基于物质流方法的中国铅资源使用存量研究

羊建波,程晋阳,常 青,赵会颖

(中国恩菲工程技术有限公司,北京 100037)

物质流分析(MFA)是基于系统分析方法和质量守恒原理[1-2],在一定时空范围内,通过对社会经济活动中物质的投入和产出进行量化分析,来评价物质流动(消耗、累积)的关系[3]。 物质流分析是循环经济的重要技术支撑[4]。 在物质流分析中,涉及流量和存量等关键术语。 存量是物质在流动过程中积累和储存的物质质量,使用存量是指商品进入社会领域使用系统中的存量。

铅是重要的有色金属材料,主要用于铅酸蓄电池、合金、建材、颜料等,中国精铅产量和消费量均居世界第一位。 据有色金属工业协会数据,2018年中国再生铅产量为224.5 万t,占精炼铅产量的45.4%,低于世界平均57%。 摸清铅的使用存量有助于判断未来再生铅的市场规模,为铅的回收利用政策制定或产业发展规划提供重要的数据支撑,未来再生铅将成为中国铅资源主要的供给来源。

目前物质流方法已被广泛运用到Pb[5-7]、Cu[8]、Fe[9]等物质流动分析中,但国内铅物质流量分析仅限于某个产品、某个阶段或某个区域,国家层面暂无长时间尺度量化铅资源使用存量的数值,本文的重点是量化中国建国以来铅资源的使用存量。

1 理论方法

下文将采用自上而下和自下而上两种方法计算建国以来铅物质在社会使用系统中的蓄积量,即铅资源的使用存量。

1.1 自上而下

自上而下方法是通过物质的流入量和流出量的差值计算出某一特定年进入社会使用系统中的物质存量,再逐年累加,得到特定时间段内某物质的使用存量。

建立物质流分析模型,首先定义系统边界和产品分类,限定研究目标在时间和空间上的界限。 横向时间界定为1949—2018年;鉴于开采阶段铅物质损失很小,本文纵向时间界定为铅冶炼、铅加工、铅终端产品使用、废料回收阶段;空间边界定义为中国大陆。 此模型研究范围是所有含铅商品,包括铅精矿、精炼铅、铅合金、铅材、铅化工品和铅终端产品。

如果将整个系统边界内的铅物质当做一个蓄水池,则整个国家层面的铅物质流出量、损失量、库存量、使用存量之和应当等于铅的流入量,详见式(1)。

式中:Finput、Fimport、Foutput、Fexport、Floss、Fstock分别是指铅物质流某一环节或整个国家界面的总体铅物质流的物质流入量、进口量、流出量、出口量、损失量和库存量。

根据式(1),可以得出我国某一年的铅物质流出量、存量和流入量等式,详见式(2)。

式中:t为年份;S为铅物质的使用存量,其中St为t年末使用存量,St-1为t年上年末使用存量;L为铅物质的损失量;D为铅产品在使用过程中的耗散量;R为铅物质的库存量;P为国内铅精矿所含铅量;I为进口商品的含铅量;I′为回收的再生铅产量;E为出口商品的含铅量。

将式(2)变形得到式(3),可以得到我国某一年的铅物质使用存量。

1.2 自下而上

自下而上的方法是基于系统内包含该物质的不同服务单元或终端产品的数量和服务单元中该物质的单位含量等数据,将其相乘并累加的存量。 铅的主要消费领域为铅酸蓄电池,自下而上即从消费端测算铅酸蓄电池中的铅使用存量。

铅酸蓄电池按照用户和用途分为四类,起动电池、动力电池、工业电池(UPS 电池和储能电池归为工业电池)。 第t年铅酸蓄电池的使用存量(Sbatteryt)可按照式(4)计算。

式中:Ui,j,t是第t年i类电池用户j的数量和规模(对于起动电池而言,即为摩托车、机动船、拖拉机、机动车等各种类型内燃机车辆的保有量;对于动力电池而言,即为电动自行车、电动三轮车、电动汽车等电动提供动力车辆的保有量;对于UPS 电池而言,即为通信基站、电厂、银行、邮局等用户的数量;对于储能电池而言,即为新能源发电装机容量);Di,j,t是第t年i类电池单位用户j铅酸蓄电池用量。第t年铅酸蓄电池中的铅使用存量(St)可按式(5)计算。

式中:Mi,t是第t年使用中的i类单位容量铅酸蓄电池中平均铅含量(t/kVAh)。

2 计算结果

2.1 自上而下

2.1.1 贸易中铅物质流量

含铅商品按种类分为原料、初级产品和终端产品,原料包括铅精矿和精铅,初级产品为铅材、铅合金和含铅化工品等,终端产品主要为铅酸蓄电池。贸易过程中含铅商品的铅物质流量由含铅商品的实物量和含铅系数两者确定。

含铅系数根据含铅产品的相关标准[10-18]、材料成分等参数采取加权平均计算而得(表1)。 含铅商品的实物量数据来自于UN Comtrade 和有色金属工业协会。 由于1992年前贸易体量小,为了图表美观,取1992—2018年数据。

表1 含铅商品的含铅比例

1992—2018年,铅金属进口量总体大于出口量,净进口量为190 万t。 1992—2006年为净出口,出口产品以精炼铅为主,进口以铅精矿为主,铅金属净流出量为278 万t。 从2007年开始,铅精矿进口量增加,铅金属从净出口变成了净进口。 2007—2018年,进口以铅精矿为主,出口以铅酸蓄电池为主,含铅产品中铅金属由净出口13.8 万t 逐渐转为净进口24.2 万t,铅金属净流入量为458 万t,详细情况见图1。

图1 1992—2018年含铅产品净进口量

2.1.2 铅的损失量

在铅精矿冶炼过程、精铅加工制造阶段、含铅产品使用阶段都会产生一定量的废渣、废尘、废气、废水等含铅污染物,最终排入外部环境,造成铅物质损失,下文分三个阶段分析铅在不同阶段的损失量。

冶炼阶段包括原生铅和再生铅冶炼,结合铅精矿产量、进口量数据和铅冶炼技术经济指标,1949—2018年累计铅物质损失量为394 万t,原生铅冶炼阶段为303 万t,再生铅冶炼阶段为91 万t。

铅酸蓄电池是精炼铅的主要加工产品。 参照《电池工业污染物排放标准(GB30484—2013)》和河南某企业调研数据,起动铅酸蓄电池、工业铅酸蓄电池和动力铅酸蓄电池铅的损失率分别为5%、4.4%和4.8%,据此计算出2018年铅酸蓄电池加工阶段铅物质损失量为14 万t,累计铅物质损失量为288 万t。 对于两种常见的铅合金-铅锑合金,参照《排污手册》数据,铅锑合金的铅损失率为1%,铅钙合金、铅铝合金的铅损失率为2%,据此计算出2018年铅合金铅物质损失量为0.5 万t,累计量为22 万t。 由于铅材压延和锡材类似,铅物质损失参考《排污手册》中锡材的产污系数,铅材加工损失率为2%,据此计算出2018年铅物质损失量为0.2 万t,累计量为12 万t。 综上,加工制造环节中铅物质损失主要集中于铅酸蓄电池生产,1949—2018年铅酸蓄电池铅累计损失量为288 万t,约占总量的92%,铅合金为22 万t,铅材为12 万t。

含铅产品进入使用环节后,因其使用功能不同,在社会经济系统中的流向也各不一样。 一类是散失性产品,即产品一旦投入使用便难以回收的产品,如含铅焊料、含铅化工产品等;另一类是非散失性产品,具有较高回收价值,如铅酸蓄电池、铅材。 对于散失性含铅产品,计入当年铅损失量。 2018年,使用阶段散失性铅物质损失量为29 万t,1949—2018年使用阶段累计损失量为1 024 万t。

1949—2018年,在冶炼过程、加工制造阶段、含铅产品使用阶段铅物质累计损失量分别为394、322和1 024 万t,1990—2018年的铅物质损失量情况见图2。

图2 1990—2018年不同阶段铅的累计损失量

2.1.3 铅精矿所含铅量

铅精矿包括自产铅精矿和进口铅精矿。 1949—2018年,自产铅精矿含铅金属累计量为4 073 万t,净进口铅精矿含铅量为1 283 万t,铅精矿含铅量共计5 356 万t。其中,净进口铅精矿含铅量已在贸易铅物质流量中计算。

2.1.4 库存量

每年生产的精炼铅不能全部即时消费形成存量,据世界金属统计局(WBMS)数据,2018年底中国精炼铅的库存量为123 万t。

为了保证电解工序的正常生产,电解槽内会放置粗铅阳极板,10 万t 规模的铅电解车间,装满电解槽需要约13 000 块阳极板,折合3 850 t 铅。 2018年电解槽内铅“库存量”约为20 万t。

电池生产企业为了预防供货中断的风险,铅锭库存量一般为10 ～15 d 的生产量。 2018年铅酸蓄电池产量为18 123 万kVAh,耗铅量约为400 万t,电池生产企业铅锭库存量约为20 万t。 同理,电池销售商、电动车销售商、机动车销售商和回收站也有约10 ～15 天的存货,折算铅库存量约为40 万t。

综上,2018年铅金属库存量为203 万t。

2.1.5 铅的使用存量

基于式(3),选择1949年为基点年份,其消费量为次年的初始存量。 计算得出1949—2018年中国铅使用存量为2 320 万t。 其中,流入端包括自产铅精矿4 073 万t、净进口铅金属量190 万t,流出端包括冶炼阶段损失量、加工阶段损失量和使用阶段损失量,流出铅存量分别为394 万t、322 万t 和1 024 万t;库存量包括精炼铅库存量123 万t、含铅产品库存量80 万t。

2.2 自下而上

2.2.1 起动电池

2000—2018年起动电池载体——主要类型内燃机车辆的保有量变化如图3所示。

图3 2000—2018年起动电池载体保有量

摩托车在经历了十几年快速发展后,2013年保有量达到峰值,约为1.3 亿辆。 2013年开始,传统摩托车受汽车、电动车替代明显,城市受“限摩”影响,摩托车保有量缓慢下滑,2018年交管网数据显示保有量为8 700 万辆,考虑到约有1/5 没上牌,实际保有量约为1.1 亿辆。

机动车随着市场需求不断增加,其中小型载客汽车保有量快速增加,由2000年的620 万辆增至2018年2 亿辆,年均增速为21%。 载货汽车保有量同步变化,大中型客车的需求增加明显,农村汽车市场对轻型载货汽车需求也有较大增长,但中型、微型客车保有量有所下降。

受铁路和公路运输快速发展的影响,机动运输船保有量缓慢下降,从2000年的18.5 万艘降至2018年的12.6 万艘;机动渔船的保有量则逐年上升,从2000年的46 万艘增至2018年的416 万艘,但近年增幅放缓,2018年同比增速仅为0.2%。

拖拉机主要用于农村市场,2008年保有量达到峰值2 022 万辆,之后增速缓慢下降,2018年为2 310 万辆,年均增速仅为1%。 小型拖拉机总体上已趋饱和,大中型拖拉机增长更显强劲。

起动电池各载体的单位电池容量受人们消费行为的变化影响,50CC ＜排量＜250CC 摩托车电池规格为96 VAh,排量为1.5 ～3 L 机动车的电池规格为720 VAh,中型货车电池规格为2 880 VAh,大型客车电池规格为3 600 VAh。

起动电池用户保有量和结构的变化,直接导致铅酸蓄电池及其中铅的使用存量变化。 2000—2018年,起动电池中铅使用存量从96 万t 增至479 万t,年均增加9.9%。 小型载客汽车保有量的快速增加是整个起动电池铅使用存量增加的主要驱动力,详细情况见图4。

图4 2000—2018年起动电池铅使用存量

2.2.2 动力电池

2000—2018年电动自行车、电动三轮车和低速电动汽车的保有量见图5。

图5 2000—2018年动力电池载体保有量

因铅酸蓄电池技术的突破,电池容量越来越大,电动自行车从2004年开始迅速增长,2018年保有量达到2.5 亿辆,目前市场已逐渐趋于饱和。

2008年开始,随着网络购物的兴起,电动三轮车被作为一种便捷交通工具用于快递和物流行业,同时为了迎合农村市场的需求,电动三轮车增长势头迅猛,年均增长率约为40%,2018年保有量约为5 500 万辆。

为了满足城镇及农村市场的需求,近几年低速电动汽车迎来爆发式增长,2018年保有量约为700万辆,同比增长约40%。

电动自行车电池容量从初期的240 Wh (2 ×12 V×10 Ah)到如今的960 Wh(4 ×12 V ×20 Ah),电动三轮车电池规格为1 920 Wh(4 × 12 V×40 Ah),低速电动汽车为4 800 Wh(5×12 V×80 Ah)。

2000—2018年动力电池铅使用存量从2 万t 增加到686 万t,年均增加47%。 电动自行车中动力电池占整个动力铅酸蓄电池60%以上,电动三轮车中动力电池占30%。 低速电动汽车目前保有量仍相对较低,城市主要为老年代步车,其铅酸蓄电池容量存量仅占10%(图6)。

图6 2000—2018年动力电池铅使用存量

2.2.3 UPS 电池

UPS 电池广泛用于社会经济系统中多个行业和领域,主要用于通信基站、银行和邮政系统。 2000—2018年UPS 电池主要用户数量如图7所示。 邮政网点数量呈缓慢增长趋势,2018年则增至27.5 万个,年均增长率为11%。 银行网点数量2018年增至22.8 万个,年均增长率为3.7%。 通讯基站的增长尤为明显,据《通信运营统计公报》,2018年全国通信基站的数量为648 万个,2000年基站数量仅为5 万个,年均增速高达34%。

图7 2000—2018年UPS 电池载体用户数量

移动基站单个微型基站电池容量以500 ～1 000 Ah(一组或者两组,电压48 V)居多。 城市内微型基站数量相对较多,但其电池容量低,中大型基站电池容量较高,以两组500 Ah 为主。

2000—2018年,UPS 铅酸蓄电池铅使用存量从5 万t 增至312 万t,年均增加25%。 其中,通信基站UPS 铅酸蓄电池铅使用存量从3 万t 增至306 万t,年均增加31%,其占比从37.2%增至98.6%,银行系统中的UPS 电池则从23%下降到0.9%,详细情况见图8。

图8 2000—2018年UPS 电池铅使用存量

2.2.4 储能电池

随着中国再生能源战略的实施,风电和光伏累积发电装机容量在2008年以后开始指数式增长,光伏发展速度尤甚(图9)。 2000—2018年,风电累计装机容量年均增长56%,已达18 426 万kW;光伏累计装机容量年均增长171%,达17 463 万kW。

图9 2000—2018年风能、光伏、储能电池装机容量

新能源的离网发电系统以及大型的并网发电系统都需要储能电池,电化学储能电池以锂离子电池和铅酸(炭)电池为主。 铅蓄电池主要分布在用户侧领域,所占比重超过90%。 据《2019年储能产业白皮书》数据,2018年电化学储能装机容量为107.3万kW,锂离子电池市场份额为70.7%,铅酸蓄电池为27.2%,与风能、光伏的装机容量配置比约为0.003。

2009—2018年,储能铅酸蓄电池铅使用存量从0.1 万t 增至3 万t,年均增长44%,相对于其他类型铅酸蓄电池,储能铅酸蓄电池铅使用存量几乎可忽略不计。

综上,2000—2018年,铅酸蓄电池铅使用存量从99 万t 增至1 480 万t(图10),年均增加16.5%。2018年,起动、动力、UPS 和储能铅酸蓄电池铅使用存量占比分别为32.4%、46.4%、21.1%和0.2%。载客汽车起动电池、电动自行车用动力电池和通信基站UPS 电池占比合计为68.9%。

图10 2000—2018年自下而上方法核算的铅酸蓄电池铅使用存量

2.2.5 铅的使用存量

采用自下而上的方法很难覆盖所有行业和领域的铅酸蓄电池,如计算机、数据中心、医疗设备和实验室等UPS 电池、列车备用电源等,难以被一一统计,因此本文在计算的基础上乘以系数1.1,折算后的铅使用存量为1 628 万t。

鉴于精炼铅的消费结构变化,本文参考铅酸蓄电池、铅材和铅合金消费累积量占精炼铅消费累积量的占比,推算铅材和铅合金的使用存量。2018年铅酸蓄电池铅消费累积量占精炼铅消费累积量的71%,铅材和铅合金为11.3%,铅化工产品为9.7%,反推出2018年铅的使用存量约为1 892 万t。

2.3 综合结果

表2对比了自下而上和自上而下两种方法计算的铅使用存量结果。 自下而上方法计算的均值为940 万t,自上而下为1 071 万t,标准变异系数分别为0.59 和0.64,说明自下而上方法有较好的精度。两种不同方法的计算结果T 检验T 值绝对值为0.68,F 检验P 值为0.50,两组数据无显著差异,整体差异率为14%,结果整体可靠。

表2 自下而上和自上而下方法计算结果比较万t

两种计算方法结果差异一方面是源于数据的选择,本文数据来源相对广泛,官方数据相对较少,主要来自于文献和网页,数据质量整体不高;另一方面是相关参数选取,由于调研样本相对较少,参数的选取往往以偏概全,进而影响计算结果。

3 结论与建议

本文利用物质流分析(MFA)方法,对1949—2018年中国铅资源使用存量进行一系列研究,自上而下方法计算结果为2018年中国铅使用存量为2 320 万t,自下而上分析计算结果为1 892 万t,两组数据结果整体无显著差异,结果总体可靠。

铅使用存量主要累积于铅酸蓄电池中,累计消费占比约为71%。 约2 000 万t 的铅使用存量为再生铅提供了充足的原料。

鉴于相对较低的再生铅回收率,应完善再生铅回收体系,制定相关政策和法规,严打非法处置铅酸蓄电池行为,淘汰非法生产、技术落后、环境污染严重的三无企业,落实生产者责任延伸制,改变废旧铅酸蓄电池行业回收无序的状况,优化再生铅企业与电池生产企业布局,保障正规企业的原料供应,逐步提高再生铅利用率。