物質(zhì)流分析及其在有色金屬資源循環(huán)中的應(yīng)用

陳炯彤，王大瑞，吳佳樂，孫輔澤，徐龍隆，鄧 睿，嚴(yán) 康

（江西理工大學(xué) 綠色冶金與過程強(qiáng)化研究所，江西 贛州 341000）

物質(zhì)流分析（SFA,Substance Flow Analysis）是對(duì)不同區(qū)域的邊界系統(tǒng)范圍內(nèi)，對(duì)某一物質(zhì)的工業(yè)全生命周期所有過程進(jìn)行定量化分析的一種方法，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)物質(zhì)而言，它通過追蹤社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中某一金屬?gòu)牟删?、冶煉、生產(chǎn)、消費(fèi)、循環(huán)使用、廢物處理進(jìn)行全面核算，量化整個(gè)系統(tǒng)中各單元物質(zhì)流動(dòng)、能源消耗，并明確物質(zhì)消耗與資源利用、環(huán)境效應(yīng)三者間的聯(lián)系[1]。金屬資源的開發(fā)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供原料保障，但同時(shí)開發(fā)過程中不可避免的會(huì)面臨物質(zhì)消耗、環(huán)境污染問題對(duì)社會(huì)造成巨大壓力。通過物質(zhì)流分析，對(duì)某特定金屬開展整個(gè)工業(yè)代謝過程分析，可以展示該類金屬進(jìn)出某個(gè)生產(chǎn)工序的流動(dòng)狀態(tài)、流量及強(qiáng)度等信息，進(jìn)而評(píng)價(jià)在不同生產(chǎn)過程中元素生命周期對(duì)工藝、產(chǎn)品和環(huán)境產(chǎn)生的影響和負(fù)擔(dān)[2]。通過明確生產(chǎn)過程各股流動(dòng)狀況及相互關(guān)系，尋求綠色環(huán)保、資源循環(huán)、生態(tài)平衡的道路，推動(dòng)工業(yè)系統(tǒng)向可持續(xù)方向發(fā)展，為資源政策和環(huán)境政策的制定提供新思路，為優(yōu)化資源管理和環(huán)保監(jiān)管提供理論支持。

1 物質(zhì)流分析的研究進(jìn)展

物質(zhì)流分析亦被稱之為工業(yè)代謝分析，旨為追蹤和量化某資源提取工藝、地方區(qū)域或國(guó)家層面的金屬原生資源或二次資源的使用情況。物質(zhì)流分析最早被德國(guó)、瑞士、奧地利等國(guó)用于探究某原生資源在國(guó)家層面的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物流情況，由此，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)物質(zhì)流分析方法在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，而后應(yīng)用的范疇也逐步靠向資源的長(zhǎng)期供需與可持續(xù)利用管理等領(lǐng)域[2]。早期，物質(zhì)流分析研究主要集中于不同區(qū)域，即國(guó)家層面、企業(yè)層面，由于數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素，研究更多的集中于國(guó)家宏觀層面，而對(duì)于企業(yè)的物質(zhì)流分析研究相對(duì)疏散且方法不一，當(dāng)中對(duì)某一元素的分析較為突出。近年來，隨著國(guó)家對(duì)清潔生產(chǎn)的要求越來越高，物質(zhì)流分析研究更多地轉(zhuǎn)向?qū)δ硞€(gè)生產(chǎn)工藝，以厘清整個(gè)工藝流程的資源利用、環(huán)境影響效率及其影響因素。

Arena[3]等通過收集垃圾焚燒廠焚爐中的物質(zhì)元素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)碳、氫和重金屬等元素進(jìn)行物質(zhì)流分析，通過核算相關(guān)指標(biāo)，分析了廢棄物回收利用與其填埋減量化的潛在可能。萬斯[4]等對(duì)我國(guó)再生鉛工業(yè)代謝進(jìn)行研究，構(gòu)建再生鉛冶煉過程鉛物質(zhì)流模型，計(jì)算并分析鉛的直收率、回收率及循環(huán)利用率等相關(guān)參數(shù)，揭示再生鉛冶煉過程廢物循環(huán)方式，為我國(guó)再生鉛領(lǐng)域資源管理與環(huán)保監(jiān)管提供理論支持。

2 物質(zhì)流分析方法概述

物質(zhì)的流動(dòng)在生命周期內(nèi)由自然資源流向廢物，在過程中往往存在著某些性質(zhì)的改變，由于其與流體流動(dòng)有著類似的特征及性質(zhì)，因此可將其分之為“定點(diǎn)觀察法”和“跟蹤觀察法”。其按研究范圍可分為宏觀（國(guó)家）、中觀（區(qū)域）和微觀（企業(yè)部門）3個(gè)層次。

物質(zhì)流分析研究按研究目的可以分為3類：一是對(duì)整個(gè)過程或某個(gè)工序的環(huán)境污染物遷移路徑進(jìn)行跟蹤并作環(huán)境影響評(píng)估；二是對(duì)戰(zhàn)略物質(zhì)或某一特定資源物質(zhì)進(jìn)行全生命周期代謝分析；三是對(duì)某些重要物質(zhì)進(jìn)行社會(huì)積存量分析。

對(duì)于不同區(qū)域的戰(zhàn)略性金屬資源循環(huán)現(xiàn)狀進(jìn)行全生命周期代謝定量分析，旨在了解金屬的全生命周期過程識(shí)別各庫(kù)存與流，評(píng)估流向環(huán)境的耗散流及廢物流，以識(shí)別污染物的排放形式、強(qiáng)度與總量，以減少污染物排放，同時(shí)提高資源利用效率，不僅可以為制定相關(guān)管理政策提供必要信息，對(duì)資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展亦有深刻而長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要意義。STAF研究框架如圖1所示。

圖1 STAF研究框架

3 物質(zhì)流分析在有色金屬資源循環(huán)中的應(yīng)用

有色金屬資源循環(huán)是從可回收的廢舊資源中回收可用金屬進(jìn)行材料的再生產(chǎn)，為金屬產(chǎn)業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型、走持續(xù)發(fā)展之路提供了可能。復(fù)雜的資源循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：物質(zhì)流動(dòng)和能量流動(dòng)，兩者共同決定了資源循環(huán)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效益、環(huán)境效應(yīng)。因此，物質(zhì)流分析方法應(yīng)用于有色金屬資源分析研究領(lǐng)域，以定量化的研究成果為依據(jù)，以經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，制訂冶金資源管理和環(huán)保監(jiān)管的方針和條例，具有很大的潛力；同時(shí)對(duì)有色金屬生產(chǎn)全流程進(jìn)行物質(zhì)流分析可以得出資源、能源和環(huán)境效率的影響因素，為從事有色金屬資源循環(huán)生產(chǎn)企業(yè)指出節(jié)能工藝改進(jìn)方向。

有色金屬資源提取過程存在資源利用率、能耗、環(huán)境影響與生態(tài)破壞程度不明等問題，導(dǎo)致資源化利用過程缺乏科學(xué)管理，造成資源過度開發(fā)、環(huán)境污染和生態(tài)平衡失調(diào)。同時(shí)，由于我們未建立金屬資源基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)致對(duì)金屬二次資源儲(chǔ)量、二次資源中金屬的開采潛力等基礎(chǔ)信息缺失；存在對(duì)其所含的金屬量在全社會(huì)金屬使用量的占比情況認(rèn)識(shí)不足的問題，基于物質(zhì)流分析方法，通過構(gòu)建金屬資源典型提取工藝物質(zhì)流分析模型，明確各階段物質(zhì)流、循環(huán)流及廢物流流量，明確金屬資源提取過程的生態(tài)效率；構(gòu)建國(guó)家層面的金屬二次資源的物質(zhì)流分析模型，明確其產(chǎn)生量、分布情況、資源儲(chǔ)量等信息，為“原生資源”和“二次資源”，兩種資源統(tǒng)籌使用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于國(guó)家資源安全角度，可以提出完善“兩種資源”使用的總體戰(zhàn)略，以促進(jìn)形成金屬資源開發(fā)利用的保障體系。

物質(zhì)流分析其核心是定量化分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中物流，通曉社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系中物質(zhì)的流動(dòng)方向與流量；通過調(diào)節(jié)控制兩者，以實(shí)現(xiàn)綜合利用效率的顯著提升。物質(zhì)流分析的目的是為了在資源消耗最低的前提下，找到增大資源利用率并改善環(huán)境的途徑，使得經(jīng)濟(jì)收益、環(huán)境效應(yīng)最優(yōu)化，促成環(huán)境建設(shè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的雙贏。物質(zhì)流分析不僅在冶金企業(yè)中占有重要地位，而且對(duì)冶金企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有一定參考價(jià)值，同時(shí)也是循環(huán)經(jīng)濟(jì)工作開展實(shí)行的核心調(diào)控手段。

為了提高金屬資源及能源的利用效率，通過管理技術(shù)改進(jìn)整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，減少冶金生產(chǎn)過程中的物質(zhì)和能量的進(jìn)入；產(chǎn)品多次使用、翻新、重制后再使用或降級(jí)使用，以增長(zhǎng)產(chǎn)品的使用期限；將有色金屬二次資源最大限度的轉(zhuǎn)化為有用資源，節(jié)約資源的同時(shí)又保護(hù)了環(huán)境。

4 結(jié)語

通過在有色金屬資源循環(huán)領(lǐng)域開展物質(zhì)流分析，基于物質(zhì)流分析指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型可進(jìn)行量化研究并以定量化研究成果為依據(jù)，通過關(guān)聯(lián)物質(zhì)流、能量流等參數(shù)，在不影響正常工序運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下有計(jì)劃地對(duì)物質(zhì)與能量進(jìn)行交換，尋求以最小物質(zhì)投入量獲得最大資源收益的途徑，并減少?gòu)U物產(chǎn)生量，達(dá)到資源利用最優(yōu)化的目標(biāo)。物質(zhì)流分析方法在有色金屬資源循環(huán)領(lǐng)域的應(yīng)用充分體現(xiàn)了綠色發(fā)展理念，是促成建設(shè)和諧社會(huì)的重要方法，是實(shí)現(xiàn)冶金產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推動(dòng)資源型產(chǎn)業(yè)向可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變的強(qiáng)力手段，對(duì)有色金屬資源循環(huán)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有十分重要的意義。