中国废旧电脑产生量及其金属存量分析研究

郭学益,张婧熙,严 康,田庆华*(.中南大学冶金与环境学院,湖南 长沙 40083；2.中国有色金属工业清洁冶金工程研究中心,湖南 长沙 40083)

中国废旧电脑产生量及其金属存量分析研究

郭学益1,2,张婧熙1,严 康1,田庆华1,2*(1.中南大学冶金与环境学院,湖南 长沙 410083；2.中国有色金属工业清洁冶金工程研究中心,湖南 长沙 410083)

本研究基于对全国电脑消费者的调研,采用Logistic模型对我国电脑的销售量和平均保有量进行了预测,采用群体平衡模型估算了我国废旧电脑的产生量,采用质量守恒原理对废旧电脑中赋存的有价金属的量做了预测分析.结果表明,到 2030年,我国废旧电脑的产生量约为368百万台,其中金的存量约为157.74t、银的存量约为478.12t、钯的存量约为46.72t,铜的存量约为10.91万t.

废旧电脑；产生量；金属资源；存量；Logistic模型

随着科学技术的不断进步和生产效率的提高,电脑的性能愈来愈趋于网络化、微型化和智能化,电脑已成为更新速度快、使用寿命不断缩短的一类电子产品,因此我国废旧电脑的产生量正急剧增加.据相关文献报道,废旧电脑中含有大量铜、铁、铅、锡、镍、锑等有价金属以及金、银、钯、铂等稀贵金属[1-2].但同时废旧电脑中也含有大量镍、镉、铍、梯、砷、铅、溴化阻燃剂等有毒有害物质,若不能得到合理的处理处置,将会对生态环境和人体健康造成严重的影响[3-4].我国已超过美国成为世界最大的电子垃圾制造国,而随着我国城市化和人口密度的不断增加,我国的生态环境将愈发脆弱[5].因此对废旧电脑中有价金属的综合回收不仅能够提高二次资源的经济价值、提高资源的利用效率、解决部分资源压力,更能够减轻废旧电脑对环境的污染以及对人体健康的伤害[6].

基于以上因素,我们迫切需要一种有效的、可定量化分析的工具来鉴别废旧电脑的产生量,从而在废旧电脑的回收处理和资源化再利用等方面取得最大的环境效益和经济效益,而对废旧电脑产生量的估算和对其中有价金属存量的估算可以很好地解决上述难题[7].目前世界上有多种用于电子废弃物产生量估算的数学模型,国内使用较多的估算模型有市场供给模型[7]、市场供给A模型[8]、卡内基梅隆模型[9]、斯坦福模型[10]、时间梯度模型[11]和 IER模型等.2016年,Huabo Duan等人[12]基于文献调研、ZDC和太平洋电脑网的数据,采用Sales Obsolescence模型和Monte Carlo模型预测了我国9种典型电子废弃物的废弃量,并计算了其中线路板和锂离子电池的金属赋存量;2016年,Zeng等[13]基于专家访问及文献调研的数据,采用物质流分析模型和时间梯度模型,预测了我国14种典型电子废弃物的产生量及其中部分金属赋存量;2016年,Song等[14]采用斯坦福模型和Gompertz曲线模型预测了我国废旧打印机的产生量;李博等[15]、Oguchi等[16]、Lin[17]、张默等[18]分别采用不同的分析预测模型,选择性的预测了电视机、电冰箱、洗衣机和空调的产生量.Zeng等[19]、童昕等[20]、林逢春等[21]通过分析废旧电子电器产品的处理情况提出了许多有助于未来电子废物管理和处置的政策及建议.

由目前国内电子废弃物产生量的研究可知,研究主要采用市场供给模型、市场供给A模型、时间梯度模型进行估算,电子产品的使用寿命、总重量、各部件金属含量及分布情况等研究所需基础数据多来自于文献,研究多侧重于电子废弃物的管理与政策等方面,对其中包含的有价金属信息及其资源效应关注较少.因此,基于对全国电脑消费者使用行为的问卷调查以及国内某电子废弃物资源化利用公司的现场调研,本研究采用 Logistic模型对我国电脑的销售量和平均保有量进行预测,并采用群体平衡模型估算了我国废旧电脑的产生量,同时基于质量守恒原理对废旧电脑中赋存的有价金属的量做了预测分析,为电子废弃物的资源化回收利用提供基础数据.

1 研究方法

对于电脑保有量和废旧电脑产生量的预测是进行有价金属预测和回收网络构建的基础和前提[22].产品消费的增长可以根据“经济增长理论”分为4个阶段:初级阶段、快速增长阶段、饱和阶段以及下降阶段(即当产品变得过时、不再销售或被另一种产品取代时)[23].某种产品平均保有量的增长曲线,若不考虑其下降阶段,将呈现一个“S”形.S型的演变曲线能够清楚的描述整个过程,同时展示整个过程中的典型特征,如增长能力、拐点和饱和点等[24].因此本文使用 Yang和Williams提出的Logistic函数模型进行预测[25].

1.1 电脑销售量的计算方法

国内电脑的生产量、进口量和出口量是 3个很重要的参数.国内电脑销售量可由公式(1)计算得到:

式中:P(t)表示第t年内电脑的国内销售量.

1.2 电脑社会保有量计算方法

本文采用Logistic函数模型对全国电脑的保有量进行预测,具体预测公式如下:

式中:Nau(t)和 Nar(t)分别为城镇和农村每百户居民电脑拥有量的预测量;Nmax_u和Nmax_r分别为城镇和农村每百户居民电脑平均拥有量的最大值,t0表示Logistic回归线起点年份;Au和Ar分别等于-exp{Bu(t1/2-t0)}和-exp{Br(t1/2-t0)},其中 t1/2为当保有量达到最大平均拥有量的二分之一时的年份;Bu和Br分别表示城镇和农村电脑拥有量的增长速度,是分别由2000年到2014年的Nau(t)和 Nar(t)计算得到;N(t)为第 t年内全国总的电脑保有量;Hu(t)和Hr(t)分别表示第 t年内的城镇和农村居民百户家庭的数量,可以通过城镇和农村的人口数分别除以城镇和农村居民家庭大小得到.在这些参数中,Au、Ar、Bu和Br都是基于过去城镇和农村电脑平均拥有量的发展趋势,通过Logistic回归而得到.

Habuer等[26]预测,到 2030年中国城镇每百户电脑拥有量的最高水平为 98.75台,中国农村每百户电脑拥有量的最高水平为50台. Dwivedy等[11]预测,到 2030年美国每百户电脑拥有量的最高水平为120台,最低水平为100台.由《中国统计年鉴》[27]可知,2014年中国城镇每百户电脑的拥有量已达到98.46台.鉴于以上信息,本文假定中国城镇每百户电脑拥有量的极大值为 120台.随着中国经济近年来的飞速发展,中国农村电脑的普及率越来越高,而目前农村电脑拥有量变化情况正处于上述“增长理论”的初级阶段或快速增长阶段,因此,本文假定到 2030年中国农村每百户电脑拥有量的极大值为80台.

1.3 电脑使用寿命分布分析方法

产品寿命分析通常有多种处理方法[28],本文采用应用最多Weibull分布来对废旧电脑的使用寿命进行预测[29],其基本公式为:

式中:F(t)为电脑使用第t年的累积废弃率;α为范围参数,即Weibull寿命分布的特征参数;β为形状参数;γ为位置参数.在本研究中,由于位置参数对研究几乎不产生影响,因此设γ=0,即:

在两参数的情况下,平均值的计算公式如式(7)所示,其中Г为伽马函数:

1.4 废旧电脑产生量预测方法

本研究采用群体平衡模型对废旧电脑的产生量进行估算,其产生量可以通过销售量和寿命分布计算得来,计算公式如下[30]:

式中:G(t)为第 t年废旧电子电器产品的产生量,百万台;P(t-i)为第(t-i)年国内的销售量,百万台; f(i)表示寿命分布函数.未来国内销售量 ˆ()Pt可以通过公式(9)预测得到,f(i)可通过Weibull分布函数计算得到,计算公式如式(10):

1.5 废旧电脑中金属存量预测方法

废旧电脑的年产生重量可以通过公式(11)计算得到,废旧电脑中金属存量的估算可以由公式(12)得到:

式中:∑mk(t)为第t年元素 k的总重量,t;Wt为第t年废旧电脑的总重量,t;w(t-i)为第(t-i)年废旧电脑的平均重量,吨;Cj指组件j在废旧电脑中的质量百分比;xj,k指组件j中元素k的质量百分比.

1.6 数据来源

表1 我国人口数量发展趋势Table 1 Population trend in China

图1 笔记本电脑及台式电脑使用寿命分布Fig.1 Lifespan distribution of notebook and desktop computer

本研究中,电脑的国内生产量、进口量和出口量的数据均来自于《中国海关统计年鉴》[31]和《中国电子信息产业统计年鉴》[32];2000～2014年中国人口数量、平均家庭户规模以及城镇和农村每百户居民电脑拥有量数据来自于《中国统计年鉴》[27].

随着2016年1月1日全面二孩政策的推行,中国未来人口增长趋势将发生重大变化,因此作者采用孟令国等提出的中国人口结构预测中的高生育率方案作为本文 2015～2030年人口数量的数据来源,具体人口发展趋势如表1所示[33].

用于笔记本电脑、台式电脑和全国电脑的Weibull寿命分布参数分析的数据均来自于问卷调研.由于本次问卷是针对全国电脑使用者设计,覆盖面积较广,因此本研究采用网上发放调查问卷以及实地调研的方式来进行,历时 3个月,共回收有效问卷1022份,调研数据如图1所示.

表2 废旧电脑各部件金属含量Table 2 Metal content of components in obsolete computers

表3 笔记本电脑各部件重量组成(%)Table 3 Proportion of component in laptop computer (%)

表4 台式电脑显示器各部件重量组成(%)Table 4 Proportion of component in desktop computer display (%)

表5 台式电脑主机各部件重量组成(%)Table 5 Proportion of component in desktop computer host (%)

废旧电脑的重量组成以及各部件元素组成数据均来自于某电子废弃物资源化公司的现场调研,并取该公司一年内拆解废旧电脑的生产数据的平均数作为本文的基础数据.所得废旧台式电脑显示器的平均重量为 13.80kg,废旧台式电脑主机的平均重量为 6.55kg,废旧笔记本电脑的平均重量为 2.26kg.废旧电脑中各部件的金属含量如表 2所示,电脑显示器的金属含量由于显示器的类型与尺寸不同而取其平均值.笔记本电脑各部件的重量组成如表 3所示,台式电脑显示器各部件的重量组成如表 4所示,台式电脑主机各部件重量组成如表5所示.

2 结果分析

电子产品的销售量是预测废旧电子产品总重量的前提.通过对销售量的分析能更好地掌握电子产品使用年限、报废比例等必要因素,并更为准确地获得各年废旧电子产品产生量的预测结果,因此本文采用电子产品销售量作为原始数据.根据《中国电子工业年鉴》[34]和《中国电子信息产业统计年鉴》[32]的数据,我们可以得到2000～2014年的国内电脑的销售情况,如表 6所示.

将已知的2000 ～ 2014年中国城镇和农村每百户居民电脑拥有量数据、未来人口增长趋势以及平均家庭户规模增长趋势带入Logistic函数模型预测,计算出2000～2030年中国城镇和中国农村电脑拥有量的发展趋势,分别如图2和图3所示.由图可知,2016年我国城镇和农村每百户电脑拥有量分别为98.77和52.95台.随着科学技术的快速发展,未来 15a内我国城镇和农村的电脑拥有量皆呈持续增长的趋势,但其平均增长率较前 15a的平均增长率都将放缓并趋于平稳,其中农村电脑拥有量的增长趋势较城镇更为明显.

表6 中国电脑销售量Table 6 Sales amount of domestic computers

图2 中国城镇每百户电脑拥有量发展预测Fig.2 Trend analysis of average possession of computers per 100 urban households

由式(4)可知,全国电脑保有量为城镇和农村的家庭电脑平均拥有量分别乘以城镇和农村家庭数量的总和.由图4可知,2015年全国每百户电脑平均拥有量为72.04台,随着时间的推移全国电脑拥有量持续增长,到2030年全国每百户电脑平均拥有量为102.76台.由图5可知,根据预测得到的全国每百户电脑的平均拥有量,并结合我国未来15a的人口发展预测情况,到2030年全国电脑的拥有量为482.21百万台,且2025年后我国电脑的拥有量将达到相对稳定水平,为479百万台.

图3 中国农村每百户电脑拥有量发展预测Fig.3 Trend analysis of average possession of computers per 100rural households

图4 全国每百户电脑拥有量发展趋势Fig.4 Trend analysis of average possession of computers per 100households

产品寿命分布是研究电子废弃物产生量必不可少的参数[35].用于笔记本电脑、台式电脑和全国电脑寿命分布分析的调研数据如图 1所示.由图1可知,中国85.06%的笔记本电脑的使用年限在 5a以下,89.06%的台式电脑的使用年限在6a以下,明显低于笔记本电脑的设计使用年限 7～ 8a和台式电脑的设计使用年限9 ～ 10a.

将图1得到的数据代入Weibull分布函数进行预测,可得全国电脑的 Weibull寿命分布参数,其中形状参数b等于2.28,范围参数α等于3.57,即全国电脑的Weibull寿命分布函数为:

图5 全国电脑拥有量发展趋势Fig.5 Trend analysis of possession amount of computers in China

由式(13)可得全国电脑的 Weibull寿命分布图,如图6所示.由图可知,全国电脑的使用寿命为3 ～ 4a,且使用寿命在5a以内的电脑占到了全国电脑的88.39%.由表7可知,1993 ～ 2003年中国电脑平均使用寿命为3.50 ～ 5.20a,2003 ～ 2010年中国电脑平均使用寿命为 4.50a,且随着信息技术的快速发展和人们生活水平的提高,电脑平均使用寿命在渐渐缩短.本研究中全国电脑的平均使用寿命为3.66a,符合电脑使用寿命的实际发展趋势.

图6 我国电脑Weibull寿命分布Fig.6 Weibull lifespan distribution of computers in China

表7 中国电脑平均使用寿命比较Table 7 Comparison of average lifespan of computers inChina

将计算得到的2000 ～ 2014年我国电脑的销售量代入式(9),可得到2015年中国废旧电脑的产生量为 300.68万台.经循环计算,可得到 2000 ～2030年我国电脑的销售量(见图7)和我国废旧电脑的产生量(见图8).由图7可知,到2030年我国电脑的销售量约为367百万台,自2025年开始我国电脑的销售量将在360百万台左右波动.

由图8可知,当假设到2030年我国电脑平均拥有量为 102.76台每百户时,我国废旧电脑的产生量约为 368百万台.随着信息技术的快速发展,电子产品的更新换代速度加快,将对废旧电脑的产生量造成不确定的影响.其中两个显著的变化是,智能手机功能性的提高对电脑产生了一定的代替作用,以及近年来平板电脑普及率的提高,在电脑市场的占有量逐渐提升,将使得废旧电脑的类别更为复杂,其产生量的预测更为困难.

图8 我国废旧电脑产生量发展趋势Fig.8 Trend analysis of generation amount of obsolete computers in China

将在某电子废弃物资源化企业调研得到的数据代入式(11)和式(12),计算得到2000～2030年废旧电脑中典型贵金属存量如图9所示,2015年产生的废旧电脑中金的赋存量达到 130t,银的赋存量达到392t,随着废旧电脑产生量的逐年增加,废旧电脑中的有价金属赋存量将保持一定的增长速度.到 2030年废旧电脑中将产生约 157.74t的金、478.12t的银以及 46.72t的钯,若按国内2016年6月金的价格263.16元/g、银的价格3.48元/g 计算,仅废旧电脑中金和银的收益就能分别达到415亿元和16.6亿元.

图9 废旧电脑中典型贵金属存量Fig.9 The stock quantities of typical precious metals in obsolete computers

2000 ～ 2030年废旧电脑中典型金属的存量由图 10可知,2015年废旧电脑中典型金属铜、锡、铅的存量分别为8.97、0.46和0.40万t.随着报废量的增加,废旧电脑中的金属开采潜力在未来 15a将呈稳定的增长趋势,但由于废旧电脑所含金属中锡和铅所占份额较小,其开采潜力在未来15a内的增长将不明显,到2030年废旧电脑中铜的存量将达到10.91万t、铅的存量将达到0.56万t、锡的存量将达到0.49万t.由图11可知,到2030年废旧电脑中塑料的存量将达到76.36万t.

图10 废旧电脑中典型金属存量Fig.10 The stock quantities of typical metals in obsolete computers

图11 废旧电脑中塑料存量Fig.11 The stock quantities of plastic in obsolete computers

3 结论

3.1 由对全国电脑消费者的调研结果可知,我国 85.06%的笔记本电脑的使用年限在 5a以下,89.06%的台式电脑的使用年限在 6a以下.采用Weibull寿命分布模型预测到2030年全国电脑的平均使用寿命为3.66a.

3.2 在Logistics模型的基础上,对我国电脑的平均拥有量、产生量、销售量及报废量进行预测,到2030年全国的电脑平均拥有量约为102.76台每百户,全国电脑拥有量约为479百万台.当不考虑不确定性因素时,预测得到2030年全国电脑的销售量约为367百万台,全国电脑的报废量约为368百万台.

3.3 到 2030年废旧电脑中将产生约 157.74t金、478.12t 银以及46.72t 钯的典型贵金属,废旧电脑中铜的存量约为10.91万t、铅的存量约为0.56万t、锡的存量约为0.49万t、塑料的存量约为76.36万t.

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《中国环境科学》获评“2014中国最具国际影响力学术期刊”

2014年12月,中国环境科学学会主办的《中国环境科学》被评为“2014中国最具国际影响力学术期刊”.

“中国最具国际影响力学术期刊”是《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社有限公司、清华大学图书馆、中国学术国际评价研究中心对我国5600余种中外文学术期刊，根据总被引频次、影响因子、被引半衰期等计算出的国际影响力综合评价指标CI进行排序,遴选出的排名前5%的期刊.获评“中国最具国际影响力学术期刊”的科技类期刊共175种.

自2012年开始此项评选以来，《中国环境科学》已连续3年获此殊荣.

《中国环境科学》编辑部

Analysis of the generation amount and the metal stock of obsolete computers in China.

GUO Xue-yi1,2, ZHANG Jing-xi1, YAN Kang1, TIAN Qing-hua1,2*(1.School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China；2.Cleaner Metallurgical Engineering Research Center, Nonferrous Metal Industry of China, Changsha 410083, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3464～3472

Study on the generation amount and the metal stock of obsolete computers is important for building a reasonable recycling system of waste. In this study, the average possession and sales of computers, the generation amount and the deposit of valuable metals in obsolete computers were predicted using logistic model, population balance model and material balance principle, respectively. The results indicated that the generation amount of obsolete computers in China was about 368 million units in 2030. The stock quantities of gold, silver and palladium contained in obsolete computers would reach 157.74, 478.12 and 46.72 tons, respectively. And the stock quantity of copper would reach 109.1 thousand tons.

obsolete computers；generation amount；metals sources；stock；Logistic model

X705

A

1000-6923(2017)09-3464-09

2016-12-29

国家自然科学基金资助项目(51604306);科技部国家国际合作专项(2014DFA90520)

* 责任作者, 副教授, qinghua@csu.edu.cn

郭学益(1966-),男,湖南长沙人,教授,博士,主要研究方向为有色金属资源循环.发表论文120余篇.