中國金屬礦產的消費強度與回收潛力分析

李新++崔獻丹++梁亞楠++王敏晰++代濤++柳群義

摘要

從中國金屬資源安全的角度來看，優化戰略性金屬礦產的供應結構，降低一次礦產的對外依存度，通過合理的政策導向有效地增加中國城市礦產開發效率，挖掘廢舊金屬的回收和利用潛力，是實現礦產資源安全保障的重要前提。本文以鐵、銅、鋁等三種金屬礦產為例，采用美國、英國、法國、德國、日本等五個工業化國家及中國1949—2015年的面板數據，通過構建消費強度、回收密度和壽命分布函數分析了工業化五國金屬消費和報廢金屬回收的歷史規律，預測了2016—2030年中國三種金屬消費和報廢回收的變化趨勢。結果顯示：①五個工業化國家鐵、銅、鋁金屬的消費強度經歷了快速上升、平臺緩降和較快下降的過程，而回收密度則經歷了緩慢上升、較快增長和快速增長的三個階段，在消費強度與回收密度的第三階段呈現“脫鉤”特征；②中國鐵、銅、鋁三種金屬的消費強度大幅增加主要是集中在2000年以后，2015年我國鐵、銅、鋁的消費強度分別為540 kg/人、8 kg/人和23 kg/人，回收密度分別只有100 kg/人、0.5 kg/人和3 kg/人，除鐵、鋁的消費強度進入平臺下降期外，銅消費強度和三種金屬回收密度仍處于增長的第一階段；③預計2030年，中國鐵、銅、鋁的消費強度將分別為450 kg/人、9 kg/人和20 kg/人，仍處在平臺緩慢下降階段，回收密度將分別增加到220 kg/人、3 kg/人和5 kg/人，回收密度與消費強度比例分別達到49%、33%和25%。通過對比可知，中國未來社會報廢金屬回收潛力巨大，如果能加以有效政策引導，加快回收利用，可大大緩解中國戰略性金屬的安全保障壓力。

關鍵詞金屬礦產；消費強度；回收潛力；預測

中圖分類號F062.1

文獻標識碼A文章編號1002-2104（2017）07-0053-07DOI：10.12062/cpre.20170463

鐵、銅、鋁等大宗金屬是我國工業化過程中的基礎性和戰略性資源，被廣泛應用于基礎設施、建筑、交通運輸、電力電器、機器設備、包裝容器等領域[1]，是社會經濟發展的重要礦物元素，對經濟增長具有關鍵性作用[2]。2015年中國鐵、銅、鋁等金屬一次礦產的產量分別占其總產量的82%、65%和81%，對外依存度分別高達84%、80%和60%，中國大宗金屬礦產資源稟賦的先天不足，使得其高度對外依存和一次礦產為主的礦產資源供應格局短時間內難以改變。本文統計，1996—2015年中國大約累計消費粗鋼80億t、精煉銅1億t、原鋁2.2億t，大宗金屬社會消費蓄積量較大，但其中80%以上的消費量都集中在近10年，現階段達到生命周期的報廢金屬可回收量仍有限，未來金屬產品的報廢回收潛力尚待定量化測算。城市礦產變廢為寶，可有效替代原生礦產，減少能源消耗，是重要的戰略資源[3]。探明金屬社會消費、蓄積和回收間的投入產出規律，預測中國城市礦產中廢舊金屬的回收潛力，提高金屬二次資源的回收和利用效率，對解決中國戰略性金屬的資源安全和地緣政治下的資源戰略問題具有重大現實意義。基于此，本文通過對1949—2015年美國、英國、法國、德國、日本等工業化國家和中國的金屬產品消費、蓄積和回收的歷史經驗分析，對2016—2030年中國鐵、銅、鋁等大宗金屬的報廢回收潛力進行測算，以期為政府資源安全保障決策和促進金屬二次資源利用提供依據。

1研究方法與數據來源

1.1消費強度（CI）與回收密度（RD）

礦產品使用強度是Wilfred[4]首先提出的一個概念，即每一種礦產被發現后，其使用都有一個上升、到達頂峰、最后緩慢下降的過程。它測度的是人均GDP下的礦產品消費量，用來表征一個國家經濟發展過程中的階段性的礦產品消費指標，同工業化進程和產業成熟度密切相關[5]。本文的消費強度（consumption intensity，CI）是指人均GDP下的人均金屬資源消費量，反映金屬資源需求與一個國家的經濟發展階段的相關程度及其內在聯系。消費強度CI的計算如式（1）所示：

本文設定的“回收密度”（recycling density，RD）是指人均GDP下的社會報廢金屬人均回收量（不包含金屬冶金和生產制造環節產生的廢渣和邊角料），金屬產品的生命周期決定了社會報廢金屬回收相對于金屬產品消費存在一定的時間滯后性，其同樣與一個國家的經濟發展階段密切相關。回收密度在不同階段的不同表征，表明了報廢金屬資源回收潛力與經濟發展階段的內在聯系。報廢金屬回收密度RD的計算如式（2）所示：

1.2報廢金屬回收潛力預測模型

1.2.1金屬產品壽命分布確定

根據產品生命周期理論，不同類別的金屬產品，有不同的使用壽命間隔。含有鐵、銅、鋁等金屬元素的產品在理論上達到其生命周期后將退出社會使用，轉化為報廢金屬品。而生命周期內的金屬產品，逐年蓄積，在使用過程中不斷增加存量，這些使用中產品的社會存量將轉化為未來潛在的報廢金屬流量。已有研究成果中主要有4種壽命分布函數被用來計算和模擬金屬產品的社會存量和報廢金屬的產生量，不同的數學模型對社會存量和廢料產生量的預測會有一定的差異。4種分布主要包括：①針對既定壽命的δ分布[6]；②高斯分布[7]；③對數分布[8]；④韋伯分布[9-10]。由于具有極大的靈活性，在4種壽命模擬中的韋伯分布是最適用的方法[11]。本文在歷史金屬消費量的基礎上，采用韋伯分布模擬報廢金屬理論產生量。韋伯分布取決于位置參數“a”、比例參數“α”和形狀參數“β”，“t”表示測算期間內的任意一年，則產品壽命分布函數f（t）可以表示為式（3）：

1.2.2金屬產品報廢預測模型

金屬產品的報廢是一個隨機過程，報廢金屬的產生量與金屬產品的消費量及其消費蓄積時間密切相關。由于數據獲取難度的原因，本文使用粗鋼、精煉銅和原鋁的消費量用于替代金屬產品中的當年金屬元素消費量，并采用至上而下（topdown）的方法測算報廢金屬的產生量。參考前期研究成果[12-14]，假設第n年金屬累計報廢率為F（n），則該年金屬產品報廢率為從F（n）到F（n-1）的單位變化，即F′（n）。

1.3數據來源與處理

1.3.1數據來源

本文所使用的數據主要來源于兩個部分：

（1）1949—2015年美國、日本、英國、法國、德國的粗鋼、精煉銅、原鋁的消費量、廢舊金屬回收量、再生金屬產量等數據來源于美國地質調查局[15]和世界金屬統計局[16]。中國粗鋼、精煉銅、原鋁的消費量、部門消費數據來源于中國有色金屬工業協會[17]和中華人民共和國國家統計局[18]。2016—2030年中國鐵、銅、鋁等金屬的消費量、報廢量和回收量等數據均為本文測算。

（2）鐵、銅、鋁等金屬產品的生命周期分布、報廢金屬產生量和報廢率的數據主要來源于本文韋伯分布函數和金屬報廢量模型測算，基于以下四個假設：①消費量為粗鋼、精煉銅、原鋁消費量（非實際金屬產品消費量）；②金屬產品生命周期符合韋伯分布；③本文測算不考慮1949年之前數據，只分析1949—2015年金屬產品的歷史消費量和報廢量，以及預測的2016—2030年金屬產品的消費量和報廢量；④不考慮金屬產品制造環節中的金屬損失量及其流量。

1.3.2數據處理

參考文獻[13]的研究成果，假設金屬銅產品消費存量的99.7%壽命周期介于[a，b]區間內，本文確定金屬銅在基礎設施、交通運輸、設施設備和建筑業的四個消費領域的分布參數如表1所示。

參考文獻[8—9]的研究成果，本文測算金屬鋁在包裝容器、電力電子、交通運輸、機器設備、建筑業、日用品等六個消費領域的壽命分布參數如表2所示。

參考文獻[6，11]的研究成果，本文測算鋼鐵在建筑、交通設備、機器設備、電力電子和其他等五個消費領域的分布參數如表3所示。

2結果與分析

2.1消費強度和回收密度的國際比較

2.1.1鋼鐵消費強度和回收密度的國際比較

由圖1（a），五個工業化國家的鋼鐵消費強度變化規律相似，當人均GDP不足1萬美元區間時（蓋凱1 990美元，下同），消費強度呈現快速增加特征；當人均GDP為1萬美元時消費強度在500 kg/人附近，到達平臺期，進入消費緩慢下降階段；當人均GDP達到2萬美元時，消費強度在450 kg/人附近，開始進入快速下降期，平臺期持續了30年左右；2014年中國在人均GDP為8 700美元時已經達到550 kg/人，2015年開始降到540 kg/人，說明2014年中國鋼鐵消費已經進入平臺期，預計2030年中國鋼鐵消費強度將下降到450 kg/人。

由圖1（b），五個工業化國家的廢鋼回收密度變化規律也趨同：當人均GDP小于1.2萬美元時，廢鋼回收密度較快增長；當人均GDP為1.2萬美元時，回收密度為150—250 kg/人，到達增長的平臺期，進入回收緩慢增長階段；當人均GDP達到2.2萬美元時，回收密度為200 kg/人左右，增長平臺期持續了約25年，然后進入快速增長期，鋼鐵回收密度快速增長期與消費強度快速下降期之間表現出明顯的“脫鉤”特征，五個工業化國家均進入快速增長期，人均回收密度超過人均消費強度。2015年中國回收密度僅為100 kg/人，預計2030年可達到220 kg/人，2031年進入鋼鐵回收較快增長平臺期。

2.1.2銅消費強度和回收密度的國際比較

由圖2（a），五個工業化國家的銅消費強度也表現出相似性，當人均GDP低于1萬美元時，銅消費強度呈現快速增長特征；當人均GDP為1萬美元時，消費強度均在10—12 kg/人，到達平臺期，進入消費強度緩慢下降階段；當人均GDP達到2萬美元時，消費量均在8—10 kg/人，然后進入消費強度快速下降期，平臺期持續了25年左右。2015年中國精煉銅的消費強度在人均GDP為9 000美元時達到8 kg/人，預計在2020年可達到10 kg/人，2021年中國將進入銅消費強度下降平臺期，預計2030年中國銅消費強度將下降到9 kg/人。

由圖2（b），五個工業化國家的廢銅回收密度表現為：當人均GDP低于1萬美元時，回收密度緩慢增長；當人均GDP為1萬美元時，回收密度為1.5 kg/人，達到平臺期，進入回收較快增長階段；當人均GDP達到2萬美元時，回收密度為3.5 kg/人，開始進入快速增長階段，平臺期持續

了30年左右，銅回收增長期與消費下降期之間也表現出明顯的“脫鉤”特征。2015年中國回收密度僅為0.5 kg/人，預計在2020年達到1.5 kg/人，2021年中國將進入銅回收較快增長的平臺期，預計2030年中國銅回收密度將達到3 kg/人。

2.1.3鋁消費強度和回收密度的國際比較

由圖3（a），五個工業化國家的原鋁消費強度變化規律為：當人均GDP低于1.7萬美元時，原鋁消費強度呈現快速增長趨勢；當人均GDP為1.7萬美元左右時，消費強度達到20—25 kg/人，到達平臺期，進入消費強度緩慢下降階段；當人均GDP達到2.2萬美元時，消費強度在20 kg/人左右，然后進入快速下降階段，平臺期持續了14年左右。2015年中國原鋁的消費強度在已經達到23 kg/人，預計在2017年即可達到25 kg/人，2018年中國原鋁消費強度將到達平臺期，預計2030年中國原鋁消費強度將下降到

20 kg/人，仍處在緩降的平臺期。

由圖3（b），五個工業化國家的廢鋁回收密度為：當人均GDP低于1.2萬美元時，廢鋁回收密度緩慢增加；當人均GDP為1.2萬美元時，回收密度為4 kg/人，到達平臺期，進入回收較快增長階段；當人均GDP達到2.2萬美元時，回收密度在7 kg/人左右，開始進入快速增長期，平臺期持續了14年。2015年中國的廢鋁回收密度達到3 kg/人，預計在2030年達到5 kg/人，到達回收密度較快增長的平臺期。

2.2中國金屬產品理論報廢量與回收量測算

圖4（a）（b）（c）（d）分別表示在“基礎設施”、“建筑”、“交通運輸”和“設備部門”等四個領域的廢銅回收疊加圖。圖中每條不同曲線代表1949—2030年間不同年度的精煉銅消費壽命分布曲線，這些曲線在某一具體年度值的疊加代表當年具體消費部門領域產生廢銅量。經測算，中國廢銅理論報廢量從2007年開始快速增加，2015年中

國四個部門廢銅理論報廢量P（65）為106萬t當年實際回收廢銅80萬t（含銅量），廢銅回收率接近80%。2020年理論報廢量P（70）為260萬t，如果按照80%回收率測算，可回收廢銅量200萬t；同樣計算可得，2030年中國可回收廢銅量達400萬t，人均回收密度接近3.5 kg/人。

對鋼鐵和鋁金屬重復上述計算可得：①中國廢鋼理論報廢量從2000年開始快速增加2015年五個部門廢鋼理論報廢量為1.1億t，當年實際回收廢鋼9 000萬t（含鐵量），2030年可回收廢鋼達3億t，人均回收密度220 kg/人；②中國廢鋁理論報廢量從2004年開始快速增加，2015年中國六個部門廢鋁理論報廢量為450萬t，當年實際回收廢鋁408萬t（含鋁量），2030年中國可回收廢鋁達700萬t，人均回收密度5 kg/人。

3結論

從中國金屬資源安全的角度來看，優化戰略性金屬礦產的供應結構，降低對外高度依存的一次礦產在供應結構中比例，通過合理的政策導向有效增加中國城市礦產開發效率，挖掘廢舊金屬的回收和利用潛力，是礦產資源產業政策的主要目標之一。本文以鐵、銅、鋁等三種金屬礦產為例，采用中國、美國、英國、法國、德國、日本等國家1949—2015年的面板數據，通過構建金屬消費強度和回收密度指數分析美國等工業化五國金屬消費和廢舊金屬回收規律，進而預判和分析中國大宗金屬的報廢和回收變化趨勢。主要結論如下：

（1）樣本期內，五個工業化國家鐵銅鋁消費強度經歷了上升、平臺緩降和快速下降的過程，而回收密度則經歷了緩慢上升、平臺較快增長和快速增長的三個階段，并在

第三階段出現明顯“脫鉤”特征，工業化國家回收密度高于消費強度，具有金屬社會消費存量飽和下的消費流量自循環特征。

（2）中國鐵、銅、鋁等三種金屬的消費強度快速增加主要集中在2000年以后，但三種金屬回收密度變化卻出現相對滯后特征，2007年以后才略有加快。

（3）2015年，中國鋼鐵、銅、鋁三種金屬的消費強度分別是540 kg/人、8 kg/人和23 kg/人，而回收密度分別為100 kg/人、0.5 kg/人和3 kg/人，回收密度與消費強度比例分別僅為18%、6%和13%，遠低于五個工業化國家的

水平。

（4）2030年，預計中國鐵、銅、鋁等金屬的消費強度將分別為450 kg/人、9 kg/人和20 kg/人，相對于2015年水平變化不大，仍處在緩慢下降的平臺期；而回收密度將分別達到220 kg/人、3 kg/人和5 kg/人，均進入加快增長的平臺期。回收密度與消費強度比例分別增加至49%、33%和25%。未來中國社會報廢金屬回收潛力巨大，如果能加以有效政策引導，加快回收利用，可大大緩解中國大宗金屬的安全保障壓力。

上述結論蘊含的對策建議包括：①現有對“城市礦產”的研究仍處于起步階段，基于工業化和城市化進程的城市礦產存量的飽和度和流量的自循環規律仍需深入探索，傳統的金屬物質流分析更多關注產業流量屬性，仍需補充社會屬性下的空間分布差異性、趨勢性、階段周期性和突變性等時空演變分析，應系統開展城市礦產的成礦理論和時空演化機理的研究。②人類社會發展需要的礦產資源主要是礦物元素及其性能，金屬產品報廢是生命周期下的產品報廢，不是金屬元素本身，它會隨著再生和消費不斷循環利用。因此，開展基于物質流的金屬礦產和城市礦產的存量和流量測算，深入挖掘廢舊金屬資源的潛力和規律，成為重點研究課題。③礦產資源產業政策應將提高自然礦產和城市礦產的勘探開發效率作為主要目標，國土資源管理部門就應該擴展礦產資源內涵和外延，以礦物元素的全物質流開發和可持續管理為礦產資源管理的核心內容，結合自然礦產的地質調查經驗和數據基礎，開展全國性的“城市礦產”地質調查工作，從資源安全戰略角度為國家提供科學的、可持續的礦產資源大數據和決策支撐。

（編輯：李琪）

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