2015年中國鈷物質流研究

文博杰，韓中奎 ,3

(1.中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；2.中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037；3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

鈷，銀白色鐵磁性金屬，是生產耐熱合金、硬質合金、防腐合金、磁性合金和各種鈷鹽的重要原料，廣泛應用于鋰電池、催化劑、陶瓷顏料、藥物、航天航空等領域，有“工業味精”和“工業牙齒”的美譽[1-2]。

根據美國地質調查局(USGS)資料2015年世界鈷資源探明儲量為710萬t，主要分布在剛果(金)、澳大利亞、古巴、贊比亞、菲律賓、加拿大、俄羅斯和新喀里多尼亞等國，中國鈷資源儲量僅8萬t，占全球的1.1%[3]。而且中國大多數鈷資源來自伴生礦、品位不高、可回收利用率低下、生產成本高[4]。21世紀以來，隨著中國經濟快速發展，中國鈷消費量增長勢頭明顯。2007年中國鈷消費量為13 640 t，占全球總消費量的23%，首次超越日本成為世界第一大鈷消費國；2010年鈷消費量為21 060 t，占全球總消費量的34%；2015年鈷消費量增長至44 600 t，占全球的比例增加至48%。2015年中國礦山鈷產量僅7 700 t，占國內精煉鈷消費量的17%，遠不能滿足市場對鈷資源的需求(圖1)。按照目前礦山鈷產量計算，中國鈷礦資源將在10年后全面枯竭，中國迫切需要加強鈷循環利用以保障資源供應安全。未來，再生鈷將成為中國重要的鈷資源供給來源。

目前，物質流分析是國內外學者關于金屬循環利用研究的首選方法。物質流分析(SFA)是刻畫社會和生態系統中物質或元素在給定時間和空間邊界內存量和流量變化的定量分析方法，以“物質守恒論”為基礎， 通過對系統內生產、加工、使用、回收利用、廢棄等環節特定元素的物質流軌跡進行跟蹤調查分析，進而分析不同環節的物質使用效率、環境效應、價值效益和最終物資社會存量等促使減少資源投入量，提高資源利用效率，減少廢物排放量的目的[5-6]。自Udo de Haes在1988年首次提出了物質流分析的概念，經過近30年的發展，在國外已形成比較成熟的方法和工具體系，中國在物質流分析方面的研究起步較晚，研究成果相對較少[7]。針對特定元素的物質流分析，陸鐘武構思了鋼鐵產品生命周期的基準鐵流圖，并把它作為評價各個實際鐵流圖的標準[8]；劉毅等以滇池流域磷循環為研究案例，運用物質流分析方法建立了2000年流域靜態物質流模型(PHOSFAD)[9]；Huang等用物質流分析方法對中國大陸2009年鎳的流量和存量進行了分析，并指出物質流分析是全面分析人類活動中資源流動的既定方法[10]。中國關于鈷的物質流分析研究較少。嚴康等通過分析2012年中國鈷物質流動狀況，確定了整個鈷生命周期中流入、流出和庫存之間的關系，并在此基礎上建立了2012年中國鋰離子電池系統中鈷物質流分析模型，獲得了鋰離子電池系統中鈷物質流動的基本規律[11-12]。本文基于“STAF”物質流分析方法，分析2015年中國鈷的流向及其資源循環利用狀況，旨在獲得保障鈷資源供應安全和提高鈷資源利用效率的最優途徑。

圖1 2007～2015年中國礦山鈷產量、鈷消費量及全球鈷消費量變化(數據來源：USGS；中國有色金屬工業協會鈷業分會；中國有色金屬工業年鑒；興業研究)

1 鈷物質流分析模型的建立

1.1 鈷物質流分析模型簡介

本文基于“STAF”物質流分析模型構建中國鈷物質流動基本框架(圖2)，并根據此框架進行2015年中國鈷物質流分析。

圖2 鈷物質流動框架圖

鈷的物質流分析模型主要由鈷生產、鈷產品加工制造和消費、鈷廢棄回收利用等4個過程組成，分別代表鈷及鈷制品生命周期過程中所經歷的4個階段。框架中的鈷流動形式主要包括：鈷礦石進入鈷生產階段的鈷礦資源流動；前一階段進入后一階段的鈷及鈷制品流動； 在生產、加工、消費和廢棄處理過程中流向生態圈鈷流；各個地區間進行貿易活動的鈷貿易進口/出口流動。在框架中各個環節鈷的流動都遵循物質守恒原理，即物質的輸入量等于輸出量[13]。

1.2 數據來源

中國鈷生產階段相關數據來源于USGS[3]、中國有色金屬工業年鑒[14]、中國廢舊網[15]；加工制造階段相關數據來源于中國有色金屬工業年鑒[14]、CEIC[16]、聯合國貿易數據庫[17]；鈷使用階段相關數據來源于中國有色金屬工業年鑒[14]；鈷回收利用階段相關數據來源于中國廢舊網[15]、聯合國貿易數據庫[17]。各個階段的鈷資源回收率，鈷資源提取率分別來源于相應參考文獻[18-25]。另外，如無特殊說明，本文中的數據都代表鈷金屬含量。

1.3 鈷的生產階段

鈷的生產過程首先是要對鈷礦石進行開采和選礦，經選礦產出(含)鈷精礦和尾礦。或者將回收的鋰電池、高溫合金等含鈷產品進行機械破碎，去除塑料、金屬外殼，使各部分分離和有價金屬的富集[24]。然后對鈷礦、鈷廢料用火法——濕法或濕法進行冶煉。第一種冶煉方法是將鈷礦石或者鈷廢料放入轉爐，使鈷元素富集或轉化為可溶性狀態，然后再用濕法冶煉方法制成氯化鈷溶液或硫酸鈷溶液，再用化學沉淀、萃取等方法進一步使鈷富集和提純，最后得到精煉鈷。第二種冶煉方法是將鈷礦石或者鈷廢料溶解使鈷元素進入溶液，然后采用化學凈化或萃取等方法除去各種雜質特別是銅、鐵、砷等，然后進行鎳、鈷分離，最后得到精煉鈷。由于濕法冶煉對鈷元素的提取率較高，操作條件相對溫和，并且對環境污染較小，已成為目前國內外普遍采用的鈷冶煉方法。

流出生產階段的鈷主要為精煉鈷、尾礦、熔渣。由于國內鈷主要以伴生元素形式賦存在其他礦體中，因此中國的礦山鈷主要是從復合型精礦中提取的。在選礦環節鈷的回收率約56%[18]，冶煉環節鈷提取率達到90%。2015年，中國礦山鈷產量為7 700 t，由此可以得出經鈷精礦含鈷量為8 556 t，鈷粗礦含鈷量15 279 t，冶煉廢渣含鈷856 t。2015年中國從其他國家共進口鈷礦資源49 406 t，其中進口鈷礦石折合金屬量為15 900 t，由此可以得出進口礦冶煉渣含鈷1 590 t；進口白合金折合金屬鈷1 506 t，白合金中鈷的浸出率達到99%，由此可得出鈷白合金冶煉渣中鈷的含量為15 t；進口鈷濕法冶煉中間品含鈷32 000 t，鈷的提取率達99.5%，由此得到該部分冶煉廢渣含鈷160 t；從回收利用階段流向生產階段的含鈷廢料中回收精煉鈷6 000 t[15]，鈷的回收率為95%，由此可以得出廢料冶煉渣中含鈷316 t；從加工制造階段流向生產階段的鈷廢料為2 113 t，所以該部分產生的冶煉廢渣中含鈷量為107 t。綜上所述，2015年中國全部冶煉廢渣中含鈷量為3 044 t。2015年中國主要鈷商品貿易數據及其相應鈷回收率見表1。

表1 2015年中國主要鈷商品貿易量及其鈷回收率

數據來源：中國有色金屬工業年鑒；CEIC。

1.4 鈷制品加工制造階段

鈷的加工制造階段包括鈷的中間產品生產和最終鈷制品制造。精煉鈷和廢雜鈷經加工制作后成為鋰電池、高溫合金等產品的一部分，并產生新的含鈷廢料等。中國進口的鈷產品主要是生產環節的鈷礦石和濕法冶煉的中間產品，進口屬于加工制造階段的電鈷及鈷鹽較少。另外，中國出口的鈷產品主要以鈷鹽形式為主。在本文中加工制造階段產生的新廢料不考慮區域間的貿易活動，只考慮進入生產階段和進入生態環境的新廢料。

2015年中國流入加工制造階段的精煉鈷為52 000 t，經加工制造后，流向使用階段的鈷為44 600 t；中國進口電鈷和各種鈷鹽折合金屬鈷為2 400 t，出口到韓國、日本等鋰離子電池生產國的鈷鹽折合金屬鈷為7 644 t，凈出口5 244 t；鈷廢料在機械破碎環節鈷的回收率達98%，由此，得到生產制造階段產生的鈷廢料為2 113 t，流向生態圈的鈷為43 t[14,16,25]。

1.5 鈷的消費階段

鈷的消費階段包括鈷制品的使用和存量的增加。由于特殊的化學、物理性質，鈷的消費和應用領域主要集中在電池材料、超級耐熱合金、硬質合金、磁性材料、催化劑、干燥劑、顏料與染料等。

2015年中國市場鈷消費量為44 600 t[14]。受手機等電子產品和新能源汽車產業興起的影響，電池領域鈷消費量達到35 000 t，占比高達78%；而硬質合金、磁性材料等領域鈷消費量相對穩定，其中硬質合金鈷消費量為3 000 t，占比6.3%；高溫合金鈷消費量為1 700 t，占比3.8%；磁性材料鈷消費量為1 600 t，占比3.5%；玻陶鈷消費量為1 600 t，占比3.5%；催化劑鈷消費量為1 400 t，占比3.1%；其他領域鈷消費量為300 t，占比1.8%。2015年中國出口鈷制品中含鈷量約為58 006 t，進口鈷制品中的含鈷量約為29 828 t，凈出口為28 178 t[17]。

1.6 鈷的回收利用階段

鈷的回收利用階段包括含鈷廢棄物的收集和分離過程[26]。含鈷廢棄物經過機械破碎等預處理后，進入冶煉環節，進而成為二次鈷，其他的廢棄部分則被送入焚化爐或進行垃圾的無害化掩埋。

2015年中國回收的鈷廢料經冶煉后生產精煉鈷6 000 t[15]。進入冶煉環節鈷廢料中鈷的回收率95%，在回收利用階段的機械破碎過程中，鈷的回收率為98%[25]，得出進入生產階段的鈷廢料含鈷6 316 t，流入生態圈的鈷為119 t(只包括國內的鈷廢料經機械破碎過程的鈷損失量)。中國從其他國家進口鈷廢料含鈷1 624 t，出口鈷廢料含鈷789 t，凈進口鈷廢料835 t[17]。因此，2015年，中國從使用階段流入回收利用階段的鈷廢料共含鈷5 960 t。

2 中國鈷物質流分析模型與指標

2.1 2015年中國物質流分析結果

綜合上文數據整理,并結合鈷物質流基本框架得到2015年中國鈷物質流圖，如圖3所示。

圖3 2015年中國鈷物質流圖

2.2 相關指標的選擇

鈷資源對外依存度是評估一個國家鈷資源安全狀況的重要指標，反映了國家所消費的鈷資源的總體對外依存狀況。鈷資源對外依存度是指一個國家一年內凈進口的鈷礦資源量(包括鈷精礦和鈷廢料)占精煉鈷消費量、鈷資源增量和冶煉熔渣含鈷量三者之和的百分比。鈷資源對外依存度越大，國家鈷資源安全狀況越差。

所以，2015年中國鈷資源對外依存度

鈷的循環效率，是衡量鈷產業廢鈷資源充裕程度的判斷，即單位時間內回收利用的鈷與生產的精煉鈷的比值。鈷循環效率越大，鈷循環回收量越大，再生鈷產量在精煉鈷產量中所占比例越大。

所以，2015年中國鈷循環效率

鈷的環境效率，是衡量鈷工業化過程中釋放到環境中的廢料對環境影響程度高低的主要指標，因此，本文采用鈷環境效率來反映鈷的釋放對環境的影響狀況。鈷環境效率，指整個鈷產品生命周期中單位鈷釋放，即排放到生態圈的鈷與精煉鈷比值。環境效率愈低，獲得同等質量的精煉鈷所釋放的廢鈷愈少，對環境的影響程度也愈小，反之影響較大。

所以，2015年中國鈷的環境效率

3 結果與討論

1) 中國鈷工業的原料自給程度低下。鈷原料的自給率高低嚴重關系到國家鈷產業的健康發展。2015年中國鈷資源的自給率僅35%，表明中國鈷資源供應嚴重受制于國外市場。礦山鈷的不足嚴重制約了中國鈷產業的可持續發展。

2) 中國鈷工業的鈷循環效率較低。2015年中國鈷循環效率僅為0.12 t/t，這也反映了國內廢舊鈷金屬資源的回收利用水平低下。主要原因是宣傳教育力度不夠，企業、居民對廢舊硬質合金、尤其是廢舊鋰電池的危害缺乏認識，加之環保意識淡薄，不能積極主動參與廢舊硬質合金、廢舊鋰電池等的回收處理[27]。

3) 中國鈷環境效率較低。2015年中國鈷環境效率為0.19 t/t，表明中國鈷工業對環境污染的程度比較低。這也反映了近年來中國在提高冶煉水平、節約鈷礦資源、減少鈷污染等方面的成效顯著。

4 建 議

為保障國內鈷資源安全供給以及相關產業健康平穩發展，本文在綜合分析2015年中國鈷物質流分析相關指標的基礎上，提出以下三條建議。

1) 加大國內鈷資源勘查力度，完善鈷戰略性資源儲備體系。國內鈷資源大部分是伴生在風化型紅土鎳礦、巖漿型硫化銅鎳礦和沉積型砂巖銅礦之中，成礦區域主要集中在中西部，特別是西部地區。這些區域勘查程度較低，資源潛力較大，是尋找新的鈷礦資源的理想地。另外，還要加強已有鈷礦山深部以及周邊區域成礦帶的勘查，增加資源儲量，延長礦山服務年限。截至2015年末，國家物資儲備局已經進行了4次金屬鈷的收儲工作，規模逐次擴大。為了維護國家安全，保障社會經濟秩序穩定，應將鈷資源長期列入戰略儲備范疇，建立完備的鈷戰略性資源儲備體系。

2) 加強國際合作，實現進口方式、渠道的多元化。2015年，剛果(金)鈷資源儲量340萬t，占全球鈷儲量的47.9%，礦山鈷產量63 000 t，占全球鈷產量的50%[3]。其掌控著全球主要的鈷資源供給，而中國鈷進口恰好嚴重依賴剛果(金)。剛果(金)的礦業政策及政局穩定性將對中國鈷的供應安全產生重大影響。中國作為最大的鈷資源需求國，應充分借助“一帶一路”倡議，支持有條件的企業在“一帶一路”沿岸國家開展鈷資源開發與利用，拓展鈷資源來源，建立相對穩定的鈷礦產供應基地，逐步改善目前國內對剛果(金)鈷礦資源嚴重依賴的現狀。

3) 優化鈷廢料回收管理體系，提高鈷資源的循環利用。盡快出臺鼓勵再生鈷資源領域發展循環經濟的相關政策及法律法規，實行圈區管理。制定鈷資源回收利用的管理條例及鈷資源回收行業的實施細則。通過建立戰略鈷資源回收利用行業準入制度，逐步消除小作坊式和家庭式作業的鈷回收企業，提高鈷資源利用率。培育、扶持鈷再生利用行業的大型企業，帶動鈷工業整體水平提升，增強核心競爭力。

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