1、材料流与资源效率物质流分析方法与案例,高 峰Mail: ,第二章,主要内容,一、起源、发展和基本概念二、研究方法及应用,大气圈,光合作用,太阳辐射输入,植物,藻类,自养细菌,化石燃料,岩石圈,土壤圈,风搬运,风输、沉降、排放,资源消耗和环境变化的全球趋势,碳的生物地球化学循环影响气候,工业革命改变了的碳循环工业革命改变碳循环原理：大气中二氧化碳升高具有施肥效应大气中二氧化碳升高会加强温室效应，通过温度升高影响碳循环,气候变暖,背景介绍,始于人类对资源消耗、气候变化和环境污染的关注经济活动特别是工业活动中的物质与能量流动，与自然环境有着复杂的相互作用。经济系统内物质流动迅速，交换量大而迅速；流动
2、产生的不仅是点源污染，还有分散、复杂的非点源污染；经济系统内物质利用率低下，一般不再参与再循环。,物质流分析（MFA）,也称为材料流分析，是研究资源效率的一种有效工具，它通过对自然原始物质在开采、生产、转移、消耗和废弃等过程的分析，揭示物料(包括能源、水资源等)在特定范围内的流动特征和转化效率。对于某种特定材料，它是指运用数学物理方法，研究工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向、数量、结构和特征的一种定量分析的理论。 它作为评价区域、产业、行业及产品等发展的可持续性指标，能够提出减少资源消耗的解决方案，为实现可持续发展目标提供科学依据。,MFA的起源和发展-1,物质流的研究最
3、早可追溯到1950年前后。二战结束初期，为了避免战略物资的短缺，美国国会进行了一项有关物质政策的研究，即研究资源通路的问题。1965年，Abel Wolman在科学美国人杂志上提出了城市物质代谢概念，在北美得到了广泛重视。1970年以来，Ayres等系统地研究了经济运行中物质与能量流动对环境的影响，并提出了“工业代谢” (Industrial Metabolism) 的概念，同时还追踪全球范围内对环境较敏感的重金属的物质流。,MFA的起源和发展-2,自1992年以来，工业生态（Industrial Ecology）概念的出现，加强了经济体系对基本物质流帐本及改善工业生态的需求。物质流分析渐渐纳
4、入到工业生态学的研究范围内。了解国家经济体系的流程及相对规模，包含不同产业间活动与环境的总体关系，探索一种使工业生态体系效能更佳的应用方式。1995年，Wernick & Ausubel首先提出一套相当完整的美国国家物质流帐目。不仅对资源的流动作了详尽的估算，也从实际的估算经验中发现物质流帐目的评估必须考虑以下三点：采用一种可以统一衡量的单位，选择国际单位“t”将各类物质加总。以物质不含水份的干重为准，且排除每年产量不足百万t的物质或未公开交易的物质。资料来源不同，必须在相关物质的定义上作一致性解释。,MFA的起源和发展-3,学者们对于物质流的研究也从不同的角度来讨论： 将物质间的异质性具体化
5、并转换成同一种单位的生态冲击（Ecological Impact）。利用货币性投入产出模型在经济体系中描述物质在经济活动影响自然环境时，其存量及流量的动态变化。物质消费(消耗)的研究强调应相对减少产业经济中基础物质的使用。“去物质化”（De-materialize），即在经济增长的同时减少相对或绝对的物质需求。,物质流分析的类型,国内开采： 矿物 燃料 生物质,未使用的国内开采,进口,与进口有关的 间接物流,大气和水,水蒸气,社会经济活动,存量变化,再循环,排放到环境： 大气和水中 填埋 散失,出口,未使用的国内开采,物质总输入,物质总输出,物流分析框架示意图,某种材料的物流框图,小结,环境问
6、题的日益突出，人类意识的觉醒物质流分析的概念产生及其发展物质流分析的类型：微观、宏观物流分析的基本步骤,2、研究方法及应用,物流分析的原理与度量,理论基础：物质不灭定律和能量守恒定律。任何物质流无论其形态如何变化，但其质量总是守衡，即： 物质的流入量 = 物质的流出量 + 物质存量的净变化,物质流分析的度量,直接物质输入和直接物质消耗：Direct Material Input (DMI), Direct Material Consumption (DMC) , 与生产和消费直接相关的物质使用。生态包袱：Eco-Rucksack (ER)，未进入经济系统或未被利用的环境物质，包括国内和国外两种
7、生态包袱。 物质需求总量 : Total Material Requirement (TMR)物质消耗总量: Total Material Consumption (TMC),物质流分析的度量,一般的物质平衡方程 M = MO+WF+WA+MC+MT 其中： M 是物质总供给量； MO是产出物质的量； WF是固体、液体废物量； WA是过程排放的气体废物量； MC是过程转化的物质； MT区域系统内物质存量的变化。,物质流分析中可持续性的度量, 再循环和再利用率, 原料生产力,物质流分析的应用,日本、美国和欧洲各国政府和有关的大学以及研究机构都长期坚持这方面的研究。各类废弃物产生、排放、综合利用统
8、计资源保证和生态环境变化的统计与评估全社会物质流的统计与核算各种材料运输方式及服务的物质集约度和环境综合影响系数的测算与评价等,区域 / 产业层次,国际应用系统分析研究所采用MFA方法，研究了莱茵河流域范围的重金属代谢。研究的空间规模是全流域，分析对象为Cd、Pb、Zn三种重金属和N、P。研究由三部分构成：识别包含该化学品的原料及其在工业经济中的流经途径； 估计每种化学品在其生命周期的每一阶段对空气、水和土壤的排放与沉降； 构建一个全流域污染模式，评价提出的排放量削减政策，环境影响或所考虑化学品有关的相关问题。,磷的物质流动,地质作用为主的磷循环人类活动改变磷循环原理：农业施肥人类生活水生生态
9、系统磷循环改变水体富营养化,1970年和2000年英国钢铁部门物质流动情况(106t),1970年,2000年,铜物质流框图,外国,德 国 内 部,进口 433,非生物物质 2183,流失 304,10亿吨,非生物原料 4027能利用： -矿物质 829 -金属 0.4 -能源 366 不能利用：-无法利用的供应 2532 -挖掘 300,生物物质原料 199,流失 129,空气 1095,原料输入,原料输出,遗留国内的物质 818,出口 211,废料处理： 2891 -填埋 222 -排土山及 其他处置 2669,土壤流失 123,不可逆损耗 37,排放物 空气： 1116 -CO2 106
10、3 -NOx,SO2, CO 20 -其他 33,返回环境的灌溉水 34,返回环境的 产品用水 647,循环 65,德国1991年物质流平衡（单位：百万吨）,国家尺度物质流分析比较,经济系统的输入与输出物质类目及其度量指标,国家尺度物质流分析比较,美国（1991）、德国（1991）、荷兰（1991）、日本（1990）等发达国家的资源利用效率 330kg自然界物料 100美元（GDP） 每年的资源和废弃物输出量大约占资源和物质输入量的一半到3/4中国1994年 5700kg自然界物料 100美元（GNP） 分别是同年美国的18倍、日本的44倍,我国的资源利用效率很低，1994年单位物质消耗量所创
11、造的GNP分别相当于美国的5.7 % ，日本的2.3%，德国的4.9%和荷兰的5.3%。,不同国家物质生产力的比较(1994年),4倍因子理论,德国Wuppertal研究所的所长Weizsaecker教授首先提出。4倍因子理论的依据按照1995的数据，占全世界总人口20的发达国家人口，每年消耗全世界82.7的能源和资源，而其他80的人每年消耗的能源和资源还不到世界总消耗量的17.3。为了既保持已有的高质量的生活，又努力消除贫富之间的差异，若能采取技术措施，将现有的资源和能源效率提高4倍，就有可能达到上述的目标。初衷：为了消除社会的贫富悬殊，实现各国间的健康、和平发展。4倍因子：半份消耗，倍数产
12、出,10倍因子理论,10倍因子理论(Factor 10)由德国Schmidt-Bleek教授提出。 人类需要多大的世界 http:/www.factor10-institute.org/核心思想：必须继续减小全球的物质流量，在一代人之内(2030年)将资源效率提高10倍，才能使发达国家保持现有的生活质量，逐步缩小国与国之间的贫富差距，且可以让子孙后代能够在这个星球上继续生存。,10倍因子理论,10倍因子的概念与环境保护直接相关。为了保持现有的生态环境水平，到2050年，必须通过提高资源效率来平衡和补偿对环境的破坏，才有可能真正实现可持续发展。,各国化石燃料资源消耗强度对比,1994年，化石燃料
13、的需求总量:日本的为15.69亿t，匈牙利为1.75亿t，德国为27.5亿t，中国为45.6亿t。,各国化石燃料资源生产力对比,1994年，化石燃料资源生产力:日本：3745美元/t匈牙利：284美元/t德国：995美元/t中国：178.30美元/t 中国仅为日本的4.8%，匈牙利的62.8%，德国的17.9%。,理论的应用,中国国民经济对化石燃料的利用效率低，但提升空间大。,按照4倍因子理论提出的目标，到2010年，中国化石燃料的资源生产力至少要提高到1300美元GDP(2000年价格)/t的水平，才能满足Factor 4的要求，这大致相当于1990年西德的生产力水平。按照GDP年均增长率为
14、6%估算，2010年化石燃料的TMR需要降低到18.4亿t，与2000年相比，降幅需要达到54%，年均降幅为7.4%。,为了满足Factor10的要求，到2050年，中国化石燃料的资源生产力至少要达到3300美元/t，这大致相当于1994年日本的生产力水平。按照GDP年均增长率为6%计算，2050年化石燃料的TMR应为7.5亿t，与2000年相比降幅需达81%，年均降幅为3.3%。,MIPS:一种新尺度,根据美国国家工程院统计，全球所投入的自然资源有93%并未转变成市场销售的商品，几乎80%的商品使用一次后就被抛弃，另外的20%也没有维持到其该有的寿命期。生产物品和提供服务都需要物质投入，所有
15、的投入物质或迟或早都会变成排出物质(废弃物或排放物)返回到环境之中。“去物质化”：物质流动的特点和数量关系“去物质化”的节点,MIPS:一种新尺度,一种可用于测量任何产品的环境压力强度的尺度，即“每单位服务的物质消耗（material input per service unit，简称MIPS）”。产品的资源生产率：从产品中得到的服务单元总量与生产该产品所消耗的物质总量的比值。即MIPS的倒数。,资源输入的构成,1、非生物（无生命）资源即包括：（1）矿物原材料即开采的矿石、矿物杂质和尾矿；（2）化石能源，如煤炭、石油、天然气等；（3）生态包袱或隐流。2、生物（有生命的）原料3、由机械加工土地和
16、土壤流失造成农业和林业的土壤移动4、水5、空气,褐煤,粘土,铁,1:5,原材料,生态负担,金1:35000,银,铂,1:35000,1:7500,106,107,铅,1:19,锌,1:6,锰矿石,瓷土,1:142,硫 1:0.9,石膏,铝矿,磷1:34,岩盐,1:0.3,109,1:14,1:2,水泥,1:0.1石油,煤炭,天然宝石,沙子和砾石,1:12,1:6,1:0.65,单位:吨,1:11,1千克金属可能需要移动或处理数吨重的物质,资源的巨大消耗,改自Schemidt-Bleek,生态包袱的概念,生态包袱(Eco-Rucksack)是指人类为了获得有用物质和生产产品而运用的没有直接进入经
17、济系统而流入环境的物质流过程，在物质流清单中又被称为隐流(Hidden Flow)。生态包袱主要发生在作物收获和资源开采阶段，包括三个部分： 辅助流（如秸秆和木屑等） 开采流（例如矿物资源开采之前需要清理作业面产生的石块搬运、土壤流失等） 扰动流（例如人为因素导致的水土流失）,生态包袱的概念,米娅有负担的早晨 米娅早晨起床后，左手戴上12.5公斤重的腕表，穿上30公斤重的牛仔裤，用1.5公斤重的杯子喝从52公斤重的咖啡机煮的醒脑咖啡。之后，她套上3.5公斤重的短跑夹克，踏着400公斤重的自行车上班。抵达后，打开1吨重的电脑，同时用25公斤重的电话进行第一个交谈。米娅的一天就像每一天一样开始了，
18、只不过这次带了她的生态包袱。 (芬兰赫尔辛基自然保护联盟),案例一辆汽车的生态包袱历程,铁矿石,煤及其他,冶炼,钢材,其他,主要原材料包括主要能源供给载体,中间产品,辅助材料,再利用材料,投资产品,包装,运输,M1a1 钢材的物质消耗,M2a2 玻璃的物质消耗,M3a3 聚氯乙烯的物质消耗,等等,案例 镁资源的物质流分析,原镁的生产阶段,皮江法炼镁工艺流程,生产阶段的物质流计算,技术指标吨镁单耗指标：指每吨商品镁锭需消耗的白云石(tt)、硅铁(tt)、煤(tt)、电(kWht)料镁比：年总用球团量(t)年总产出结晶粗镁量(t)的比值精炼收率年总精炼的粗镁量(t)年总产商品镁锭量(t)100,皮
19、江法单耗指标和生产过程中物质消耗总量,岩石圈 环 境,白云石4791.5,配 料,还 原,精 炼,加工制造,使 用,废 弃,进 出 口 贸 易,球料量2568.3,粗镁371.4,原镁352.8,镁在生产过程中的物质流动情况（103t）,生 产,镁产品的加工制造阶段,镁产品的加工制造包含镁合金及其加工材，镁粉、镁粒和镁屑，镁牺牲阳极以及镁半成品的加工和最终产品的制造。,镁产品的加工制造阶段,镁产品的进出口情况如下表所示，其中镁合金制品按含镁90%计。未锻轧镁的出口数量占出口总量的79%，这说明我国镁的出口结构是以初级产品为主。,产 品,岩石圈 环 境,生产,使 用,废 弃,进出口贸易,镁在加工
20、制造过程中的物质流动情况（103t）,57.1,354.0,加工制造,应用领域-汽车零部件,座位架,轮 毂,传动箱,方向盘,进气岐管,仪表盘,刹车架,（照片取自日本fact株式会社）,汽车用镁合金主要零部件,应用领域-易携带电子产品,1997年日本索尼公司首次采用。现采用的企业有松下、东芝、日本IBM、索尼、日本电气、富士通等,1991年在NTTdocomo手机上首次采用。现采用的企业有松下电工、日本电气、J-phone、卡西欧等,主要采用的企业有松下、索尼、卡西欧等,应用领域-家用电器,电视机-松下、索尼等公司,数码摄像机-索尼、夏普、日立、佳能、 尼康、victor等公司,数码照相机-理光
21、、尼康等公司,液晶投影仪-索尼、惠普、东芝、松 下 等公司,DVD放映机-索尼、夏普等公司,厨房换气扇-三菱电机公司,应用领域-体育休闲用品,望远镜,助跑器,钓鱼线盒,棒球杆,高尔夫杆头,弓,应用领域-轻工、福祉用品,轮椅,婴儿手推车,摩托车,自行车,镁的使用和废弃阶段,式中，FMgUseStock表示镁在系统边界内的净存量；FMgManufacture表示以产品形式进入使用阶段的镁的数量；FMgWaste表示离开使用阶段作为废弃物进入下一阶段的镁的数量。由于国内镁的使用量较少，废镁回收还未形成规模。假设约70%的废料返回加工制造阶段，约30%的废料返回生产阶段。,岩石圈 环 境,生产,加工制
22、造,废 弃,进出口贸易,57.1,11.8,镁在使用及废弃过程中的物质流动情况（103t）,使 用,存留量 45.3,收集、分类,再生 循环,填埋,宏观层次中国镁物质流动图（单位：kt）,岩石圈 自 然 环 境,白云石 4792萤 石83,皮江法：352.8 电解法：1.2,硅 铁: 423煤：3526 电：415GWh,3.3,296.5,354,使 用,存留量 45.3,废 弃,再生循环,填埋,生 产,57.1,11.8,1.5,2.4,废渣 2360,3.7,12.4,2.2,1.5,0.7,收集、分类,进 出 口,物质输入计算,我国皮江法炼镁的原料主要是白云石、硅铁以及萤石，镁冶炼时采
23、用的能源主要是煤炭和火电。 计算公式为：,镁冶炼原燃料的物质强度系数,1. 生态包袱 / 物质直接输入量 3.12. 硅铁占资源直接输入量的比重仅为5%，但其资源消耗强度却占资源输入总量的51%，这说明辅助原料硅铁的资源消耗对环境产生的扰动不容忽视。,镁生产过程的物质输入和生态包袱,MIPS概念的优点,物质消耗和能量消耗用同一单位度量，减少分析所需的工作量，使评估值保持单向稳定。帮助设计工业产品，规划环境友好的工艺流程、设备与设施。既能避开传统的货币计算方法对外部成本评定时发生主观价格差异的问题，又可真实具体地完整展现经济发展与环境使用的状况。一种评估环境使用及资源物质分配效率的基础计算工具，为人类经济成长和环境保护的评价，提供一种新的可行的方法。,MIPS概念的不足,工业领域 “土地占用”的计算基本未作考虑。未将物质流的具体环境毒性计算在内，不能在环境政策中代替对物质的生态毒害的定量化评估。例如，危险污染物的产生机会和可避免性的问题。没有直接参考生物多样性的问题。并非所有的MIPS都相同。是否需要区分不同物质流？水电站的例子：流过涡轮机的水量、水电站上游拦截的水的体积、浇灌后农田土壤水分的散失与其他条件下的损失,谢谢！,
