物質流分析及其在有色金屬資源循環中的應用

陳炯彤，王大瑞，吳佳樂，孫輔澤，徐龍隆，鄧 睿，嚴 康

（江西理工大學 綠色冶金與過程強化研究所，江西 贛州 341000）

物質流分析（SFA,Substance Flow Analysis）是對不同區域的邊界系統范圍內，對某一物質的工業全生命周期所有過程進行定量化分析的一種方法，對于國民經濟發展的基礎物質而言，它通過追蹤社會-經濟系統中某一金屬從采掘、冶煉、生產、消費、循環使用、廢物處理進行全面核算，量化整個系統中各單元物質流動、能源消耗，并明確物質消耗與資源利用、環境效應三者間的聯系[1]。金屬資源的開發為經濟發展提供原料保障，但同時開發過程中不可避免的會面臨物質消耗、環境污染問題對社會造成巨大壓力。通過物質流分析，對某特定金屬開展整個工業代謝過程分析，可以展示該類金屬進出某個生產工序的流動狀態、流量及強度等信息，進而評價在不同生產過程中元素生命周期對工藝、產品和環境產生的影響和負擔[2]。通過明確生產過程各股流動狀況及相互關系，尋求綠色環保、資源循環、生態平衡的道路，推動工業系統向可持續方向發展，為資源政策和環境政策的制定提供新思路，為優化資源管理和環保監管提供理論支持。

1 物質流分析的研究進展

物質流分析亦被稱之為工業代謝分析，旨為追蹤和量化某資源提取工藝、地方區域或國家層面的金屬原生資源或二次資源的使用情況。物質流分析最早被德國、瑞士、奧地利等國用于探究某原生資源在國家層面的經濟系統的物流情況，由此，經濟系統物質流分析方法在世界范圍內廣泛應用，而后應用的范疇也逐步靠向資源的長期供需與可持續利用管理等領域[2]。早期，物質流分析研究主要集中于不同區域，即國家層面、企業層面，由于數據來源及數據質量等因素，研究更多的集中于國家宏觀層面，而對于企業的物質流分析研究相對疏散且方法不一，當中對某一元素的分析較為突出。近年來，隨著國家對清潔生產的要求越來越高，物質流分析研究更多地轉向對某個生產工藝，以厘清整個工藝流程的資源利用、環境影響效率及其影響因素。

Arena[3]等通過收集垃圾焚燒廠焚爐中的物質元素數據，對碳、氫和重金屬等元素進行物質流分析，通過核算相關指標，分析了廢棄物回收利用與其填埋減量化的潛在可能。萬斯[4]等對我國再生鉛工業代謝進行研究，構建再生鉛冶煉過程鉛物質流模型，計算并分析鉛的直收率、回收率及循環利用率等相關參數，揭示再生鉛冶煉過程廢物循環方式，為我國再生鉛領域資源管理與環保監管提供理論支持。

2 物質流分析方法概述

物質的流動在生命周期內由自然資源流向廢物，在過程中往往存在著某些性質的改變，由于其與流體流動有著類似的特征及性質，因此可將其分之為“定點觀察法”和“跟蹤觀察法”。其按研究范圍可分為宏觀（國家）、中觀（區域）和微觀（企業部門）3個層次。

物質流分析研究按研究目的可以分為3類：一是對整個過程或某個工序的環境污染物遷移路徑進行跟蹤并作環境影響評估；二是對戰略物質或某一特定資源物質進行全生命周期代謝分析；三是對某些重要物質進行社會積存量分析。

對于不同區域的戰略性金屬資源循環現狀進行全生命周期代謝定量分析，旨在了解金屬的全生命周期過程識別各庫存與流，評估流向環境的耗散流及廢物流，以識別污染物的排放形式、強度與總量，以減少污染物排放，同時提高資源利用效率，不僅可以為制定相關管理政策提供必要信息，對資源、環境、經濟的可持續發展亦有深刻而長遠的重要意義。STAF研究框架如圖1所示。

圖1 STAF研究框架

3 物質流分析在有色金屬資源循環中的應用

有色金屬資源循環是從可回收的廢舊資源中回收可用金屬進行材料的再生產，為金屬產業生態化轉型、走持續發展之路提供了可能。復雜的資源循環生產系統分為兩個部分：物質流動和能量流動，兩者共同決定了資源循環產業的生產效益、環境效應。因此，物質流分析方法應用于有色金屬資源分析研究領域，以定量化的研究成果為依據，以經濟可持續發展為目標，制訂冶金資源管理和環保監管的方針和條例，具有很大的潛力；同時對有色金屬生產全流程進行物質流分析可以得出資源、能源和環境效率的影響因素，為從事有色金屬資源循環生產企業指出節能工藝改進方向。

有色金屬資源提取過程存在資源利用率、能耗、環境影響與生態破壞程度不明等問題，導致資源化利用過程缺乏科學管理，造成資源過度開發、環境污染和生態平衡失調。同時，由于我們未建立金屬資源基礎信息數據庫，導致對金屬二次資源儲量、二次資源中金屬的開采潛力等基礎信息缺失；存在對其所含的金屬量在全社會金屬使用量的占比情況認識不足的問題，基于物質流分析方法，通過構建金屬資源典型提取工藝物質流分析模型，明確各階段物質流、循環流及廢物流流量，明確金屬資源提取過程的生態效率；構建國家層面的金屬二次資源的物質流分析模型，明確其產生量、分布情況、資源儲量等信息，為“原生資源”和“二次資源”，兩種資源統籌使用提供基礎數據，基于國家資源安全角度，可以提出完善“兩種資源”使用的總體戰略，以促進形成金屬資源開發利用的保障體系。

物質流分析其核心是定量化分析社會經濟活動中物流，通曉社會經濟體系中物質的流動方向與流量；通過調節控制兩者，以實現綜合利用效率的顯著提升。物質流分析的目的是為了在資源消耗最低的前提下，找到增大資源利用率并改善環境的途徑，使得經濟收益、環境效應最優化，促成環境建設與國民經濟的雙贏。物質流分析不僅在冶金企業中占有重要地位，而且對冶金企業的循環經濟具有一定參考價值，同時也是循環經濟工作開展實行的核心調控手段。

為了提高金屬資源及能源的利用效率，通過管理技術改進整個生產工藝流程，減少冶金生產過程中的物質和能量的進入；產品多次使用、翻新、重制后再使用或降級使用，以增長產品的使用期限；將有色金屬二次資源最大限度的轉化為有用資源，節約資源的同時又保護了環境。

4 結語

通過在有色金屬資源循環領域開展物質流分析，基于物質流分析指標體系及評價模型可進行量化研究并以定量化研究成果為依據，通過關聯物質流、能量流等參數，在不影響正常工序運轉的情況下有計劃地對物質與能量進行交換，尋求以最小物質投入量獲得最大資源收益的途徑，并減少廢物產生量，達到資源利用最優化的目標。物質流分析方法在有色金屬資源循環領域的應用充分體現了綠色發展理念，是促成建設和諧社會的重要方法，是實現冶金產業結構優化，推動資源型產業向可持續發展方向轉變的強力手段，對有色金屬資源循環利用、生態環境保護均具有十分重要的意義。