如何从矿石中提炼出锂?
Editor's Note
由于种类、禀赋的不同,不同的锂矿需要采用不同的提锂方法,这点在盐湖提锂中表现得尤为明显,因此也造成了成本和生产周期的差异。
The following article is from 沈照明有色金属研究 Author 有色与新材料组
6月8日,我们在杭州不见不散
为企业经营保驾护航,报名冲刺中!
大家好,经常有小伙伴在后台说
为什么最近收不到扑克投资家的推文了
那是因为微信改了推送机制 如果不星标很难看到
所以一定要记得星标 ★
一旦错过,我们就失联了报告要点
全球锂资源主要集中于盐湖卤水矿和伟晶岩矿等,这也是全球锂盐供应的主力。从这些原料中提取出我们需要的基础锂盐产品需要经历复杂的流程,而且由于种类、禀赋的不同,不同的锂矿需要采用不同的提锂方法,这点在盐湖提锂中表现得尤为明显,因此也造成了成本和生产周期的差异。此外,基础锂盐一般包含碳酸锂、氢氧化锂和氯化锂,它们最终用途有差异,一般可以相互转化,由于原料、技术和价差等因素影响,碳酸锂苛化生产氢氧化锂是主要的转化工艺。
摘要
正文
基础锂盐介绍
从产业链来看,锂资源一般从锂矿石和锂卤水中提取,先是生产成碳酸锂、氢氧化锂和氯化锂等产品,再通过这些产品制备其他各种含锂产品,最终应用于电动汽车等产品终端。在这个过程中,氢氧化锂、氯化锂和即将上市广期所的碳酸锂被我们称为基础锂盐。
基础锂盐性质和用途各不相同。碳酸锂用途较广,在电池、玻璃、陶瓷、医药和食品等工业中应用广泛,亦可用于合成橡胶、染料、半导体、军事国防工业、电视机、原子能、医药、催化剂等方面,在新能源时代碳酸锂的主要用途是制作磷酸铁锂电池、中低镍三元电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池等的锂原料。氢氧化锂主要用于化工原料、化学试剂、电池工业等行业,是生产高级锂基润滑脂的主要原料之一,同时也是国防工业、原子能工业和航天工业的重要原料。目前主要应用于生产中高镍三元电池等。氯化锂主要用于电解制备金属锂、铝的焊剂及非冷冻型空调机中的吸湿(脱湿)剂等。
目前海外锂盐精炼项目及一体化项目大多正在建设中。海外目前在产的锂精炼项目较少,新建的也主要是部分锂矿商为了向下游延伸而做的配套项目,为了提升企业自身的竞争力,部分矿企在自身拥有锂矿或者锂盐湖情况下,就近建设氢氧化锂精炼厂实现一体化生产。这些企业除了在中国建设的冶炼厂外,在产的主要包括SQM的Carment、Allkem的Naraha。目前在建的项目较多,合计达到24万吨氢氧化锂,这与海外动力电池三元占比较高有关,对矿企而言,此举可以提高利润,降低生产成本。IRA法案的实施会推动海外冶炼项目快速增长。
锂矿石提锂技术
锂矿石提锂曾是世界上生产锂盐的主要方法,经过一百多年的发展,相关的工艺已经非常成熟,可以生品质优良的各类型锂盐产品。据我们测算,2022年全球锂矿提锂占原生锂产量的54%左右,仍是最主要的锂供应源。
锂在矿石中主要以锂辉石、锂云母、透锂长石、磷铝石矿等形式存在,对应不同的原料也有了相应的提锂工艺。从矿石中提取得到锂资源一般需要经过采矿、选矿、冶炼等环节,其中选矿和冶炼中又分别有不同的技术路线。
开采的原矿一般需要通过选矿的环节。锂矿石的选矿就是利用锂矿石的物化性质,采用不同的方法,将有锂矿石与脉石矿物分开,并使共生的有用矿物尽可能的相互分离,除去或降低有害杂质,以获得冶炼锂矿石所需原料的分选过程。一般而言,通过选矿环节从含氧化锂1%-2%的锂辉石矿选出5%以上的锂辉石精矿,或从0.3%-0.6%的锂云母矿选出1.5%以上的锂云母精矿。
原矿选矿可以分为选别前的准备、选别和选别后的脱水3个阶段。选别前的准备作业包括锂矿石的破碎和筛分、磨矿和分级,其目的是使矿石中各种有用矿物颗粒全部或大部分达到单体分离,以便进行选别,并使其粒度符合选别作业的要求。选别作业是使已解离的锂矿物与脉石矿物(或不同的有用矿物)实现分离的作业,根据锂矿物不同的性质,选用一种或多种选矿方法。选别后的脱水作业通常由浓缩、过滤和干燥3个阶段组成,目的是脱出锂精矿的水分,以便于储存、运输和出售。
选别作业是选矿中最关键的环节,目前常见的锂矿石选矿工艺流程主要有手选工艺、浮选法工艺、重选法工艺、磁选法工艺、热裂法工艺、及联合选矿法工艺等。
锂辉石精矿以硫酸硫酸焙烧法为主。该方法是《 GB/T 51382-2019 锂冶炼厂工艺 设计标准 》 唯一推荐的方法。硫酸法工艺提取锂的路线为:(1)将α-锂辉石进行粉碎后在高温(约950~1 100℃)下进行焙烧转变成β-锂辉石,β-锂辉石的活性较高,更易于H离子进入晶体中与Li发生置换反应;(2)将β-锂辉石与浓HSO4进行混合,在300℃左右下进行焙烧;(3)水浸得硫酸锂溶液;(4)加入石灰粉中和过量的硫酸并调节pH值至中性,除去浸液中的Fe、A1、 Mg、Ca等杂质;(5)蒸发浓缩得到硫酸锂净化液,而后再加入碳酸钠溶液发生复分解反应,反应后的沉淀物质即碳酸锂。
采用该工艺提取锂最大的优点是工艺简单、过程可控性强、锂回收率高(可达80%以上),但存在的问题是生产中会消耗大量的硫酸,对设备的耐酸腐蚀性要求较高,且废渣难以回收利用对环境污染严重,环保压力大。尽管硫酸法工艺是目前被大多企业产业化应用,但由于不利于环保,该工艺已遇到发展瓶颈。锂辉石精矿还可以通过纯碱焙烧法、压煮法、硫酸盐焙烧法、氯化焙烧法,专利和论文较多,未见工业化生产报道,石灰石烧结也已经被淘汰。
2.3 锂云母精矿提锂
锂云母是锂矿的主要来源之一,锂云母是一种层状铝硅酸盐矿物,化学式为 K(Li5Al)4O10(F,OH)2 ,呈短柱体、小薄片集合体或大板状晶体。常伴生 MgO、FeO、MnO、CaO、Na2O、Cs2O、Rb2O 和有害元素 F,F在Li的回收过程中通过形成 HF或氟化物使锂的回收变得复杂,锂、钾、铷、铯以氟铝硅酸盐的形态存在,矿物结构致密,化学活性差,常温常压很难与酸碱反应,为了能够有效地综合开发利用锂云母矿,国内外科研工作者进行了大量的研究,综合开发利用锂云母资源,不仅能够满足国内锂盐的缺口,还能将有价值的Rb、Cs、K等作为副产品回收。
宜春是全球锂云母提锂的主要地区,对云母提锂的研究经历十多年的发展也在不断进步,至今已发展三代。
目前,复盐法占绝对主流。与酸浸法等其他锂云母提锂工艺相比,渣量减少,锂回收率提高,工艺流程短、不需要用到浓硫酸、物料对设备腐蚀性程度较低 。但也面临一些需要改进的缺点:如锂云母中珍贵的钾、铷、铯均未综合利用,钾很难除杂,影响产品品质,浸出液中钠含量较高,浓缩液浓度较低,一次沉锂率较低,导致产量较低等。
磷锂铝石是稀有金属花岗岩和花岗伟晶岩中常见的原生磷酸盐矿物,其Li20理论含量为10.23%,是已知的氧化锂含量最高的天然锂矿物,在非洲、江西九岭等地区均有发现。主要提取方法包括硫酸法、复盐法、碱溶法等,该类矿物由于锂含量高,故可以带来很高的收率,但由于矿源较少,所以难以大规模利用。
黏土型锂矿在自然界中含量较高, 但由于黏土型锂矿发现较晚、锂赋存状态复杂,还未被大规模的开发利用。随着锂资源需求的持续增加,为缓解锂资源紧张局面,黏土型锂矿的开发利用必将成为未来的重点,目前在建设或有规划的项目包括墨西哥Sonora项目和塞尔维亚Jadar等项目,均有较高的设计产能。黏土型锂矿的提锂工艺主要为焙烧—浸出法和直接酸浸法等。
锂精矿成本部分。如果不考虑权益金的影响,2022年第四季度Greenbushes锂精矿现金成本为263澳元/吨,含权益金成本为757澳元/吨,其中权益金占比约60%。西澳锂精矿现行的特许权使用费随着锂价变动时有调整,从格林布什在生命期内的生产规划来看,运营成本约为284澳元/吨锂精矿,运输及营销为52澳元,特权费为78澳元,占比分别为68.6%、12.6%和18.8%。
精矿提锂成本部分。对于硫酸法提锂而言,焙烧阶段对能源需求较高,生产一吨碳酸锂成本包括约8吨6%品位的锂辉石成本、纯碱、硫酸、能源、折旧和人工等,该部分除锂精矿外约2.5万元/吨LCE,总成本约为4-5万元/吨LCE。其他地区和种类的矿石将面临更高的成本,其中低品位的锂云母矿成本可高达15万元/吨LCE以上。
盐湖提锂技术
新能源对锂的需求与日俱增,矿石资源难以满足需求,盐湖卤水中含有的大量锂资源。目前全球锂资源中约60%以盐湖卤水形式存在,而我国锂资源中卤水锂占比更高,根据自然资源部发布的《中国矿产资源报告2019》,我国锂矿潜在资源量约1亿吨,其中卤水锂约9250万吨,占比高达91%。作为一个锂资源严重依赖海外的国家,盐湖锂提取技术是保障我国盐湖锂资源可持续利用的关键,是制约盐湖资源综合、平衡利用的“卡脖子”技术。
由于全球不同地区盐湖的禀赋不同,提锂难度也有差异。与矿石提锂不同,盐湖端工艺一般因湖施策,没有固定的模板。由于我国大部分盐湖卤水镁锂比值高,提取技术难度大,锂提取率低,对提锂技术的研究也已经十分丰富。
根据中国锂冶炼工业设计标准,以氯化物一硫酸盐型等含锂盐湖卤水为原料提锂时,应根据自然条件及建设条件、地方环境保护要求,选择相适用的先进工艺提取基础锂盐。以碳酸盐型含锂盐湖卤水为原料提锂时,应根据自然条件及建设条件、地方环境保护要求,选择冷冻-日晒制卤工艺制取成卤、盐度梯度太阳池结晶技术或兑卤沉锂技术等技术路线。
盐湖提锂的工艺设计需要因湖施策。但总体而言,经过多年的探索,目前使用较多的除了传统的盐田浓缩-沉淀法,也有萃取法、吸附法、膜法等在内的新技术工艺。从这些技术来看,均以锂元素的富集和除杂为目的,尤其所要解决的核心问题是分离其中的镁锂离子,锂离子的浓度和其中的镁锂离子比成为工艺选择的重要影响因素。
从盐湖禀赋方面来看,一般锂浓度高,杂质含量低的盐湖多使用盐田浓缩-沉淀法,而其他禀赋较差的盐湖多使用吸附法、膜法、萃取法等或者两种工艺组合进行提取。由于萃取法对萃取剂要求较高,对环境影响较大,故直接使用较少,吸附+膜法成了重要的发展方向。此外,电化学脱嵌法和电渗析法等新式方法也进入使用中。
盐田浓缩-沉淀法是世界盐湖提锂最主流和成熟的工艺,采取这种工艺的项目主要集中在南美锂离子浓度高,镁锂比低的盐湖项目中,中国西藏的扎布耶盐湖由于其仅次于Atacama的锂浓度和仅0.01的镁锂比也使用盐田沉淀法。盐田工艺有很多的优点,如成熟可靠、成本低等,但是该工艺一般要求原料卤水锂含量要高,以减少盐田蒸发浓缩压力,还要求卤水镁锂比低于 8,使锂镁分离能够顺行,否则该工艺的经济性和技术可行性就会有很大问题,此外该工艺需要的建设周期长,前期投资大,且回收率仅40%左右。由于各盐湖卤水成分不同,各个盐湖回收的共伴生组分成也不尽相同,工艺路线略有差异,但核心都是通过盐田富集浓缩锂,化学沉淀分离出锂产品。
以国内盐湖扎布耶太阳池工艺为例。太阳池提锂工艺操作简单、成本低,但只适用于碳酸盐型盐湖卤水提锂,要求卤水镁锂比极低,而且该工艺易受制于气候条件,淡水消耗偏高。该方法工艺流程是将盐湖卤水在多级盐田中分级滩晒浓缩,制得达到要求的高锂成卤后,在盐梯度太阳池中加热该卤水,使其中的锂以碳酸锂形式结晶析出,得到碳酸锂精矿产品。
锂精矿经过苛化法或碳化法等加工,可获得工业级或电池级碳酸锂产品。太阳池法提锂工艺的核心在于其中的盐梯度太阳池,其从上往下由3层组成,上层为上对流层(淡水层),由淡水组成,其温度与环境温度相近,主要起形成和保护其下盐梯度层的作用;下层为下对流层(储能区),由饱和盐溶液组成,主要起吸热和储热的功能;中部为非对流层(盐梯度层),其盐浓度随深度增加不断增加,不仅起到阻止热量散失于池面的作用,而且还利用淡水与卤水折射率的不同,使热能蓄存于池底卤水中,使下对流层的温度较上对流层高出许多,达到收集和储存太阳能、提高卤水温度的功效。
以盐梯度太阳池作为碳酸锂的结晶池,由于形成盐梯度层,不仅使下对流层的高锂卤水增温,而且盐梯度层抑制下对流层卤水的蒸发,而使其他盐类难于析出,从而易于碳酸锂在池底大量集中沉淀,提高碳酸锂品位。另外,盐梯度太阳池还可以跨季节储存热量,在冬季池底仍可维持一定的温度,再加上冬季卤水中的锂浓度较高,因此,碳酸锂依然可以在盐梯度太阳池中沉淀析出,由此达到全年连续生产的目的。
尽管沉淀法具有成本低的优势,但使用局限较大,我们在本系列专题一中提到,国内盐湖集中在青海西藏,其中青海盐湖禀赋普遍较差,难以使用传统方法提取其中的锂离子。在诸多新方法中,吸附法提锂技术具有工艺流程简单、稳定性强、回收率高、选择性好、产品纯度高、能耗及成本低、易于产业化、对环境无污染等优势,且对盐湖卤水的镁锂比没有苛刻的要求等优势,还可大幅缩减盐田面积,适合于从原卤直接提锂或从高镁锂比盐湖卤水中提锂。
吸附法是利用具有选择性吸附功能的吸附剂直接从盐湖卤水中吸附Li离子,然后在洗脱剂的作用下,获得富锂溶液,从而实现锂的分离提纯。吸附剂分为有机离子交换吸附剂和无机离子交换吸附剂,其中有机树脂制造工艺复杂、价格昂贵,缺乏应用价值。无机离子吸附剂对Li的选择性强并有特定的记忆效应,可有效从稀溶液中选择性提锂。无机离子交换吸附剂可分为铝基吸附剂和离子筛型吸附剂等。
常用的吸附提锂工艺流程:向盐湖卤水中投加制备好的离子筛吸附剂,进行充分的接触和反应。达到吸附饱和时间后,对固相吸附剂进行水洗,洗脱液为含锂溶液,剩余溶液返回盐湖中,进行循环提锂。脱锂再生后的吸附剂返回吸附阶段,进行循环吸附。对含锂溶液进行蒸发、过滤等纯化操作,获得富锂溶液。最后向其中投加碳酸钠,获得 Li2CO3产品。
目前铝系吸附剂是目前较为成熟、且唯一得到产业化应用的吸附剂,代表企业包括蓝科锂业等,吸附法提锂技术的成功产业化应用对于加快盐湖卤水锂资源开发利用、推进原卤提锂、实现盐湖资源综合利用和可持续发展将起到积极的推动作用。
相对于澳洲锂矿端,盐湖端生产成本更低。盐湖提锂的成本主要来自是各种试剂、吸附剂或者纳滤膜等。单从运营成本来看,南美盐湖大多在3000-4000美元/吨LCE附近,而国内则是集中在3-5万元/吨LCE。
除了生产成本,资源税对盐湖生产碳酸锂的成本有较大影响,尤其在智利。锂在智利属于一种战略金属,智利境内的盐湖矿权均属于智利政府机构CORFO所有,包括ALB和SQM等智利在产资源商均与CORFO签订长期租约,缴纳资源税。
此前我们曾介绍智利最高至40%的资源税,根据2021年数据统计,智利盐湖碳酸锂生产成本中,资源税占比高达36%,主要的生产材料试剂仅占比30%。据 SQM 公告,公司2022年合计向 Corfo 上缴33亿美元资源税,折合单吨资源税成本2.1万美元,而单吨其他成本仅2550美元。国内来看,生产成本则主要来自于卤水试剂等原料、能源和水等。
碳酸锂和氢氧化锂
4.1 二者差别与联系
碳酸锂和氢氧化锂均可应用于生产电池正极材料,但二者性质和应用方向不同。氢氧化锂具有强腐蚀性,属于危险化学品,且在空气中极易吸收水及二氧化碳,故生产和存储难度高于碳酸锂。两种锂盐都是生产锂电池正极材料时的锂源,目前碳酸锂主要用在生产磷酸铁锂和三元材料中的中低镍正极材料上(NCM 111、523以及部分622),而氢氧化锂主要用于生产三元材料中的高镍正极材料(部分NCM622,全部的NCM811、9系以及 NCA),主要原因是生产高镍三元材料要求较低烧结温度才能得到优异的性能,而碳酸锂熔点过高,因此熔点较低的氢氧化锂成为高镍三元的较好选择。
由于生产更简单,一般而言碳酸锂的供应更充足,在氢氧化锂供应不及时使用碳酸锂进行转化是一个很好的办法。碳酸锂生产氢氧化锂一般采用苛化法,该方法将碳酸锂和精制石灰乳按摩尔比1:1.08混合,调节苛化液浓度为18-20g/L,加热至沸腾并强力搅拌,控制苛化时间为30min,经离心分离得到碳酸钙沉淀以及浓度约为3.5%的氢氧化锂母液,将母液蒸发浓缩、结晶干燥,制得单水氢氧化锂产品。
碳酸锂苛化工艺相对比较成熟,但是需要建设专门的产线,不考虑折旧等生产成本每吨至少在6000元以上,建设周期至少在1-2年。所以在碳酸锂和氢氧化锂价差极负的时候,苛化产能一般会有较高的开工率,这对平抑价差有所助益。
为什么你值得加入《大宗商品贸易知识体系46讲·学习营》
从2020年下半年开始的大宗商品上涨,到欧洲战事背景下,能源、谷物等各类大宗商品进一步吃紧,市场价格波动剧烈,少数商品甚至出现极端行情。由此,在新经济、数字经济等耀眼潮流中,本来长期潜在公众关注的视线水平面以下的大宗商品及大宗商品贸易,这几个月来不断成为被世人瞩目和焦虑的热点。今年3月伦敦金属交易所镍逼空事件,几乎引发全网开始学习什么是期货逼空这样的大宗商品交易的专业化概念。
大宗商品显然不是因为宏观环境的巨变而意外闯进人们视野,相反是在动荡的环境中,大宗商品作为经济活动的根本基础的价值在沉重背景下被凸显出来。当人们都在仰望星空,追逐新经济的“诗和远方”时,几乎忽视了脚下大宗商品这等旧经济大地的默默存在。今日这大地竟然意外的伴着战云的怒吼,如巨鲸一样抖动起庞大的身躯,将人们从“元宇宙”、“虚拟世界”的畅想中猛然打断,迎面撞见黑黝黝踏浪而来的油轮和散货船,使人们猛然意识到这相貌粗糙的旧经济元素竟然一日不可或缺,且至关重要。以至有人观察到“标准普尔500指数中,今年表现最好的21只股票,竟均属于能源、化肥或其它大宗商品生产企业”;而与此同时,纳斯达克科技股却创下金融危机以来的最大跌幅,让人冷然感到似乎泡沫要破裂的危险。此消彼长间,人类似乎可能发现,自己并没有如所乐观料想的那样,比之先古已经走出了很远。
本次学习营的主讲老师赵钢是北京金诚同达(上海)律师事务所合伙人 ,拥有大宗商品贸易领域19年工作经验,专注于铁矿石、金属、煤炭、钢材、化工品等大宗商品贸易业务的风险管理及法律事务管理及咨询;曾在央企国企任职多年,负责大宗商品贸易业务法律事务及全面风险管理;担任众多大型贸易企业风控及法律顾问,并持续为行业大型企业、知名专业院校提供国际贸易专题及系列讲座。
反复思量,我们觉得这是一次饱含诚意的邀请。准备良久的课程也希望能让你眼前一亮,并给到你到实实在在的业务帮助。
相较大宗商品贸易行业持续热点的交易投研端知识体系研究,此次课程体系注重大宗商品贸易期现业务本身的综合生态结构、贸易运营管理及交易执行的全流程专业规范,以及贸易生态的底层法律规范,与大宗商品行业投研端知识体系形成有机互补。
课程共陆续更新包括大宗商品贸易知识体系框架、风险管理、法律合规管理、买卖交易、贸易融资结算、贸易物流、衍生品合规、交易纠纷解决、贸易数字化,共9个专业模块,合计46讲的系列视频课程。
本次课程形式采取了【视频课程+社群深度交流+不定期直播】的方式,想让大家利用碎片化时间,每周更高效汲取知识,并且在专属社群内大家可更便捷的进行交流,同时不定期还会有讲师进行直播分享。
如果你对课程内容有任何建议和意见,希望你能通过扑克晓晓(微信id:13311921072)与我们取得联系,课程会因你变得更立体更丰满!
所以,这不是一个看完就结束的线上课程,而是一个大宗商品行业深度的知识经验交流平台和业内人士集聚的大本营,很期待大家的加入,让我们共同携手打开大宗商品贸易深海下的闸门!
👇如果觉得内容不错, | 为保证即时看到我们推送 |
请关注扑克投资家并「设为星标」 |