物质流分析及其在有色金属资源循环中的应用

陈炯彤，王大瑞，吴佳乐，孙辅泽，徐龙隆，邓 睿，严 康

（江西理工大学 绿色冶金与过程强化研究所，江西 赣州 341000）

物质流分析（SFA,Substance Flow Analysis）是对不同区域的边界系统范围内，对某一物质的工业全生命周期所有过程进行定量化分析的一种方法，对于国民经济发展的基础物质而言，它通过追踪社会-经济系统中某一金属从采掘、冶炼、生产、消费、循环使用、废物处理进行全面核算，量化整个系统中各单元物质流动、能源消耗，并明确物质消耗与资源利用、环境效应三者间的联系[1]。金属资源的开发为经济发展提供原料保障，但同时开发过程中不可避免的会面临物质消耗、环境污染问题对社会造成巨大压力。通过物质流分析，对某特定金属开展整个工业代谢过程分析，可以展示该类金属进出某个生产工序的流动状态、流量及强度等信息，进而评价在不同生产过程中元素生命周期对工艺、产品和环境产生的影响和负担[2]。通过明确生产过程各股流动状况及相互关系，寻求绿色环保、资源循环、生态平衡的道路，推动工业系统向可持续方向发展，为资源政策和环境政策的制定提供新思路，为优化资源管理和环保监管提供理论支持。

1 物质流分析的研究进展

物质流分析亦被称之为工业代谢分析，旨为追踪和量化某资源提取工艺、地方区域或国家层面的金属原生资源或二次资源的使用情况。物质流分析最早被德国、瑞士、奥地利等国用于探究某原生资源在国家层面的经济系统的物流情况，由此，经济系统物质流分析方法在世界范围内广泛应用，而后应用的范畴也逐步靠向资源的长期供需与可持续利用管理等领域[2]。早期，物质流分析研究主要集中于不同区域，即国家层面、企业层面，由于数据来源及数据质量等因素，研究更多的集中于国家宏观层面，而对于企业的物质流分析研究相对疏散且方法不一，当中对某一元素的分析较为突出。近年来，随着国家对清洁生产的要求越来越高，物质流分析研究更多地转向对某个生产工艺，以厘清整个工艺流程的资源利用、环境影响效率及其影响因素。

Arena[3]等通过收集垃圾焚烧厂焚炉中的物质元素数据，对碳、氢和重金属等元素进行物质流分析，通过核算相关指标，分析了废弃物回收利用与其填埋减量化的潜在可能。万斯[4]等对我国再生铅工业代谢进行研究，构建再生铅冶炼过程铅物质流模型，计算并分析铅的直收率、回收率及循环利用率等相关参数，揭示再生铅冶炼过程废物循环方式，为我国再生铅领域资源管理与环保监管提供理论支持。

2 物质流分析方法概述

物质的流动在生命周期内由自然资源流向废物，在过程中往往存在着某些性质的改变，由于其与流体流动有着类似的特征及性质，因此可将其分之为“定点观察法”和“跟踪观察法”。其按研究范围可分为宏观（国家）、中观（区域）和微观（企业部门）3个层次。

物质流分析研究按研究目的可以分为3类：一是对整个过程或某个工序的环境污染物迁移路径进行跟踪并作环境影响评估；二是对战略物质或某一特定资源物质进行全生命周期代谢分析；三是对某些重要物质进行社会积存量分析。

对于不同区域的战略性金属资源循环现状进行全生命周期代谢定量分析，旨在了解金属的全生命周期过程识别各库存与流，评估流向环境的耗散流及废物流，以识别污染物的排放形式、强度与总量，以减少污染物排放，同时提高资源利用效率，不仅可以为制定相关管理政策提供必要信息，对资源、环境、经济的可持续发展亦有深刻而长远的重要意义。STAF研究框架如图1所示。

图1 STAF研究框架

3 物质流分析在有色金属资源循环中的应用

有色金属资源循环是从可回收的废旧资源中回收可用金属进行材料的再生产，为金属产业生态化转型、走持续发展之路提供了可能。复杂的资源循环生产系统分为两个部分：物质流动和能量流动，两者共同决定了资源循环产业的生产效益、环境效应。因此，物质流分析方法应用于有色金属资源分析研究领域，以定量化的研究成果为依据，以经济可持续发展为目标，制订冶金资源管理和环保监管的方针和条例，具有很大的潜力；同时对有色金属生产全流程进行物质流分析可以得出资源、能源和环境效率的影响因素，为从事有色金属资源循环生产企业指出节能工艺改进方向。

有色金属资源提取过程存在资源利用率、能耗、环境影响与生态破坏程度不明等问题，导致资源化利用过程缺乏科学管理，造成资源过度开发、环境污染和生态平衡失调。同时，由于我们未建立金属资源基础信息数据库，导致对金属二次资源储量、二次资源中金属的开采潜力等基础信息缺失；存在对其所含的金属量在全社会金属使用量的占比情况认识不足的问题，基于物质流分析方法，通过构建金属资源典型提取工艺物质流分析模型，明确各阶段物质流、循环流及废物流流量，明确金属资源提取过程的生态效率；构建国家层面的金属二次资源的物质流分析模型，明确其产生量、分布情况、资源储量等信息，为“原生资源”和“二次资源”，两种资源统筹使用提供基础数据，基于国家资源安全角度，可以提出完善“两种资源”使用的总体战略，以促进形成金属资源开发利用的保障体系。

物质流分析其核心是定量化分析社会经济活动中物流，通晓社会经济体系中物质的流动方向与流量；通过调节控制两者，以实现综合利用效率的显著提升。物质流分析的目的是为了在资源消耗最低的前提下，找到增大资源利用率并改善环境的途径，使得经济收益、环境效应最优化，促成环境建设与国民经济的双赢。物质流分析不仅在冶金企业中占有重要地位，而且对冶金企业的循环经济具有一定参考价值，同时也是循环经济工作开展实行的核心调控手段。

为了提高金属资源及能源的利用效率，通过管理技术改进整个生产工艺流程，减少冶金生产过程中的物质和能量的进入；产品多次使用、翻新、重制后再使用或降级使用，以增长产品的使用期限；将有色金属二次资源最大限度的转化为有用资源，节约资源的同时又保护了环境。

4 结语

通过在有色金属资源循环领域开展物质流分析，基于物质流分析指标体系及评价模型可进行量化研究并以定量化研究成果为依据，通过关联物质流、能量流等参数，在不影响正常工序运转的情况下有计划地对物质与能量进行交换，寻求以最小物质投入量获得最大资源收益的途径，并减少废物产生量，达到资源利用最优化的目标。物质流分析方法在有色金属资源循环领域的应用充分体现了绿色发展理念，是促成建设和谐社会的重要方法，是实现冶金产业结构优化，推动资源型产业向可持续发展方向转变的强力手段，对有色金属资源循环利用、生态环境保护均具有十分重要的意义。