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标题

中国金属矿产的消费强度与回收潜力分析

范文

李新++崔献丹++梁亚楠++王敏晰++代涛++柳群义

摘要

从中国金属资源安全的角度来看，优化战略性金属矿产的供应结构，降低一次矿产的对外依存度，通过合理的政策导向有效地增加中国城市矿产开发效率，挖掘废旧金属的回收和利用潜力，是实现矿产资源安全保障的重要前提。本文以铁、铜、铝等三种金属矿产为例，采用美国、英国、法国、德国、日本等五个工业化国家及中国1949—2015年的面板数据，通过构建消费强度、回收密度和寿命分布函数分析了工业化五国金属消费和报废金属回收的历史规律，预测了2016—2030年中国三种金属消费和报废回收的变化趋势。结果显示：①五个工业化国家铁、铜、铝金属的消费强度经历了快速上升、平台缓降和较快下降的过程，而回收密度则经历了缓慢上升、较快增长和快速增长的三个阶段，在消费强度与回收密度的第三阶段呈现“脱钩”特征；②中国铁、铜、铝三种金属的消费强度大幅增加主要是集中在2000年以后，2015年我国铁、铜、铝的消费强度分别为540 kg/人、8 kg/人和23 kg/人，回收密度分别只有100 kg/人、0.5 kg/人和3 kg/人，除铁、铝的消费强度进入平台下降期外，铜消费强度和三种金属回收密度仍处于增长的第一阶段；③预计2030年，中国铁、铜、铝的消费强度将分别为450 kg/人、9 kg/人和20 kg/人，仍处在平台缓慢下降阶段，回收密度将分别增加到220 kg/人、3 kg/人和5 kg/人，回收密度与消费强度比例分别达到49%、33%和25%。通过对比可知，中国未来社会报废金属回收潜力巨大，如果能加以有效政策引导，加快回收利用，可大大缓解中国战略性金属的安全保障压力。

关键词金属矿产；消费强度；回收潜力；预测

中图分类号F062.1

文献标识码A文章编号1002-2104（2017）07-0053-07DOI：10.12062/cpre.20170463

铁、铜、铝等大宗金属是我国工业化过程中的基础性和战略性资源，被广泛应用于基础设施、建筑、交通运输、电力电器、机器设备、包装容器等领域[1]，是社会经济发展的重要矿物元素，对经济增长具有关键性作用[2]。2015年中国铁、铜、铝等金属一次矿产的产量分别占其总产量的82%、65%和81%，对外依存度分别高达84%、80%和60%，中国大宗金属矿产资源禀赋的先天不足，使得其高度对外依存和一次矿产为主的矿产资源供应格局短时间内难以改变。本文统计，1996—2015年中国大约累计消费粗钢80亿t、精炼铜1亿t、原铝2.2亿t，大宗金属社会消费蓄积量较大，但其中80%以上的消费量都集中在近10年，现阶段达到生命周期的报废金属可回收量仍有限，未来金属产品的报废回收潜力尚待定量化测算。城市矿产变废为宝，可有效替代原生矿产，减少能源消耗，是重要的战略资源[3]。探明金属社会消费、蓄积和回收间的投入产出规律，预测中国城市矿产中废旧金属的回收潜力，提高金属二次资源的回收和利用效率，对解决中国战略性金属的资源安全和地缘政治下的资源战略问题具有重大现实意义。基于此，本文通过对1949—2015年美国、英国、法国、德国、日本等工业化国家和中国的金属产品消费、蓄积和回收的历史经验分析，对2016—2030年中国铁、铜、铝等大宗金属的报废回收潜力进行测算，以期为政府资源安全保障决策和促进金属二次资源利用提供依据。

1研究方法与数据来源

1.1消费强度（CI）与回收密度（RD）

矿产品使用强度是Wilfred[4]首先提出的一个概念，即每一种矿产被发现后，其使用都有一个上升、到达顶峰、最后缓慢下降的过程。它测度的是人均GDP下的矿产品消费量，用来表征一个国家经济发展过程中的阶段性的矿产品消费指标，同工业化进程和产业成熟度密切相关[5]。本文的消费强度（consumption intensity，CI）是指人均GDP下的人均金属资源消费量，反映金属资源需求与一个国家的经济发展阶段的相关程度及其内在联系。消费强度CI的计算如式（1）所示：

本文设定的“回收密度”（recycling density，RD）是指人均GDP下的社会报废金属人均回收量（不包含金属冶金和生产制造环节产生的废渣和边角料），金属产品的生命周期决定了社会报废金属回收相对于金属产品消费存在一定的时间滞后性，其同样与一个国家的经济发展阶段密切相关。回收密度在不同阶段的不同表征，表明了报废金属资源回收潜力与经济发展阶段的内在联系。报废金属回收密度RD的计算如式（2）所示：

1.2报废金属回收潜力预测模型

1.2.1金属产品寿命分布确定

根据产品生命周期理论，不同类别的金属产品，有不同的使用寿命间隔。含有铁、铜、铝等金属元素的产品在理论上达到其生命周期后将退出社会使用，转化为报废金属品。而生命周期内的金属产品，逐年蓄积，在使用过程中不断增加存量，这些使用中产品的社会存量将转化为未来潜在的报废金属流量。已有研究成果中主要有4种寿命分布函数被用来计算和模拟金属产品的社会存量和报废金属的产生量，不同的数学模型对社会存量和废料产生量的预测会有一定的差异。4种分布主要包括：①针对既定寿命的δ分布[6]；②高斯分布[7]；③对数分布[8]；④韦伯分布[9-10]。由于具有极大的灵活性，在4种寿命模拟中的韦伯分布是最适用的方法[11]。本文在历史金属消费量的基础上，采用韦伯分布模拟报废金属理论产生量。韦伯分布取决于位置参数“a”、比例参数“α”和形状参数“β”，“t”表示测算期间内的任意一年，则产品寿命分布函数f（t）可以表示为式（3）：

1.2.2金属产品报废预测模型

金属产品的报废是一个随机过程，报废金属的产生量与金属产品的消费量及其消费蓄积时间密切相关。由于数据获取难度的原因，本文使用粗钢、精炼铜和原铝的消费量用于替代金属产品中的当年金属元素消费量，并采用至上而下（topdown）的方法測算报废金属的产生量。参考前期研究成果[12-14]，假设第n年金属累计报废率为F（n），则该年金属产品报废率为从F（n）到F（n-1）的单位变化，即F′（n）。

1.3数据来源与处理

1.3.1数据来源

本文所使用的数据主要来源于两个部分：

（1）1949—2015年美国、日本、英国、法国、德国的粗钢、精炼铜、原铝的消费量、废旧金属回收量、再生金属产量等数据来源于美国地质调查局[15]和世界金属统计局[16]。中国粗钢、精炼铜、原铝的消费量、部门消费数据来源于中国有色金属工业协会[17]和中华人民共和国国家统计局[18]。2016—2030年中国铁、铜、铝等金属的消费量、报废量和回收量等数据均为本文测算。

（2）铁、铜、铝等金属产品的生命周期分布、报废金属产生量和报废率的数据主要来源于本文韦伯分布函数和金属報废量模型测算，基于以下四个假设：①消费量为粗钢、精炼铜、原铝消费量（非实际金属产品消费量）；②金属产品生命周期符合韦伯分布；③本文测算不考虑1949年之前数据，只分析1949—2015年金属产品的历史消费量和报废量，以及预测的2016—2030年金属产品的消费量和报废量；④不考虑金属产品制造环节中的金属损失量及其流量。

1.3.2数据处理

参考文献[13]的研究成果，假设金属铜产品消费存量的99.7%寿命周期介于[a，b]区间内，本文确定金属铜在基础设施、交通运输、设施设备和建筑业的四个消费领域的分布参数如表1所示。

参考文献[8—9]的研究成果，本文测算金属铝在包装容器、电力电子、交通运输、机器设备、建筑业、日用品等六个消费领域的寿命分布参数如表2所示。

参考文献[6，11]的研究成果，本文测算钢铁在建筑、交通设备、机器设备、电力电子和其他等五个消费领域的分布参数如表3所示。

2结果与分析

2.1消费强度和回收密度的国际比较

2.1.1钢铁消费强度和回收密度的国际比较

由图1（a），五个工业化国家的钢铁消费强度变化规律相似，当人均GDP不足1万美元区间时（盖凯1 990美元，下同），消费强度呈现快速增加特征；当人均GDP为1万美元时消费强度在500 kg/人附近，到达平台期，进入消费缓慢下降阶段；当人均GDP达到2万美元时，消费强度在450 kg/人附近，开始进入快速下降期，平台期持续了30年左右；2014年中国在人均GDP为8 700美元时已经达到550 kg/人，2015年开始降到540 kg/人，说明2014年中国钢铁消费已经进入平台期，预计2030年中国钢铁消费强度将下降到450 kg/人。

由图1（b），五个工业化国家的废钢回收密度变化规律也趋同：当人均GDP小于1.2万美元时，废钢回收密度较快增长；当人均GDP为1.2万美元时，回收密度为150—250 kg/人，到达增长的平台期，进入回收缓慢增长阶段；当人均GDP达到2.2万美元时，回收密度为200 kg/人左右，增长平台期持续了约25年，然后进入快速增长期，钢铁回收密度快速增长期与消费强度快速下降期之间表现出明显的“脱钩”特征，五个工业化国家均进入快速增长期，人均回收密度超过人均消费强度。2015年中国回收密度仅为100 kg/人，预计2030年可达到220 kg/人，2031年进入钢铁回收较快增长平台期。

2.1.2铜消费强度和回收密度的国际比较

由图2（a），五个工业化国家的铜消费强度也表现出相似性，当人均GDP低于1万美元时，铜消费强度呈现快速增长特征；当人均GDP为1万美元时，消费强度均在10—12 kg/人，到达平台期，进入消费强度缓慢下降阶段；当人均GDP达到2万美元时，消费量均在8—10 kg/人，然后进入消费强度快速下降期，平台期持续了25年左右。2015年中国精炼铜的消费强度在人均GDP为9 000美元时达到8 kg/人，预计在2020年可达到10 kg/人，2021年中国将进入铜消费强度下降平台期，预计2030年中国铜消费强度将下降到9 kg/人。

由图2（b），五个工业化国家的废铜回收密度表现为：当人均GDP低于1万美元时，回收密度缓慢增长；当人均GDP为1万美元时，回收密度为1.5 kg/人，达到平台期，进入回收较快增长阶段；当人均GDP达到2万美元时，回收密度为3.5 kg/人，开始进入快速增长阶段，平台期持续

了30年左右，铜回收增长期与消费下降期之间也表现出明显的“脱钩”特征。2015年中国回收密度仅为0.5 kg/人，预计在2020年达到1.5 kg/人，2021年中国将进入铜回收较快增长的平台期，预计2030年中国铜回收密度将达到3 kg/人。

2.1.3铝消费强度和回收密度的国际比较

由图3（a），五个工业化国家的原铝消费强度变化规律为：当人均GDP低于1.7万美元时，原铝消费强度呈现快速增长趋势；当人均GDP为1.7万美元左右时，消费强度达到20—25 kg/人，到达平台期，进入消费强度缓慢下降阶段；当人均GDP达到2.2万美元时，消费强度在20 kg/人左右，然后进入快速下降阶段，平台期持续了14年左右。2015年中国原铝的消费强度在已经达到23 kg/人，预计在2017年即可达到25 kg/人，2018年中国原铝消费强度将到达平台期，预计2030年中国原铝消费强度将下降到

20 kg/人，仍处在缓降的平台期。

由图3（b），五个工业化国家的废铝回收密度为：当人均GDP低于1.2万美元时，废铝回收密度缓慢增加；当人均GDP为1.2万美元时，回收密度为4 kg/人，到达平台期，进入回收较快增长阶段；当人均GDP达到2.2万美元时，回收密度在7 kg/人左右，开始进入快速增长期，平台期持续了14年。2015年中国的废铝回收密度达到3 kg/人，预计在2030年达到5 kg/人，到达回收密度较快增长的平台期。

2.2中国金属产品理论报废量与回收量测算

图4（a）（b）（c）（d）分别表示在“基础设施”、“建筑”、“交通运输”和“设备部门”等四个领域的废铜回收叠加图。图中每条不同曲线代表1949—2030年间不同年度的精炼铜消费寿命分布曲线，这些曲线在某一具体年度值的叠加代表当年具体消费部门领域产生废铜量。经测算，中国废铜理论报废量从2007年开始快速增加，2015年中

国四个部门废铜理论报废量P（65）为106万t当年实际回收废铜80万t（含铜量），废铜回收率接近80%。2020年理论报废量P（70）为260万t，如果按照80%回收率测算，可回收废铜量200万t；同样计算可得，2030年中国可回收废铜量达400万t，人均回收密度接近3.5 kg/人。

对钢铁和铝金属重复上述计算可得：①中国废钢理论报废量从2000年开始快速增加2015年五个部门废钢理论报废量为1.1亿t，当年实际回收废钢9 000万t（含铁量），2030年可回收废钢达3亿t，人均回收密度220 kg/人；②中国废铝理论报废量从2004年开始快速增加，2015年中国六个部门废铝理论报废量为450万t，当年实际回收废铝408万t（含铝量），2030年中国可回收废铝达700万t，人均回收密度5 kg/人。

3结论

从中国金属资源安全的角度来看，优化战略性金属矿产的供应结构，降低对外高度依存的一次矿产在供应结构中比例，通过合理的政策导向有效增加中国城市矿产开发效率，挖掘废旧金属的回收和利用潜力，是矿产资源产业政策的主要目标之一。本文以铁、铜、铝等三种金属矿产为例，采用中国、美国、英国、法国、德国、日本等国家1949—2015年的面板数据，通过构建金属消费强度和回收密度指数分析美国等工业化五国金属消费和废旧金属回收规律，进而预判和分析中国大宗金属的报废和回收变化趋势。主要结论如下：

（1）样本期内，五个工业化国家铁铜铝消费强度经历了上升、平台缓降和快速下降的过程，而回收密度则经历了缓慢上升、平台较快增长和快速增长的三个阶段，并在

第三阶段出现明显“脱钩”特征，工业化国家回收密度高于消费强度，具有金属社会消费存量饱和下的消费流量自循环特征。

（2）中国铁、铜、铝等三种金属的消费强度快速增加主要集中在2000年以后，但三种金属回收密度变化却出现相对滞后特征，2007年以后才略有加快。

（3）2015年，中国钢铁、铜、铝三种金属的消费强度分别是540 kg/人、8 kg/人和23 kg/人，而回收密度分别为100 kg/人、0.5 kg/人和3 kg/人，回收密度与消费强度比例分别仅为18%、6%和13%，远低于五个工业化国家的

水平。

（4）2030年，预计中国铁、铜、铝等金属的消费强度将分别为450 kg/人、9 kg/人和20 kg/人，相对于2015年水平变化不大，仍处在缓慢下降的平台期；而回收密度将分别达到220 kg/人、3 kg/人和5 kg/人，均进入加快增长的平台期。回收密度与消费强度比例分别增加至49%、33%和25%。未来中国社会报废金属回收潜力巨大，如果能加以有效政策引导，加快回收利用，可大大缓解中国大宗金属的安全保障压力。

上述结论蕴含的对策建议包括：①现有对“城市矿产”的研究仍处于起步阶段，基于工业化和城市化进程的城市矿产存量的饱和度和流量的自循环规律仍需深入探索，传统的金属物质流分析更多关注产业流量属性，仍需补充社会属性下的空间分布差异性、趋势性、阶段周期性和突变性等时空演变分析，应系统开展城市矿产的成矿理论和时空演化机理的研究。②人类社会发展需要的矿产资源主要是矿物元素及其性能，金属产品报废是生命周期下的产品报废，不是金属元素本身，它会随着再生和消费不断循环利用。因此，开展基于物质流的金属矿产和城市矿产的存量和流量测算，深入挖掘废旧金属资源的潜力和规律，成为重点研究课题。③矿产资源产业政策应将提高自然矿产和城市矿产的勘探开发效率作为主要目标，国土资源管理部门就应该扩展矿产资源内涵和外延，以矿物元素的全物质流开发和可持续管理为矿产资源管理的核心内容，结合自然矿产的地质调查经验和数据基础，开展全国性的“城市矿产”地质调查工作，从资源安全战略角度为国家提供科学的、可持续的矿产资源大数据和决策支撑。

（编辑：李琪）

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