基于物質流方法的中國鉛資源使用存量研究

羊建波,程晉陽,常 青,趙會穎

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100037)

物質流分析(MFA)是基于系統分析方法和質量守恒原理[1-2],在一定時空范圍內,通過對社會經濟活動中物質的投入和產出進行量化分析,來評價物質流動(消耗、累積)的關系[3]。 物質流分析是循環經濟的重要技術支撐[4]。 在物質流分析中,涉及流量和存量等關鍵術語。 存量是物質在流動過程中積累和儲存的物質質量,使用存量是指商品進入社會領域使用系統中的存量。

鉛是重要的有色金屬材料,主要用于鉛酸蓄電池、合金、建材、顏料等,中國精鉛產量和消費量均居世界第一位。 據有色金屬工業協會數據,2018年中國再生鉛產量為224.5 萬t,占精煉鉛產量的45.4%,低于世界平均57%。 摸清鉛的使用存量有助于判斷未來再生鉛的市場規模,為鉛的回收利用政策制定或產業發展規劃提供重要的數據支撐,未來再生鉛將成為中國鉛資源主要的供給來源。

目前物質流方法已被廣泛運用到Pb[5-7]、Cu[8]、Fe[9]等物質流動分析中,但國內鉛物質流量分析僅限于某個產品、某個階段或某個區域,國家層面暫無長時間尺度量化鉛資源使用存量的數值,本文的重點是量化中國建國以來鉛資源的使用存量。

1 理論方法

下文將采用自上而下和自下而上兩種方法計算建國以來鉛物質在社會使用系統中的蓄積量,即鉛資源的使用存量。

1.1 自上而下

自上而下方法是通過物質的流入量和流出量的差值計算出某一特定年進入社會使用系統中的物質存量,再逐年累加,得到特定時間段內某物質的使用存量。

建立物質流分析模型,首先定義系統邊界和產品分類,限定研究目標在時間和空間上的界限。 橫向時間界定為1949—2018年;鑒于開采階段鉛物質損失很小,本文縱向時間界定為鉛冶煉、鉛加工、鉛終端產品使用、廢料回收階段;空間邊界定義為中國大陸。 此模型研究范圍是所有含鉛商品,包括鉛精礦、精煉鉛、鉛合金、鉛材、鉛化工品和鉛終端產品。

如果將整個系統邊界內的鉛物質當做一個蓄水池,則整個國家層面的鉛物質流出量、損失量、庫存量、使用存量之和應當等于鉛的流入量,詳見式(1)。

式中:Finput、Fimport、Foutput、Fexport、Floss、Fstock分別是指鉛物質流某一環節或整個國家界面的總體鉛物質流的物質流入量、進口量、流出量、出口量、損失量和庫存量。

根據式(1),可以得出我國某一年的鉛物質流出量、存量和流入量等式,詳見式(2)。

式中:t為年份;S為鉛物質的使用存量,其中St為t年末使用存量,St-1為t年上年末使用存量;L為鉛物質的損失量;D為鉛產品在使用過程中的耗散量;R為鉛物質的庫存量;P為國內鉛精礦所含鉛量;I為進口商品的含鉛量;I′為回收的再生鉛產量;E為出口商品的含鉛量。

將式(2)變形得到式(3),可以得到我國某一年的鉛物質使用存量。

1.2 自下而上

自下而上的方法是基于系統內包含該物質的不同服務單元或終端產品的數量和服務單元中該物質的單位含量等數據,將其相乘并累加的存量。 鉛的主要消費領域為鉛酸蓄電池,自下而上即從消費端測算鉛酸蓄電池中的鉛使用存量。

鉛酸蓄電池按照用戶和用途分為四類,起動電池、動力電池、工業電池(UPS 電池和儲能電池歸為工業電池)。 第t年鉛酸蓄電池的使用存量(Sbatteryt)可按照式(4)計算。

式中:Ui,j,t是第t年i類電池用戶j的數量和規模(對于起動電池而言,即為摩托車、機動船、拖拉機、機動車等各種類型內燃機車輛的保有量;對于動力電池而言,即為電動自行車、電動三輪車、電動汽車等電動提供動力車輛的保有量;對于UPS 電池而言,即為通信基站、電廠、銀行、郵局等用戶的數量;對于儲能電池而言,即為新能源發電裝機容量);Di,j,t是第t年i類電池單位用戶j鉛酸蓄電池用量。第t年鉛酸蓄電池中的鉛使用存量(St)可按式(5)計算。

式中:Mi,t是第t年使用中的i類單位容量鉛酸蓄電池中平均鉛含量(t/kVAh)。

2 計算結果

2.1 自上而下

2.1.1 貿易中鉛物質流量

含鉛商品按種類分為原料、初級產品和終端產品,原料包括鉛精礦和精鉛,初級產品為鉛材、鉛合金和含鉛化工品等,終端產品主要為鉛酸蓄電池。貿易過程中含鉛商品的鉛物質流量由含鉛商品的實物量和含鉛系數兩者確定。

含鉛系數根據含鉛產品的相關標準[10-18]、材料成分等參數采取加權平均計算而得(表1)。 含鉛商品的實物量數據來自于UN Comtrade 和有色金屬工業協會。 由于1992年前貿易體量小,為了圖表美觀,取1992—2018年數據。

表1 含鉛商品的含鉛比例

1992—2018年,鉛金屬進口量總體大于出口量,凈進口量為190 萬t。 1992—2006年為凈出口,出口產品以精煉鉛為主,進口以鉛精礦為主,鉛金屬凈流出量為278 萬t。 從2007年開始,鉛精礦進口量增加,鉛金屬從凈出口變成了凈進口。 2007—2018年,進口以鉛精礦為主,出口以鉛酸蓄電池為主,含鉛產品中鉛金屬由凈出口13.8 萬t 逐漸轉為凈進口24.2 萬t,鉛金屬凈流入量為458 萬t,詳細情況見圖1。

圖1 1992—2018年含鉛產品凈進口量

2.1.2 鉛的損失量

在鉛精礦冶煉過程、精鉛加工制造階段、含鉛產品使用階段都會產生一定量的廢渣、廢塵、廢氣、廢水等含鉛污染物,最終排入外部環境,造成鉛物質損失,下文分三個階段分析鉛在不同階段的損失量。

冶煉階段包括原生鉛和再生鉛冶煉,結合鉛精礦產量、進口量數據和鉛冶煉技術經濟指標,1949—2018年累計鉛物質損失量為394 萬t,原生鉛冶煉階段為303 萬t,再生鉛冶煉階段為91 萬t。

鉛酸蓄電池是精煉鉛的主要加工產品。 參照《電池工業污染物排放標準(GB30484—2013)》和河南某企業調研數據,起動鉛酸蓄電池、工業鉛酸蓄電池和動力鉛酸蓄電池鉛的損失率分別為5%、4.4%和4.8%,據此計算出2018年鉛酸蓄電池加工階段鉛物質損失量為14 萬t,累計鉛物質損失量為288 萬t。 對于兩種常見的鉛合金-鉛銻合金,參照《排污手冊》數據,鉛銻合金的鉛損失率為1%,鉛鈣合金、鉛鋁合金的鉛損失率為2%,據此計算出2018年鉛合金鉛物質損失量為0.5 萬t,累計量為22 萬t。 由于鉛材壓延和錫材類似,鉛物質損失參考《排污手冊》中錫材的產污系數,鉛材加工損失率為2%,據此計算出2018年鉛物質損失量為0.2 萬t,累計量為12 萬t。 綜上,加工制造環節中鉛物質損失主要集中于鉛酸蓄電池生產,1949—2018年鉛酸蓄電池鉛累計損失量為288 萬t,約占總量的92%,鉛合金為22 萬t,鉛材為12 萬t。

含鉛產品進入使用環節后,因其使用功能不同,在社會經濟系統中的流向也各不一樣。 一類是散失性產品,即產品一旦投入使用便難以回收的產品,如含鉛焊料、含鉛化工產品等;另一類是非散失性產品,具有較高回收價值,如鉛酸蓄電池、鉛材。 對于散失性含鉛產品,計入當年鉛損失量。 2018年,使用階段散失性鉛物質損失量為29 萬t,1949—2018年使用階段累計損失量為1 024 萬t。

1949—2018年,在冶煉過程、加工制造階段、含鉛產品使用階段鉛物質累計損失量分別為394、322和1 024 萬t,1990—2018年的鉛物質損失量情況見圖2。

圖2 1990—2018年不同階段鉛的累計損失量

2.1.3 鉛精礦所含鉛量

鉛精礦包括自產鉛精礦和進口鉛精礦。 1949—2018年,自產鉛精礦含鉛金屬累計量為4 073 萬t,凈進口鉛精礦含鉛量為1 283 萬t,鉛精礦含鉛量共計5 356 萬t。其中,凈進口鉛精礦含鉛量已在貿易鉛物質流量中計算。

2.1.4 庫存量

每年生產的精煉鉛不能全部即時消費形成存量,據世界金屬統計局(WBMS)數據,2018年底中國精煉鉛的庫存量為123 萬t。

為了保證電解工序的正常生產,電解槽內會放置粗鉛陽極板,10 萬t 規模的鉛電解車間,裝滿電解槽需要約13 000 塊陽極板,折合3 850 t 鉛。 2018年電解槽內鉛“庫存量”約為20 萬t。

電池生產企業為了預防供貨中斷的風險,鉛錠庫存量一般為10 ～15 d 的生產量。 2018年鉛酸蓄電池產量為18 123 萬kVAh,耗鉛量約為400 萬t,電池生產企業鉛錠庫存量約為20 萬t。 同理,電池銷售商、電動車銷售商、機動車銷售商和回收站也有約10 ～15 天的存貨,折算鉛庫存量約為40 萬t。

綜上,2018年鉛金屬庫存量為203 萬t。

2.1.5 鉛的使用存量

基于式(3),選擇1949年為基點年份,其消費量為次年的初始存量。 計算得出1949—2018年中國鉛使用存量為2 320 萬t。 其中,流入端包括自產鉛精礦4 073 萬t、凈進口鉛金屬量190 萬t,流出端包括冶煉階段損失量、加工階段損失量和使用階段損失量,流出鉛存量分別為394 萬t、322 萬t 和1 024 萬t;庫存量包括精煉鉛庫存量123 萬t、含鉛產品庫存量80 萬t。

2.2 自下而上

2.2.1 起動電池

2000—2018年起動電池載體——主要類型內燃機車輛的保有量變化如圖3所示。

圖3 2000—2018年起動電池載體保有量

摩托車在經歷了十幾年快速發展后,2013年保有量達到峰值,約為1.3 億輛。 2013年開始,傳統摩托車受汽車、電動車替代明顯,城市受“限摩”影響,摩托車保有量緩慢下滑,2018年交管網數據顯示保有量為8 700 萬輛,考慮到約有1/5 沒上牌,實際保有量約為1.1 億輛。

機動車隨著市場需求不斷增加,其中小型載客汽車保有量快速增加,由2000年的620 萬輛增至2018年2 億輛,年均增速為21%。 載貨汽車保有量同步變化,大中型客車的需求增加明顯,農村汽車市場對輕型載貨汽車需求也有較大增長,但中型、微型客車保有量有所下降。

受鐵路和公路運輸快速發展的影響,機動運輸船保有量緩慢下降,從2000年的18.5 萬艘降至2018年的12.6 萬艘;機動漁船的保有量則逐年上升,從2000年的46 萬艘增至2018年的416 萬艘,但近年增幅放緩,2018年同比增速僅為0.2%。

拖拉機主要用于農村市場,2008年保有量達到峰值2 022 萬輛,之后增速緩慢下降,2018年為2 310 萬輛,年均增速僅為1%。 小型拖拉機總體上已趨飽和,大中型拖拉機增長更顯強勁。

起動電池各載體的單位電池容量受人們消費行為的變化影響,50CC ＜排量＜250CC 摩托車電池規格為96 VAh,排量為1.5 ～3 L 機動車的電池規格為720 VAh,中型貨車電池規格為2 880 VAh,大型客車電池規格為3 600 VAh。

起動電池用戶保有量和結構的變化,直接導致鉛酸蓄電池及其中鉛的使用存量變化。 2000—2018年,起動電池中鉛使用存量從96 萬t 增至479 萬t,年均增加9.9%。 小型載客汽車保有量的快速增加是整個起動電池鉛使用存量增加的主要驅動力,詳細情況見圖4。

圖4 2000—2018年起動電池鉛使用存量

2.2.2 動力電池

2000—2018年電動自行車、電動三輪車和低速電動汽車的保有量見圖5。

圖5 2000—2018年動力電池載體保有量

因鉛酸蓄電池技術的突破,電池容量越來越大,電動自行車從2004年開始迅速增長,2018年保有量達到2.5 億輛,目前市場已逐漸趨于飽和。

2008年開始,隨著網絡購物的興起,電動三輪車被作為一種便捷交通工具用于快遞和物流行業,同時為了迎合農村市場的需求,電動三輪車增長勢頭迅猛,年均增長率約為40%,2018年保有量約為5 500 萬輛。

為了滿足城鎮及農村市場的需求,近幾年低速電動汽車迎來爆發式增長,2018年保有量約為700萬輛,同比增長約40%。

電動自行車電池容量從初期的240 Wh (2 ×12 V×10 Ah)到如今的960 Wh(4 ×12 V ×20 Ah),電動三輪車電池規格為1 920 Wh(4 × 12 V×40 Ah),低速電動汽車為4 800 Wh(5×12 V×80 Ah)。

2000—2018年動力電池鉛使用存量從2 萬t 增加到686 萬t,年均增加47%。 電動自行車中動力電池占整個動力鉛酸蓄電池60%以上,電動三輪車中動力電池占30%。 低速電動汽車目前保有量仍相對較低,城市主要為老年代步車,其鉛酸蓄電池容量存量僅占10%(圖6)。

圖6 2000—2018年動力電池鉛使用存量

2.2.3 UPS 電池

UPS 電池廣泛用于社會經濟系統中多個行業和領域,主要用于通信基站、銀行和郵政系統。 2000—2018年UPS 電池主要用戶數量如圖7所示。 郵政網點數量呈緩慢增長趨勢,2018年則增至27.5 萬個,年均增長率為11%。 銀行網點數量2018年增至22.8 萬個,年均增長率為3.7%。 通訊基站的增長尤為明顯,據《通信運營統計公報》,2018年全國通信基站的數量為648 萬個,2000年基站數量僅為5 萬個,年均增速高達34%。

圖7 2000—2018年UPS 電池載體用戶數量

移動基站單個微型基站電池容量以500 ～1 000 Ah(一組或者兩組,電壓48 V)居多。 城市內微型基站數量相對較多,但其電池容量低,中大型基站電池容量較高,以兩組500 Ah 為主。

2000—2018年,UPS 鉛酸蓄電池鉛使用存量從5 萬t 增至312 萬t,年均增加25%。 其中,通信基站UPS 鉛酸蓄電池鉛使用存量從3 萬t 增至306 萬t,年均增加31%,其占比從37.2%增至98.6%,銀行系統中的UPS 電池則從23%下降到0.9%,詳細情況見圖8。

圖8 2000—2018年UPS 電池鉛使用存量

2.2.4 儲能電池

隨著中國再生能源戰略的實施,風電和光伏累積發電裝機容量在2008年以后開始指數式增長,光伏發展速度尤甚(圖9)。 2000—2018年,風電累計裝機容量年均增長56%,已達18 426 萬kW;光伏累計裝機容量年均增長171%,達17 463 萬kW。

圖9 2000—2018年風能、光伏、儲能電池裝機容量

新能源的離網發電系統以及大型的并網發電系統都需要儲能電池,電化學儲能電池以鋰離子電池和鉛酸(炭)電池為主。 鉛蓄電池主要分布在用戶側領域,所占比重超過90%。 據《2019年儲能產業白皮書》數據,2018年電化學儲能裝機容量為107.3萬kW,鋰離子電池市場份額為70.7%,鉛酸蓄電池為27.2%,與風能、光伏的裝機容量配置比約為0.003。

2009—2018年,儲能鉛酸蓄電池鉛使用存量從0.1 萬t 增至3 萬t,年均增長44%,相對于其他類型鉛酸蓄電池,儲能鉛酸蓄電池鉛使用存量幾乎可忽略不計。

綜上,2000—2018年,鉛酸蓄電池鉛使用存量從99 萬t 增至1 480 萬t(圖10),年均增加16.5%。2018年,起動、動力、UPS 和儲能鉛酸蓄電池鉛使用存量占比分別為32.4%、46.4%、21.1%和0.2%。載客汽車起動電池、電動自行車用動力電池和通信基站UPS 電池占比合計為68.9%。

圖10 2000—2018年自下而上方法核算的鉛酸蓄電池鉛使用存量

2.2.5 鉛的使用存量

采用自下而上的方法很難覆蓋所有行業和領域的鉛酸蓄電池,如計算機、數據中心、醫療設備和實驗室等UPS 電池、列車備用電源等,難以被一一統計,因此本文在計算的基礎上乘以系數1.1,折算后的鉛使用存量為1 628 萬t。

鑒于精煉鉛的消費結構變化,本文參考鉛酸蓄電池、鉛材和鉛合金消費累積量占精煉鉛消費累積量的占比,推算鉛材和鉛合金的使用存量。2018年鉛酸蓄電池鉛消費累積量占精煉鉛消費累積量的71%,鉛材和鉛合金為11.3%,鉛化工產品為9.7%,反推出2018年鉛的使用存量約為1 892 萬t。

2.3 綜合結果

表2對比了自下而上和自上而下兩種方法計算的鉛使用存量結果。 自下而上方法計算的均值為940 萬t,自上而下為1 071 萬t,標準變異系數分別為0.59 和0.64,說明自下而上方法有較好的精度。兩種不同方法的計算結果T 檢驗T 值絕對值為0.68,F 檢驗P 值為0.50,兩組數據無顯著差異,整體差異率為14%,結果整體可靠。

表2 自下而上和自上而下方法計算結果比較萬t

兩種計算方法結果差異一方面是源于數據的選擇,本文數據來源相對廣泛,官方數據相對較少,主要來自于文獻和網頁,數據質量整體不高;另一方面是相關參數選取,由于調研樣本相對較少,參數的選取往往以偏概全,進而影響計算結果。

3 結論與建議

本文利用物質流分析(MFA)方法,對1949—2018年中國鉛資源使用存量進行一系列研究,自上而下方法計算結果為2018年中國鉛使用存量為2 320 萬t,自下而上分析計算結果為1 892 萬t,兩組數據結果整體無顯著差異,結果總體可靠。

鉛使用存量主要累積于鉛酸蓄電池中,累計消費占比約為71%。 約2 000 萬t 的鉛使用存量為再生鉛提供了充足的原料。

鑒于相對較低的再生鉛回收率,應完善再生鉛回收體系,制定相關政策和法規,嚴打非法處置鉛酸蓄電池行為,淘汰非法生產、技術落后、環境污染嚴重的三無企業,落實生產者責任延伸制,改變廢舊鉛酸蓄電池行業回收無序的狀況,優化再生鉛企業與電池生產企業布局,保障正規企業的原料供應,逐步提高再生鉛利用率。