中國廢舊電腦產生量及其金屬存量分析研究

郭學益,張婧熙,嚴 康,田慶華*(.中南大學冶金與環境學院,湖南 長沙 40083；2.中國有色金屬工業清潔冶金工程研究中心,湖南 長沙 40083)

中國廢舊電腦產生量及其金屬存量分析研究

郭學益1,2,張婧熙1,嚴 康1,田慶華1,2*(1.中南大學冶金與環境學院,湖南 長沙 410083；2.中國有色金屬工業清潔冶金工程研究中心,湖南 長沙 410083)

本研究基于對全國電腦消費者的調研,采用Logistic模型對我國電腦的銷售量和平均保有量進行了預測,采用群體平衡模型估算了我國廢舊電腦的產生量,采用質量守恒原理對廢舊電腦中賦存的有價金屬的量做了預測分析.結果表明,到 2030年,我國廢舊電腦的產生量約為368百萬臺,其中金的存量約為157.74t、銀的存量約為478.12t、鈀的存量約為46.72t,銅的存量約為10.91萬t.

廢舊電腦；產生量；金屬資源；存量；Logistic模型

隨著科學技術的不斷進步和生產效率的提高,電腦的性能愈來愈趨于網絡化、微型化和智能化,電腦已成為更新速度快、使用壽命不斷縮短的一類電子產品,因此我國廢舊電腦的產生量正急劇增加.據相關文獻報道,廢舊電腦中含有大量銅、鐵、鉛、錫、鎳、銻等有價金屬以及金、銀、鈀、鉑等稀貴金屬[1-2].但同時廢舊電腦中也含有大量鎳、鎘、鈹、梯、砷、鉛、溴化阻燃劑等有毒有害物質,若不能得到合理的處理處置,將會對生態環境和人體健康造成嚴重的影響[3-4].我國已超過美國成為世界最大的電子垃圾制造國,而隨著我國城市化和人口密度的不斷增加,我國的生態環境將愈發脆弱[5].因此對廢舊電腦中有價金屬的綜合回收不僅能夠提高二次資源的經濟價值、提高資源的利用效率、解決部分資源壓力,更能夠減輕廢舊電腦對環境的污染以及對人體健康的傷害[6].

基于以上因素,我們迫切需要一種有效的、可定量化分析的工具來鑒別廢舊電腦的產生量,從而在廢舊電腦的回收處理和資源化再利用等方面取得最大的環境效益和經濟效益,而對廢舊電腦產生量的估算和對其中有價金屬存量的估算可以很好地解決上述難題[7].目前世界上有多種用于電子廢棄物產生量估算的數學模型,國內使用較多的估算模型有市場供給模型[7]、市場供給A模型[8]、卡內基梅隆模型[9]、斯坦福模型[10]、時間梯度模型[11]和 IER模型等.2016年,Huabo Duan等人[12]基于文獻調研、ZDC和太平洋電腦網的數據,采用Sales Obsolescence模型和Monte Carlo模型預測了我國9種典型電子廢棄物的廢棄量,并計算了其中線路板和鋰離子電池的金屬賦存量;2016年,Zeng等[13]基于專家訪問及文獻調研的數據,采用物質流分析模型和時間梯度模型,預測了我國14種典型電子廢棄物的產生量及其中部分金屬賦存量;2016年,Song等[14]采用斯坦福模型和Gompertz曲線模型預測了我國廢舊打印機的產生量;李博等[15]、Oguchi等[16]、Lin[17]、張默等[18]分別采用不同的分析預測模型,選擇性的預測了電視機、電冰箱、洗衣機和空調的產生量.Zeng等[19]、童昕等[20]、林逢春等[21]通過分析廢舊電子電器產品的處理情況提出了許多有助于未來電子廢物管理和處置的政策及建議.

由目前國內電子廢棄物產生量的研究可知,研究主要采用市場供給模型、市場供給A模型、時間梯度模型進行估算,電子產品的使用壽命、總重量、各部件金屬含量及分布情況等研究所需基礎數據多來自于文獻,研究多側重于電子廢棄物的管理與政策等方面,對其中包含的有價金屬信息及其資源效應關注較少.因此,基于對全國電腦消費者使用行為的問卷調查以及國內某電子廢棄物資源化利用公司的現場調研,本研究采用 Logistic模型對我國電腦的銷售量和平均保有量進行預測,并采用群體平衡模型估算了我國廢舊電腦的產生量,同時基于質量守恒原理對廢舊電腦中賦存的有價金屬的量做了預測分析,為電子廢棄物的資源化回收利用提供基礎數據.

1 研究方法

對于電腦保有量和廢舊電腦產生量的預測是進行有價金屬預測和回收網絡構建的基礎和前提[22].產品消費的增長可以根據“經濟增長理論”分為4個階段:初級階段、快速增長階段、飽和階段以及下降階段(即當產品變得過時、不再銷售或被另一種產品取代時)[23].某種產品平均保有量的增長曲線,若不考慮其下降階段,將呈現一個“S”形.S型的演變曲線能夠清楚的描述整個過程,同時展示整個過程中的典型特征,如增長能力、拐點和飽和點等[24].因此本文使用 Yang和Williams提出的Logistic函數模型進行預測[25].

1.1 電腦銷售量的計算方法

國內電腦的生產量、進口量和出口量是 3個很重要的參數.國內電腦銷售量可由公式(1)計算得到:

式中:P(t)表示第t年內電腦的國內銷售量.

1.2 電腦社會保有量計算方法

本文采用Logistic函數模型對全國電腦的保有量進行預測,具體預測公式如下:

式中:Nau(t)和 Nar(t)分別為城鎮和農村每百戶居民電腦擁有量的預測量;Nmax_u和Nmax_r分別為城鎮和農村每百戶居民電腦平均擁有量的最大值,t0表示Logistic回歸線起點年份;Au和Ar分別等于-exp{Bu(t1/2-t0)}和-exp{Br(t1/2-t0)},其中 t1/2為當保有量達到最大平均擁有量的二分之一時的年份;Bu和Br分別表示城鎮和農村電腦擁有量的增長速度,是分別由2000年到2014年的Nau(t)和 Nar(t)計算得到;N(t)為第 t年內全國總的電腦保有量;Hu(t)和Hr(t)分別表示第 t年內的城鎮和農村居民百戶家庭的數量,可以通過城鎮和農村的人口數分別除以城鎮和農村居民家庭大小得到.在這些參數中,Au、Ar、Bu和Br都是基于過去城鎮和農村電腦平均擁有量的發展趨勢,通過Logistic回歸而得到.

Habuer等[26]預測,到 2030年中國城鎮每百戶電腦擁有量的最高水平為 98.75臺,中國農村每百戶電腦擁有量的最高水平為50臺. Dwivedy等[11]預測,到 2030年美國每百戶電腦擁有量的最高水平為120臺,最低水平為100臺.由《中國統計年鑒》[27]可知,2014年中國城鎮每百戶電腦的擁有量已達到98.46臺.鑒于以上信息,本文假定中國城鎮每百戶電腦擁有量的極大值為 120臺.隨著中國經濟近年來的飛速發展,中國農村電腦的普及率越來越高,而目前農村電腦擁有量變化情況正處于上述“增長理論”的初級階段或快速增長階段,因此,本文假定到 2030年中國農村每百戶電腦擁有量的極大值為80臺.

1.3 電腦使用壽命分布分析方法

產品壽命分析通常有多種處理方法[28],本文采用應用最多Weibull分布來對廢舊電腦的使用壽命進行預測[29],其基本公式為:

式中:F(t)為電腦使用第t年的累積廢棄率;α為范圍參數,即Weibull壽命分布的特征參數;β為形狀參數;γ為位置參數.在本研究中,由于位置參數對研究幾乎不產生影響,因此設γ=0,即:

在兩參數的情況下,平均值的計算公式如式(7)所示,其中Г為伽馬函數:

1.4 廢舊電腦產生量預測方法

本研究采用群體平衡模型對廢舊電腦的產生量進行估算,其產生量可以通過銷售量和壽命分布計算得來,計算公式如下[30]:

式中:G(t)為第 t年廢舊電子電器產品的產生量,百萬臺;P(t-i)為第(t-i)年國內的銷售量,百萬臺; f(i)表示壽命分布函數.未來國內銷售量 ?()Pt可以通過公式(9)預測得到,f(i)可通過Weibull分布函數計算得到,計算公式如式(10):

1.5 廢舊電腦中金屬存量預測方法

廢舊電腦的年產生重量可以通過公式(11)計算得到,廢舊電腦中金屬存量的估算可以由公式(12)得到:

式中:∑mk(t)為第t年元素 k的總重量,t;Wt為第t年廢舊電腦的總重量,t;w(t-i)為第(t-i)年廢舊電腦的平均重量,噸;Cj指組件j在廢舊電腦中的質量百分比;xj,k指組件j中元素k的質量百分比.

1.6 數據來源

表1 我國人口數量發展趨勢Table 1 Population trend in China

圖1 筆記本電腦及臺式電腦使用壽命分布Fig.1 Lifespan distribution of notebook and desktop computer

本研究中,電腦的國內生產量、進口量和出口量的數據均來自于《中國海關統計年鑒》[31]和《中國電子信息產業統計年鑒》[32];2000～2014年中國人口數量、平均家庭戶規模以及城鎮和農村每百戶居民電腦擁有量數據來自于《中國統計年鑒》[27].

隨著2016年1月1日全面二孩政策的推行,中國未來人口增長趨勢將發生重大變化,因此作者采用孟令國等提出的中國人口結構預測中的高生育率方案作為本文 2015～2030年人口數量的數據來源,具體人口發展趨勢如表1所示[33].

用于筆記本電腦、臺式電腦和全國電腦的Weibull壽命分布參數分析的數據均來自于問卷調研.由于本次問卷是針對全國電腦使用者設計,覆蓋面積較廣,因此本研究采用網上發放調查問卷以及實地調研的方式來進行,歷時 3個月,共回收有效問卷1022份,調研數據如圖1所示.

表2 廢舊電腦各部件金屬含量Table 2 Metal content of components in obsolete computers

表3 筆記本電腦各部件重量組成(%)Table 3 Proportion of component in laptop computer (%)

表4 臺式電腦顯示器各部件重量組成(%)Table 4 Proportion of component in desktop computer display (%)

表5 臺式電腦主機各部件重量組成(%)Table 5 Proportion of component in desktop computer host (%)

廢舊電腦的重量組成以及各部件元素組成數據均來自于某電子廢棄物資源化公司的現場調研,并取該公司一年內拆解廢舊電腦的生產數據的平均數作為本文的基礎數據.所得廢舊臺式電腦顯示器的平均重量為 13.80kg,廢舊臺式電腦主機的平均重量為 6.55kg,廢舊筆記本電腦的平均重量為 2.26kg.廢舊電腦中各部件的金屬含量如表 2所示,電腦顯示器的金屬含量由于顯示器的類型與尺寸不同而取其平均值.筆記本電腦各部件的重量組成如表 3所示,臺式電腦顯示器各部件的重量組成如表 4所示,臺式電腦主機各部件重量組成如表5所示.

2 結果分析

電子產品的銷售量是預測廢舊電子產品總重量的前提.通過對銷售量的分析能更好地掌握電子產品使用年限、報廢比例等必要因素,并更為準確地獲得各年廢舊電子產品產生量的預測結果,因此本文采用電子產品銷售量作為原始數據.根據《中國電子工業年鑒》[34]和《中國電子信息產業統計年鑒》[32]的數據,我們可以得到2000～2014年的國內電腦的銷售情況,如表 6所示.

將已知的2000 ～ 2014年中國城鎮和農村每百戶居民電腦擁有量數據、未來人口增長趨勢以及平均家庭戶規模增長趨勢帶入Logistic函數模型預測,計算出2000～2030年中國城鎮和中國農村電腦擁有量的發展趨勢,分別如圖2和圖3所示.由圖可知,2016年我國城鎮和農村每百戶電腦擁有量分別為98.77和52.95臺.隨著科學技術的快速發展,未來 15a內我國城鎮和農村的電腦擁有量皆呈持續增長的趨勢,但其平均增長率較前 15a的平均增長率都將放緩并趨于平穩,其中農村電腦擁有量的增長趨勢較城鎮更為明顯.

表6 中國電腦銷售量Table 6 Sales amount of domestic computers

圖2 中國城鎮每百戶電腦擁有量發展預測Fig.2 Trend analysis of average possession of computers per 100 urban households

由式(4)可知,全國電腦保有量為城鎮和農村的家庭電腦平均擁有量分別乘以城鎮和農村家庭數量的總和.由圖4可知,2015年全國每百戶電腦平均擁有量為72.04臺,隨著時間的推移全國電腦擁有量持續增長,到2030年全國每百戶電腦平均擁有量為102.76臺.由圖5可知,根據預測得到的全國每百戶電腦的平均擁有量,并結合我國未來15a的人口發展預測情況,到2030年全國電腦的擁有量為482.21百萬臺,且2025年后我國電腦的擁有量將達到相對穩定水平,為479百萬臺.

圖3 中國農村每百戶電腦擁有量發展預測Fig.3 Trend analysis of average possession of computers per 100rural households

圖4 全國每百戶電腦擁有量發展趨勢Fig.4 Trend analysis of average possession of computers per 100households

產品壽命分布是研究電子廢棄物產生量必不可少的參數[35].用于筆記本電腦、臺式電腦和全國電腦壽命分布分析的調研數據如圖 1所示.由圖1可知,中國85.06%的筆記本電腦的使用年限在 5a以下,89.06%的臺式電腦的使用年限在6a以下,明顯低于筆記本電腦的設計使用年限 7～ 8a和臺式電腦的設計使用年限9 ～ 10a.

將圖1得到的數據代入Weibull分布函數進行預測,可得全國電腦的 Weibull壽命分布參數,其中形狀參數b等于2.28,范圍參數α等于3.57,即全國電腦的Weibull壽命分布函數為:

圖5 全國電腦擁有量發展趨勢Fig.5 Trend analysis of possession amount of computers in China

由式(13)可得全國電腦的 Weibull壽命分布圖,如圖6所示.由圖可知,全國電腦的使用壽命為3 ～ 4a,且使用壽命在5a以內的電腦占到了全國電腦的88.39%.由表7可知,1993 ～ 2003年中國電腦平均使用壽命為3.50 ～ 5.20a,2003 ～ 2010年中國電腦平均使用壽命為 4.50a,且隨著信息技術的快速發展和人們生活水平的提高,電腦平均使用壽命在漸漸縮短.本研究中全國電腦的平均使用壽命為3.66a,符合電腦使用壽命的實際發展趨勢.

圖6 我國電腦Weibull壽命分布Fig.6 Weibull lifespan distribution of computers in China

表7 中國電腦平均使用壽命比較Table 7 Comparison of average lifespan of computers inChina

將計算得到的2000 ～ 2014年我國電腦的銷售量代入式(9),可得到2015年中國廢舊電腦的產生量為 300.68萬臺.經循環計算,可得到 2000 ～2030年我國電腦的銷售量(見圖7)和我國廢舊電腦的產生量(見圖8).由圖7可知,到2030年我國電腦的銷售量約為367百萬臺,自2025年開始我國電腦的銷售量將在360百萬臺左右波動.

由圖8可知,當假設到2030年我國電腦平均擁有量為 102.76臺每百戶時,我國廢舊電腦的產生量約為 368百萬臺.隨著信息技術的快速發展,電子產品的更新換代速度加快,將對廢舊電腦的產生量造成不確定的影響.其中兩個顯著的變化是,智能手機功能性的提高對電腦產生了一定的代替作用,以及近年來平板電腦普及率的提高,在電腦市場的占有量逐漸提升,將使得廢舊電腦的類別更為復雜,其產生量的預測更為困難.

圖8 我國廢舊電腦產生量發展趨勢Fig.8 Trend analysis of generation amount of obsolete computers in China

將在某電子廢棄物資源化企業調研得到的數據代入式(11)和式(12),計算得到2000～2030年廢舊電腦中典型貴金屬存量如圖9所示,2015年產生的廢舊電腦中金的賦存量達到 130t,銀的賦存量達到392t,隨著廢舊電腦產生量的逐年增加,廢舊電腦中的有價金屬賦存量將保持一定的增長速度.到 2030年廢舊電腦中將產生約 157.74t的金、478.12t的銀以及 46.72t的鈀,若按國內2016年6月金的價格263.16元/g、銀的價格3.48元/g 計算,僅廢舊電腦中金和銀的收益就能分別達到415億元和16.6億元.

圖9 廢舊電腦中典型貴金屬存量Fig.9 The stock quantities of typical precious metals in obsolete computers

2000 ～ 2030年廢舊電腦中典型金屬的存量由圖 10可知,2015年廢舊電腦中典型金屬銅、錫、鉛的存量分別為8.97、0.46和0.40萬t.隨著報廢量的增加,廢舊電腦中的金屬開采潛力在未來 15a將呈穩定的增長趨勢,但由于廢舊電腦所含金屬中錫和鉛所占份額較小,其開采潛力在未來15a內的增長將不明顯,到2030年廢舊電腦中銅的存量將達到10.91萬t、鉛的存量將達到0.56萬t、錫的存量將達到0.49萬t.由圖11可知,到2030年廢舊電腦中塑料的存量將達到76.36萬t.

圖10 廢舊電腦中典型金屬存量Fig.10 The stock quantities of typical metals in obsolete computers

圖11 廢舊電腦中塑料存量Fig.11 The stock quantities of plastic in obsolete computers

3 結論

3.1 由對全國電腦消費者的調研結果可知,我國 85.06%的筆記本電腦的使用年限在 5a以下,89.06%的臺式電腦的使用年限在 6a以下.采用Weibull壽命分布模型預測到2030年全國電腦的平均使用壽命為3.66a.

3.2 在Logistics模型的基礎上,對我國電腦的平均擁有量、產生量、銷售量及報廢量進行預測,到2030年全國的電腦平均擁有量約為102.76臺每百戶,全國電腦擁有量約為479百萬臺.當不考慮不確定性因素時,預測得到2030年全國電腦的銷售量約為367百萬臺,全國電腦的報廢量約為368百萬臺.

3.3 到 2030年廢舊電腦中將產生約 157.74t金、478.12t 銀以及46.72t 鈀的典型貴金屬,廢舊電腦中銅的存量約為10.91萬t、鉛的存量約為0.56萬t、錫的存量約為0.49萬t、塑料的存量約為76.36萬t.

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《中國環境科學》獲評“2014中國最具國際影響力學術期刊”

2014年12月,中國環境科學學會主辦的《中國環境科學》被評為“2014中國最具國際影響力學術期刊”.

“中國最具國際影響力學術期刊”是《中國學術期刊(光盤版)》電子雜志社有限公司、清華大學圖書館、中國學術國際評價研究中心對我國5600余種中外文學術期刊，根據總被引頻次、影響因子、被引半衰期等計算出的國際影響力綜合評價指標CI進行排序,遴選出的排名前5%的期刊.獲評“中國最具國際影響力學術期刊”的科技類期刊共175種.

自2012年開始此項評選以來，《中國環境科學》已連續3年獲此殊榮.

《中國環境科學》編輯部

Analysis of the generation amount and the metal stock of obsolete computers in China.

GUO Xue-yi1,2, ZHANG Jing-xi1, YAN Kang1, TIAN Qing-hua1,2*(1.School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China；2.Cleaner Metallurgical Engineering Research Center, Nonferrous Metal Industry of China, Changsha 410083, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3464～3472

Study on the generation amount and the metal stock of obsolete computers is important for building a reasonable recycling system of waste. In this study, the average possession and sales of computers, the generation amount and the deposit of valuable metals in obsolete computers were predicted using logistic model, population balance model and material balance principle, respectively. The results indicated that the generation amount of obsolete computers in China was about 368 million units in 2030. The stock quantities of gold, silver and palladium contained in obsolete computers would reach 157.74, 478.12 and 46.72 tons, respectively. And the stock quantity of copper would reach 109.1 thousand tons.

obsolete computers；generation amount；metals sources；stock；Logistic model

X705

A

1000-6923(2017)09-3464-09

2016-12-29

國家自然科學基金資助項目(51604306);科技部國家國際合作專項(2014DFA90520)

* 責任作者, 副教授, qinghua@csu.edu.cn

郭學益(1966-),男,湖南長沙人,教授,博士,主要研究方向為有色金屬資源循環.發表論文120余篇.