楊富強(qiáng)，熊 慧

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100080）

1 介紹

鋁和鋁合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、較低的密度、良好的耐蝕性和理論上無(wú)限循環(huán)特性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的方方面面，包括交通運(yùn)輸、建筑結(jié)構(gòu)、電力電子、包裝容器、耐用消費(fèi)、機(jī)械制造和其他7大領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為全球鋁生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2018年，中國(guó)電解鋁產(chǎn)量3659萬(wàn)噸，占全球總量57%；全口徑鋁消費(fèi)量4461萬(wàn)噸，占全球總量53%。中國(guó)的快速發(fā)展也同時(shí)帶動(dòng)了全球鋁產(chǎn)業(yè)和鋁消費(fèi)的增長(zhǎng)，推動(dòng)了全球鋁產(chǎn)業(yè)格局的重塑。當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、政治格局和貿(mào)易局勢(shì)都發(fā)生著新的變化，中國(guó)經(jīng)濟(jì)特別是制造業(yè)面臨發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)回歸和新興經(jīng)濟(jì)體快速發(fā)展的“雙重?cái)D壓”；同時(shí)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入工業(yè)化中后期發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型成為大勢(shì)所趨，經(jīng)濟(jì)發(fā)展將更加注重質(zhì)量和效益，GDP增速收窄，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式也從全球制造業(yè)中心模式下的投資、出口拉動(dòng)轉(zhuǎn)向內(nèi)需拉動(dòng)為主，同時(shí)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)開(kāi)始崛起，宏觀產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)都進(jìn)入調(diào)整優(yōu)化的發(fā)展階段。新形勢(shì)下，中國(guó)鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展也面臨著產(chǎn)業(yè)調(diào)整、消費(fèi)升級(jí)的歷史性轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，中國(guó)鋁消費(fèi)經(jīng)過(guò)多年積累，蓄積了大量的鋁資源，未來(lái)廢鋁資源在中國(guó)鋁供應(yīng)當(dāng)中將發(fā)揮怎樣的作用？廢鋁能否替代部分原鋁成為中國(guó)鋁供應(yīng)格局中的主力甚至面向全球出口，中國(guó)是否需要大量進(jìn)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(shí)代需要研究的新問(wèn)題。

鑒于鋁的可循環(huán)再生特性，單純依靠當(dāng)前年度的市場(chǎng)反饋信息進(jìn)而調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，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(fèi)；而基于國(guó)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(duì)鋁產(chǎn)業(yè)進(jìn)行大跨度的研究，對(duì)于了解鋁在社會(huì)活動(dòng)當(dāng)中的真實(shí)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(chǔ)理論

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

物質(zhì)流分析（Materials Flow Analysis，MFA）是對(duì)特定系統(tǒng)進(jìn)行的物質(zhì)流動(dòng)和貯存的定量分析研究[1]。盡管與生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Analysis，LCA）在研究對(duì)象和邊界條件上差異，但是二者可以重疊互補(bǔ)的。物質(zhì)流分析可以分為宏觀經(jīng)濟(jì)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(duì)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(guò)程，以及循環(huán)過(guò)程中造成的環(huán)境負(fù)荷，以量化以往時(shí)間范圍內(nèi)的物質(zhì)流過(guò)程，建立物質(zhì)流動(dòng)模式并應(yīng)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(guò)程中的瞬時(shí)變化。

物質(zhì)流研究的基礎(chǔ)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(shí)間跨度。研究層面可以分為全球領(lǐng)域、國(guó)家領(lǐng)域、地區(qū)領(lǐng)域及企業(yè)領(lǐng)域，但受到地區(qū)層面物質(zhì)流動(dòng)分散及數(shù)據(jù)可靠性差等因素，全球?qū)用婧蛧?guó)家層面的研究是當(dāng)前物質(zhì)流分析的主流。時(shí)間跨度也就是研究分析的起止時(shí)間，依次可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)研究。靜態(tài)研究多描述了某年國(guó)家尺度的鋁物質(zhì)流圖，用于分析鋁的消費(fèi)、相關(guān)產(chǎn)品的進(jìn)出口情況和各環(huán)節(jié)的主要生產(chǎn)指標(biāo)，而動(dòng)態(tài)研究以連續(xù)時(shí)間段內(nèi)鋁的流量和存量變化為研究對(duì)象，分析國(guó)家鋁存量的動(dòng)態(tài)特征及其相關(guān)指標(biāo)變化情況。國(guó)家尺度的鋁物質(zhì)流模型已經(jīng)由從靜態(tài)分析逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)靜結(jié)合。例如，1960-2009年美國(guó)產(chǎn)品尺度的鋁使用存量的動(dòng)態(tài)分析；日本、美國(guó)、歐洲及中國(guó)的鋁循環(huán)效率的評(píng)價(jià)；德國(guó)含鋁商品報(bào)廢率模型的研究；針對(duì)全球19個(gè)國(guó)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(jìn)出統(tǒng)計(jì)不完善或企業(yè)數(shù)據(jù)保密特性，相關(guān)研究較少或極少公開(kāi)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(chǔ)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(lái)確定材料的使用存量的變化量，流入和流出類似于金融領(lǐng)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(cè)算。自上而下法中經(jīng)常需要考慮產(chǎn)品的使用壽命和報(bào)廢率分布，對(duì)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(rèn)可的計(jì)算方法為韋布爾分布和正態(tài)分布。自下而上法類似于實(shí)地存盤法，需要明確產(chǎn)品的年存量或凈存量，乘以其對(duì)應(yīng)的材料含量以確定使用存量，如機(jī)動(dòng)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(wèn)題，數(shù)據(jù)計(jì)算處理難度較大。因此，2015年Chen與Graedel基于流量和存量、實(shí)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(shí)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(shí)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(rèn)為，四種替代方法混合使用，不是對(duì)T-D和B-U方法的替代，而是重要補(bǔ)充，能夠彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失、準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。當(dāng)然，引入貨幣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)需要考慮到貨幣的購(gòu)買能力和鋁相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格變化。

圖1 估計(jì)產(chǎn)品中材料使用存量的方法

圖2 鋁在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的流量和存量框架模型

2018 年，Chen利用上述四種改進(jìn)的替代方法以及用于估計(jì)材料使用存量的B-U方分析了產(chǎn)品尺度上1960-2009年美國(guó)鋁的動(dòng)態(tài)使用存量，并將其與部門尺度的T-D方法測(cè)算的存量結(jié)果進(jìn)行比較，探索產(chǎn)品尺度上美國(guó)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(xì)化，對(duì)于產(chǎn)品類型的劃分和含鋁量的測(cè)算更加細(xì)致。

3 中國(guó)國(guó)家尺度的鋁物質(zhì)流研究

眾多金屬元素中，針對(duì)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(dòng)過(guò)程已經(jīng)被廣泛認(rèn)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(guó)的鋁消費(fèi)量和使用存量持續(xù)增長(zhǎng)，鋁物質(zhì)流分析成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)之一。2008年，陳偉強(qiáng)等在不考慮含鋁商品的進(jìn)出口的情況下，根據(jù)正向流、逆向流、廢物流和進(jìn)出口流及相應(yīng)存量的增減，對(duì)2005年中國(guó)國(guó)家尺度范圍內(nèi)做了鋁的物質(zhì)流分析。2009年，陳偉強(qiáng)等對(duì)耶魯大學(xué)“存量和流量”框架進(jìn)行了完善和分析，進(jìn)一步定量分析了1991-2007年中國(guó)鋁的全生命周期進(jìn)出口、損失、生產(chǎn)、消費(fèi)和循環(huán)量，綜合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，研究開(kāi)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(cè)算2000年和2005年中國(guó)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(guó)水平的十分之一。研究人員將測(cè)算結(jié)果過(guò)低原因歸咎于部分含鋁商品未被納入統(tǒng)計(jì)范圍。筆者認(rèn)為，除了統(tǒng)計(jì)缺失外，該研究中將22個(gè)類型含鋁商品的按照等年度報(bào)廢率處理，即產(chǎn)品投入使用后在后期任何一年進(jìn)入報(bào)廢的概率完全一樣，這對(duì)于使用壽命比較長(zhǎng)的產(chǎn)品，如建筑結(jié)構(gòu)，采用等年度報(bào)廢率的計(jì)算方法容易造成其存量被“提前報(bào)廢”。

2014 年，Yue等利用鋁元素的流動(dòng)相圖定量分析了2003-2007年我國(guó)的鋁循環(huán)過(guò)程，并測(cè)算了2007年鋁生命周期各個(gè)階段的原料自給率和進(jìn)口依存量，對(duì)于中國(guó)資源供應(yīng)結(jié)構(gòu)變化給出了詳細(xì)的說(shuō)明。該研究中對(duì)于鋁的使用壽命的測(cè)算采用的該年度不同領(lǐng)域產(chǎn)品使用壽命的加權(quán)平均值，該算法要求掌握我國(guó)鋁消費(fèi)結(jié)構(gòu)和各領(lǐng)域的使用壽命。需要注意的到，該研究中對(duì)于特定年份的國(guó)內(nèi)舊廢鋁產(chǎn)生量的計(jì)算來(lái)源于產(chǎn)品投入年份（計(jì)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(jiǎn)單處理方式，但是從產(chǎn)品的使用周期來(lái)看，任何商品都有在其達(dá)到平均使用壽命之前進(jìn)入報(bào)廢循環(huán)利用的概率，因此應(yīng)綜合考慮計(jì)算年度之前不同年度的流入量和報(bào)廢率。

2017 年，Bertram[4]等建立并完善全球鋁流動(dòng)建模工具，以包含中國(guó)在內(nèi)的9個(gè)主要貿(mào)易區(qū)為研究對(duì)象，基于原鋁產(chǎn)量、鋁材發(fā)貨量和國(guó)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(gè)區(qū)域存量和不同類型產(chǎn)品的物質(zhì)流動(dòng)。

該研究成果在國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)官方網(wǎng)站發(fā)布可視化結(jié)果，目前數(shù)據(jù)已經(jīng)更新到2017年。該研究中設(shè)定了各個(gè)區(qū)域的產(chǎn)品使用壽命和加權(quán)平均回收率，但是將交通運(yùn)輸領(lǐng)域和電力電子領(lǐng)域根據(jù)產(chǎn)品特性進(jìn)行了細(xì)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(lái)避免數(shù)據(jù)沖突。國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)在此研究的基礎(chǔ)上，對(duì)于未來(lái)全球，尤其是中國(guó)的鋁消費(fèi)需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Chris Bayliss[5]預(yù)計(jì)2040年全球鋁消費(fèi)需求將增加到9000萬(wàn)噸，而中國(guó)原鋁產(chǎn)量將達(dá)到4700萬(wàn)噸。當(dāng)然，這種預(yù)測(cè)是基于當(dāng)前消費(fèi)水平及未來(lái)消費(fèi)增長(zhǎng)空間，筆者認(rèn)為預(yù)測(cè)分析需要結(jié)合當(dāng)前不同國(guó)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(lái)整體考慮。

2019 年，Dai等在物質(zhì)流分析框架基礎(chǔ)上，采用正態(tài)分布法對(duì)1950-2010年中國(guó)鋁循環(huán)的流量和存量進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化分析。并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸，通過(guò)人均存量峰值、增速、人口、產(chǎn)品使用壽命等6個(gè)參數(shù)，多種情景模式組合預(yù)測(cè)了2025年乃至2050年中國(guó)鋁消費(fèi)需求結(jié)構(gòu)。研究人員認(rèn)為由于2000年后中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平不斷提升，中國(guó)鋁使用存量經(jīng)歷了指數(shù)形式的快速增長(zhǎng)并且將持續(xù)到2040-2050年，21世紀(jì)后半葉中國(guó)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(zhǎng)必將造成未來(lái)中國(guó)舊廢鋁的產(chǎn)生量將大幅快速增加并在2050年達(dá)到峰值，廢鋁產(chǎn)生量將超過(guò)國(guó)內(nèi)鋁消費(fèi)需求量并逐步實(shí)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(lái)自科研機(jī)構(gòu)，用于理論模型研究或環(huán)境資源影響分析，而缺少了對(duì)鋁行業(yè)的專業(yè)認(rèn)知和整體思路。例如，部分研究中提到未來(lái)中國(guó)鋁供應(yīng)格局中廢鋁將完全取代原鋁。盡管保級(jí)回收利用可以實(shí)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(jié)構(gòu)決定了其不可逆特性，鑄造鋁合金要達(dá)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(guó)鋁的物質(zhì)流模型。同時(shí)，流量和存量研究目的是服務(wù)于未來(lái)中國(guó)鋁的消費(fèi)和供應(yīng)分析，因此要與消費(fèi)預(yù)測(cè)結(jié)果相結(jié)合。當(dāng)前的中國(guó)境內(nèi)鋁使用存量和每年的廢鋁產(chǎn)生量將決定未來(lái)中國(guó)的鋁供應(yīng)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(wèn)題，可以看出未來(lái)中國(guó)的鋁物質(zhì)流研究方向：（1）搭建完整的鋁物質(zhì)流和消費(fèi)模型；（2）補(bǔ)齊中國(guó)鋁物質(zhì)流的歷史數(shù)據(jù)；（3）作為中國(guó)鋁消費(fèi)預(yù)測(cè)的重要組成部分，提供數(shù)據(jù)支撐；（4）研究中國(guó)鋁供應(yīng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，考慮國(guó)內(nèi)廢鋁供應(yīng)能否完全代替進(jìn)口廢鋁并逐步替代部分原鋁或出口。當(dāng)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(yàn)證的困難。