中國鎂產業生態系統物質流與價值流的生命周期分析

董書恒，逯承鵬，邢 冉，薛 冰

(1.中國科學院沈陽應用生態研究所污染生態與環境工程重點實驗室，遼寧沈陽 110016；2.遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室，遼寧沈陽 110016；3.中國科學院大學，北京 100049)

引言

黨的十九大報告明確提出，要推進資源全面節約和循環利用，降低能耗、物耗，實現生產系統和生活系統循環鏈接。鎂資源及鎂質材料是國民經濟發展的重要物質基礎，鎂合金被譽為21世紀綠色工程材料和戰略性新材料，并有望成為繼鋼、鋁之后的第三大基礎金屬結構材料[1,2]。然而從資源環境角度進行分析，由于礦產資源不同階段均伴隨著物質消耗與能量轉化并產生環境壓力[3,4]，因而鎂資源的開采、運輸、加工、消費及廢棄物處置過程也是資源消耗和環境污染的過程[5,6]。經濟活動引起的生態和環境影響主要取決于進入經濟系統的自然資源與排放到自然環境系統中的廢棄物質的數量和質量[7]，前者引起生態與環境的不斷退化，后者導致了環境污染[8]。物質流分析（Substance Flow Analysis，SFA）作為工業代謝研究的有效手段，通過物質流分析可以控制特定物質（如鎂和鋁等）的投入與流向及其使用總量和強度進而為環境政策提供新的視角[9,10]。生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）作為環境評估的有效工具主要應用于定量化研究物質與能量利用及其廢棄物產生的環境排放進而評估一種產品、過程或生產活動造成的環境負載[11,12]。SFA更加注重物質材料流動的數量、結構和特征，而LCA則重點研究資源消耗與環境污染排放，兩者都是從系統或者過程的各子階段入手，而LCA分析中結合SFA分析可有效彌補其時間和空間等方面信息的局限性并提高數據全面性，從而提高對經濟活動產生的環境評估的準確性[13,14]。

我國是全球菱鎂礦資源最為豐富的國家，已探明的菱鎂礦儲量達到34億t，占全世界總儲量的27%，總保有儲量礦石38億t，居世界第1位。白云石與菱鎂礦是我國鎂產業工業生產的主要礦物來源，已探明白云石礦儲量40億t左右，主要分布于遼寧、河南和山西等省份。菱鎂礦空間分布表現為大型礦床多且分布相對集中的特征，目前探明儲量的礦區達到27處，重點分布于遼寧、山東和西藏等9個省份，占全國的85%，其中，遼寧省菱鎂礦儲量最為豐富，達到30.52萬t。鎂產業涉及的冶煉、加工及設備制造等不同類型的企業在地理空間上分布廣泛，東部地區主要以鎂深加工企業以及涉鎂設備企業為主，在江蘇和浙江兩省集聚特征顯著，在河南和山東等省份集聚特征也較為明顯。鎂冶煉企業主要集中于山西和陜西兩省，其中，山西的鎂冶煉企業省內分布較廣，北部的五臺縣、中部的太原市、南部的聞喜縣均有分布，其中以聞喜縣規模最大；陜西省內則主要集中在北部的府谷縣與神木縣。鎂合金企業主要分布在山東、河南和陜西以及寧夏等省份，鎂粉加工企業則以河南省、河北省和遼寧省為主。我國的鎂產業具有明顯的資源和地理分布特征，在國家對工業污染嚴格管控以及企業對資源成本和資源利用率綜合考量的背景下，針對我國鎂產業的物質流與價值流并行分析可以從更全面的視角準確反映鎂產業發展存在的關鍵問題。綜上，本文基于物質流分析基本框架，通過構建鎂資源及其主要產品的物質流分析模型，結合實地調研數據，從宏觀層面定量計算和解析了2015年中國鎂資源在生產階段、加工階段及使用與廢棄階段等主要生命周期階段的物質流與價值流，并利用e！Sankeypro 4.5.3繪圖軟件繪制?；鶊D，將物質流與價值流進行可視化表達與分析，同時計算皮江法煉鎂的非生物資源投入量和生態包袱，以期為我國金屬鎂等礦產資源的全面節約、循環利用以及綠色發展提供決策依據，進而推進我國生態文明戰略的實施。

1 方法與數據

1.1 物質流分析框架

物質流分析是關于特定系統中某一物質或者元素流動和貯存的系統性分析[15,16]。根據物質守恒原理，物質或者元素從自然界獲取在進入生產與排放的整個流動過程中其數量是保持不變的[17-19]。邊界確定的經濟系統的物質守恒可以表現為：系統總輸入=系統總輸出+系統凈累計量，如式（1）所示：

式中，Qinput表示物質的總輸入量；Qoutput表示物質的總輸出量；Qstore表示物質在系統內的凈累計量。

針對某一元素構建其生產生命周期的物質流分析框架需要考慮元素流與經濟系統及環境系統邊界的關系。系統內依據各部門的上下游關系，存在元素的縱向流動以及循環流動，對于這兩個方向的元素流定量核算，有助于循環經濟模式的分析與優化。經濟系統與環境系統存在材料與能量的輸入與輸出過程，為分析資源利用效率與環境壓力提供了基本的分析框架?；谏鲜隼碚摌嫿ㄦV產業物質流分析框架（圖1），圖中虛線表示系統的邊界，時間跨度為一年。研究步驟包括：①確定系統各部門上下游關系；②界定經濟系統與生態環境系統的邊界；③描述系統內物質的流動方向與流動量，構建物質流分析指標清單，包括非生物資源輸入量、物質直接輸入量、生態包袱、進出口量和物質循環量等；④量化物質內元素含量以及核算系統內元素物質流質量；⑤分析評價，提供政策參考。

1.2 生態包袱計算

生態包袱指為獲得有用物質或產品而使用的沒有直接進入交易和生產過程的物料[20,21]，是衡量產業生態系統中資源消耗與環境擾動的核心指標之一，一般某一種產品的生態包袱為生產該種產品的物質投入總質量減去產品質量。原鎂生產過程中，首先是白云石的開采，涉及礦山開挖及大量巖石的鑿碎，該過程中碎石以及殘渣并未直接進入原鎂產品生產過程，因此將其稱為隱藏流。一般認為，生態包袱能夠從產業系統的輸入端有效和全面地揭示該種產品在生產過程中資源消耗以及生態環境影響，其計算公式為：

圖1 鎂產業物質流分析框架

式中，W為生態包袱；MI為非生物資源輸入量；M為產品質量；mi為生產該產品過程中i類物質的消耗量；?i則表示生產該產品過程中i類物質的資源消耗強度。

功能單位的物質消耗，定義為單位產品的物質消耗，計算公式為：

式中，S表示單位服務功能；MI、mi、?i所表示的意義與式（2）相同。

1.3 皮江法煉鎂生產工藝

皮江法，又稱硅熱法，是我國目前常用的一種還原法煉鎂工藝過程（圖2），主要包括：①將白云石置入窯中經過煅燒形成煅白；②煅白經破碎之后，與含硅75%的還原劑硅鐵和礦化劑螢石通過球磨機壓制為球團；③在高溫（1200℃）和真空（1.33～13.3Pa）下將球團放入還原罐中經過還原得到粗鎂；④粗鎂再經溶劑精煉處理則得到商品鎂。該還原反應過程可表示為：

式中，g表示氣體；s表示固體。

在實際的工業生產中，適合皮江法制鎂的白云石其化學組成成分中MgO的含量應為19%～21%[22]，根據在遼寧省大石橋市鎂產業的實際調研可知，實際生產中，1t鎂一般需要消耗11t左右的白云石。

圖2 皮江法制鎂工藝流程

1.4 物質流分析參數清單

選取2015年為時間點，以皮江法工藝生產的 1t原鎂為基本功能單位開展物質流分析測算。2015年，我國原鎂總產量為85.21萬t，由于電解法煉鎂產量所占比例1%左右，約為0.85萬t，皮江法生產的原鎂產量占99%，為84.36萬t。對2015年皮江法煉鎂的各項參數進行集成，作為鎂元素的系統物質流分析開展的基礎，進而得到鎂資源及其相關產品在其生命周期各階段的具體參數清單（表1）。

表1 2015年鎂生產過程中的各項參數清單

1.5 價值流分析數據清單

如果將產品的價值反映在其組成元素上，則產品中的每一種元素都會成為價值的運輸體。由此可知，若用某一元素代表一種產品，那么該產品的價值就可以簡化成該元素的價值，隨著物質流動，單位質量的元素離開生命周期的某一階段時的價值即是該股物質流在這一階段元素的價位，并且等于相對應物質流的價值除以物質流中元素的質量[24]，單位為元/t。對于鎂產業生態系統中廢棄物填埋處置的成本通常以負值表示。鎂產業價值流分析所需基礎數據涵蓋系統前端的物質資源輸入價值、系統過程中的物質流動價值與循環價值、后端的廢棄填埋消耗價值。海關的進出口價格數據是以美元/t為單位計算，國家統計局公布的2015全年人民幣平均匯率為1美元兌6.2284元。各礦產資源價格和單位成本數據根據遼寧省大石橋市鎂產業的實際調研所得，原鎂價格來源于2016年《中國有色金屬工業年鑒》，鎂合金價格來源于中國鎂質材料網（http://www.mzclw.com.cn），鎂粉、鎂犧牲陽極和廢鎂的國內價格來源于中國有色金屬價格網（https://www.zh818.com/yousefeijiu），其進口及出口價格則源于海關數據網（http://www.hgsj.com），價值流分析數據清單詳見表2。

表2 2015年鎂產業價值流項目清單

2 結果與分析

2.1 中國鎂產業物質流分析

2.1.1 鎂的生產階段

生產階段涉及能源物質的投入包括白云石、硅鐵、螢石、煤氣、煤炭、火電等。由于我國白云石和螢石這兩種礦產資源極其豐富，基本沒有礦石進口，因此可以認為白云石等礦石資源經過開采后直接進入原鎂的生產階段，之后經過煅燒、配料、還原、精煉等具體工藝，產生的熔渣則排入生態環境系統。借鑒已有研究[14,22]中單耗指標與消耗強度指標核算得到皮江法煉鎂過程中消耗的白云石、硅鐵、煤和電的總量（表3）。

據核算（圖3），2015年我國原鎂生產階段，原料白云石的輸入量為894.20萬t，在煅燒階段有482.90萬t的廢渣與廢氣排放到環境中，配料階段的環境排放少。在還原階段，由于輔料中硅鐵和螢石分別作為還原劑與催化劑而存在，因此也以殘渣與廢棄物的形式排放到環境中，共計428.80萬t。精煉階段將粗鎂在約710℃高溫下加熱熔化之后用溶劑精煉后產生4.40萬t的廢物排放。

表3 2015年鎂生產階段各物質消耗量

圖3 生產階段鎂物質流動圖（單位：萬t）

2.1.2 鎂的加工階段

原鎂加工產品包括鎂錠、鎂粉（鎂粒）、鎂犧牲陽極和鎂合金等主要產品，由圖4可知，其中以鎂錠與鎂合金量最多，分別為48.00萬t和24.20萬t，占原鎂總量的84.7%，鎂產品的凈出口量為40.66萬t，出口量占國內鎂產品總產量的47.9%。鎂的加工制造階段產生的廢鎂中有一部分以原料的形式返回到生產階段，另一部分則進入加工階段繼續加工生產鎂。

2.1.3 鎂的使用與廢棄階段

鎂合金及加工材料在使用壽命結束并報廢后形成的廢雜鎂通常經過分類回收后再次返回生產或加工階段再次利用。在鎂的使用過程中，諸如在煉鋼過程中作為煉鋼脫硫劑以及在鋁合金及其他合金鑄造件制造過程中作為金屬還原劑被使用后產生的后廢棄物則可以直接填埋方式進入生態環境系統。由圖5可知，加工階段的鎂產品有44.04萬t進入使用與廢棄階段，一部分用于鋁合金、合金鑄件、煉鋼脫硫等消費領域，另一部分為35.40萬t充當庫存（如圖5中紅線所示），鎂制產品在這一階段的庫存量根據質量守恒計算得到。

2.1.4 鎂的全生命周期物質流分析

綜合各階段的物質流分析結果，得到2015年我國鎂產業物質流動總圖（圖6）?？梢钥闯觯?015年，鎂的整個生命周期中物質流動量呈現逐級減小的趨勢，原鎂生產與產品加工這兩個階段物質流動量最大。經核算（表4），2015年，采用皮江法工藝生產，生產1t原鎂的非生物資源輸入量達到59.3t，資源直接輸入量達到16.4t。原鎂生產的生態包袱約為資源直接輸入量的3.6倍。白云石與煤的資源直接輸入占比分別為64.8%與27.5%，而資源消耗強度占比分別為25.8%與12.5%，而硅鐵的資源直接輸入占比與資源消耗強度占比分別為6.4%、56.2%，表明在煉鎂過程中，硅鐵消耗以及生態包袱在資源輸入總量中均占有較大比重，潛在環境壓力不可忽視，白云石與煤在經濟系統中屬于高消耗低效率的物質，而硅鐵屬于低消耗高效率的物質。

表4 資源消耗情況

圖4 加工階段的鎂物質流動圖（單位：萬t）

圖5 使用與廢棄階段的鎂物質流動圖（單位：萬t）

圖6 2015年中國鎂物質流動圖（單位：萬t）

基于2015鎂產業總物質流動態圖（圖6），進而核算物質流各項關鍵指標，結果見表5。鎂的循環效率作為衡量鎂產業廢鎂資源通過回收重新用于原鎂冶煉利用程度的關鍵指標，即單位時間內回收利用的鎂與生產的原鎂的比值，其值越大，表明鎂循環回收量越大及再生鎂產量在精煉原鎂產量中的比例也越大。經計算，2015年中國鎂循環效率為0.05t/t，可以看出國內廢鎂資源回收利用水平較低。鎂環境效率，定義為在鎂產品生命周期中單位鎂的釋放，即排放到自然環境中的鎂與精煉原鎂比值。用鎂環境效率可以在一定程度上有效體現鎂的釋放對生態環境系統的影響，一般來講，其值越低表明獲得同等質量的精煉原鎂所釋放的廢鎂越少，即對生態環境系統的干擾與影響越??；反之，則影響越大。經計算，2015年中國原鎂生產過程中的鎂環境效率為0.09t/t，表明中國鎂工業在加工到廢棄這一階段對環境污染的影響程度較低，主要的污染集中在生產冶煉階段。

表5 2015鎂產業物質輸入與隱藏流

根據2006—2015年鎂產業物質流的生態包袱核算結果（圖7）可知，2009年產業的環境包袱最低3.61×107t，而2014年環境包袱最高6.29×107t，之后有所下降。2006—2015年鎂產業的生態包袱處于整體擴大態勢，這主要是由于國內外鎂產品市場對我國原鎂產量的過度依賴所導致，而原鎂生產階段的環保工藝升級與普及推行速度落后于原鎂的生產速度，加之原鎂生產企業規模大小不一，環保工藝的普及難度較大，因此鎂工業的粗放式發展仍然持續。

圖7 2006—2015年皮江法煉鎂生態包袱變化

2.2 中國鎂產業價值流分析

在經濟系統中，物質流動總是伴隨著價值的流動，二者是同步的。在表2的基礎上，將物質流與物質單價進行結合運算得到2015年中國鎂產業的元素價值流動圖（圖8），因生產階段的廢物處理價值無法計算，此處忽略。由圖8可知，皮江法煉鎂的資源物質投入類別中硅鐵與煤的價格居高，同時由于皮江法煉鎂對于硅鐵、螢石的品味具有一定的要求，使得煉鎂初期資源投入的價值量占到產品價值的38.6%以上，限制了價值產出率。產品出口價值量占產品總價值的42.1%，其余產品價值留在國內，一部分作為庫存價值，這部分價值與物質不同，由于需要存儲空間以及維護，這部分價值不會帶來價值收入，反而會帶來額外價值消耗；而另一部分價值隨鎂的流動進入使用與消耗階段，其價值產生轉化，目前，這兩部分價值流很難進行定量化評價?？紤]進出口價值、循環利用價值以及填埋處理價值，廢鎂的靜態庫存價值量占廢鎂流動價值總量84%以上，這主要是國內的廢鎂循環利用技術發展較為緩慢以及對廢鎂的回收分類的管理體系尚未形成所導致，廢鎂處于擱置狀態。2015年廢鎂的循環利用價值達到1.78億元，相當于白云石價值的39.8%，潛在價值較大。從系統的各部門視角出發，生產階段價值產生量為109.67億元，價值增量為62.87億元；原鎂加工后轉化為各種鎂產品，這一過程的價值增量為38.7億元；鎂產品出口過程中主要以原鎂及鎂合金的貿易創匯為主。通過對部門價值流動進行分析，不難看出，我國的鎂產業受國內與國際市場需求結構的影響，單純的效益追求限制了我國鎂產業向高端領域發展。因此，調整鎂產業的生產結構是提升我國鎂產業的重要突破口。從物質流與價值流的關系來看，生產階段為減量增值過程。原鎂產量占礦石輸入量的9.5%，考慮輸入的能源成本，皮江法煉鎂的生產階段價值增量占價值產生量的57.32%。加工階段為增量增值過程。鎂錠的產量約是鎂合金產量的2倍，但是在價值總量上低于鎂合金。這說明高端鎂合金的發展有助于原鎂產業的升級發展。使用與廢棄階段為減量減值過程。廢鎂的回收利用率及價值均處于較低水平，完善廢鎂回收利用體系是今后產業發展應該關注的問題。

圖8 2015年中國鎂產業價值流動圖（單位：百萬元）

3 結論與討論

3.1 結論

本文基于物質流分析基本框架，構建了鎂產業生態系統的物質流分析模型，在宏觀層面對2015年中國鎂產業在皮江法生產工藝的生產階段、加工階段和使用與廢棄階段及全生命周期的物質投入產出進行核算并進行可視化表達，同時計算出各項資源利用、物質循環以及生態包袱等指標，在此基礎上，核算分析鎂資源的價值流。主要結論如下：①原鎂生產過程中的資源物質消耗量較大，采用皮江法生產鎂工藝，生產1t原鎂的非生物資源輸入量達到59.3t，而資源直接輸入量達到16.4t，并且該過程的生態包袱也較大，約為資源直接輸入量的3.6t。白云石與煤的資源直接輸入占比分別為64.8%與27.5%，而資源消耗強度占比分別為25.8%與12.5%。煉鎂的資源輸入總量中硅鐵消耗與生態包袱所占比重較大并對環境產生不可忽視的壓力。白云石與煤在經濟系統中屬于高消耗低效率的物質，而硅鐵屬于低消耗高效率的物質。②2006—2015年鎂產業生態包袱整體呈現上升趨勢，清潔生產與循環經濟是今后我國鎂工業生態化發展的必然選擇。③在皮江法煉鎂的資源物質投入類別中，硅鐵與煤這兩種投入資源的價格均較高，加之皮江法煉鎂對于硅鐵、螢石的品味具有一定的要求，使得煉鎂初期資源投入的價值量占到產品價值的38.6%以上，降低了價值產出率。由于國內的廢鎂循環利用技術發展較為緩慢，以及對廢鎂的回收、分類的管理體系尚未形成，同時考慮進出口價值、循環利用價值以及填埋處理價值，廢鎂的靜態庫存價值量占廢鎂流動價值總量84%以上，但是循環利用價值達到1.78億元，具有較大的潛在利用價值。生產階段價值產生量與價值增量分別為109.67億元和62.87億元；原鎂加工后轉化為各種鎂產品，這一過程的價值增量為38.7億元。④我國鎂產品出口主要以原鎂及鎂合金的貿易創匯為主，受國內與國際市場需求結構的影響，這種單純的效益追求影響和限制了我國鎂產業進一步向高端領域發展。

3.2 討論

我國鎂資源的開發與應用具有越來越明顯的國家戰略優勢，未來將成為我國少有的補充或接替成為國民經濟主要金屬基礎材料的國家戰略資源，但在產業結構調整、節能減排、進一步提升國際地位等方面仍然有提升的空間。首先，應加大投入研發應用鎂資源高效與可持續開發利用關鍵技術，提升鎂產業的資源利用效率，尤其是生產端的白云石、煤礦和硅鐵的生產效率。其次，煉鎂過程中的潛在環境壓力不可忽視，而主要的污染集中在生產冶煉階段，因此，需進一步加大節能減排投入，強化該階段節能減排關鍵技術應用，如新型蓄熱式豎罐還原煉鎂技術等，采用循環經濟模式清潔化生產，全過程充分利用資源，使生產過程中的廢物最小化、資源化、無害化，同時提高原鎂生產階段的環保工藝升級與普及推行速度。再次，完善廢鎂回收利用體系，提升廢鎂的回收利用率，充分利用廢鎂價值。最后，加快從產業鏈低端向高精制造、高附加值的加工、深加工產品的高端產品發展，進一步優化產品結構并加快國內企業的國際化步伐，以應對國際市場變化。