原生鋁的拐點(diǎn)和鋁廢料的時(shí)代即將到來

文/代 敏 汪 鵬 陳偉強(qiáng) 劉 剛

中國是否會(huì)繼續(xù)主導(dǎo)全球鋁生產(chǎn)和消費(fèi)呢？本研究給出了約250 組情景來回答這個(gè)問題，并揭示了鋁廢料回收時(shí)代的到來和原鋁快速增長(zhǎng)現(xiàn)象的趨緩。

1.導(dǎo)言

由于具有良好的性能，鋁被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，成為全球使用最多的有色金屬。作為最大的原鋁生產(chǎn)國和消費(fèi)國，中國最近放慢了原鋁生產(chǎn)的擴(kuò)張步伐，甚至開始限制電解鋁產(chǎn)能的擴(kuò)張。因此，中國鋁的快速增長(zhǎng)是否會(huì)持續(xù)以及中國將來的鋁生產(chǎn)量和消費(fèi)量是多少都極大地引起了中國和全球利益相關(guān)者的興趣。

原鋁生產(chǎn)是高耗能和高排放行業(yè)，而再生鋁生產(chǎn)與原鋁生產(chǎn)相比可節(jié)省約95%的能源，有助于緩解溫室效應(yīng)。同時(shí)，再生鋁的使用還能夠減少鋁土礦等資源的消耗和降低環(huán)境影響。在礦石持續(xù)消耗、礦石品位日漸下降、環(huán)境污染問題日益突出、資源對(duì)外依存度不斷增高的大背景下，再生鋁生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)于中國而言變得尤為重要。

再生鋁生產(chǎn)的增長(zhǎng)受限于在用產(chǎn)品存量的可用性和成熟度及與其相關(guān)的廢鋁產(chǎn)生量。與美國等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體相比，中國的鋁產(chǎn)品仍處于服務(wù)年限的早期，因此目前可用的報(bào)廢產(chǎn)品仍然較少。但是，鑒于中國自1990 年以來的快速鋁存量累積，更多的鋁廢料將會(huì)在中國產(chǎn)生。在此背景下，對(duì)于鋁需求量、在用存量增長(zhǎng)模式、報(bào)廢量和生產(chǎn)路線的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)與詳細(xì)研究至關(guān)重要。然而，之前的相關(guān)研究缺乏對(duì)中國鋁全生命周期的預(yù)測(cè)，也缺乏對(duì)涉及參數(shù)的詳細(xì)而全面的探索。因此，本研究進(jìn)行了綜合的情景分析以確定中國未來鋁人為循環(huán)潛在的變化，這些預(yù)測(cè)將有助于我們了解鋁的需求和未來再生鋁工業(yè)的潛力。

2.方法與數(shù)據(jù)

本研究運(yùn)用基于情景分析的動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析方法，衡量了中國1950-2100 年之間的鋁人為循環(huán)的存量與流量，探索并識(shí)別了重要參數(shù)的未來潛在變化，共給出了約250組綜合情景分析結(jié)果（包括鋁人為循環(huán)中的存量、流量和損失量）。本研究的系統(tǒng)邊界為中國大陸（不包括香港、澳門和臺(tái)灣）31 個(gè)省級(jí)行政單位，時(shí)間邊界為1950 年-2100 年（圖 1），追蹤了鋁人為循環(huán)的八個(gè)主要過程中的流量與存量，過程包括采礦（Min），冶煉（Smlt），電解（Elec），加工（Fab，包括鑄造和成型），制造（Manf，產(chǎn)品制造），使用階段（Use，包括7 個(gè)部門），廢料收集（Col），廢料預(yù)處理（Prc）和廢料再熔化（Rmlt）。所有流量和存量均以金屬鋁當(dāng)量表示。

圖1 中國鋁人為循環(huán)的系統(tǒng)邊界

表1 鋁人為循環(huán)中的重要指標(biāo)

整個(gè)鋁人為循環(huán)可以通過存量驅(qū)動(dòng)模型、產(chǎn)品壽命模型和由在用存量觸發(fā)的物料守恒定理計(jì)算。為了更好地描述中國鋁人為循環(huán)，表 1 定義了一些基本指標(biāo)。需求量是流入在用存量的鋁，也稱為表觀消耗（最終需求）。報(bào)廢量是從在用存量中流出的鋁。它代表廢料產(chǎn)生的潛力，對(duì)應(yīng)于圖 1 中的廢料 1。由礦石生產(chǎn)的原生鋁產(chǎn)量和由廢料生產(chǎn)的再生鋁產(chǎn)量一起構(gòu)成未鍛軋鋁，其也被定義為鋁產(chǎn)量。再生鋁比率再生鋁替代比例是再生鋁產(chǎn)量在鋁產(chǎn)量中所占的比例，表示再生鋁對(duì)原鋁的替代程度。

首先，運(yùn)用由Müller 首先開發(fā)的動(dòng)態(tài)存量驅(qū)動(dòng)模型計(jì)算分別得到需求量和報(bào)廢量；然后，基于循環(huán)中的損失和貿(mào)易量通過物料平衡計(jì)算生產(chǎn)端指標(biāo)（鋁產(chǎn)量，原生鋁產(chǎn)量，再生鋁產(chǎn)量和再生鋁替代比例）。

根據(jù)物料守恒原理，鋁產(chǎn)量可以通過等式5 計(jì)算：

然后，根據(jù)估算的鋁產(chǎn)量和再生鋁產(chǎn)量可以輕松計(jì)算原鋁產(chǎn)量：

最后，再生鋁替代比例定義為：

關(guān)于歷史部分（1950-2016），存量、人口、產(chǎn)品壽命、各環(huán)節(jié)的損失量和貿(mào)易量等數(shù)據(jù)從相應(yīng)文獻(xiàn)或報(bào)告中獲??；關(guān)于未來部分（2017-2100），未來人口情景從聯(lián)合國人口署獲取，其他參數(shù)分別根據(jù)歷史情況進(jìn)行假設(shè)。至于未來情景設(shè)置，請(qǐng)參照?qǐng)D 2 和表 2。

3.中國鋁人為循環(huán)概況：1950-2100

圖3 顯示了1950-2016 年和2017-2100 年中國鋁循環(huán)累積的整體情況。到2016 年，中國的城市化和工業(yè)化將需要約2.5 億噸的需求量和約3.4 億噸的鋁生產(chǎn)量，其中約84%是原生鋁產(chǎn)量。2017 年至2100 年的累積需求量約25（10-63）億噸，鋁生產(chǎn)量約為33 億噸。再生鋁產(chǎn)量生產(chǎn)的約62%是23（10-58）億噸舊廢料。其余38%意味著從地殼中開采約16（11-29）億噸的鋁土礦，而1950-2016 年期間的原生鋁產(chǎn)量（鋁的生產(chǎn)主要集中在1990 年至2016 年期間）需要3 億噸的鋁土礦。歷史和未來期間的總損失分別為1.17 和9.23（5.84-18.01）億噸，其中大部分（約60%和30%）發(fā)生在采礦和生產(chǎn)階段。值得注意的是，未來有30%的損失來自再生鋁生產(chǎn)階段，原因是大量廢料可能導(dǎo)致的再生鋁工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

圖2 參數(shù)的情景設(shè)置和未來鋁循環(huán)相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算流程

表2 量化鋁人為循環(huán)的參數(shù)

圖3 過去和未來的鋁人為循環(huán)概況

圖4 中國鋁總存量的27 種情景

4.在用存量的快速積累及其未來的飽和值

由于2000 年后中國的快速發(fā)展，在用存量經(jīng)歷了急劇的指數(shù)型增長(zhǎng)，這種增長(zhǎng)將在所有研究情景中持續(xù)到2040 年至2050 年左右（圖 5）。在21 世紀(jì)下半葉，在用存量模式將根據(jù)SPC 模式和人口變化的復(fù)合設(shè)置而有很大差異。其中，SPC主要影響幅度，而人口變化對(duì)趨勢(shì)有明顯影響。至于最終用途行業(yè)，建筑和交通運(yùn)輸分別以總存量排名第一和第二，其次是電力設(shè)備，機(jī)械與設(shè)備，耐用消費(fèi)品，其他和包裝。

5.需求的快速增長(zhǎng)預(yù)示著鋁的大量報(bào)廢

在所有情景中，需求量將在2050 年之前達(dá)到峰值，并在21 世紀(jì)下半葉以約2-8 千萬噸/年的水平飽和（圖5 a）。由于在用存量的快速累積及報(bào)廢產(chǎn)品的替換，需求量在2010 年以每年約500 萬噸的速度開始快速增長(zhǎng)并以指數(shù)方式增長(zhǎng)至2020 年的約20-60 萬噸/年。2030 年之后需求量的趨勢(shì)是由總在用存量的飽和水平和飽和時(shí)間引起的。報(bào)廢量將在2050 年之后達(dá)到與需求量相近的飽和水平，這表明如果鋁廢料完全回收，則可以完全滿足未來的鋁需求（圖 5 b）。一般來說，報(bào)廢量與需求量具有相似的趨勢(shì)和范圍，但依據(jù)情景不同，報(bào)廢量比需求量延遲大約5-40 年，壽命越長(zhǎng)，時(shí)滯越長(zhǎng)。報(bào)廢量將從2010 年明顯增長(zhǎng)并線性增加至2050 年左右的約2000-8000 萬噸，達(dá)到或超過同期的需求量。中國將在2050 年左右迎接鋁的大量報(bào)廢時(shí)代，這將會(huì)使得鋁循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖5 國內(nèi)需求量和報(bào)廢量的所有情景

然而，如果沒有完善有效的廢棄物回收利用系統(tǒng)，則大量鋁報(bào)廢也不一定會(huì)帶來廢鋁的大量利用，相反會(huì)帶來大量廢棄物的堆積和再生原料的浪費(fèi)。中國的廢鋁廢物管理系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)一步改進(jìn)和調(diào)整。例如，應(yīng)該明確含鋁產(chǎn)品何時(shí)報(bào)廢、哪些鋁廢料適合重復(fù)使用、哪些需要重新回爐。由于交通運(yùn)輸部門和建筑部門在存量和流量中都是最重要的部門，應(yīng)特別注意從報(bào)廢的車輛、高鐵列車、高速公路和老舊建筑回收和利用廢鋁料。更好地了解廢鋁料的質(zhì)量、數(shù)量和產(chǎn)生位置，能夠幫助更好地規(guī)劃再生鋁產(chǎn)能在不同地區(qū)的分布。巨大的廢鋁產(chǎn)生量需要配置大量的再生鋁產(chǎn)能。2017 年中國再生鋁產(chǎn)量為680 萬噸，僅占總產(chǎn)量的17%。目前中國的再生產(chǎn)能與其未來的需求還存在巨大的差距。根據(jù)情景分析，中國的再生鋁生產(chǎn)能力預(yù)期于2055年之前增加約2600 萬噸（圖 7）。提升鋁回收程度的另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是合金元素的積累可能會(huì)妨礙重復(fù)回收和減少某些部門的可回收性。

6.原鋁產(chǎn)量下降與再生鋁產(chǎn)量增加

大多數(shù)情景中的鋁生產(chǎn)量將在2020 年左右達(dá)到峰值，范圍在2-6 千萬噸之間（圖 6 a-c）。鋁生產(chǎn)量增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是需求量、凈出口和各流程中的損失。但是由于較高的處理效率（即低損失率），鋁生產(chǎn)量的變化模式類似于需求量的模式。如果所有鋁產(chǎn)量都來自原鋁生產(chǎn)，那么鋁生產(chǎn)帶來的環(huán)境和資源負(fù)擔(dān)都是十分巨大的。然而，隨著報(bào)廢量的快速增長(zhǎng)（圖 5 b），在損失量照常的情況下，未來的再生鋁產(chǎn)量也將急劇增加并于2050年達(dá)到約1300-6000 萬噸（圖 6 d），從而通過提高再生鋁比例來減輕這些負(fù)擔(dān)。

鑒于再生鋁產(chǎn)量越來越多，原生鋁產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)不太可能一直持續(xù)下去。在所有情景中，原生鋁產(chǎn)量將在2020-2030 年左右達(dá)到峰值，然后急劇下降?；厥障到y(tǒng)對(duì)于確定未來的原生鋁產(chǎn)量至關(guān)重要，回收系統(tǒng)越好，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)原生鋁產(chǎn)量的需求就越少。如果回收鋁廢料均被投入再生鋁生產(chǎn)中去，2020-2030 年后的約20 年里未來需要的原生鋁產(chǎn)量以大約50-250 萬噸/年的速度急劇下降，下降速度與2000 年以來的指數(shù)增長(zhǎng)速度相似。在100%回收情景中，原生鋁產(chǎn)量在某些情況下將于2050 年后趨近于零。再生鋁替代比例是鋁行業(yè)及其整個(gè)人為循環(huán)可持續(xù)性的關(guān)鍵指標(biāo)。在任何情景中，2050 年后的再生鋁產(chǎn)量都將覆蓋鋁生產(chǎn)量需求的60%以上（圖 6 j-1）。在某些情況下，再生鋁替代比例甚至?xí)⑦_(dá)到或超過100%，因?yàn)樵偕X供應(yīng)超過了由國內(nèi)需求、損失和凈出口驅(qū)動(dòng)的鋁產(chǎn)量。在這種情況下，再生鋁產(chǎn)量不僅將覆蓋國內(nèi)生產(chǎn)，還將在未來為其他國家提供比2016 年更多的鋁出口量。

中國自1990 年以來的前所未有的鋁消費(fèi)量主要是（約70%）受到原鋁產(chǎn)量快速增長(zhǎng)的支撐。目前，中國已經(jīng)面臨嚴(yán)重的原鋁產(chǎn)能過剩問題，迫切需要對(duì)其進(jìn)行合理的調(diào)整。例如，2017 年，中國的原鋁產(chǎn)能約為4200 萬噸，比實(shí)際需求高900 萬噸（數(shù)據(jù)來自CNIA）。在未來三十年里，假設(shè)回收鋁廢料均被投入再生鋁生產(chǎn)中去并能夠成功替代原鋁，那么超過3000 萬噸的原鋁產(chǎn)能需要被去除（約100萬噸/年）（圖 7）。同時(shí)，中國也應(yīng)該推行消除落后產(chǎn)能的政策并限制產(chǎn)能的增加。事實(shí)上，中國已經(jīng)開展了包括產(chǎn)能置換等相應(yīng)措施。但是如果選擇持續(xù)削減剛剛建立起來的原鋁產(chǎn)能，那么從全球來看則屬于資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

7.模型的敏感性分析

除了最高和最低情景之外，其余七個(gè)選定情景顯示其未來鋁存量和中國鋁循環(huán)流量曲線的范圍較窄（圖 7）。值得注意的是，先前研究估計(jì)的結(jié)果都落在了這個(gè)范圍內(nèi)，這表明我們的情景對(duì)未來中國的鋁循環(huán)的變化進(jìn)行了更廣泛的估計(jì)。各情景下結(jié)果的差異由它們相應(yīng)參數(shù)（壽命、飽和度水平、飽和速度和人口）的改變決定。通過詳細(xì)的對(duì)比，我們討論了這些參數(shù)的敏感性和影響：

圖6 生產(chǎn)量的所有情景

圖7 每個(gè)五年計(jì)劃（FYP）末的鋁產(chǎn)量

（1）SPC 飽和度對(duì)存量和流量指標(biāo)存在線性影響。與基準(zhǔn)情景相比，SPC 飽和度的變化將導(dǎo)致幾乎所有指標(biāo)的大小上升或下降（圖 8 和圖 9 c，d 和g）。（2）較高的人口增長(zhǎng)有可能會(huì)阻礙鋁循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)。2020 年之后的人口增長(zhǎng)趨勢(shì)（繼續(xù)增加或開始減少）決定了各指標(biāo)的趨勢(shì)（圖8 和圖 9 c，e 和h）。與SPC 直接的數(shù)量放大和縮小效應(yīng)不同，高和低人口的情景設(shè)置在2020年之后的增長(zhǎng)或下降會(huì)使其對(duì)各指標(biāo)影響的差異隨著時(shí)間的推移而擴(kuò)大。總之，高人口增長(zhǎng)將帶來更多的物質(zhì)使用，可能會(huì)阻礙鋁循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。（3）低壽命產(chǎn)品將會(huì)造成大量待回收的廢物。低壽命產(chǎn)品會(huì)促進(jìn)鋁循環(huán)的新陳代謝，因?yàn)檫@會(huì)帶來更多的報(bào)廢的產(chǎn)品以供應(yīng)再生鋁生產(chǎn)。相較于增加一定幅度的產(chǎn)品壽命，減少相同幅度的產(chǎn)品壽命會(huì)對(duì)鋁人為循環(huán)產(chǎn)生更大的影響。（4）高加工效率（低損失率）帶來更高的再生鋁替代比例。較長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命將會(huì)限制產(chǎn)品的報(bào)廢。當(dāng)所有其他參數(shù)保持不變時(shí)，流程中損失率的降低將會(huì)導(dǎo)致更多的再生鋁生產(chǎn)。相比于低損失率情景，損失率接近工業(yè)化國家的情景中會(huì)多產(chǎn)生約20%的再生鋁（圖 6 e），更不用說損失率等于零的情景了（圖 6 f）。由于現(xiàn)有的鋁產(chǎn)品加工和制造過程的損失率已經(jīng)比較低了，更低的損失率設(shè)置對(duì)鋁生產(chǎn)量的影響也比較有限。損失率對(duì)再生鋁替代比例來說至關(guān)重要，因?yàn)樗鼘?duì)再生鋁替代比例的分子（再生鋁產(chǎn)量）有明顯的影響而對(duì)分母僅有輕微影響。

圖8 九種選定的鋁需求與報(bào)廢情景

圖9 九種選定情景下的鋁產(chǎn)量

綜上所述，除了增加回收利用外，還可以通過降低需求來達(dá)到更可持續(xù)的鋁循環(huán)經(jīng)濟(jì)。從產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的角度來看，這可以通過較低的人均存量、較少的人口、較長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命和較低的損失率來實(shí)現(xiàn)。從材料利用效率的角度來看，共享經(jīng)濟(jì)、更好的城市/地區(qū)規(guī)劃等策略能夠幫助減少人均存量的同時(shí)保持相同的服務(wù)水平。延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命會(huì)顯著減少物質(zhì)需求并降低環(huán)境影響。而產(chǎn)品壽命的延長(zhǎng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和消費(fèi)者行為都有關(guān)系。好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠延長(zhǎng)其使用壽命，提高回收和分揀效率。消費(fèi)者的行為模式及其對(duì)回收的看法應(yīng)該由經(jīng)濟(jì)/市場(chǎng)措施和行政措施進(jìn)行引導(dǎo)。此外，供應(yīng)鏈優(yōu)化、生產(chǎn)技術(shù)提升和回收利用過程損失率降低等均會(huì)減少資源消耗與污染排放。

8.小結(jié)

本文應(yīng)用基于情景分析的動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析方法量化了中國1950-2100 年的人為鋁循環(huán)的存量與流量，探索和識(shí)別了重要參數(shù)未來的潛在變化，并獲得了大約250 個(gè)情景結(jié)果（包括中國鋁人為循環(huán)的所有流量和存量）用于綜合情景分析。主要研究結(jié)果包括：（1）中國的原生鋁產(chǎn)量將在2025年左右達(dá)到約4000 萬噸的峰值，自20 世紀(jì)90 年代初開始的原鋁快速增長(zhǎng)階段即將結(jié)束； （2）由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中在用存量的積累，國內(nèi)鋁需求將不斷增加，直至超過4000 萬噸； （3）在幾乎所有情景中，中國舊鋁廢料產(chǎn)量都將大幅增長(zhǎng)，且再生鋁產(chǎn)量在21 世紀(jì)50 年代以后將占到鋁總產(chǎn)量的60%以上。因此，鋁生產(chǎn)將逐步由以原鋁生產(chǎn)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽偕X生產(chǎn)為主。在這種背景下，相應(yīng)的政策應(yīng)該更多地關(guān)注城市礦產(chǎn)的發(fā)展?jié)摿?、回收管理系統(tǒng)的完善和分揀技術(shù)的提升。