪速熔炼”技术，其工业试验的规模，也可以是生产级别的。
下一步的目标和任务是建设一座下部空间尺寸为D2.2m×H7m，可年处理红土镍矿36万吨的试验工厂，通过工业试验，寻求工业参数，以支持产业化推广。
