物質(zhì)流分析用于中國鋁使用存量的研究

楊富強，熊 慧

（有色金屬技術經(jīng)濟研究院，北京 100080）

1 介紹

鋁和鋁合金由于其優(yōu)異的力學性能、較低的密度、良好的耐蝕性和理論上無限循環(huán)特性等優(yōu)點被廣泛應用于國民經(jīng)濟生活的方方面面，包括交通運輸、建筑結構、電力電子、包裝容器、耐用消費、機械制造和其他7大領域。經(jīng)過多年發(fā)展，中國已經(jīng)成為全球鋁生產(chǎn)和消費大國，2018年，中國電解鋁產(chǎn)量3659萬噸，占全球總量57%；全口徑鋁消費量4461萬噸，占全球總量53%。中國的快速發(fā)展也同時帶動了全球鋁產(chǎn)業(yè)和鋁消費的增長，推動了全球鋁產(chǎn)業(yè)格局的重塑。當前，全球經(jīng)濟形勢、政治格局和貿(mào)易局勢都發(fā)生著新的變化，中國經(jīng)濟特別是制造業(yè)面臨發(fā)達國家制造業(yè)回歸和新興經(jīng)濟體快速發(fā)展的“雙重擠壓”；同時，中國經(jīng)濟進入工業(yè)化中后期發(fā)展階段，經(jīng)濟轉型成為大勢所趨，經(jīng)濟發(fā)展將更加注重質(zhì)量和效益，GDP增速收窄，經(jīng)濟增長方式也從全球制造業(yè)中心模式下的投資、出口拉動轉向內(nèi)需拉動為主，同時戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)開始崛起，宏觀產(chǎn)業(yè)結構和產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結構都進入調(diào)整優(yōu)化的發(fā)展階段。新形勢下，中國鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展也面臨著產(chǎn)業(yè)調(diào)整、消費升級的歷史性轉變。與此同時，中國鋁消費經(jīng)過多年積累，蓄積了大量的鋁資源，未來廢鋁資源在中國鋁供應當中將發(fā)揮怎樣的作用？廢鋁能否替代部分原鋁成為中國鋁供應格局中的主力甚至面向全球出口，中國是否需要大量進口鋁土礦、氧化鋁和舊廢鋁，產(chǎn)業(yè)政策如何調(diào)整，都是新時代需要研究的新問題。

鑒于鋁的可循環(huán)再生特性，單純依靠當前年度的市場反饋信息進而調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，其滯后性和偏差容易造成行業(yè)不良發(fā)展，能源和資源巨大的浪費；而基于國家層面的鋁物質(zhì)流分析和存量研究從貫穿歷史的角度對鋁產(chǎn)業(yè)進行大跨度的研究，對于了解鋁在社會活動當中的真實存在，并從全生命周期的角度研究其回收的節(jié)奏具有十分重要的意義。

2 物質(zhì)流分析基礎理論

2.1 主要研究內(nèi)容

物質(zhì)流分析（Materials Flow Analysis，MFA）是對特定系統(tǒng)進行的物質(zhì)流動和貯存的定量分析研究[1]。盡管與生命周期評價（Life Cycle Analysis，LCA）在研究對象和邊界條件上差異，但是二者可以重疊互補的。物質(zhì)流分析可以分為宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)物質(zhì)流分析（Economy-Wide Material Flow Analysis）和元素流分析（Substance Flow Analysis）兩大類，其中SFA的研究對象通常為單一的元素，基于質(zhì)量守恒定律跟蹤物質(zhì)的循環(huán)過程，以及循環(huán)過程中造成的環(huán)境負荷，以量化以往時間范圍內(nèi)的物質(zhì)流過程，建立物質(zhì)流動模式并應用產(chǎn)品量和產(chǎn)品壽命，跟蹤該物質(zhì)在物質(zhì)流循環(huán)過程中的瞬時變化。

物質(zhì)流研究的基礎就是定義邊界條件和定義物質(zhì)流，其中，邊界條件需要明確研究層面和時間跨度。研究層面可以分為全球領域、國家領域、地區(qū)領域及企業(yè)領域，但受到地區(qū)層面物質(zhì)流動分散及數(shù)據(jù)可靠性差等因素，全球?qū)用婧蛧覍用娴难芯渴钱斍拔镔|(zhì)流分析的主流。時間跨度也就是研究分析的起止時間，依次可以分為靜態(tài)和動態(tài)研究。靜態(tài)研究多描述了某年國家尺度的鋁物質(zhì)流圖，用于分析鋁的消費、相關產(chǎn)品的進出口情況和各環(huán)節(jié)的主要生產(chǎn)指標，而動態(tài)研究以連續(xù)時間段內(nèi)鋁的流量和存量變化為研究對象，分析國家鋁存量的動態(tài)特征及其相關指標變化情況。國家尺度的鋁物質(zhì)流模型已經(jīng)由從靜態(tài)分析逐漸轉變?yōu)閯屿o結合。例如，1960-2009年美國產(chǎn)品尺度的鋁使用存量的動態(tài)分析；日本、美國、歐洲及中國的鋁循環(huán)效率的評價；德國含鋁商品報廢率模型的研究；針對全球19個國家1980-2010年的鋁使用存量的橫向比較。地區(qū)或企業(yè)層面的物質(zhì)流分析受到地區(qū)物質(zhì)進出統(tǒng)計不完善或企業(yè)數(shù)據(jù)保密特性，相關研究較少或極少公開發(fā)布。

2.2 主要研究方法

物質(zhì)流分析中材料使用存量的研究有兩種基礎方法，即自上而下法（Top-Down，T-D）和自下而上法（Bottom-Up，B-U）[2]。自上而下法是根據(jù)某年產(chǎn)品中元素的流入和流出的差值來確定材料的使用存量的變化量，流入和流出類似于金融領域的貨幣投資值和折舊，而流出一般是依據(jù)材料流入歷史數(shù)據(jù)和使用壽命測算。自上而下法中經(jīng)常需要考慮產(chǎn)品的使用壽命和報廢率分布，對于產(chǎn)品壽命分布的表征方法主要有四種類型：產(chǎn)品平均壽命，正態(tài)分布、指數(shù)分布和韋布爾分布，目前普遍認可的計算方法為韋布爾分布和正態(tài)分布。自下而上法類似于實地存盤法，需要明確產(chǎn)品的年存量或凈存量，乘以其對應的材料含量以確定使用存量，如機動車保有量。

上述兩種方法被廣泛使用，其中自上而下法能占到90%左右。但是研究發(fā)現(xiàn)，很多直觀的歷史數(shù)據(jù)存在不完整或偏差較大的問題，數(shù)據(jù)計算處理難度較大。因此，2015年Chen與Graedel基于流量和存量、實物數(shù)據(jù)和貨幣數(shù)據(jù)的分類方式提出了四種可選方案，即基于流量的實物數(shù)據(jù)法（Flow-based Using Physical Data, FBPD）和貨幣數(shù)據(jù)法（Flow-based Using Monetary Data,FBPD）、基于存量的實物數(shù)據(jù)法（Stock-based Using Physical Data, SBPD）和貨幣數(shù)據(jù)法（Stock-based Using Monetary Data,SBPD）[3]，如圖2所示。研究人員認為，四種替代方法混合使用，不是對T-D和B-U方法的替代，而是重要補充，能夠彌補數(shù)據(jù)缺失、準確性低的問題。當然，引入貨幣數(shù)據(jù)進行分析預測需要考慮到貨幣的購買能力和鋁相關產(chǎn)品的價格變化。

圖1 估計產(chǎn)品中材料使用存量的方法

圖2 鋁在社會經(jīng)濟活動中的流量和存量框架模型

2018 年，Chen利用上述四種改進的替代方法以及用于估計材料使用存量的B-U方分析了產(chǎn)品尺度上1960-2009年美國鋁的動態(tài)使用存量，并將其與部門尺度的T-D方法測算的存量結果進行比較，探索產(chǎn)品尺度上美國鋁使用存量的歷史演變模式。相比于部門尺度，產(chǎn)品尺度的存量分析更加細化，對于產(chǎn)品類型的劃分和含鋁量的測算更加細致。

3 中國國家尺度的鋁物質(zhì)流研究

眾多金屬元素中，針對鋁的物質(zhì)流研究占比僅次于鋼鐵，居第二位。鋁的物質(zhì)流動過程已經(jīng)被廣泛認可，其流量和存量框架模型如圖3所示，按照鋁的生命周期可以分為生產(chǎn)階段、加工制造階段、使用階段和循環(huán)再利用階段。中國的鋁消費量和使用存量持續(xù)增長，鋁物質(zhì)流分析成為國內(nèi)外研究學者關注的重點之一。2008年，陳偉強等在不考慮含鋁商品的進出口的情況下，根據(jù)正向流、逆向流、廢物流和進出口流及相應存量的增減，對2005年中國國家尺度范圍內(nèi)做了鋁的物質(zhì)流分析。2009年，陳偉強等對耶魯大學“存量和流量”框架進行了完善和分析，進一步定量分析了1991-2007年中國鋁的全生命周期進出口、損失、生產(chǎn)、消費和循環(huán)量，綜合靜態(tài)和動態(tài)分析結果，研究開發(fā)了鋁的全生命周期數(shù)量損失的方法，并提出了可持續(xù)發(fā)展的政策建議。

2010 年，Wang等利用自下而上法測算2000年和2005年中國人均鋁使用存量分別為23kg/人和37kg/人，僅為全球平均水平的一半，是日本和美國水平的十分之一。研究人員將測算結果過低原因歸咎于部分含鋁商品未被納入統(tǒng)計范圍。筆者認為，除了統(tǒng)計缺失外，該研究中將22個類型含鋁商品的按照等年度報廢率處理，即產(chǎn)品投入使用后在后期任何一年進入報廢的概率完全一樣，這對于使用壽命比較長的產(chǎn)品，如建筑結構，采用等年度報廢率的計算方法容易造成其存量被“提前報廢”。

2014 年，Yue等利用鋁元素的流動相圖定量分析了2003-2007年我國的鋁循環(huán)過程，并測算了2007年鋁生命周期各個階段的原料自給率和進口依存量，對于中國資源供應結構變化給出了詳細的說明。該研究中對于鋁的使用壽命的測算采用的該年度不同領域產(chǎn)品使用壽命的加權平均值，該算法要求掌握我國鋁消費結構和各領域的使用壽命。需要注意的到，該研究中對于特定年份的國內(nèi)舊廢鋁產(chǎn)生量的計算來源于產(chǎn)品投入年份（計算年度-使用壽命）鋁的流入量乘以回收率，可以理解為這是一種簡單處理方式，但是從產(chǎn)品的使用周期來看，任何商品都有在其達到平均使用壽命之前進入報廢循環(huán)利用的概率，因此應綜合考慮計算年度之前不同年度的流入量和報廢率。

2017 年，Bertram[4]等建立并完善全球鋁流動建模工具，以包含中國在內(nèi)的9個主要貿(mào)易區(qū)為研究對象，基于原鋁產(chǎn)量、鋁材發(fā)貨量和國際貿(mào)易數(shù)據(jù)，按照鋁軋制材、擠壓材和鑄件分類量化確定1950-2014年各個區(qū)域存量和不同類型產(chǎn)品的物質(zhì)流動。

該研究成果在國際鋁業(yè)協(xié)會官方網(wǎng)站發(fā)布可視化結果，目前數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2017年。該研究中設定了各個區(qū)域的產(chǎn)品使用壽命和加權平均回收率，但是將交通運輸領域和電力電子領域根據(jù)產(chǎn)品特性進行了細分。為了解決不同階段之間的質(zhì)量平衡差異，研究人員引入了STAN軟件來避免數(shù)據(jù)沖突。國際鋁業(yè)協(xié)會在此研究的基礎上，對于未來全球，尤其是中國的鋁消費需求進行了預測。Chris Bayliss[5]預計2040年全球鋁消費需求將增加到9000萬噸，而中國原鋁產(chǎn)量將達到4700萬噸。當然，這種預測是基于當前消費水平及未來消費增長空間，筆者認為預測分析需要結合當前不同國家的鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策及礦產(chǎn)資源需求生命周期理論來整體考慮。

2019 年，Dai等在物質(zhì)流分析框架基礎上，采用正態(tài)分布法對1950-2010年中國鋁循環(huán)的流量和存量進行動態(tài)量化分析。并以此為基礎進行延伸，通過人均存量峰值、增速、人口、產(chǎn)品使用壽命等6個參數(shù)，多種情景模式組合預測了2025年乃至2050年中國鋁消費需求結構。研究人員認為由于2000年后中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平不斷提升，中國鋁使用存量經(jīng)歷了指數(shù)形式的快速增長并且將持續(xù)到2040-2050年，21世紀后半葉中國鋁使用存量的變化模式主要取決于人均使用存量和人口變化；需求的快速增長必將造成未來中國舊廢鋁的產(chǎn)生量將大幅快速增加并在2050年達到峰值，廢鋁產(chǎn)生量將超過國內(nèi)鋁消費需求量并逐步實現(xiàn)廢鋁資源的出口。

4 討論和分析

目前，現(xiàn)有鋁的物質(zhì)流研究成果主要來自科研機構，用于理論模型研究或環(huán)境資源影響分析，而缺少了對鋁行業(yè)的專業(yè)認知和整體思路。例如，部分研究中提到未來中國鋁供應格局中廢鋁將完全取代原鋁。盡管保級回收利用可以實現(xiàn)資源的高效利用，但是廢鋁，尤其是鑄造鋁合金中較高的合金元素成分結構決定了其不可逆特性，鑄造鋁合金要達到變形合金的水平需要更多的原鋁去“稀釋”。因此，需要以行業(yè)的角度深入分析中國鋁的物質(zhì)流模型。同時，流量和存量研究目的是服務于未來中國鋁的消費和供應分析，因此要與消費預測結果相結合。當前的中國境內(nèi)鋁使用存量和每年的廢鋁產(chǎn)生量將決定未來中國的鋁供應格局，因此鋁的物質(zhì)流研究具有重要意義。

綜合已有研究成果和問題，可以看出未來中國的鋁物質(zhì)流研究方向：（1）搭建完整的鋁物質(zhì)流和消費模型；（2）補齊中國鋁物質(zhì)流的歷史數(shù)據(jù)；（3）作為中國鋁消費預測的重要組成部分，提供數(shù)據(jù)支撐；（4）研究中國鋁供應結構的發(fā)展趨勢，考慮國內(nèi)廢鋁供應能否完全代替進口廢鋁并逐步替代部分原鋁或出口。當然深入研究需要考慮到潛在的數(shù)據(jù)不完善、研究方法選擇及數(shù)據(jù)難以驗證的困難。