2015年中國(guó)鈷物質(zhì)流研究

文博杰，韓中奎 ,3

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

鈷，銀白色鐵磁性金屬，是生產(chǎn)耐熱合金、硬質(zhì)合金、防腐合金、磁性合金和各種鈷鹽的重要原料，廣泛應(yīng)用于鋰電池、催化劑、陶瓷顏料、藥物、航天航空等領(lǐng)域，有“工業(yè)味精”和“工業(yè)牙齒”的美譽(yù)[1-2]。

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)資料2015年世界鈷資源探明儲(chǔ)量為710萬(wàn)t，主要分布在剛果(金)、澳大利亞、古巴、贊比亞、菲律賓、加拿大、俄羅斯和新喀里多尼亞等國(guó)，中國(guó)鈷資源儲(chǔ)量?jī)H8萬(wàn)t，占全球的1.1%[3]。而且中國(guó)大多數(shù)鈷資源來(lái)自伴生礦、品位不高、可回收利用率低下、生產(chǎn)成本高[4]。21世紀(jì)以來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)鈷消費(fèi)量增長(zhǎng)勢(shì)頭明顯。2007年中國(guó)鈷消費(fèi)量為13 640 t，占全球總消費(fèi)量的23%，首次超越日本成為世界第一大鈷消費(fèi)國(guó)；2010年鈷消費(fèi)量為21 060 t，占全球總消費(fèi)量的34%；2015年鈷消費(fèi)量增長(zhǎng)至44 600 t，占全球的比例增加至48%。2015年中國(guó)礦山鈷產(chǎn)量?jī)H7 700 t，占國(guó)內(nèi)精煉鈷消費(fèi)量的17%，遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)鈷資源的需求(圖1)。按照目前礦山鈷產(chǎn)量計(jì)算，中國(guó)鈷礦資源將在10年后全面枯竭，中國(guó)迫切需要加強(qiáng)鈷循環(huán)利用以保障資源供應(yīng)安全。未來(lái)，再生鈷將成為中國(guó)重要的鈷資源供給來(lái)源。

目前，物質(zhì)流分析是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于金屬循環(huán)利用研究的首選方法。物質(zhì)流分析(SFA)是刻畫(huà)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)或元素在給定時(shí)間和空間邊界內(nèi)存量和流量變化的定量分析方法，以“物質(zhì)守恒論”為基礎(chǔ)， 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)、加工、使用、回收利用、廢棄等環(huán)節(jié)特定元素的物質(zhì)流軌跡進(jìn)行跟蹤調(diào)查分析，進(jìn)而分析不同環(huán)節(jié)的物質(zhì)使用效率、環(huán)境效應(yīng)、價(jià)值效益和最終物資社會(huì)存量等促使減少資源投入量，提高資源利用效率，減少?gòu)U物排放量的目的[5-6]。自Udo de Haes在1988年首次提出了物質(zhì)流分析的概念，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，在國(guó)外已形成比較成熟的方法和工具體系，中國(guó)在物質(zhì)流分析方面的研究起步較晚，研究成果相對(duì)較少[7]。針對(duì)特定元素的物質(zhì)流分析，陸鐘武構(gòu)思了鋼鐵產(chǎn)品生命周期的基準(zhǔn)鐵流圖，并把它作為評(píng)價(jià)各個(gè)實(shí)際鐵流圖的標(biāo)準(zhǔn)[8]；劉毅等以滇池流域磷循環(huán)為研究案例，運(yùn)用物質(zhì)流分析方法建立了2000年流域靜態(tài)物質(zhì)流模型(PHOSFAD)[9]；Huang等用物質(zhì)流分析方法對(duì)中國(guó)大陸2009年鎳的流量和存量進(jìn)行了分析，并指出物質(zhì)流分析是全面分析人類活動(dòng)中資源流動(dòng)的既定方法[10]。中國(guó)關(guān)于鈷的物質(zhì)流分析研究較少。嚴(yán)康等通過(guò)分析2012年中國(guó)鈷物質(zhì)流動(dòng)狀況，確定了整個(gè)鈷生命周期中流入、流出和庫(kù)存之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立了2012年中國(guó)鋰離子電池系統(tǒng)中鈷物質(zhì)流分析模型，獲得了鋰離子電池系統(tǒng)中鈷物質(zhì)流動(dòng)的基本規(guī)律[11-12]。本文基于“STAF”物質(zhì)流分析方法，分析2015年中國(guó)鈷的流向及其資源循環(huán)利用狀況，旨在獲得保障鈷資源供應(yīng)安全和提高鈷資源利用效率的最優(yōu)途徑。

圖1 2007～2015年中國(guó)礦山鈷產(chǎn)量、鈷消費(fèi)量及全球鈷消費(fèi)量變化(數(shù)據(jù)來(lái)源：USGS；中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈷業(yè)分會(huì)；中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒；興業(yè)研究)

1 鈷物質(zhì)流分析模型的建立

1.1 鈷物質(zhì)流分析模型簡(jiǎn)介

本文基于“STAF”物質(zhì)流分析模型構(gòu)建中國(guó)鈷物質(zhì)流動(dòng)基本框架(圖2)，并根據(jù)此框架進(jìn)行2015年中國(guó)鈷物質(zhì)流分析。

圖2 鈷物質(zhì)流動(dòng)框架圖

鈷的物質(zhì)流分析模型主要由鈷生產(chǎn)、鈷產(chǎn)品加工制造和消費(fèi)、鈷廢棄回收利用等4個(gè)過(guò)程組成，分別代表鈷及鈷制品生命周期過(guò)程中所經(jīng)歷的4個(gè)階段?？蚣苤械拟捔鲃?dòng)形式主要包括：鈷礦石進(jìn)入鈷生產(chǎn)階段的鈷礦資源流動(dòng)；前一階段進(jìn)入后一階段的鈷及鈷制品流動(dòng)； 在生產(chǎn)、加工、消費(fèi)和廢棄處理過(guò)程中流向生態(tài)圈鈷流；各個(gè)地區(qū)間進(jìn)行貿(mào)易活動(dòng)的鈷貿(mào)易進(jìn)口/出口流動(dòng)。在框架中各個(gè)環(huán)節(jié)鈷的流動(dòng)都遵循物質(zhì)守恒原理，即物質(zhì)的輸入量等于輸出量[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)鈷生產(chǎn)階段相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于USGS[3]、中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒[14]、中國(guó)廢舊網(wǎng)[15]；加工制造階段相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒[14]、CEIC[16]、聯(lián)合國(guó)貿(mào)易數(shù)據(jù)庫(kù)[17]；鈷使用階段相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒[14]；鈷回收利用階段相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)廢舊網(wǎng)[15]、聯(lián)合國(guó)貿(mào)易數(shù)據(jù)庫(kù)[17]。各個(gè)階段的鈷資源回收率，鈷資源提取率分別來(lái)源于相應(yīng)參考文獻(xiàn)[18-25]。另外，如無(wú)特殊說(shuō)明，本文中的數(shù)據(jù)都代表鈷金屬含量。

1.3 鈷的生產(chǎn)階段

鈷的生產(chǎn)過(guò)程首先是要對(duì)鈷礦石進(jìn)行開(kāi)采和選礦，經(jīng)選礦產(chǎn)出(含)鈷精礦和尾礦。或者將回收的鋰電池、高溫合金等含鈷產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械破碎，去除塑料、金屬外殼，使各部分分離和有價(jià)金屬的富集[24]。然后對(duì)鈷礦、鈷廢料用火法——濕法或濕法進(jìn)行冶煉。第一種冶煉方法是將鈷礦石或者鈷廢料放入轉(zhuǎn)爐，使鈷元素富集或轉(zhuǎn)化為可溶性狀態(tài)，然后再用濕法冶煉方法制成氯化鈷溶液或硫酸鈷溶液，再用化學(xué)沉淀、萃取等方法進(jìn)一步使鈷富集和提純，最后得到精煉鈷。第二種冶煉方法是將鈷礦石或者鈷廢料溶解使鈷元素進(jìn)入溶液，然后采用化學(xué)凈化或萃取等方法除去各種雜質(zhì)特別是銅、鐵、砷等，然后進(jìn)行鎳、鈷分離，最后得到精煉鈷。由于濕法冶煉對(duì)鈷元素的提取率較高，操作條件相對(duì)溫和，并且對(duì)環(huán)境污染較小，已成為目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的鈷冶煉方法。

流出生產(chǎn)階段的鈷主要為精煉鈷、尾礦、熔渣。由于國(guó)內(nèi)鈷主要以伴生元素形式賦存在其他礦體中，因此中國(guó)的礦山鈷主要是從復(fù)合型精礦中提取的。在選礦環(huán)節(jié)鈷的回收率約56%[18]，冶煉環(huán)節(jié)鈷提取率達(dá)到90%。2015年，中國(guó)礦山鈷產(chǎn)量為7 700 t，由此可以得出經(jīng)鈷精礦含鈷量為8 556 t，鈷粗礦含鈷量15 279 t，冶煉廢渣含鈷856 t。2015年中國(guó)從其他國(guó)家共進(jìn)口鈷礦資源49 406 t，其中進(jìn)口鈷礦石折合金屬量為15 900 t，由此可以得出進(jìn)口礦冶煉渣含鈷1 590 t；進(jìn)口白合金折合金屬鈷1 506 t，白合金中鈷的浸出率達(dá)到99%，由此可得出鈷白合金冶煉渣中鈷的含量為15 t；進(jìn)口鈷濕法冶煉中間品含鈷32 000 t，鈷的提取率達(dá)99.5%，由此得到該部分冶煉廢渣含鈷160 t；從回收利用階段流向生產(chǎn)階段的含鈷廢料中回收精煉鈷6 000 t[15]，鈷的回收率為95%，由此可以得出廢料冶煉渣中含鈷316 t；從加工制造階段流向生產(chǎn)階段的鈷廢料為2 113 t，所以該部分產(chǎn)生的冶煉廢渣中含鈷量為107 t。綜上所述，2015年中國(guó)全部冶煉廢渣中含鈷量為3 044 t。2015年中國(guó)主要鈷商品貿(mào)易數(shù)據(jù)及其相應(yīng)鈷回收率見(jiàn)表1。

表1 2015年中國(guó)主要鈷商品貿(mào)易量及其鈷回收率

數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒；CEIC。

1.4 鈷制品加工制造階段

鈷的加工制造階段包括鈷的中間產(chǎn)品生產(chǎn)和最終鈷制品制造。精煉鈷和廢雜鈷經(jīng)加工制作后成為鋰電池、高溫合金等產(chǎn)品的一部分，并產(chǎn)生新的含鈷廢料等。中國(guó)進(jìn)口的鈷產(chǎn)品主要是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的鈷礦石和濕法冶煉的中間產(chǎn)品，進(jìn)口屬于加工制造階段的電鈷及鈷鹽較少。另外，中國(guó)出口的鈷產(chǎn)品主要以鈷鹽形式為主。在本文中加工制造階段產(chǎn)生的新廢料不考慮區(qū)域間的貿(mào)易活動(dòng)，只考慮進(jìn)入生產(chǎn)階段和進(jìn)入生態(tài)環(huán)境的新廢料。

2015年中國(guó)流入加工制造階段的精煉鈷為52 000 t，經(jīng)加工制造后，流向使用階段的鈷為44 600 t；中國(guó)進(jìn)口電鈷和各種鈷鹽折合金屬鈷為2 400 t，出口到韓國(guó)、日本等鋰離子電池生產(chǎn)國(guó)的鈷鹽折合金屬鈷為7 644 t，凈出口5 244 t；鈷廢料在機(jī)械破碎環(huán)節(jié)鈷的回收率達(dá)98%，由此，得到生產(chǎn)制造階段產(chǎn)生的鈷廢料為2 113 t，流向生態(tài)圈的鈷為43 t[14,16,25]。

1.5 鈷的消費(fèi)階段

鈷的消費(fèi)階段包括鈷制品的使用和存量的增加。由于特殊的化學(xué)、物理性質(zhì)，鈷的消費(fèi)和應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在電池材料、超級(jí)耐熱合金、硬質(zhì)合金、磁性材料、催化劑、干燥劑、顏料與染料等。

2015年中國(guó)市場(chǎng)鈷消費(fèi)量為44 600 t[14]。受手機(jī)等電子產(chǎn)品和新能源汽車產(chǎn)業(yè)興起的影響，電池領(lǐng)域鈷消費(fèi)量達(dá)到35 000 t，占比高達(dá)78%；而硬質(zhì)合金、磁性材料等領(lǐng)域鈷消費(fèi)量相對(duì)穩(wěn)定，其中硬質(zhì)合金鈷消費(fèi)量為3 000 t，占比6.3%；高溫合金鈷消費(fèi)量為1 700 t，占比3.8%；磁性材料鈷消費(fèi)量為1 600 t，占比3.5%；玻陶鈷消費(fèi)量為1 600 t，占比3.5%；催化劑鈷消費(fèi)量為1 400 t，占比3.1%；其他領(lǐng)域鈷消費(fèi)量為300 t，占比1.8%。2015年中國(guó)出口鈷制品中含鈷量約為58 006 t，進(jìn)口鈷制品中的含鈷量約為29 828 t，凈出口為28 178 t[17]。

1.6 鈷的回收利用階段

鈷的回收利用階段包括含鈷廢棄物的收集和分離過(guò)程[26]。含鈷廢棄物經(jīng)過(guò)機(jī)械破碎等預(yù)處理后，進(jìn)入冶煉環(huán)節(jié)，進(jìn)而成為二次鈷，其他的廢棄部分則被送入焚化爐或進(jìn)行垃圾的無(wú)害化掩埋。

2015年中國(guó)回收的鈷廢料經(jīng)冶煉后生產(chǎn)精煉鈷6 000 t[15]。進(jìn)入冶煉環(huán)節(jié)鈷廢料中鈷的回收率95%，在回收利用階段的機(jī)械破碎過(guò)程中，鈷的回收率為98%[25]，得出進(jìn)入生產(chǎn)階段的鈷廢料含鈷6 316 t，流入生態(tài)圈的鈷為119 t(只包括國(guó)內(nèi)的鈷廢料經(jīng)機(jī)械破碎過(guò)程的鈷損失量)。中國(guó)從其他國(guó)家進(jìn)口鈷廢料含鈷1 624 t，出口鈷廢料含鈷789 t，凈進(jìn)口鈷廢料835 t[17]。因此，2015年，中國(guó)從使用階段流入回收利用階段的鈷廢料共含鈷5 960 t。

2 中國(guó)鈷物質(zhì)流分析模型與指標(biāo)

2.1 2015年中國(guó)物質(zhì)流分析結(jié)果

綜合上文數(shù)據(jù)整理,并結(jié)合鈷物質(zhì)流基本框架得到2015年中國(guó)鈷物質(zhì)流圖，如圖3所示。

圖3 2015年中國(guó)鈷物質(zhì)流圖

2.2 相關(guān)指標(biāo)的選擇

鈷資源對(duì)外依存度是評(píng)估一個(gè)國(guó)家鈷資源安全狀況的重要指標(biāo)，反映了國(guó)家所消費(fèi)的鈷資源的總體對(duì)外依存狀況。鈷資源對(duì)外依存度是指一個(gè)國(guó)家一年內(nèi)凈進(jìn)口的鈷礦資源量(包括鈷精礦和鈷廢料)占精煉鈷消費(fèi)量、鈷資源增量和冶煉熔渣含鈷量三者之和的百分比。鈷資源對(duì)外依存度越大，國(guó)家鈷資源安全狀況越差。

所以，2015年中國(guó)鈷資源對(duì)外依存度

鈷的循環(huán)效率，是衡量鈷產(chǎn)業(yè)廢鈷資源充裕程度的判斷，即單位時(shí)間內(nèi)回收利用的鈷與生產(chǎn)的精煉鈷的比值。鈷循環(huán)效率越大，鈷循環(huán)回收量越大，再生鈷產(chǎn)量在精煉鈷產(chǎn)量中所占比例越大。

所以，2015年中國(guó)鈷循環(huán)效率

鈷的環(huán)境效率，是衡量鈷工業(yè)化過(guò)程中釋放到環(huán)境中的廢料對(duì)環(huán)境影響程度高低的主要指標(biāo)，因此，本文采用鈷環(huán)境效率來(lái)反映鈷的釋放對(duì)環(huán)境的影響狀況。鈷環(huán)境效率，指整個(gè)鈷產(chǎn)品生命周期中單位鈷釋放，即排放到生態(tài)圈的鈷與精煉鈷比值。環(huán)境效率愈低，獲得同等質(zhì)量的精煉鈷所釋放的廢鈷愈少，對(duì)環(huán)境的影響程度也愈小，反之影響較大。

所以，2015年中國(guó)鈷的環(huán)境效率

3 結(jié)果與討論

1) 中國(guó)鈷工業(yè)的原料自給程度低下。鈷原料的自給率高低嚴(yán)重關(guān)系到國(guó)家鈷產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。2015年中國(guó)鈷資源的自給率僅35%，表明中國(guó)鈷資源供應(yīng)嚴(yán)重受制于國(guó)外市場(chǎng)。礦山鈷的不足嚴(yán)重制約了中國(guó)鈷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2) 中國(guó)鈷工業(yè)的鈷循環(huán)效率較低。2015年中國(guó)鈷循環(huán)效率僅為0.12 t/t，這也反映了國(guó)內(nèi)廢舊鈷金屬資源的回收利用水平低下。主要原因是宣傳教育力度不夠，企業(yè)、居民對(duì)廢舊硬質(zhì)合金、尤其是廢舊鋰電池的危害缺乏認(rèn)識(shí)，加之環(huán)保意識(shí)淡薄，不能積極主動(dòng)參與廢舊硬質(zhì)合金、廢舊鋰電池等的回收處理[27]。

3) 中國(guó)鈷環(huán)境效率較低。2015年中國(guó)鈷環(huán)境效率為0.19 t/t，表明中國(guó)鈷工業(yè)對(duì)環(huán)境污染的程度比較低。這也反映了近年來(lái)中國(guó)在提高冶煉水平、節(jié)約鈷礦資源、減少鈷污染等方面的成效顯著。

4 建 議

為保障國(guó)內(nèi)鈷資源安全供給以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康平穩(wěn)發(fā)展，本文在綜合分析2015年中國(guó)鈷物質(zhì)流分析相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出以下三條建議。

1) 加大國(guó)內(nèi)鈷資源勘查力度，完善鈷戰(zhàn)略性資源儲(chǔ)備體系。國(guó)內(nèi)鈷資源大部分是伴生在風(fēng)化型紅土鎳礦、巖漿型硫化銅鎳礦和沉積型砂巖銅礦之中，成礦區(qū)域主要集中在中西部，特別是西部地區(qū)。這些區(qū)域勘查程度較低，資源潛力較大，是尋找新的鈷礦資源的理想地。另外，還要加強(qiáng)已有鈷礦山深部以及周邊區(qū)域成礦帶的勘查，增加資源儲(chǔ)量，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限。截至2015年末，國(guó)家物資儲(chǔ)備局已經(jīng)進(jìn)行了4次金屬鈷的收儲(chǔ)工作，規(guī)模逐次擴(kuò)大。為了維護(hù)國(guó)家安全，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)秩序穩(wěn)定，應(yīng)將鈷資源長(zhǎng)期列入戰(zhàn)略儲(chǔ)備范疇，建立完備的鈷戰(zhàn)略性資源儲(chǔ)備體系。

2) 加強(qiáng)國(guó)際合作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口方式、渠道的多元化。2015年，剛果(金)鈷資源儲(chǔ)量340萬(wàn)t，占全球鈷儲(chǔ)量的47.9%，礦山鈷產(chǎn)量63 000 t，占全球鈷產(chǎn)量的50%[3]。其掌控著全球主要的鈷資源供給，而中國(guó)鈷進(jìn)口恰好嚴(yán)重依賴剛果(金)。剛果(金)的礦業(yè)政策及政局穩(wěn)定性將對(duì)中國(guó)鈷的供應(yīng)安全產(chǎn)生重大影響。中國(guó)作為最大的鈷資源需求國(guó)，應(yīng)充分借助“一帶一路”倡議，支持有條件的企業(yè)在“一帶一路”沿岸國(guó)家開(kāi)展鈷資源開(kāi)發(fā)與利用，拓展鈷資源來(lái)源，建立相對(duì)穩(wěn)定的鈷礦產(chǎn)供應(yīng)基地，逐步改善目前國(guó)內(nèi)對(duì)剛果(金)鈷礦資源嚴(yán)重依賴的現(xiàn)狀。

3) 優(yōu)化鈷廢料回收管理體系，提高鈷資源的循環(huán)利用。盡快出臺(tái)鼓勵(lì)再生鈷資源領(lǐng)域發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)政策及法律法規(guī)，實(shí)行圈區(qū)管理。制定鈷資源回收利用的管理?xiàng)l例及鈷資源回收行業(yè)的實(shí)施細(xì)則。通過(guò)建立戰(zhàn)略鈷資源回收利用行業(yè)準(zhǔn)入制度，逐步消除小作坊式和家庭式作業(yè)的鈷回收企業(yè)，提高鈷資源利用率。培育、扶持鈷再生利用行業(yè)的大型企業(yè)，帶動(dòng)鈷工業(yè)整體水平提升，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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