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加强稀土分元素物质流研究,提升我国稀土全产业精细化管理能力

2022-11-23 23:04:48 2121

摘要:稀土是制造许多高科技产品与支撑众多新兴产业的关键基础材料,也是许多国家布局争夺的重要战略资源。随着新一轮能源革命与产业变革的兴起,世界各主要经济体如日本、欧盟、美国纷纷发布低碳绿色经济复兴计划。在这些不同版本的规划或路径中,发展风能、储氢、...

稀土是制造许多高科技产品与支撑众多新兴产业的关键基础材料,也是许多国家布局争夺的重要战略资源

随着新一轮能源革命与产业变革的兴起,世界各主要经济体如日本、欧盟、美国纷纷发布低碳绿色经济复兴计划

在这些不同版本的规划或路径中,发展风能、储氢、新能源汽车等低碳的稀土下游应用产业被普遍认为是实现碳中和及绿色发展目标的重要途径。

可以预见,未来世界各国对稀土的需求量将持续快速增加,稀土的供应安全受到全球的广泛关注

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物质流分析是量化资源流动、分析资源效率、评估工业生态系统可持续性的重要工具,可以为金属资源的高效利用和金属行业的可持续管理提供重要支撑

近年来,世界各国围绕稀土元素开展了大量的物质流分析研究工作,然而现有文献在研究对象、研究方法、研究内容等方面尚存在许多不足。

本研究旨在通过梳理稀土元素物质流分析的研究进展,探究现有研究的不足和挑战,厘清下一步的研究方向和思路。

稀土分元素物质流量化分析框架

现有研究框架主要遵循耶鲁大学Graedel教授团队提出的基于全生命周期物质存量和流量分析的基本范式,综合稀土元素特殊性拓展构建,如下图所示。

它涵盖了稀土元素从采选、冶炼分离、加工、制造、使用到废弃管理的全生命周期阶段,每个阶段包括流入、流出、损失、回收、存量等多个参数。

稀土物质流分析研究框架的循环(a)及从左到右2种表现形式(b)

稀土元素物质流分析案例计量分析

从空间尺度看,现有研究可以划分为全球尺度国家/地区尺度两个类别。其中,全球尺度的稀土物质流分析文献最多(15篇),地区/国家尺度的研究主要分布在中国(11篇)、欧盟(5篇)、日本(5篇)和美国(2篇)。

从研究对象看,现有研究涉及的元素种类差异性显著。其中,钕元素的受关注度最高,相关分析文献高达30篇;其次是镝(22篇)、镨(16篇)、铽(15篇)、钇(13篇)、铕(12篇)、镧(11篇)、铈(11篇)元素;而分析钆、钐、铒的文献较少(仅有7、6、3篇);分析钪、钬、镥、铥、镱的文献仅有1篇,目前尚没有发现分析钷元素的研究。此外,有4篇文献将稀土整体作为研究对象。

全球稀土物质流(a)文章发表数量(b)元素研究数量变化趋势

从研究发展阶段来看,以2010年稀土供应危机事件为关键时间节点,稀土物质流分析研究的发展可以划分为2个阶段,具体表现为:

研究发展阶段I:稀土全球物质循环研究

第1个阶段以科研需求为导向,在稀土物质流量化框架搭建上取得了一系列进展。

耶鲁大学的Du和Graedel构建了包括采矿、冶炼分离、加工、制造、使用、废弃回收等阶段在内的稀土全生命周期物质流核算框架,针对镧、铈等10种稀土元素开展物质流分析,核算了这些稀土元素全生命周期的流量与存量。

在此基础上,Du基于稀土的最终用途,首次量化了1995—2007年中国、日本和美国稀土元素在各个领域的消费量及其变化趋势。

研究发展阶段II:稀土全球竞争战略支撑

2010年稀土供应危机与相应的国际市场稀土价格暴涨事件后,世界各国开始高度关注稀土资源的供应安全,国内外学者也纷纷围绕稀土资源供应风险及其缓解策略开展研究,国际稀土物质流分析研究进入第2阶段。

相较于第1阶段,第2阶段的研究呈现三大新的特征:首先是稀土物质流分析由历史核算转向未来预测;其次是稀土物质流分析由全链条核算转向单一环节的具体分析;最后是稀土物质流分析愈发倾向于单一元素的精细化分析。

同时,各国由于国内稀土产业发展状况与政府需求的差异性,研究的关注重点也存在显著差异。

其中,中国是稀土储量大国、生产大国与消费大国,针对中国的稀土物质流分析研究集中于稀土元素历史物质流核算、稀土资源未来需求预测与供应风险评估、中国稀土政策影响分析。

美国对稀土等关键矿产的关注和研究由来已久,研究可以分为稀土元素关键性评估研究、稀土资源未来需求预测研究、稀土产业的法案与法规等。

欧盟同样长期关注稀土等关键金属的资源安全,研究可以分为稀土元素的关键性研究和稀土未来供需变化两类。

日本是稀土消费大国但缺乏稀土生产能力,因此高度担忧稀土供应安全并长期致力于减缓稀土资源的供应风险,其研究集中在稀土回收潜力评估与稀土减量化技术评估等。

稀土元素物质流现有研究的不足

    挑战I:基础数据不完备

稀土供需数据不匹配。上下游质量平衡是稀土元素物质流核算的基本原则,然而,现有研究发现通过下游钕铁硼永磁体产量估算得到的上游稀土矿的生产量,高于中国统计的稀土矿产量,导致核算时稀土上下游质量不平衡。

中国稀土行业数据不平衡现象

稀土双边贸易数据不对称。不同数据源的中国稀土出口数据存在显著差异,说明存在未被中国海关统计到的无指标或超指标的稀土出口行为。

例如,《中国的稀土状况与政策》显示,2006—2008年外国海关统计的来自中国的稀土进口量比中国海关统计的出口量分别高出35%、59%和36%,2011年更是高出120%。

稀土下游产业数据不完备。稀土的下游应用涉及到航空、电子、能源、交通、医疗等数十个领域和数百种产品。由于涉及产品类目多、用量少,实际研究时完整准确识别其下游产品难度极大。并且,稀土在军工、航空航天、核能等关键领域的技术参数、实际消费量等数据的可获取性极低、不确定性较大。

    挑战II:量化模型不完善

需求侧,稀土各个元素不同应用部门的中长期发展预测缺失。全面量化稀土元素的未来需求及其结构是保障稀土下游产业安全、健康发展的重要基础,然而,现有稀土需求预测模型大多仅考虑个别产业、仅针对少数元素,尚缺乏将稀土全应用、全元素的需求纳入预测体系的流动模拟模型。

供给侧,稀土原生再生矿产供应模型开发与关联分析不足。目前全球稀土矿产开发潜力巨大,但是空间分布不均,开展全球稀土矿分布及其供应潜力评估研究是促进原生矿产合理开发利用的基础,量化稀土产品报废后的时空分布有助于促进资源再生进而缓解原生资源的供应压力。但是,目前尚缺乏高空间分辨率的稀土原生与再生矿产分布和供应潜力的量化分析模型。

    挑战III:研究力度与产业发展需求不适配

经过几十年的发展,我国稀土行业在资源生产、产业结构调整、管理体系建设等方面取得了较大进展,然而,目前依然面临生产环境影响严重、国际市场定价权缺失、元素下游应用不平衡等重要问题。

国内现有稀土物质流分析研究主要关注稀土元素历史流动与未来供应风险,尚未向稀土产业健康发展、稀土战略价值的有效发挥等方向延伸,无法适配当前稀土产业发展的需求。因此,稀土物质流分析研究亟需紧密关联下列战略需求:

1)服务稀土产业安全发展。深入剖析中国原生与再生稀土资源的供应潜力,动态评估海外国家的稀土生产潜力以及潜在合作可行性,从国内和国际两个视角开展稀土资源供应安全分析,为稀土产业的安全发展提供数据基础与科学支撑。

2)服务稀土产业高值发展。开展稀土分元素全产品的贸易流分析,追踪中国各类稀土产品的价值流动,识别中国稀土产业价值提升的路径,促进中国稀土产业高值发展。

3)服务稀土产业绿色发展。物质流分析需要同生命周期评价方法紧密结合,完善稀土全生命周期环境影响因子清单,识别稀土生产的污染排放与重要污染节点,量化稀土环境污染成本,开展稀土环境污染全球责任共担机制研究,提升中国稀土绿色话语权。

4)服务稀土元素均衡发展。综合对比不同元素的供需情况,系统分析不同稀土元素供需不平衡状况,探究稀土分元素的产业延伸和管理策略。

5)服务稀土战略储备体系建设。物质流分析在识别不同稀土元素的需求缺口或过剩程度方面具有独特优势,可以为稀土收储的时间节点、总体规模、元素种类、产品类型的分析提供方法支撑。

研究建议

1)建设全球稀土元素全产业链溯源数据平台。利用物质流分析方法,集成稀土生产、消费、贸易、回收、储备等数据,开展全产业链、全元素、长时间序列、分国别的稀土物质流分析研究,建设稀土行业数据库,定期开展全球稀土格局演变的追踪研究,知己知彼,提升我国稀土战略研判及风险应对能力。

2)延伸稀土物质流分析的分析边界和应用范围。在需求侧,将稀土全部门、分元素的未来需求纳入预测体系;在供应侧,充分考虑原生再生两种资源、国内国外两个市场的稀土供应潜力,完善全球视角下的高空间分辨率的稀土原生与再生矿产供应模型,开展稀土多国别、分元素的物质流动的历史分析和未来预测。

3)加强稀土物质流与其他学科交叉研究,提升服务稀土产业实际需求能力。结合稀土材料科学、稀土冶炼工艺、国家战略安全、地缘政治等学科的理论、知识和方法,利用生命周期评价、复杂网络分析、系统动力学、情景分析等跨学科的方法,开展稀土物质流与技术创新、环境影响、产业经济、全球战略的耦合研究,为中国稀土产业高质量发展与战略决策提供研究支撑。

本文作者:陈玮、汪鹏、赵燊、陈伟强

作者简介:陈玮,中国科学院城市环境研究所、中国科学院大学、福建农林大学生命科学学院,硕士研究生,研究方向为稀土物质流分析;汪鹏(通信作者),中国科学院城市环境研究所、中国科学院赣江创新研究院,副研究员,研究方向为稀土等关键金属资源管控与国际战略研究。

论文全文发表于《科技导报》2022年第8期,原标题为《稀土元素物质流分析研究进展》

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