原生铝的拐点和铝废料的时代即将到来

文/代 敏 汪 鹏 陈伟强 刘 刚

中国是否会继续主导全球铝生产和消费呢？本研究给出了约250 组情景来回答这个问题，并揭示了铝废料回收时代的到来和原铝快速增长现象的趋缓。

1.导言

由于具有良好的性能，铝被广泛应用于国民经济各个部门，成为全球使用最多的有色金属。作为最大的原铝生产国和消费国，中国最近放慢了原铝生产的扩张步伐，甚至开始限制电解铝产能的扩张。因此，中国铝的快速增长是否会持续以及中国将来的铝生产量和消费量是多少都极大地引起了中国和全球利益相关者的兴趣。

原铝生产是高耗能和高排放行业，而再生铝生产与原铝生产相比可节省约95%的能源，有助于缓解温室效应。同时，再生铝的使用还能够减少铝土矿等资源的消耗和降低环境影响。在矿石持续消耗、矿石品位日渐下降、环境污染问题日益突出、资源对外依存度不断增高的大背景下，再生铝生产的发展对于中国而言变得尤为重要。

再生铝生产的增长受限于在用产品存量的可用性和成熟度及与其相关的废铝产生量。与美国等发达经济体相比，中国的铝产品仍处于服务年限的早期，因此目前可用的报废产品仍然较少。但是，鉴于中国自1990 年以来的快速铝存量累积，更多的铝废料将会在中国产生。在此背景下，对于铝需求量、在用存量增长模式、报废量和生产路线的长期预测与详细研究至关重要。然而，之前的相关研究缺乏对中国铝全生命周期的预测，也缺乏对涉及参数的详细而全面的探索。因此，本研究进行了综合的情景分析以确定中国未来铝人为循环潜在的变化，这些预测将有助于我们了解铝的需求和未来再生铝工业的潜力。

2.方法与数据

本研究运用基于情景分析的动态物质流分析方法，衡量了中国1950-2100 年之间的铝人为循环的存量与流量，探索并识别了重要参数的未来潜在变化，共给出了约250组综合情景分析结果（包括铝人为循环中的存量、流量和损失量）。本研究的系统边界为中国大陆（不包括香港、澳门和台湾）31 个省级行政单位，时间边界为1950 年-2100 年（图 1），追踪了铝人为循环的八个主要过程中的流量与存量，过程包括采矿（Min），冶炼（Smlt），电解（Elec），加工（Fab，包括铸造和成型），制造（Manf，产品制造），使用阶段（Use，包括7 个部门），废料收集（Col），废料预处理（Prc）和废料再熔化（Rmlt）。所有流量和存量均以金属铝当量表示。

图1 中国铝人为循环的系统边界

表1 铝人为循环中的重要指标

整个铝人为循环可以通过存量驱动模型、产品寿命模型和由在用存量触发的物料守恒定理计算。为了更好地描述中国铝人为循环，表 1 定义了一些基本指标。需求量是流入在用存量的铝，也称为表观消耗（最终需求）。报废量是从在用存量中流出的铝。它代表废料产生的潜力，对应于图 1 中的废料 1。由矿石生产的原生铝产量和由废料生产的再生铝产量一起构成未锻轧铝，其也被定义为铝产量。再生铝比率再生铝替代比例是再生铝产量在铝产量中所占的比例，表示再生铝对原铝的替代程度。

首先，运用由Müller 首先开发的动态存量驱动模型计算分别得到需求量和报废量；然后，基于循环中的损失和贸易量通过物料平衡计算生产端指标（铝产量，原生铝产量，再生铝产量和再生铝替代比例）。

根据物料守恒原理，铝产量可以通过等式5 计算：

然后，根据估算的铝产量和再生铝产量可以轻松计算原铝产量：

最后，再生铝替代比例定义为：

关于历史部分（1950-2016），存量、人口、产品寿命、各环节的损失量和贸易量等数据从相应文献或报告中获取；关于未来部分（2017-2100），未来人口情景从联合国人口署获取，其他参数分别根据历史情况进行假设。至于未来情景设置，请参照图 2 和表 2。

3.中国铝人为循环概况：1950-2100

图3 显示了1950-2016 年和2017-2100 年中国铝循环累积的整体情况。到2016 年，中国的城市化和工业化将需要约2.5 亿吨的需求量和约3.4 亿吨的铝生产量，其中约84%是原生铝产量。2017 年至2100 年的累积需求量约25（10-63）亿吨，铝生产量约为33 亿吨。再生铝产量生产的约62%是23（10-58）亿吨旧废料。其余38%意味着从地壳中开采约16（11-29）亿吨的铝土矿，而1950-2016 年期间的原生铝产量（铝的生产主要集中在1990 年至2016 年期间）需要3 亿吨的铝土矿。历史和未来期间的总损失分别为1.17 和9.23（5.84-18.01）亿吨，其中大部分（约60%和30%）发生在采矿和生产阶段。值得注意的是，未来有30%的损失来自再生铝生产阶段，原因是大量废料可能导致的再生铝工业的蓬勃发展。

图2 参数的情景设置和未来铝循环相关指标的计算流程

表2 量化铝人为循环的参数

图3 过去和未来的铝人为循环概况

图4 中国铝总存量的27 种情景

4.在用存量的快速积累及其未来的饱和值

由于2000 年后中国的快速发展，在用存量经历了急剧的指数型增长，这种增长将在所有研究情景中持续到2040 年至2050 年左右（图 5）。在21 世纪下半叶，在用存量模式将根据SPC 模式和人口变化的复合设置而有很大差异。其中，SPC主要影响幅度，而人口变化对趋势有明显影响。至于最终用途行业，建筑和交通运输分别以总存量排名第一和第二，其次是电力设备，机械与设备，耐用消费品，其他和包装。

5.需求的快速增长预示着铝的大量报废

在所有情景中，需求量将在2050 年之前达到峰值，并在21 世纪下半叶以约2-8 千万吨/年的水平饱和（图5 a）。由于在用存量的快速累积及报废产品的替换，需求量在2010 年以每年约500 万吨的速度开始快速增长并以指数方式增长至2020 年的约20-60 万吨/年。2030 年之后需求量的趋势是由总在用存量的饱和水平和饱和时间引起的。报废量将在2050 年之后达到与需求量相近的饱和水平，这表明如果铝废料完全回收，则可以完全满足未来的铝需求（图 5 b）。一般来说，报废量与需求量具有相似的趋势和范围，但依据情景不同，报废量比需求量延迟大约5-40 年，寿命越长，时滞越长。报废量将从2010 年明显增长并线性增加至2050 年左右的约2000-8000 万吨，达到或超过同期的需求量。中国将在2050 年左右迎接铝的大量报废时代，这将会使得铝循环经济的实现成为可能。

图5 国内需求量和报废量的所有情景

然而，如果没有完善有效的废弃物回收利用系统，则大量铝报废也不一定会带来废铝的大量利用，相反会带来大量废弃物的堆积和再生原料的浪费。中国的废铝废物管理系统应该进一步改进和调整。例如，应该明确含铝产品何时报废、哪些铝废料适合重复使用、哪些需要重新回炉。由于交通运输部门和建筑部门在存量和流量中都是最重要的部门，应特别注意从报废的车辆、高铁列车、高速公路和老旧建筑回收和利用废铝料。更好地了解废铝料的质量、数量和产生位置，能够帮助更好地规划再生铝产能在不同地区的分布。巨大的废铝产生量需要配置大量的再生铝产能。2017 年中国再生铝产量为680 万吨，仅占总产量的17%。目前中国的再生产能与其未来的需求还存在巨大的差距。根据情景分析，中国的再生铝生产能力预期于2055年之前增加约2600 万吨（图 7）。提升铝回收程度的另一个关键挑战是合金元素的积累可能会妨碍重复回收和减少某些部门的可回收性。

6.原铝产量下降与再生铝产量增加

大多数情景中的铝生产量将在2020 年左右达到峰值，范围在2-6 千万吨之间（图 6 a-c）。铝生产量增长的驱动力是需求量、净出口和各流程中的损失。但是由于较高的处理效率（即低损失率），铝生产量的变化模式类似于需求量的模式。如果所有铝产量都来自原铝生产，那么铝生产带来的环境和资源负担都是十分巨大的。然而，随着报废量的快速增长（图 5 b），在损失量照常的情况下，未来的再生铝产量也将急剧增加并于2050年达到约1300-6000 万吨（图 6 d），从而通过提高再生铝比例来减轻这些负担。

鉴于再生铝产量越来越多，原生铝产量的快速增长不太可能一直持续下去。在所有情景中，原生铝产量将在2020-2030 年左右达到峰值，然后急剧下降。回收系统对于确定未来的原生铝产量至关重要，回收系统越好，社会经济系统对原生铝产量的需求就越少。如果回收铝废料均被投入再生铝生产中去，2020-2030 年后的约20 年里未来需要的原生铝产量以大约50-250 万吨/年的速度急剧下降，下降速度与2000 年以来的指数增长速度相似。在100%回收情景中，原生铝产量在某些情况下将于2050 年后趋近于零。再生铝替代比例是铝行业及其整个人为循环可持续性的关键指标。在任何情景中，2050 年后的再生铝产量都将覆盖铝生产量需求的60%以上（图 6 j-1）。在某些情况下，再生铝替代比例甚至会将达到或超过100%，因为再生铝供应超过了由国内需求、损失和净出口驱动的铝产量。在这种情况下，再生铝产量不仅将覆盖国内生产，还将在未来为其他国家提供比2016 年更多的铝出口量。

中国自1990 年以来的前所未有的铝消费量主要是（约70%）受到原铝产量快速增长的支撑。目前，中国已经面临严重的原铝产能过剩问题，迫切需要对其进行合理的调整。例如，2017 年，中国的原铝产能约为4200 万吨，比实际需求高900 万吨（数据来自CNIA）。在未来三十年里，假设回收铝废料均被投入再生铝生产中去并能够成功替代原铝，那么超过3000 万吨的原铝产能需要被去除（约100万吨/年）（图 7）。同时，中国也应该推行消除落后产能的政策并限制产能的增加。事实上，中国已经开展了包括产能置换等相应措施。但是如果选择持续削减刚刚建立起来的原铝产能，那么从全球来看则属于资源的严重浪费。

7.模型的敏感性分析

除了最高和最低情景之外，其余七个选定情景显示其未来铝存量和中国铝循环流量曲线的范围较窄（图 7）。值得注意的是，先前研究估计的结果都落在了这个范围内，这表明我们的情景对未来中国的铝循环的变化进行了更广泛的估计。各情景下结果的差异由它们相应参数（寿命、饱和度水平、饱和速度和人口）的改变决定。通过详细的对比，我们讨论了这些参数的敏感性和影响：

图6 生产量的所有情景

图7 每个五年计划（FYP）末的铝产量

（1）SPC 饱和度对存量和流量指标存在线性影响。与基准情景相比，SPC 饱和度的变化将导致几乎所有指标的大小上升或下降（图 8 和图 9 c，d 和g）。（2）较高的人口增长有可能会阻碍铝循环经济的实现。2020 年之后的人口增长趋势（继续增加或开始减少）决定了各指标的趋势（图8 和图 9 c，e 和h）。与SPC 直接的数量放大和缩小效应不同，高和低人口的情景设置在2020年之后的增长或下降会使其对各指标影响的差异随着时间的推移而扩大。总之，高人口增长将带来更多的物质使用，可能会阻碍铝循环经济的发展。（3）低寿命产品将会造成大量待回收的废物。低寿命产品会促进铝循环的新陈代谢，因为这会带来更多的报废的产品以供应再生铝生产。相较于增加一定幅度的产品寿命，减少相同幅度的产品寿命会对铝人为循环产生更大的影响。（4）高加工效率（低损失率）带来更高的再生铝替代比例。较长的产品寿命将会限制产品的报废。当所有其他参数保持不变时，流程中损失率的降低将会导致更多的再生铝生产。相比于低损失率情景，损失率接近工业化国家的情景中会多产生约20%的再生铝（图 6 e），更不用说损失率等于零的情景了（图 6 f）。由于现有的铝产品加工和制造过程的损失率已经比较低了，更低的损失率设置对铝生产量的影响也比较有限。损失率对再生铝替代比例来说至关重要，因为它对再生铝替代比例的分子（再生铝产量）有明显的影响而对分母仅有轻微影响。

图8 九种选定的铝需求与报废情景

图9 九种选定情景下的铝产量

综上所述，除了增加回收利用外，还可以通过降低需求来达到更可持续的铝循环经济。从产业生态学的角度来看，这可以通过较低的人均存量、较少的人口、较长的产品寿命和较低的损失率来实现。从材料利用效率的角度来看，共享经济、更好的城市/地区规划等策略能够帮助减少人均存量的同时保持相同的服务水平。延长产品寿命会显著减少物质需求并降低环境影响。而产品寿命的延长与产品设计和消费者行为都有关系。好的产品设计能够延长其使用寿命，提高回收和分拣效率。消费者的行为模式及其对回收的看法应该由经济/市场措施和行政措施进行引导。此外，供应链优化、生产技术提升和回收利用过程损失率降低等均会减少资源消耗与污染排放。

8.小结

本文应用基于情景分析的动态物质流分析方法量化了中国1950-2100 年的人为铝循环的存量与流量，探索和识别了重要参数未来的潜在变化，并获得了大约250 个情景结果（包括中国铝人为循环的所有流量和存量）用于综合情景分析。主要研究结果包括：（1）中国的原生铝产量将在2025年左右达到约4000 万吨的峰值，自20 世纪90 年代初开始的原铝快速增长阶段即将结束； （2）由于社会经济系统中在用存量的积累，国内铝需求将不断增加，直至超过4000 万吨； （3）在几乎所有情景中，中国旧铝废料产量都将大幅增长，且再生铝产量在21 世纪50 年代以后将占到铝总产量的60%以上。因此，铝生产将逐步由以原铝生产为主转变为以再生铝生产为主。在这种背景下，相应的政策应该更多地关注城市矿产的发展潜力、回收管理系统的完善和分拣技术的提升。