王俊博^1,, 范蕾¹, 李新^1,, 柳群义², 邢万里², 赵琪³
1. 成都理工大学,成都610059
2. 中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037
3. 中国地质大学（北京）,北京100083

Research on the social stock of copper resources in China based on the material flow analysis

WANGJunbo^1,, FANLei¹, LIXin^1,, LIUQunyi², XINGWanli², ZHAOQi³
1. Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
2. Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China
3. China University of Geosciences （Beijing）Beijing 100083,China
通讯作者:通讯作者:李新,E-mail:lixin2012@cdut.cn
收稿日期:2015-07-29
修回日期:2015-11-19
网络出版日期:2016-05-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:四川省社会科学高水平研究团队（SCGTD2015002）成都理工大学优秀创新团队基金（KYTD024）四川省石油天然气中心课题（SKB12-02）
作者简介:
-->作者简介:王俊博,男,吉林辽源人,硕士生,研究方向为资源管理工程。E-mail:200854008@qq.com



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摘要
中国作为铜资源消费大国,保障铜资源的可持续供应是经济建设进程中的首要任务,科学地计算和评价中国铜资源的社会存量可为中国铜业的可持续发展及铜资源的循环利用提供重要的数据保障。本文运用动态物质流分析（MFA）方法、Weibull分布方法和生命周期方法并结合Minitab软件计算了1990-2013年中国铜产品的报废量和铜资源的社会存量。计算结果显示:①1990-2013年中国铜产品的理论报废总量为1521万t,社会蓄积量为6504万t;②2013年中国再生铜产量占精炼铜产量的38.4%,低于世界平均水平（40%）;③以国内废杂铜为原料的再生铜产量占再生铜总量的36.5%。研究结果揭示:中国国内铜资源报废量和社会蓄积量将会持续增加,未来将会保持这种增长趋势;中国国内的废杂铜没有得到有效利用;中国再生铜的原料主要源于进口废杂铜,在铜资源对外依存度居高不下的情况下还没有意识到中国国内废杂铜循环利用的重要性;在精炼铜消费量持续增长和自给能力有限以及进口受限的综合压力下,再生铜必将成为未来中国铜供给的主要来源。建议在中国铜资源禀赋条件差的条件下增强废杂铜的回收利用,提高废杂铜的利用效率,来保障中国铜资源的供给安全。

关键词：物质流;报废量;再生铜;回收利用;供给
Abstract
China is a major consumer of copper resources, ensuring the sustainable supply of copper resources is the most important task in the process of economic construction, Scientific calculation and evaluation of the social stock of China's copper resources of Chinese copper industry sustainable development and copper resources recycling provides important data security. In this paper, the dynamic material flow analysis (MFA) method, the Weibull distribution method and the life cycle method are used to calculate the amount of scrap and the social stock of copper resources in 1990-2013, which is combined with the Minitab software. The calculation results show that: (1) from 1990 to 2013 China copper product theory of total scrapping of 15.21 million tons, society volume of 6504 million tons; (2) 2009-2013 copper products in China and the theory of scrap and the mean value was 169.8 million tons, the stock of social resources of copper 447.2 million tons of annual mean; (3) in 2013 China recycled copper production accounted for 38.4% of copper production refining, lower than the world average level (40%); (4) to domestic scrap copper as raw material of recycled copper production accounts for 36.5% of the total copper regeneration. Results revealed: China's domestic copper resources scrapped and social accumulation volume will continue to increase, future will maintain this growth trend, China's domestic scrap copper have not been effectively utilized; the main source of China's renewable copper raw material on imported waste miscellaneous copper, copper resources foreign according to keep a high degree of is not aware of China's domestic scrap copper recycling the importance; in refined copper consumption continues to grow and the integrated pressure capacity is limited and restricted imports of self-sufficiency, regeneration copper will become the main source of supply of copper in China in the future. The proposal is to enhance the recovery and utilization of the waste copper and improve the utilization efficiency of the copper resources in China, and to ensure the security of the supply of copper resources in China.

Keywords：material flow;scrap copper;secondary copper;reclamation;supply

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王俊博, 范蕾, 李新, 柳群义, 邢万里, 赵琪. 基于物质流方法的中国铜资源社会存量研究[J]. , 2016, 38(5): 939-947 https://doi.org/10.18402/resci.2016.05.13
WANG Junbo, FAN Lei, LI Xin, LIU Qunyi, XING Wanli, ZHAO Qi. Research on the social stock of copper resources in China based on the material flow analysis[J]. 资源科学, 2016, 38(5): 939-947 https://doi.org/10.18402/resci.2016.05.13

1 引言

铜熔点低,易再熔冶练,回收利用率高,能耗低,经济效益显著,是极为重要的“绿色金属”,是继铁、铝之后,世界消费量最大的金属矿产之一^[1],被广泛应用于电子工业、电力工业、机械制造、国防军工和工艺品制造中。
研究发现,中国铜的生产规模和消费水平显著提升。1990-2013年,中国精炼铜消费量的年平均增长率为7%。从1998年开始,中国精炼铜消费量开始显著提升,2002年中国精炼铜消费量（268万t）超过美国（237万t）, 2006年中国的精炼铜消费量达402万t,超越欧盟精炼铜消费量（390万t）,该阶段（1998-2013年）中国精炼铜的年平均消费增长率为12.8%^[2]。中国精炼铜的年消费量将会持续增长并且在2020-2025年达到年消费量的峰值,即1500万~1800万t^[3]。中国已经成为世界上最大的精炼铜消费国,驱动全球铜资源消费,2013年中国精炼铜消费量占全球消费量的43%左右^[4],但国内铜矿产量占本国精炼铜消费量的比值不足10%。中国铜资源供应短缺,人均占有量远低于世界平均水平,国内矿山铜的供应能力有限,产量峰值在200万~250万t^[5],不能满足国内对精炼铜的需求,具体表现为:铜矿区分散、小矿多、大矿少;在已探明的铜矿中平均品位只有0.87%,贫矿多、富矿少、伴生矿多、冶炼技术低、开采成本高;铜资源储量不足,多数矿区资源接近枯竭。2013年中国铜资源的对外依存度高达74.3%,随着铜资源供需缺口日益增大,中国不得不依靠进口铜资源来满足市场需求。加以国外经济体控制进口价格,铜矿的期货价格由2002年的19 800元/t增至2011年的66 000元/t^[6],增加了3倍,进口成本提高,在一定程度上影响国家经济安全^[7]。同时,在进口和运输环节存在地缘安全的风险^[8]。对外依存度的不断攀升、新兴工业化国家的崛起都使得中国在国际铜市场的份额受到挤压。综上所述,在资源、贸易、经济和环境的多重压力下,都说明中国迫切需要加强铜循环再生研究来保障资源安全,未来中国的再生铜将成为主要的铜资源供给来源^[9]。目前中国再生铜的原料主要来自进口废杂铜,而中国国内废杂铜利用率很低,并且国内****没有量化铜资源社会存量的数值,所以本研究的重点是量化中国铜资源的社会蓄积量。

2 研究理论支撑与研究思路

2.1 研究理论支撑

物质流方法（MFA）是系统地确定已预定的时间和空间范围内物质的流量和存量的评估方法,基于质量守恒定律跟踪物质的循环过程,以及循环过程中造成的环境负荷^[10],以量化以往时间范围内的物质流过程,建立物质流动模式并应用产品量和产品寿命,跟踪该物质在物质流循环过程中的瞬时变化^[11,12]。在过去20年中物质流分析（MFA）方法已成功应用在时间和空间界限内的评估和分析,用以评估资源利用和环境影响形势,并制定环境和资源管理的长期政策。Davis等和Hatayama等用该方法分别分析了日本的钢铁和英国铝的结构变化^[13,14]。温宗国运用存量预测模型分析了中国铜资源代谢趋势^[15]。本文所采用的流量、存量法被广泛运用到Zn、Al、Cu等循环分析中^[16-21],并采用动态物质流分析方法（MFA）定量分析铜资源的循环情况,测算铜资源的社会存量。
通常情况下,动态物质流分析方法（MFA）涉及以下4个步骤 ^[11]:
（1）定义系统边界和产品分类,限定研究目标在空间和时间上的界限;
（2）确定铜资源各消费行业的生命周期和寿命分布;
（3）通过在时间分布上每一个产品组产生废杂铜的来量来预测未来废杂铜总量趋势;
（4）通过量化物质流分析方法的结果并根据研究目的和数据结果进行定量分析和定性分析,并解释得出的定量信息。

2.2 研究思路

本研究对1990-2013年（限定时间）中国大陆（区域范围）的铜资源流动进行跟踪,包括生产、制造、使用、报废、回收、进口、出口和废料处理等环节,追踪铜资源在经济社会中的循环过程（图1）。运用Weibull分布方法和生命周期分布函数计算目标年的含铜产品的报废量,并通过物质流动态守恒过程逐年计算目标年铜的社会存量,并结合以往回收参数测算再生铜产量。
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图1铜物质流图循环过程
-->Figure 1Cyclic process of copper material flow chart
-->

本研究结合中国的精炼铜消费情况并参考相关文献,将中国铜资源划分为六大消费行业,分别是电力、空调制冷、交通运输、电子、建筑和其他行业^{[14,15,22,23]}。

2.3 目标组的生命周期确定

针对每个目标组生命周期的确定,主要是利用含铜量计算铜资源的投入,且将生命周期定义为铜从原料生产到报废的时间。六大消费行业的铜资源生命周期分布,如表1所示。
Table 1
表1
表1六大消费行业铜产品生命周期分布
Table 1Life cycle distribution of six main copper industries

行业分组	使用年限/年	平均生命周期/年
电力	10~25	15.5
空调制冷	6~15	10.0
交通运输	10~16	12.2
电子	5~15	8.6
建筑	23~40	29.3
其他	5~15	8.6

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3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

3.1.1 各类铜产品寿命分布的确定
国内外****对产品寿命分布的表征方式有四种类型:产品平均寿命、指数和正态分布、对数分布以及Weibull分布。与其他统计分布相比,Weibull分布被广泛应用于机械、电子、电气、材料等寿命范围更广的产品模拟（产品寿命指原料生产到报废的时间）中并能够在获取有限数据的情况下提供较准确的模式分析图表^{[11,13,24,25]}。Weibull分布可应用于多种形式,本文研究采用双参数Weibull分布表征不同行业铜资源的生命周期分布,使用Minitab软件制作密度函数曲线:
F(t)=1-exp[-[(tη)]β]（1）
式中 F(t)为生命周期分布函数(报废函数)（F>0）;t为产品生命周期（t>0）;β决定曲线形状（β>0）;η决定曲线尺度放大或缩小（η>0）。
3.1.2 随时间变化各铜产品产出废料计算
含铜产品在经过一定时期使用后报废,报废的铜一部分被回收,另一部分流失。由于含铜产品报废规则符合Weibull分布,因此,废杂铜的存量应为前一年消费总量乘以当年含铜产品的报废率。本文中,结合动态物质流方法计算出每个目标年铜资源的社会存量。
假定,第n年的报废率为f（n）,该年累计报废率为F（n）,则这一年的报废率从F（n）到F（n-1）变化,即F’（n）^[11]。
F′(n)=exp[-(n-1η)β]-exp[-(nη)]β]（2）
不考虑进、出口条件下,设t年的金属产品最终消费量为T（t）,n年相应报废率为P（n）,则可得到:
P(1=T0)·F′(1P(2=T0)·F′(2+T(1)·F′1P(3)=T(0)·F′(3)+T(1)·F′(2)+T(2)·F′1
以此类推,则可以得到方程（3）:
P(n)=∑t=0n-1TtF′(n-t)（3）

3.2 数据来源与数据处理

3.2.1 数据来源
本文所使用的数据主要来源于两部分:
（1）中国铜产量、消费量、六大消费部门及其产品寿命的数据来源于“中国有色金属工业年鉴”^[26]、“中华人民共和国国家统计局”^[27]、“美国地质调查局”^[28]。
（2）铜产品的生命周期分布和废杂铜产生量以及报废率。数据主要通过对第（1）部分统计数据进行数学建模计算得出。铜数据均为含铜量,由于统计数据的来源口径不一以及测算方法的误差,本研究中铜资源数值占实际数值的90%以上。
3.2.2 数据处理
1950-1990年,中国铜消费量平均值为19万t,且整体趋势平缓,在生命周期分布中研究意义不大,且中国精炼铜消费量自1998年才开始呈上升趋势。故选取1990年作为起始年将1990-2013年中国铜数据作为研究对象（图2）。
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图21990-2013年中国精炼铜消费情况
-->Figure 2Consumption of refined copper in China from 1990 to 2013
-->

使用动态MFA模型从每部分的铜产品消费情况（即目标年国内铜产量和进出口的量）和Weibull分布可预测铜社会存量的变化和目标年六大消费行业废杂铜产生量。
图2为1990-2013年中国六大产业的精炼铜消费情况。电力行业占中国精炼铜消费份额较大,平均比值达47.87%。1990–1995年间,精炼铜的消费总量为87万~113万t,均值为102万t,整体呈平缓趋势无明显波动。自1998年,铜的消费量显著提升,1998-2013年间铜资源消费区间在132万~930万t之间,均值为413万t,增幅显著。
有****研究得出中国精炼铜消费与中国的GDP增长呈正相关（图3）^[3,29,30],随着GDP的增长铜消费量也同步增加,自1998-2013年中国GDP增长了6.9倍,精炼铜消费量增长了6.1倍,耦合性明显。1990-2013年中国六大产业的精炼铜消费量符合线性方程,如表2。较多****认为在2020-2025年中国将迎来铜消费峰值,即1500万~1800万t,甚至超过2000万t^[3,31,32]。
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图31990-2013年中国人均GDP与人均精炼铜消费量关系
-->Figure 3The relationship between GDP per capita and the consumption of refined copper per capita in China from 1990 to 2013
-->

Table 2
表2
表21990–2013年六大行业精炼铜消费趋势方程
Table 2The equation of refined copper consumption of six main copper industries from 1990 to 2013

行业分组	方程
电力	T（t）=16 143t-42 320
空调制冷	T（t）=50 423t-16 024
交通运输	T（t）=35 582t-90 882
电子	T（t）=25 230t-67 696
建筑	T（t）=31 511t-82 274
其他	T（t）=37 368t-95 538

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根据表1中六大产业含铜产品的使用年限和平均生命周期,运用Minitab软件和Weibull分布方法得到形状和尺度参数以及各部分含铜铜产品的报废率。六大产业含铜产品的报废率的函数关系式,如表3所示。通过废料率则能够计算出目标年各产业的含铜产品报废量。
Table 3
表3
表3六大行业含铜产品报废率公式
Table 3The equation of scrapped rate of six main copper industry products

行业 分组	参数		函数公式
	η	β
建筑	33.72	6.93	F（t）=1-exp[-（t/33.72）6.93]
电力	14.27	4.34	F（t）=1-exp[-（t/14.27）4.34]
空调	11.59	4.17	F（t）=1-exp[-（t/11.59）4.17]
其他	11.14	3.60	F（t）=1-exp[-（t/11.14）3.60]
电子	11.14	3.60	F（t）=1-exp[-（t/11.14）3.60]
交通	13.96	7.43	F（t）=1-exp[-（t/13.96）7.43]

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4 研究分析

4.1 结果分析

由公式（3）可以计算出六大行业铜产品的废料产生量,求和计算废料产生总量。选取1990年为起始年,在整个研究区间内,废杂铜的产生量逐年上升,1990-1993年几乎没有产生废料（图4）。
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图41990-2013年中国铜报废量
-->Figure 4Scrapped quantity of copper in China from 1990 to 2013
-->

多数含铜产品的生命周期相对较短,可在短时间内得到废料报废量,而建筑行业含铜产品使用年限相对较长,达20~40年不等,因此在所研究时间范围内（1990-1994年）仅有极少报废量,可忽略不计。除建筑行业外其余五大行业的报废量呈逐年上升趋势,且电力和空调制冷行业含铜产品的报废量是废杂铜的主要来源（图5）。
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图5六大行业铜产品生命周期分布
-->Figure 5Life cycle distribution of six main industry copper products
-->

通过Minitab软件和Weibull分布得出的六大行业报废率分布如图5所示。电子、空调制冷、其他和交通4个产业的生命周期相对较短,集中在1990-2020年之内报废。电子产业的报废率在2016-2018年达到最高值,而建筑产业的报废率则在2022-2024年达到最高值。在第一个生命周期（图中标注1）结束之后,下一个生命周期（图中标注2）开始,在时间序列内含铜产品的报废量将持续增加,2013年中国的废杂铜为197万t比1995年增加了近68倍。

4.2 总体测算

通过每一目标年中国铜矿产量、新废料生产的再生量、旧废料生产的再生铜量、废杂铜进出口量、铜产品进出口量、精炼铜消费量等数据计算,得出每一目标年中国铜的社会存量（含铜量）,2013年当年中国的铜资源社会存量为525万t,1990-2013年共计6504万t。电子、空调、交通和其他4个产业铜产品的生命周期在2006年前后进入生命周期末期,铜资源报废率降低的同时报废量也随之降低,加之2008年金融危机的影响,中国铜的消费量短期内增长速度放缓,变现为1990-2007年铜资源社会存量显著上升,2007-2013年铜资源社会存量呈缓慢上升趋势,如图6。本文通过物质流分析（MFA）方法进行研究,铜资源在生产、贸易和消费过程中是一个循环的过程,报废量将会持续增加,也说明可利用铜总量也在增加。
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图61990-2013年中国铜资源社会存量
-->Figure 6Social stock of copper resource in China from 1990 to 2013
-->

4.3 铜物质流过程

铜物质流过程见图7。计算结果显示:2013年中国国内矿产铜量为178万t、粗铜产量为370万t、精炼铜产量为649万t;国内废铜利用量为77.4万吨,其中旧废料理论利用量为61.3万t（含铜量）,新废料利用量为16.1万t（含铜量）,而当年再生铜总产量为249.3万t^1）(1）《2013年中国再生有色金属产业发展报告》数据显示中国再生铜产量约为275万t,与本研究所得结果基本吻合。);中国铜产品报废量为197.6万t（含铜量）。
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图72013年铜物质流过程注:图中数据单位是万t;L是生产加工过程中铜耗散的量。
-->Figure 7The diagram of copper material flow in 2013
-->

经测算,2013年中国废铜利用率为39.1%（废铜利用量/废铜总量）;以国内废杂铜为原料的再生铜产量占再生铜总量的36.5%;再生铜总产量占精炼铜总量的38.4%;在生产、加工、使用和废料管理四个阶段耗散的铜含量为72.04万t,进入社会存量未利用的精炼铜为84.5万t,计算方法见文献^[33-39]。

5 结论

本文利用物质流分析（MFA）方法,对1990-2013年中国铜资源社会存量进行一系列研究,得出以下结论:通过对比分析中国精炼铜消费量、自产量和进出口数据发现,中国精炼铜消费量将继续增加,1990-2013年中国精炼铜消费量增加了9.68倍,2013年中国铜的平均对外依存度达到74%;2013年中国以国内废杂铜为原料的再生铜产量占再生铜总量的36.5%,再生铜总量为249.3万t,再生铜总量占国内精炼铜总量的38.4%;对铜资源的六大消费部门运用Minitab软件结合Weibull分布方法计算的出1990年—2013年间的报废总量为1521万t,结合生产,消费,贸易等数据得出铜资源社会蓄积量为6504万t。
在所研究时间和区域范围内中国的精炼铜消费量呈持续增长趋势,铜矿产量不能满足消费需求,主要通过进口废杂铜、铜矿石、铜材和再生铜来满足消费需求,且再生铜的主要原料是进口废杂铜,而国内每年报废的含铜产品没有得到有效利用。国内相关部门应出台行之有效的政策法规引导并鼓励回收利用企业加强对国内含铜报废产品的回收并引进国际先进技术提高对废杂铜的利用率和回收率;国内铜矿企业应改进生产工艺提高对铜矿石的生产利用效率,降低含铜气液、矿渣、尾矿的排放,把生产重心从矿山铜逐渐转移到废杂铜的回收利用和再生加工利用。在短期内,中国应保持铜矿石、铜材、废杂铜等含铜产品的进口量来保障国内对铜资源的高需求量并在贸易角度确保国内铜资源的社会蓄积量,为再生铜提供充足的原料。综上所述,中国应合理优化废杂铜回收管理流程,从而提高其回收利用效率以缩小供需缺口,进而降低对外依存度来保障未来中国的铜产业和社会经济能够安全、平稳、健康的发展。
The authors have declared that no competing interests exist.

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