Derin Okuma — HPAL Laterit Nikeli

Bir tankın içinde kaybolan ada

Küba'nın kuzeydoğusunda, Moa Körfezi'ne bakan yamaçlarda kırmızı toprak yüzeye kadar uzanır. Toprak, tropik yağmurun milyonlarca yıl boyunca kayayı yıkayıp nikel ve kobaltı geride bırakmasıyla oluştu. 1959'da bölgeye giren Amerikan mühendisleri, cevheri 250 derecede basınçlı asitle çözmeye çalıştı. Tesis birkaç yıl içinde sustu. Otuz yıl sonra aynı yöntem, dünyanın nikel haritasını yeniden çizecekti.

Laterit nedir, neden zor

Nikel iki farklı kayadan gelir. Birincisi magmatik sülfür yatakları, yani yerin derinliklerinde sülfür mineralleriyle bağlı nikel. İkincisi laterit, yani tropik iklimde kayaların milyonlarca yıl yıkanmasıyla oluşan kırmızı toprak. Sülfür yatağı bir maden gibidir, kazarsın, kırarsın, eritirsin. Laterit ise bir bataklık gibidir, her yerdedir ama içinden metali çekip almak için kimyayı zorlaman gerekir.

Sülfür yatakları dünyanın nikel ihtiyacının büyük kısmını onlarca yıl karşıladı. Sorun şu ki bu yataklar tükeniyor ve yenileri ya çok derinde ya da siyasi olarak erişilemez yerlerde. Laterit yatakları ise Ekvator kuşağında, Endonezya'dan Filipinler'e, Yeni Kaledonya'dan Küba'ya kadar geniş bir bantta yayılı. Banttaki nikel, bilinen karasal rezervlerin kabaca yarısından fazlası.

Peki neden onlarca yıl boyunca laterite dokunulmadı? Çünkü cevherdeki nikel oranı düşük, gang mineralleri karmaşık ve nem oranı yüksek. Klasik ergitme yöntemi bu cevherle baş edemiyor. Cevheri kurutup ergitmek için muazzam enerji gerekiyor ve elde edilen nikel maliyeti piyasa fiyatının üstüne çıkıyor.

Lateritin bir başka tuzağı, cevherin içindeki demir ve magnezyum dengesi. Limonitik laterit, yüzeye yakın katmanda demirce zengin, nikelce fakir bir tabaka oluşturur. Saprolitik laterit ise altta, magnezyum silikatça zengin ve nikel tenörü daha yüksek bir zondur. İki zonun oranı, tesisin besleme karışımını ve dolayısıyla kimyasal tüketimini belirler. Besleme karışımı bozulduğunda asit tüketimi yüzde 20'ye kadar sapabilir ve otoklav koşulları yeniden ayarlanmak zorunda kalır.

Ayrımın pratik sonucu şudur. Limonit zonu yüzeyden itibaren ilk 5-15 metrede yoğunlaşır, saprolit ise 15 metrenin altından başlar ve 40 metreye kadar inebilir. Maden planlaması, iki zonu ayrı ayrı kazıp ayrı stoklara ayırmayı gerektirir. Karıştırma oranı yanlış kurulduğunda tesis, tasarım dışı bir cevherle beslenir ve otoklavdaki serbest asit dengesi bozulur. Endonezya'daki bazı operasyonlarda limonit-saprolit oranı 70/30 bandında tutulur, saprolit payı yüzde 40'ı geçtiğinde magnezyum yükü otoklav sıcaklığını yeniden ayarlamayı zorunlu kılar.

HPAL nasıl çalışır

HPAL, Yüksek Basınçlı Asit Liçi anlamına gelir. Liç, cevherden metali sıvı içinde çözme işlemidir. Kahve demlemeye benzetebilirsin, sıcak su cevherin içinden geçer ve çözdüğü metali yanında götürür. HPAL'de suyun yerini sülfürik asit alır ve sıcaklık 250 dereceye kadar çıkar.

Süreç şöyle işler. Cevher öğütülür, suyla karıştırılıp bulamaç haline getirilir. Bulamaç, içine sülfürik asit enjekte edilerek otoklav adı verilen basınçlı çelik tanklara pompalanır. Otoklav, düdüklü tencere gibi düşünülebilir, içindeki basınç suyun 250 derecede bile sıvı kalmasını sağlar. Koşullarda nikel ve kobalt, asit içinde çözünür.

Tipik bir otoklav 40-60 bar basınçta, 245-260 derece aralığında çalışır. Kalma süresi 45-90 dakika arasında değişir. Nikel verimi yüzde 90-95 bandına oturur, kobalt verimi ise yüzde 85-92 civarında. Verimler, sülfür yataklarının ergitme verimleriyle yarışır hale geldiğinde HPAL ekonomik olarak anlam kazandı.

Otoklavın içinde asıl işi yapan şey, sıcaklık ve basıncın birlikte kurduğu denge. Sıcaklık 245 derecenin altına indiğinde nikel çözünmesi yavaşlar, verim düşer. 260 derecenin üstüne çıktığında ise alüminyum ve demir sülfatlar çökelmeye başlar, boru hatlarını ve karıştırıcıları tıkar. O yüzden otoklav operatörleri, dar bir sıcaklık penceresinde yaşar. Pencereyi genişletmek için cevher ön işleme tabi tutulur, öğütme inceliği ayarlanır ve asit dozajı sürekli ölçülür.

Asit tüketimi, tesisin en büyük değişken maliyet kalemi. Bir ton kuru cevher için tipik tüketim 250-400 kilogram sülfürik asit arasında. Cevherdeki magnezyum oranı yükseldikçe bu rakam yukarı çıkar, çünkü magnezyum asitle reaksiyona girip asidi boşa harcar. Endonezya'nın bazı yataklarında magnezyum oranı yüzde 15-20 bandına çıkar ve asit tüketimi 500 kilograma yaklaşır. Asit fiyatı, tesisin nakit maliyetini doğrudan belirler.

Denge kimyasının bir başka ayağı, otoklavdaki serbest asit konsantrasyonu. Operatörler bunu genelde 30-50 gram/litre bandında tutar. Bant altına inildiğinde nikel çözünmesi yavaşlar, üstüne çıkıldığında ise alüminyum çözünmesi hızlanır ve çökelme riski artar. Serbest asidi ölçmek için otoklavdan sürekli numune alınır, titre edilir ve asit dozaj pompaları buna göre ayarlanır. Bir dozaj pompasının arızalanması, otoklavın tamamını durdurmaya yetebilir.

Sıcaklığı 250 dereceye taşımanın bedeli, buhar üretimidir. Bir HPAL hattı, besleme bulamacını otoklav sıcaklığına çıkarmak için saatte 100-200 ton buhar tüketebilir. Buhar, genelde doğal gaz veya kömürle çalışan kazanlardan gelir. Endonezya'daki tesisler, bu yüzden kendi enerji santrallerini kurar ve genelde kömürü seçer. Karbon maliyeti devreye girdiğinde bu seçim, tesisin nakit maliyetine doğrudan yansır.

Otoklavdan çıkan bulamaç, nötrleştirme ve çöktürme adımlarından geçer. Burada nikel ve kobalt, karma hidroksit çökeleği (MHP) olarak ayrılır. MHP, tipik olarak yüzde 35-40 nikel, yüzde 4-6 kobalt içerir ve akü kimyasalları üreticilerine satılır. MHP'nin nem oranı, taşıma ve rafineri beslemesi açısından kritik, yüzde 30'un üstünde nem taşıma maliyetini yükseltir.

Otoklavın içindeki kırılganlık

HPAL tesisi kurmak, bir kimya fabrikasıyla bir madeni aynı çatı altında birleştirmek gibidir. Otoklavlar titanyum kaplı çelikten yapılır ve her biri birkaç yüz ton ağırlığındadır. Tankların iç yüzeyi, asidin çeliği yemesini engellemek için özel alaşımlarla kaplanır. Kaplama delindiğinde tank saniyeler içinde arızalanır ve tesis aylarca durur.

Endonezya'daki Weda Bay ve Morowali tesisleri, bu teknolojinin ölçeklenebildiğini gösterdi. Bir HPAL hattı yılda 30.000-60.000 ton nikel üretebilir. Aynı hattın kurulum maliyeti 1,5-2,5 milyar dolar arasında. Yani ton başına yatırım maliyeti 40.000-60.000 dolar bandında. Rakam, sülfür yatağı işleyen bir ergitme tesisinin iki-üç katı.

Tesisi ayakta tutan şey, cevherdeki kobalt ve nikelin birlikte çözülmesi. Kobalt, nikelin yan ürünü olarak gelir ve maliyetin önemli bir kısmını karşılar. Kobalt fiyatı çöktüğünde HPAL ekonomisi sarsılır. O yüzden HPAL yatırımcıları, nikel ve kobalt fiyatlarının birlikte hareket ettiği bir dünyada yaşar.

Otoklavların ömrü, kaplama kalitesine ve besleme kimyasına bağlı. Tipik bir otoklav gövdesi 15-20 yıl dayanacak şekilde tasarlanır. Ancak yüksek klorür içeren cevher, titanyum kaplamayı hızla yer ve ömrü 8-10 yıla indirir. O yüzden tesisler, cevherdeki klorür oranını 100 ppm'in altında tutmaya çalışır. Klorür sınırı aşıldığında cevher yıkanır veya başka bir yataktan karıştırılır. Karıştırma, lojistik maliyeti ve besleme belirsizliğini artırır.

Bir başka kırılgan nokta, otoklavların ısı geri kazanım sistemi. Otoklavdan çıkan sıcak bulamaç, gelen soğuk bulamacı ısıtmak için flaş tanklarından geçirilir. Sistem verimli çalışmadığında enerji tüketimi yüzde 15-20 yükselir. Enerji, bir HPAL tesisinin ikinci büyük değişken maliyeti. Endonezya'da kömürle çalışan enerji santralleri bu yükü hafifletir, ama karbon maliyeti devreye girdiğinde tablo değişir.

Kaplama bakımı, tesisin en pahalı tek kalemidir. Bir otoklavın iç kaplamasını yenilemek, 30-60 milyon dolar arası bir harcama ve 6-12 aylık bir duruş gerektirir. Tesisler bu duruşu planlı bakım pencerelerine sıkıştırır, ancak kaplama beklenmedik şekilde delindiğinde üretim takvimi tamamen bozulur. Weda Bay gibi çok hatlı tesisler, bir hattı bakıma alırken diğerlerini çalıştırarak bu riski dağıtır. Tek hatlı tesislerde ise duruş, doğrudan gelir kaybı demektir.

Otoklavın karıştırma sistemi de kırılgan. İç karıştırıcılar, 250 derecede asitli bulamaç içinde döner ve mekanik aşınmaya maruz kalır. Karıştırıcı milleri, genelde titanyum veya yüksek nikel alaşımlarından yapılır ve 12-24 ayda bir değiştirilir. Karıştırma durduğunda, bulamaç otoklav içinde çöker ve tankı boşaltmak günler sürer. O yüzden karıştırıcı motorların yedekleri sahada tutulur.

Atık sorunu ve çevresel baskı

HPAL'ın en büyük baş ağrısı, geride bıraktığı atık. Asitle yıkanmış cevher posası, deniz tabanına boruyla boşaltılıyor. Yöntem, karada atık barajı inşa etmekten çok daha ucuz. Ancak deniz ekosistemi üzerindeki etkisi ölçülmesi zor bir tartışma konusu.

Endonezya hükümeti, 2020'lerin başından itibaren deniz deşarjına yönelik düzenlemeleri sıkılaştırdı. Yeni tesislerin çoğu artık karada atık yönetimi planı sunmak zorunda. Bu, yatırım maliyetini yüzde 10-15 artırıyor. Çevresel maliyet, HPAL'ın görünmeyen ama gerçek bir kalemi haline geldi.

Karada atık yönetimi, deniz deşarjından çok daha karmaşık bir mühendislik işi. Asitli posa, nötrleştirilmeden depolanamaz. Nötrleştirme için kireç veya kireçtaşı kullanılır ve tüketim, cevherin asit nötrleştirme kapasitesine bağlıdır. Tipik bir tesis, yılda 500.000-800.000 ton kireçtaşı tüketebilir. Bu, hem maliyet hem de tedarik zinciri baskısı demek.

Atık barajı inşaatı, tesisin toplam yatırımının yüzde 15-25'ini oluşturabilir. Barajın sismik dayanımı, tropik yağış rejimi ve yeraltı suyu yönetimi ayrı ayrı mühendislik projeleri gerektirir. Endonezya gibi deprem kuşağında yer alan ülkelerde bu maliyet daha da yükselir. Deniz deşarjı yasağı, HPAL'ın sermaye yoğunluğunu kalıcı olarak artırdı.

Posa yönetiminin bir başka boyutu, uzun vadeli izleme yükümlülüğü. Karada depolanan posa, onlarca yıl izlenmek zorunda. Barajın yeraltı suyuyla etkileşimi, asit drenajı ve ağır metal sızması düzenli olarak ölçülür. Izleme programları, tesisin kapandıktan sonra bile yıllık 5-15 milyon dolar arası bir yük getirir. Kapanış sonrası maliyetler, HPAL yatırımcısının genelde hesaba katmadığı bir kalem.

Deniz deşarjı yasağı, proje fizibilitesini de etkiliyor. Karada atık yönetimiyle bir HPAL hattının sermaye maliyeti, deniz deşarjlı muadiline göre 200-400 milyon dolar daha yüksek. Fark, FAVÖK marjını 3-5 puan arasında aşağı çeker. Yeni projelerin çoğu, bu maliyeti karşılamak için daha yüksek nikel fiyatına ihtiyaç duyar.

Piyasa Hafızası. Moa Bay, 1998

Küba'nın Moa Bay bölgesindeki nikel tesisi, HPAL teknolojisinin ilk büyük ölçekli denemesiydi. 1960'larda inşa edilen tesis, onlarca yıl boyunca düşük kapasiteyle çalıştı ve birkaç kez el değiştirdi. 1998'de tesis, yeni bir ortaklık yapısıyla yeniden yapılandırıldı ve üretim kapasitesi artırılmaya çalışıldı. Ancak otoklavlardaki korozyon sorunları ve cevher besleme kalitesindeki dalgalanmalar, hedeflenen verimlere ulaşılmasını engelledi. Tesis, yıllar boyunca tasarım kapasitesinin altında çalıştı ve HPAL'ın "kolay görünen ama zor" bir teknoloji olduğunu gösteren ilk büyük örnek olarak kayıtlara geçti. Ders şuydu, otoklavı ayakta tutmak, onu inşa etmekten daha zor.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir HPAL hattının yıllık ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Duyarlılık şurada saklı. Nikel fiyatı 16.000 dolardan 12.000 dolara düşerse, gelir 190 milyon dolar azalır ve FAVÖK yarıya iner. Kobalt fiyatı 30.000 dolardan 20.000 dolara inerse, 45 milyon dolar daha erir. İki fiyat aynı anda düşerse, tesis nakit yakmaya başlar. HPAL'ın kaderi, iki metalin fiyat dansına bağlı.

Asit maliyeti de sessiz bir değişken. Sülfürik asit fiyatı ton başına 100 dolardan 200 dolara çıkarsa, yıllık asit faturası 180 milyon dolardan 300 milyon dolara yaklaşır. Tek kalem, FAVÖK'ün dörtte birini siler. Asit fiyatı, doğal gaz ve kükürt arzına bağlı olduğu için HPAL yatırımcısı, dolaylı olarak enerji piyasasına da bağlanır.

Okuma çerçevesi

HPAL, madenciliğin kimya tarafına geçtiği yerdir. Cevheri kazmak kolay, içindeki metali çekip almak zor. O yüzden HPAL tesisleri, maden sahasından çok kimya fabrikası gibi yönetilir.

Üç katmanlı bir okuma mümkün. Birincisi, teknoloji katmanı, otoklav korozyonu ve verim istikrarı tesisin ömrünü belirler. İkincisi, ekonomi katmanı, nikel ve kobalt fiyatlarının birlikte hareket etmesi FAVÖK'ü doğrudan etkiler. Üçüncüsü, düzenleme katmanı, atık yönetimi maliyeti her yıl artıyor ve bu artış kalıcı.

Laterit nikeli, dünyanın nikel arzının geleceği. Ama bu gelecek, tropik bir adada 250 derecede kaynayan çelik tankların içinde yazılıyor.