原生鋁的拐點和鋁廢料的時代即將到來

文/代 敏 汪 鵬 陳偉強 劉 剛

中國是否會繼續主導全球鋁生產和消費呢？本研究給出了約250 組情景來回答這個問題，并揭示了鋁廢料回收時代的到來和原鋁快速增長現象的趨緩。

1.導言

由于具有良好的性能，鋁被廣泛應用于國民經濟各個部門，成為全球使用最多的有色金屬。作為最大的原鋁生產國和消費國，中國最近放慢了原鋁生產的擴張步伐，甚至開始限制電解鋁產能的擴張。因此，中國鋁的快速增長是否會持續以及中國將來的鋁生產量和消費量是多少都極大地引起了中國和全球利益相關者的興趣。

原鋁生產是高耗能和高排放行業，而再生鋁生產與原鋁生產相比可節省約95%的能源，有助于緩解溫室效應。同時，再生鋁的使用還能夠減少鋁土礦等資源的消耗和降低環境影響。在礦石持續消耗、礦石品位日漸下降、環境污染問題日益突出、資源對外依存度不斷增高的大背景下，再生鋁生產的發展對于中國而言變得尤為重要。

再生鋁生產的增長受限于在用產品存量的可用性和成熟度及與其相關的廢鋁產生量。與美國等發達經濟體相比，中國的鋁產品仍處于服務年限的早期，因此目前可用的報廢產品仍然較少。但是，鑒于中國自1990 年以來的快速鋁存量累積，更多的鋁廢料將會在中國產生。在此背景下，對于鋁需求量、在用存量增長模式、報廢量和生產路線的長期預測與詳細研究至關重要。然而，之前的相關研究缺乏對中國鋁全生命周期的預測，也缺乏對涉及參數的詳細而全面的探索。因此，本研究進行了綜合的情景分析以確定中國未來鋁人為循環潛在的變化，這些預測將有助于我們了解鋁的需求和未來再生鋁工業的潛力。

2.方法與數據

本研究運用基于情景分析的動態物質流分析方法，衡量了中國1950-2100 年之間的鋁人為循環的存量與流量，探索并識別了重要參數的未來潛在變化，共給出了約250組綜合情景分析結果（包括鋁人為循環中的存量、流量和損失量）。本研究的系統邊界為中國大陸（不包括香港、澳門和臺灣）31 個省級行政單位，時間邊界為1950 年-2100 年（圖 1），追蹤了鋁人為循環的八個主要過程中的流量與存量，過程包括采礦（Min），冶煉（Smlt），電解（Elec），加工（Fab，包括鑄造和成型），制造（Manf，產品制造），使用階段（Use，包括7 個部門），廢料收集（Col），廢料預處理（Prc）和廢料再熔化（Rmlt）。所有流量和存量均以金屬鋁當量表示。

圖1 中國鋁人為循環的系統邊界

表1 鋁人為循環中的重要指標

整個鋁人為循環可以通過存量驅動模型、產品壽命模型和由在用存量觸發的物料守恒定理計算。為了更好地描述中國鋁人為循環，表 1 定義了一些基本指標。需求量是流入在用存量的鋁，也稱為表觀消耗（最終需求）。報廢量是從在用存量中流出的鋁。它代表廢料產生的潛力，對應于圖 1 中的廢料 1。由礦石生產的原生鋁產量和由廢料生產的再生鋁產量一起構成未鍛軋鋁，其也被定義為鋁產量。再生鋁比率再生鋁替代比例是再生鋁產量在鋁產量中所占的比例，表示再生鋁對原鋁的替代程度。

首先，運用由Müller 首先開發的動態存量驅動模型計算分別得到需求量和報廢量；然后，基于循環中的損失和貿易量通過物料平衡計算生產端指標（鋁產量，原生鋁產量，再生鋁產量和再生鋁替代比例）。

根據物料守恒原理，鋁產量可以通過等式5 計算：

然后，根據估算的鋁產量和再生鋁產量可以輕松計算原鋁產量：

最后，再生鋁替代比例定義為：

關于歷史部分（1950-2016），存量、人口、產品壽命、各環節的損失量和貿易量等數據從相應文獻或報告中獲取；關于未來部分（2017-2100），未來人口情景從聯合國人口署獲取，其他參數分別根據歷史情況進行假設。至于未來情景設置，請參照圖 2 和表 2。

3.中國鋁人為循環概況：1950-2100

圖3 顯示了1950-2016 年和2017-2100 年中國鋁循環累積的整體情況。到2016 年，中國的城市化和工業化將需要約2.5 億噸的需求量和約3.4 億噸的鋁生產量，其中約84%是原生鋁產量。2017 年至2100 年的累積需求量約25（10-63）億噸，鋁生產量約為33 億噸。再生鋁產量生產的約62%是23（10-58）億噸舊廢料。其余38%意味著從地殼中開采約16（11-29）億噸的鋁土礦，而1950-2016 年期間的原生鋁產量（鋁的生產主要集中在1990 年至2016 年期間）需要3 億噸的鋁土礦。歷史和未來期間的總損失分別為1.17 和9.23（5.84-18.01）億噸，其中大部分（約60%和30%）發生在采礦和生產階段。值得注意的是，未來有30%的損失來自再生鋁生產階段，原因是大量廢料可能導致的再生鋁工業的蓬勃發展。

圖2 參數的情景設置和未來鋁循環相關指標的計算流程

表2 量化鋁人為循環的參數

圖3 過去和未來的鋁人為循環概況

圖4 中國鋁總存量的27 種情景

4.在用存量的快速積累及其未來的飽和值

由于2000 年后中國的快速發展，在用存量經歷了急劇的指數型增長，這種增長將在所有研究情景中持續到2040 年至2050 年左右（圖 5）。在21 世紀下半葉，在用存量模式將根據SPC 模式和人口變化的復合設置而有很大差異。其中，SPC主要影響幅度，而人口變化對趨勢有明顯影響。至于最終用途行業，建筑和交通運輸分別以總存量排名第一和第二，其次是電力設備，機械與設備，耐用消費品，其他和包裝。

5.需求的快速增長預示著鋁的大量報廢

在所有情景中，需求量將在2050 年之前達到峰值，并在21 世紀下半葉以約2-8 千萬噸/年的水平飽和（圖5 a）。由于在用存量的快速累積及報廢產品的替換，需求量在2010 年以每年約500 萬噸的速度開始快速增長并以指數方式增長至2020 年的約20-60 萬噸/年。2030 年之后需求量的趨勢是由總在用存量的飽和水平和飽和時間引起的。報廢量將在2050 年之后達到與需求量相近的飽和水平，這表明如果鋁廢料完全回收，則可以完全滿足未來的鋁需求（圖 5 b）。一般來說，報廢量與需求量具有相似的趨勢和范圍，但依據情景不同，報廢量比需求量延遲大約5-40 年，壽命越長，時滯越長。報廢量將從2010 年明顯增長并線性增加至2050 年左右的約2000-8000 萬噸，達到或超過同期的需求量。中國將在2050 年左右迎接鋁的大量報廢時代，這將會使得鋁循環經濟的實現成為可能。

圖5 國內需求量和報廢量的所有情景

然而，如果沒有完善有效的廢棄物回收利用系統，則大量鋁報廢也不一定會帶來廢鋁的大量利用，相反會帶來大量廢棄物的堆積和再生原料的浪費。中國的廢鋁廢物管理系統應該進一步改進和調整。例如，應該明確含鋁產品何時報廢、哪些鋁廢料適合重復使用、哪些需要重新回爐。由于交通運輸部門和建筑部門在存量和流量中都是最重要的部門，應特別注意從報廢的車輛、高鐵列車、高速公路和老舊建筑回收和利用廢鋁料。更好地了解廢鋁料的質量、數量和產生位置，能夠幫助更好地規劃再生鋁產能在不同地區的分布。巨大的廢鋁產生量需要配置大量的再生鋁產能。2017 年中國再生鋁產量為680 萬噸，僅占總產量的17%。目前中國的再生產能與其未來的需求還存在巨大的差距。根據情景分析，中國的再生鋁生產能力預期于2055年之前增加約2600 萬噸（圖 7）。提升鋁回收程度的另一個關鍵挑戰是合金元素的積累可能會妨礙重復回收和減少某些部門的可回收性。

6.原鋁產量下降與再生鋁產量增加

大多數情景中的鋁生產量將在2020 年左右達到峰值，范圍在2-6 千萬噸之間（圖 6 a-c）。鋁生產量增長的驅動力是需求量、凈出口和各流程中的損失。但是由于較高的處理效率（即低損失率），鋁生產量的變化模式類似于需求量的模式。如果所有鋁產量都來自原鋁生產，那么鋁生產帶來的環境和資源負擔都是十分巨大的。然而，隨著報廢量的快速增長（圖 5 b），在損失量照常的情況下，未來的再生鋁產量也將急劇增加并于2050年達到約1300-6000 萬噸（圖 6 d），從而通過提高再生鋁比例來減輕這些負擔。

鑒于再生鋁產量越來越多，原生鋁產量的快速增長不太可能一直持續下去。在所有情景中，原生鋁產量將在2020-2030 年左右達到峰值，然后急劇下降。回收系統對于確定未來的原生鋁產量至關重要，回收系統越好，社會經濟系統對原生鋁產量的需求就越少。如果回收鋁廢料均被投入再生鋁生產中去，2020-2030 年后的約20 年里未來需要的原生鋁產量以大約50-250 萬噸/年的速度急劇下降，下降速度與2000 年以來的指數增長速度相似。在100%回收情景中，原生鋁產量在某些情況下將于2050 年后趨近于零。再生鋁替代比例是鋁行業及其整個人為循環可持續性的關鍵指標。在任何情景中，2050 年后的再生鋁產量都將覆蓋鋁生產量需求的60%以上（圖 6 j-1）。在某些情況下，再生鋁替代比例甚至會將達到或超過100%，因為再生鋁供應超過了由國內需求、損失和凈出口驅動的鋁產量。在這種情況下，再生鋁產量不僅將覆蓋國內生產，還將在未來為其他國家提供比2016 年更多的鋁出口量。

中國自1990 年以來的前所未有的鋁消費量主要是（約70%）受到原鋁產量快速增長的支撐。目前，中國已經面臨嚴重的原鋁產能過剩問題，迫切需要對其進行合理的調整。例如，2017 年，中國的原鋁產能約為4200 萬噸，比實際需求高900 萬噸（數據來自CNIA）。在未來三十年里，假設回收鋁廢料均被投入再生鋁生產中去并能夠成功替代原鋁，那么超過3000 萬噸的原鋁產能需要被去除（約100萬噸/年）（圖 7）。同時，中國也應該推行消除落后產能的政策并限制產能的增加。事實上，中國已經開展了包括產能置換等相應措施。但是如果選擇持續削減剛剛建立起來的原鋁產能，那么從全球來看則屬于資源的嚴重浪費。

7.模型的敏感性分析

除了最高和最低情景之外，其余七個選定情景顯示其未來鋁存量和中國鋁循環流量曲線的范圍較窄（圖 7）。值得注意的是，先前研究估計的結果都落在了這個范圍內，這表明我們的情景對未來中國的鋁循環的變化進行了更廣泛的估計。各情景下結果的差異由它們相應參數（壽命、飽和度水平、飽和速度和人口）的改變決定。通過詳細的對比，我們討論了這些參數的敏感性和影響：

圖6 生產量的所有情景

圖7 每個五年計劃（FYP）末的鋁產量

（1）SPC 飽和度對存量和流量指標存在線性影響。與基準情景相比，SPC 飽和度的變化將導致幾乎所有指標的大小上升或下降（圖 8 和圖 9 c，d 和g）。（2）較高的人口增長有可能會阻礙鋁循環經濟的實現。2020 年之后的人口增長趨勢（繼續增加或開始減少）決定了各指標的趨勢（圖8 和圖 9 c，e 和h）。與SPC 直接的數量放大和縮小效應不同，高和低人口的情景設置在2020年之后的增長或下降會使其對各指標影響的差異隨著時間的推移而擴大。總之，高人口增長將帶來更多的物質使用，可能會阻礙鋁循環經濟的發展。（3）低壽命產品將會造成大量待回收的廢物。低壽命產品會促進鋁循環的新陳代謝，因為這會帶來更多的報廢的產品以供應再生鋁生產。相較于增加一定幅度的產品壽命，減少相同幅度的產品壽命會對鋁人為循環產生更大的影響。（4）高加工效率（低損失率）帶來更高的再生鋁替代比例。較長的產品壽命將會限制產品的報廢。當所有其他參數保持不變時，流程中損失率的降低將會導致更多的再生鋁生產。相比于低損失率情景，損失率接近工業化國家的情景中會多產生約20%的再生鋁（圖 6 e），更不用說損失率等于零的情景了（圖 6 f）。由于現有的鋁產品加工和制造過程的損失率已經比較低了，更低的損失率設置對鋁生產量的影響也比較有限。損失率對再生鋁替代比例來說至關重要，因為它對再生鋁替代比例的分子（再生鋁產量）有明顯的影響而對分母僅有輕微影響。

圖8 九種選定的鋁需求與報廢情景

圖9 九種選定情景下的鋁產量

綜上所述，除了增加回收利用外，還可以通過降低需求來達到更可持續的鋁循環經濟。從產業生態學的角度來看，這可以通過較低的人均存量、較少的人口、較長的產品壽命和較低的損失率來實現。從材料利用效率的角度來看，共享經濟、更好的城市/地區規劃等策略能夠幫助減少人均存量的同時保持相同的服務水平。延長產品壽命會顯著減少物質需求并降低環境影響。而產品壽命的延長與產品設計和消費者行為都有關系。好的產品設計能夠延長其使用壽命，提高回收和分揀效率。消費者的行為模式及其對回收的看法應該由經濟/市場措施和行政措施進行引導。此外，供應鏈優化、生產技術提升和回收利用過程損失率降低等均會減少資源消耗與污染排放。

8.小結

本文應用基于情景分析的動態物質流分析方法量化了中國1950-2100 年的人為鋁循環的存量與流量，探索和識別了重要參數未來的潛在變化，并獲得了大約250 個情景結果（包括中國鋁人為循環的所有流量和存量）用于綜合情景分析。主要研究結果包括：（1）中國的原生鋁產量將在2025年左右達到約4000 萬噸的峰值，自20 世紀90 年代初開始的原鋁快速增長階段即將結束； （2）由于社會經濟系統中在用存量的積累，國內鋁需求將不斷增加，直至超過4000 萬噸； （3）在幾乎所有情景中，中國舊鋁廢料產量都將大幅增長，且再生鋁產量在21 世紀50 年代以后將占到鋁總產量的60%以上。因此，鋁生產將逐步由以原鋁生產為主轉變為以再生鋁生產為主。在這種背景下，相應的政策應該更多地關注城市礦產的發展潛力、回收管理系統的完善和分揀技術的提升。