铝物质流研究进展

高天明，代 涛，王高尚，文博杰

(1.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；4.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

铝物质流研究进展

高天明1,2,3,4，代 涛1,2,3，王高尚1,2,3，文博杰1,2,3

(1.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京100037；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037；3.中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京100037；4.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)

本文综述了铝物质流研究的相关内容，分析了国内外铝物质流研究的特点和不足，并展望了未来相关研究的热点和发展方向。现阶段铝物质流研究多与产业生态学相结合，而忽视了模型的动态模拟，研究区域多集中于国家层面，而对区域、企业和产品层面的研究较少，研究内容主要关注铝生命周期代谢过程和铝使用存量，而忽略了驱动铝物质流动背后的因素。未来铝物质流分析要与产业生态学、产业经济学及其他领域的方法相融合，构建铝物质流量化分析和动态模拟模型；健全区域/企业统计体系，加强基础性调研，完善中微观层次的铝物质流基础数据库；建立铝物质流、能源流和环境流的研究体系，设别影响驱动铝物质流动的因素，模拟其代谢过程等，以弥补现阶段物质流研究的不足。

铝；物质流分析；使用存量；产业代谢

铝仅次于钢材是人类应用的第二大金属，自然界中含铝矿物超过270种[1]，铝土矿是商业提取铝资源的主要原料。通过铝土矿开采、氧化铝生产、原生铝电解、铝合金加工制造等过程将铝元素转化为工业和人民生活需要的铝制品，以满足人类对铝的需求。2016年全球铝土矿储量为280亿t[2]，预计可满足全球107年的需求。截至2014年底，中国查明铝土矿资源储量为41.5亿t[3]，其中储量为8.3亿t[4]。2016年中国铝土矿产量0.65亿t，矿山产量占世界的比例却高达25%，铝土矿资源开采过度，保障程度堪忧。中国吨铝赤泥产量1.6 t也高于国际平均水平[5]。如何提高铝资源利用效率、优化利用铝土矿资源将是中国铝工业发展面临的难题。较其他金属工业，铝及铝合金生产、加工制造过程需要更多的能源，也导致了大量的温室气体排放[6]，节约能源和减排也将是铝工业可持续发展面临的重要问题。

物质流分析是从社会代谢、工业代谢基础上发展起来的。早期物质流研究由于缺乏统一规范的研究技术方法，物质流研究数据可比性较差[7]。21世纪初欧盟委员会发布了经济系统物质流分析研究方法手册，并随后进行了更新发展。同时，世界资源研究所也给出了各国经济系统的物质输入总量、输出总量及相关评价指标，使得物质流分析具有可比性。从研究内容来看，早期侧重于经济系统运行原材料供给的充裕度，而现在侧重于国家或产业经济系统的物质通量[8]。物质流分析研究通过特定物质的输入、输出、贮存等过程,量化经济系统中物质流动与资源利用、环境效应之间的关系,为进行资源环境优化管理提供科学依据[9]。为了应对铝土矿资源短缺，促进铝资源的可持续利用和管理，国内外广泛开展了铝物质流研究，分析不同尺度上铝元素从开采、生产、加工、消费到最终处置、排放环节的资源利用效率和环境影响，以促进铝工业的可持续发展。

1 铝物质流研究方法与指标体系

经济系统物质流分析通常将经济系统作为“黑箱”，而铝物质流研究则将系统透明化，在宏观层面，将铝工业系统分解成生产、加工与制造、使用、报废与再生等环节；在微观层面，将铝企业的生产流程分解成不同工序。通过了解研究对象在各环节的物质投入量、产品产生量、环节损耗量及污染物排放情况等，识别物料、能耗流失和污染排放严重的关键节点，评估和分析工序或节点控制的技术经济效益，识别废物产生、排放的影响因子和影响机理，研究工艺参数的优化对元素流动的影响等[10]。铝物质流分析步骤应：首先，明确含铝元素物质在生产阶段的输入和输出相关数据，研究在生产阶段的铝元素的分布走向，编制阶段的物质输入输出统计表；其次，对比研究期内铝元素实际生产过程相关指标与统计表的差异，衡算各阶段处理前后铝元素的多少，明晰铝元素的走向及分布状况，重点分析铝元素存在对工艺、产品和环境的影响；最后，根据影响因素提出构建主要阶段的防控思路。

物质流分析模型分为静态和动态模型两大类[11]，Dahlström和Ekins[12]、Martchek[13]、陈伟强等[14]、楼俞等[15]、Buchner等[16]、Ding等[5]、Melo[17]、Niero等[18]、李春丽等[19]、赵贺春等[20]、Condeixa等[21]、Schebeka等[22]描绘了某一时间某地区的静态铝物质流图，主要用于判别自然环境退化和污染物的来源，衡量指标有铝原料自给率、铝对外依存度、资源效率、环节损耗等；Ciacci等[23]、Chen等[24-26]、Sevigné-Itoiz等[27]、Hatayama等[28]、陈伟强等[29-30]、岳强等[31-32]、楚春礼等[33]、任希珍等[34]、Liu等[35-36]、Mathieuxa和Brissauda等[37]、Bertrama等[38]刻画了某一时间段某地区的存量变化的动态铝物质流图，除静态的评价指标外，动态模型还应用铝使用存量强度、废杂铝使用比例等分析原材料或产品的社会代谢模式、结构和通量，为进行资源优化管理、污染控制提出实施方案和长期战略。

在传统经济系统分析的基础上，物质流分析已经与多种研究工具结合，包括实物投入产出表、生命周期分析、生态足迹、价值链分析、动态物质流分析等等，其分析问题的深度广度和对决策政策的支持作用也因此在逐渐加强[11]。这些工具也在铝物质流分析领域进行了有机的融合。在生命周期模型方面，陈伟强等估算了铝的损失量[30]和进出口规模及其结构[29]，Melo[17]测算了德国产生的铝废料，Sevigné-Itoiz等[27]和Niero等[18]分别研究了旧铝废料再利用和铝罐的温室气体排放影响，Ciacci等[23]分析了意大利铝的流量和存量，Liu和Müller[6]评价了生命周期模型在衡量铝工业可持续方面的优缺点。在投入产出方面，楚春礼等[33]构建了铝物质流投入产出模型；在生态足迹方面，Zhang等[39]应用环境生态足迹法评价了中国2012年铝生产的环境影响，任希珍等[34]分析了2000～2009年中国铝工业的碳足迹；在价值链分析方面，Dahlström和Ekins应用价值链分析了英国铝的流动得出：价值链分析是一个研究经济环境系统的强大方法，是对物质流和生命周期分析的有益补充，具有广泛的适用性[12]。

物质流分析模型对系统特性的静态、动态表征与量化分析，并配合与其他分析工具一并使用，具有清晰全面表达，能帮助相关研究人员或决策者对系统进行整体把握，但难于进行仿真验证和优化分析，这大大限制了模型的应用[40]。

2 铝物质流研究的层次

学者对世界各国在不同尺度、不同问题开展了大量铝物质流的研究，根据现有铝物质流研究层次的不同可划分：国家/全球尺度、区域尺度、企业及产品尺度。其中国家尺度是铝物质流研究的主流。

2.1 国家层面铝物质流研究

在元素流总体框架、系统界定、应用模型阐述的基础上[41]，陈伟强等解析了铝的社会流动过程,构建了国家尺度的铝物质流分析框架[42]，阐述了铝在原态、冶炼、加工、制造、消费、废弃、循环利用这一全生命过程的流动形态、功能的转化，为量化描述静态或动态国家尺度的铝物质流图景以及与此相应的科学问题提供了基础。目前，学者们已对全球[6,13,36]、欧盟[27,37-38]、美国[24,35,38]、英国[12,18]、德国[17]、奥地利[16]、意大利[23]、西班牙[27-28]、日本[28,38]、中国[5,14,20,29-33,38,43-45]等10余个国家开展了铝物质流研究。

国家尺度的铝物质流模型从静态分析逐渐转变为动静结合，主要分析国家铝存量的动态特征及其相关指标变化情况。静态研究多描述了某年国家尺度的铝物质流图，用于分析铝的消费、相关产品的进出口情况和各环节的主要生产指标。如，2001年英国铝土矿进口的价值量为800万英镑，铝总进口价值为1.27亿英镑[12]；2005年中国原生铝、再生铝消费量分布为726.2万t和166.3万t，铝的总对外依存度为43.7%[14]；2010年中国氧化铝和电解铝环节的废品率、材比系数和金属收得率分别为：14.54%、0.95、82.74%和3.65%、1、91.75%[20]。分析指标涵盖铝生产、消费、贸易和废弃物管理等方面[16]。

将动态物质流分析引入后，一来可以分析以上指标的历史变化情况，也可以用来估算国家铝使用存量对未来铝需求的可供性，也可分析未来铝的回收水平及其环境影响。如，中国铝动态物质流分析得到：氧化铝生产的原料自给率逐年下降，而原铝的原料自给率逐年上升[31]，铝的总损失量逐年递增，尤其是赤泥中铝损失量增长很快[30-31]；铝的净进口量不断增长，以进口铝土矿、氧化铝、铝废料等原材料，出口未锻轧铝、铝中间产品、铝最终产品为主[29]。对国家铝使用存量的研究，意大利存量为2 000万t[23]；西班牙为968.9万t[27]；而美国高达为4.38亿t，其中1945～2009年期间铝存量达到3.16亿t[24]；全球铝使用存量为60亿t，约占世界铝土矿资源储量的10%[36]。从各国铝使用存量的来源来看，建筑和运输部门占了相当大的比重[24,36]。发达国家运输部门增长迅速而建筑和电子电器存量趋于稳定。发达国家人均存量为100～600 kg/人，而发展中国家低于100 kg/人，全球人均存量为90 kg/人[36]。奥地利人均铝存量为206 kg/人，增长为11±3.1 kg/a[27]，而美国、意大利的人均铝存量分别为490 kg/人[24]和320 kg/人[23]。中国人均铝存量为58 kg/人[26]，存量增长为6.3 kg/人[25]。这表明中国铝累积使用存量小，废铝产生量小难以支撑国内再生铝的产量，因此，中国的铝消费还依赖原铝。铝回收利用服务于未来铝需求，降低对铝土矿的依赖，同时也有显著的减排效应[35]。奥地利人均旧废铝产量为7±1 kg/a，再生铝年产量为35.5万t/a，可满足国家40%的铝消费量[16]。再生铝中国铝回收率较低，若再生铝上升到50%，铝土矿对外依存度降低到50%[5]。因生产工艺、能源消耗的差异，铝回收利用的温室气体减排潜力为8 500～18 100 kg CO2eq/t[27]，再生铝CO2排放量是原铝生产排放量的4.6%[46]。

2.2 区域铝物质流研究

区域铝物质流分析的框架和方法与国家层面接近，指标体系也较为一致。但区域层次的铝物质流研究比较少。这主要是因为国内区域统计数据和贸易数据的缺失，铝物质进出口数据的可获得性差，物质流研究在区域尺度上难以普遍推广，导致研究区域静态铝物质流的研究更为稀少。在为数不多的区域铝物质流分析中，焦点多集中于铝使用存量的研究。Condeixa等对2010年里约热内卢民用建筑的原材料存量进行了估算，其构建了不同建筑类型的含铝在内的多种原材料强度系数[21]。而Schebeka等研究了不同用途、不同建造年代的商业建筑的含铝强度，得到不同时代建筑面积含铝系数表现出随时间逐渐降低的特征，莱茵主城区的商业建筑平均含铝系数为0.03～0.55 kg，全区商业建筑的铝存量为773 t[22]。Recalde等估算了美国康涅狄格州2000年铝的使用存量为120万～140万t,人均存量为360～400 kg/人，存量主要来自于建筑和交通车辆，而电子电器和包装的存量所占比重很低[47]。基于对邯郸市铝使用存量的调查研究，楼俞等得出邯郸市铝累积使用存量及其分布情况[15]。

2.3 企业及产品铝物质流

企业和产品尺度的铝物质流研究根据铝元素在整个工艺流程中各工序的分配和流动情况，明晰在该过程中元素的走向及分布状况，且多与生命周期分析结合，重点分析元素存在对工艺、产品和环境的影响[48]。在该层次的理论研究中，陆钟武构建了基于钢铁企业的“基准物质流图”[49]，该模型也适用与铝生产企业。在此理论技术上，刘丽孺等构建了氧化铝拜耳法[50]、烧结法[51]和混联法[52]三种生产工艺的基准物流图，并分析了不同工艺物料对能耗的影响。以山西某拜耳氧化铝厂为例，根据物料平衡表对企业的生态效率指标进行了分析比较[53]。将“元素流-价值流”分析应用于某氧化铝生产企业，计算得到了各工序和流程的资源效率和资源流成本，揭示了废弃物损失的真实价值，挖掘了提升循环经济潜力的措施[54]。金友良对各物量中心的产出价值进行了分类，分别计量了氧化铝生产企业的资源有效利用价值、废弃物损失及其环境损害价值，并绘制了与物质流相匹配的资源价值流图[55]。宋丹娜等利用生命周期评价的分析方法,对铝电解生产过程中资源消耗、能源消耗和污染物排放进行了分析,采用等效环境指数计算了铝电解生产过程中的环境负荷,并分析了各因素对环境负荷的影响[56]。李春丽等对青海省某电解铝生产厂进行物质流和能量流分析，提出了改善资源利用和能源利用的关键环节[19]。在产品端，Buchner等以嘉士伯饮料铝罐为例，得到了提高相同铝金属回收率比提高可再生能源比例具有更好的环境效应[16]。

3 铝物质流研究的关注点

铝物质流研究揭示铝元素进出某个过程的流动模式，明确与这些物质变化有关的各股物质流状况，以及它们之间的相互关系，并试图找到降低资源、能源投入量，减少废弃物产生量，提高资源利用率和解决环境问题的途径[10]。拟解决的问题不同，铝物质流研究对象、分析框架和分析的侧重点均有所改变[9]，其关注的问题主要包含铝金属产业代谢分析和铝金属的使用存量分析。

铝金属产业代谢研究，应从不同层面来区别看待。在企业及产品层面，主要研究铝生命周期的某一阶段，如氧化铝生产[50-52,55]、铝电解[19,56]、铝加工制造等生产个环节的铝元素的流向、流量及损失情况，以提升企业资源利用率，提高铝资源代谢水平。企业产品层面从微观主体层面对铝金属产业代谢进行了研究，而国家层面则从宏观上分析其代谢情况，研究铝生命周期过程识别各库存与流,以发现提高该铝工业利用效率的可能性，评估铝资源流向环境的耗散流，为资源政策和环境政策提供基础信息。学者们分析了铝生产、消费、使用、回收利用等阶段的铝的流量、存量、贸易量和损失量，构建了多国[5,14,16,20,23-29,32,34-36,38]的铝全生命周期物质流图，用于分析铝对外依存率、资源效率、损失率、直接物质投入、库存和生态包袱等情况。

关注研究铝使用存量有两方的原因，可回收再利用，保障未来的铝需求；及铝回收利用对生态环境的影响。在铝使用存量核算方面，Melo提出更为准确估算区域铝使用存量的正态分布模型[17]，现阶段学者多用自上而下或自下而上的模型研究区域的铝使用存量[9]，分析使用存量的人均占有情况，展望未来铝的供需情况。意大利铝使用存量可保障现阶段国家消费水平下的年限为11年[23]。美国铝使用存量占国内存量的48%，其分布的情况来看建筑和电子电器部门的库存趋于稳定，人均占有量分别为155 kg/人和75 kg/人，而交通领域存量仍在增长[24]。2003年欧洲交通领域的存量增长率为12万t[37]。而中国铝使用存量不足以支撑对铝的需求，现段仍依赖于原铝的生产[26]。奥地利的旧废铝可提供国家40%的铝消费量[16]。加强旧废铝回收利用是节约资源和降低排放的主要手段。铝再利用有显著的减排效应[35]，再生铝生产能耗仅为原铝生产总能耗的4.86%，温室效应仅为原铝生产的1/24[46]。2014年全球超过2 600万t的新旧废铝用于铸造[38]。

4 铝物质流研究评述与展望

铝物质流研究方法从静态发展到动态，并逐渐与产业生态学的方法，例如投入产出、生命周期分析和生态足迹等方法相融合。这些方法虽然量化了物质流研究，但欠缺对经济发展水平、消费习惯、政策变革对铝生产过程、需求和使用存量变化的动态模拟。因此，未来铝物质流的研究须更多与产业经济学及其他领域的各种模型和方法，如经济模型、网络分析、CGE、个体行为模型等相结合。如物质流与Petri网结合实现了某盐湖化工企业生产系统的物质流建模[40]，仿真了企业生产过程的物质流动态模拟，为企业的量化评估与决策制定提供了方法及依据。利用这些方法的特点与物质流分析的互补性有效结合，发展考虑使用存量变化的动态模型工具，针对系统的特点对其铝物质流进行建模分析，从“整体”和“深度”上达到对系统内铝物质流情况的探究。

铝物质流研究的地域多为国家层面，刻画了国家的铝物质流图，也对一些国家的铝使用存量进行了估算，为产业发展和资源再生利用提供基础性信息。囿于数据获取的限制,尤其是铝物质进出口数据的可获得性差,铝物质流研究在区域尺度上难以普遍推广，仅用于核算区域建筑的铝社会存量，而对其他部门存量的估算和区域铝循环过程的刻画也较困难。微观层次的物质流分析，学者研究了部分生产阶段的能耗的研究，而未构建生产阶段的物料平衡，未能描述生产阶段的物质流图。微观层次的铝物质流研究应刻画各生产环节的物质流图，找出能量消耗和污染排放的重要环节，并分析其影响因素，为生产企业的节能减排提出决策支持。

铝物质流研究铝产业过程中的代谢情况，利用物质流转路径和强度作为可持续发展水平的判断。使用中的产品存量是推动人为金属循环的关键引擎[57]，则提升了学者对铝等金属使用存量的研究。对铝使用存量的研究，主要研究其作为二次资源的可供性及环境影响。铝生产过程是能源密集型产业，在铝产业代谢和使用存量的研究过程中，多只注重低效率的物质流进行考察分析，而忽略了能量流的研究，构建物质流与能源流耦合模型，挖掘铝循环过程中能源和物质的节约潜力，选择有针对性的技术解决方案，改善其工业过程环境影响。经济增长与资源需求的关系对研究社会物质代谢和非物质化具有至关重要的作用[58]，而铝物质流研究很少考虑经济和社会等因素，所得结论的直接指导意义不大。研究消费结构与铝物质流动的关系、生活消费模式对铝物质代谢过程的影响、物质代谢效率与公共政策之间的反馈机制等分析驱动物质流动背后的因素，识别和模拟这些扰动因素对铝金属代谢过程的影响，将使铝物质流研究更具有现实意义。

铝物质流研究在近20年中取得了长足的进步，但也存在只注重动态研究而忽视动态模拟，只注重国家层面而欠缺区域和企业层面的研究，只注重铝物质代谢过程的描述而忽略其影响因素的不足。如何弥足这些不足将是未来铝物质流研究的重点。

1) 物质流分析应与产业生态学、产业经济学及其他领域的方法相融合，构建铝物质流量化分析和动态模拟模型，为铝物质流的量化评估与决策提供方法基础。

2) 健全区域/企业统计体系，加强基础性调研，完善区域、企业等不同层次的铝物质流基础数据库，弥补区域、企业层面物质流研究的不足。

3) 建立铝物质流、能源流和环境流的研究体系，设别影响驱动铝物质流动的因素，模拟这些扰动因素对铝金属代谢过程的影响。

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Researchonaluminumflowanalysis:progressandperspectives

GAO Tianming1,2,3,4,DAI Tao1,2,3,WANG Gaoshang1,2,3,WEN Bojie1,2,3

(1.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037,China;2.Institute of Mineral Resources Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037,China;3.Ministry of Land and Resources Key Laboratory of Metallogeny andMineral Assessment,Institute of Mineral Resources Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037,China;4.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing100101,China)

This paper reviewed recent progress in aluminum flow analysis,identified the characteristics and insufficiencies of existing studies,and projected future avenues of development for aluminum flow analysis.At present,the study of aluminum material flow have combined with industrial ecology,ignoring the dynamic simulation of the model;most studies have been conducted at the national(or multi-national) levels，while few has been performed at regional or at enterprise or product levels.These studies focused on the aluminum life cycle metabolic process and the in-use stock of aluminum,while ignoring the factors behind the flow of material.To fill the lack of research on the aluminum material flow,we have to combined with industrial ecology,industrial economics and other methods to build a dynamic simulation model of aluminum material flow;to improve the regional/enterprise statistical system,strengthen the basic research,and complete the micro-level of the aluminum material flow basic database;and to establish the research system of aluminum material flow,energy flow and environmental flow,identify the factors that affecting the flow of aluminum material and simulate its metabolic process in the future study.

aluminum;material flow analysis;in-use stock;industrial metabolism

F407.32

A

1004-4051(2017)12-0117-06

2017-10-20责任编辑赵奎涛

中国地质调查局地质调查项目“中国铁铜铝等资源循环调查评价”资助(编号：121201103000150015)；国家自然科学基金青年项目“水泥生产资源减量化及资源环境优化路径”资助(编号：41501590)

高天明，博士，副研究员，主要研究方向为资源经济与资源政策。

代涛，博士，副研究员，主要研究方向为资源经济与资源政策、物质流研究等，E-mail：286463190@qq.com。

收稿日期：2017-10-23责任编辑赵奎涛

基金项目：中国地质调查局地质调查项目“中国铁铜铝等资源循环调查评价”资助(编号：121201103000150015)；国家自然科学基金重点项目“经济新常态下的国家金属资源安全管理及其政策研究”资助(编号：71633006)；国家自然科学基金青年科学基金项目“基于全球铁物质流网络的中国钢铁行业贸易结构优化策略研究”资助(编号：41701612);中国博士后科学基金项目资助(编号:2017M610961)

第一作者简介：聂莹(1986-)，女，河南濮阳人，博士后，主要研究方向为资源环境管理与区域经济发展，E-mail：nieying0508@163.com。

通信作者简介：钟维琼(1988-)，女，江西赣州人，博士后，主要从事矿产资源经济和资源战略方面研究，E-mail:zhongweiqiong2016@126.com。