羊建波,程晉陽,常 青,趙會穎

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100037)

物質(zhì)流分析(MFA)是基于系統(tǒng)分析方法和質(zhì)量守恒原理[1-2],在一定時空范圍內(nèi),通過對社會經(jīng)濟活動中物質(zhì)的投入和產(chǎn)出進行量化分析,來評價物質(zhì)流動(消耗、累積)的關(guān)系[3]。 物質(zhì)流分析是循環(huán)經(jīng)濟的重要技術(shù)支撐[4]。 在物質(zhì)流分析中,涉及流量和存量等關(guān)鍵術(shù)語。 存量是物質(zhì)在流動過程中積累和儲存的物質(zhì)質(zhì)量,使用存量是指商品進入社會領(lǐng)域使用系統(tǒng)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(chǎn)量和消費量均居世界第一位。 據(jù)有色金屬工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù),2018年中國再生鉛產(chǎn)量為224.5 萬t,占精煉鉛產(chǎn)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(guī)模,為鉛的回收利用政策制定或產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供重要的數(shù)據(jù)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(zhì)流方法已被廣泛運用到Pb[5-7]、Cu[8]、Fe[9]等物質(zhì)流動分析中,但國內(nèi)鉛物質(zhì)流量分析僅限于某個產(chǎn)品、某個階段或某個區(qū)域,國家層面暫無長時間尺度量化鉛資源使用存量的數(shù)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(zhì)在社會使用系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)中的物質(zhì)存量,再逐年累加,得到特定時間段內(nèi)某物質(zhì)的使用存量。

建立物質(zhì)流分析模型,首先定義系統(tǒng)邊界和產(chǎn)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(zhì)損失很小,本文縱向時間界定為鉛冶煉、鉛加工、鉛終端產(chǎn)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(chǎn)品。

如果將整個系統(tǒng)邊界內(nèi)的鉛物質(zhì)當做一個蓄水池,則整個國家層面的鉛物質(zhì)流出量、損失量、庫存量、使用存量之和應(yīng)當?shù)扔阢U的流入量,詳見式(1)。

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

根據(jù)式(1),可以得出我國某一年的鉛物質(zhì)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(zhì)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(zhì)的損失量;D為鉛產(chǎn)品在使用過程中的耗散量;R為鉛物質(zhì)的庫存量;P為國內(nèi)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(chǎn)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(zhì)使用存量。

1.2 自下而上

自下而上的方法是基于系統(tǒng)內(nèi)包含該物質(zhì)的不同服務(wù)單元或終端產(chǎn)品的數(shù)量和服務(wù)單元中該物質(zhì)的單位含量等數(shù)據(jù),將其相乘并累加的存量。 鉛的主要消費領(lǐng)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(yè)電池(UPS 電池和儲能電池歸為工業(yè)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(shù)量和規(guī)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(nèi)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(shù)量;對于儲能電池而言,即為新能源發(fā)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(jié)果

2.1 自上而下

2.1.1 貿(mào)易中鉛物質(zhì)流量

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

含鉛系數(shù)根據(jù)含鉛產(chǎn)品的相關(guān)標準[10-18]、材料成分等參數(shù)采取加權(quán)平均計算而得(表1)。 含鉛商品的實物量數(shù)據(jù)來自于UN Comtrade 和有色金屬工業(yè)協(xié)會。 由于1992年前貿(mào)易體量小,為了圖表美觀,取1992—2018年數(shù)據(jù)。

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(chǎn)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(chǎn)品中鉛金屬由凈出口13.8 萬t 逐漸轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)品使用階段都會產(chǎn)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(huán)境,造成鉛物質(zhì)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(jié)合鉛精礦產(chǎn)量、進口量數(shù)據(jù)和鉛冶煉技術(shù)經(jīng)濟指標,1949—2018年累計鉛物質(zhì)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(chǎn)品。 參照《電池工業(yè)污染物排放標準(GB30484—2013)》和河南某企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù),起動鉛酸蓄電池、工業(yè)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(jù)此計算出2018年鉛酸蓄電池加工階段鉛物質(zhì)損失量為14 萬t,累計鉛物質(zhì)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(shù)據(jù),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(jù)此計算出2018年鉛合金鉛物質(zhì)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(zhì)損失參考《排污手冊》中錫材的產(chǎn)污系數(shù),鉛材加工損失率為2%,據(jù)此計算出2018年鉛物質(zhì)損失量為0.2 萬t,累計量為12 萬t。 綜上,加工制造環(huán)節(jié)中鉛物質(zhì)損失主要集中于鉛酸蓄電池生產(chǎn),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(chǎn)品進入使用環(huán)節(jié)后,因其使用功能不同,在社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的流向也各不一樣。 一類是散失性產(chǎn)品,即產(chǎn)品一旦投入使用便難以回收的產(chǎn)品,如含鉛焊料、含鉛化工產(chǎn)品等;另一類是非散失性產(chǎn)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(chǎn)品,計入當年鉛損失量。 2018年,使用階段散失性鉛物質(zhì)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(chǎn)品使用階段鉛物質(zhì)累計損失量分別為394、322和1 024 萬t,1990—2018年的鉛物質(zhì)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(chǎn)鉛精礦和進口鉛精礦。 1949—2018年,自產(chǎn)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(mào)易鉛物質(zhì)流量中計算。

2.1.4 庫存量

每年生產(chǎn)的精煉鉛不能全部即時消費形成存量,據(jù)世界金屬統(tǒng)計局(WBMS)數(shù)據(jù),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(chǎn),電解槽內(nèi)會放置粗鉛陽極板,10 萬t 規(guī)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(nèi)鉛“庫存量”約為20 萬t。

電池生產(chǎn)企業(yè)為了預(yù)防供貨中斷的風險,鉛錠庫存量一般為10 ～15 d 的生產(chǎn)量。 2018年鉛酸蓄電池產(chǎn)量為18 123 萬kVAh,耗鉛量約為400 萬t,電池生產(chǎn)企業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(jīng)歷了十幾年快速發(fā)展后,2013年保有量達到峰值,約為1.3 億輛。 2013年開始,傳統(tǒng)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(wǎng)數(shù)據(jù)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(nóng)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(fā)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(nóng)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(guī)格為96 VAh,排量為1.5 ～3 L 機動車的電池規(guī)格為720 VAh,中型貨車電池規(guī)格為2 880 VAh,大型客車電池規(guī)格為3 600 VAh。

起動電池用戶保有量和結(jié)構(gòu)的變化,直接導(dǎo)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(qū)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(shù)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(wǎng)絡(luò)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(yè),同時為了迎合農(nóng)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(zhèn)及農(nóng)村市場的需求,近幾年低速電動汽車迎來爆發(fā)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(guī)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(jīng)濟系統(tǒng)中多個行業(yè)和領(lǐng)域,主要用于通信基站、銀行和郵政系統(tǒng)。 2000—2018年UPS 電池主要用戶數(shù)量如圖7所示。 郵政網(wǎng)點數(shù)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(wǎng)點數(shù)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(jù)《通信運營統(tǒng)計公報》,2018年全國通信基站的數(shù)量為648 萬個,2000年基站數(shù)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(shù)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(nèi)微型基站數(shù)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(tǒng)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(zhàn)略的實施,風電和光伏累積發(fā)電裝機容量在2008年以后開始指數(shù)式增長,光伏發(fā)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以及大型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都需要儲能電池,電化學(xué)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(cè)領(lǐng)域,所占比重超過90%。 據(jù)《2019年儲能產(chǎn)業(yè)白皮書》數(shù)據(jù),2018年電化學(xué)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(yè)和領(lǐng)域的鉛酸蓄電池,如計算機、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設(shè)備和實驗室等UPS 電池、列車備用電源等,難以被一一統(tǒng)計,因此本文在計算的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)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(jié)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(shù)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(jié)果T 檢驗T 值絕對值為0.68,F 檢驗P 值為0.50,兩組數(shù)據(jù)無顯著差異,整體差異率為14%,結(jié)果整體可靠。

表2 自下而上和自上而下方法計算結(jié)果比較萬t

兩種計算方法結(jié)果差異一方面是源于數(shù)據(jù)的選擇,本文數(shù)據(jù)來源相對廣泛,官方數(shù)據(jù)相對較少,主要來自于文獻和網(wǎng)頁,數(shù)據(jù)質(zhì)量整體不高;另一方面是相關(guān)參數(shù)選取,由于調(diào)研樣本相對較少,參數(shù)的選取往往以偏概全,進而影響計算結(jié)果。

3 結(jié)論與建議

本文利用物質(zhì)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(jié)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(jié)果為1 892 萬t,兩組數(shù)據(jù)結(jié)果整體無顯著差異,結(jié)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(yīng)完善再生鉛回收體系,制定相關(guān)政策和法規(guī),嚴打非法處置鉛酸蓄電池行為,淘汰非法生產(chǎn)、技術(shù)落后、環(huán)境污染嚴重的三無企業(yè),落實生產(chǎn)者責任延伸制,改變廢舊鉛酸蓄電池行業(yè)回收無序的狀況,優(yōu)化再生鉛企業(yè)與電池生產(chǎn)企業(yè)布局,保障正規(guī)企業(yè)的原料供應(yīng),逐步提高再生鉛利用率。