岳 強(qiáng)， 薛 夢, 張鈺潔， 栗樹朋

(東北大學(xué) 國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的逐步提高，汽車已成為人們生活中不可缺少的一部分.目前汽車趨于輕量化，由于鋁金屬具有密度小、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此鋁及其合金成為汽車行業(yè)的首選材料.2017年中國鋁產(chǎn)量占全球鋁產(chǎn)量的56.7%，但鋁土礦相對匱乏，不足世界鋁土礦的2.5%[1].鋁產(chǎn)量的急劇增長不僅造成了鋁土礦等原材料供應(yīng)的巨大缺口，同時(shí)也給資源、環(huán)境帶來了巨大的壓力.面對鋁工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，需要大量進(jìn)口鋁土礦等原材料，這給國家?guī)砭薮蟮馁Y源及經(jīng)濟(jì)壓力，鋁土礦的短缺也使我國廢雜鋁存在較大的市場；中國汽車銷售量從2000年的208.86萬輛增加至2017年的2887.89萬輛.由于我國汽車的平均使用年限大約為15年[2]，因此未來幾年我國報(bào)廢汽車將大幅度增加，將產(chǎn)生大量的廢雜鋁.回收利用廢舊汽車，將在一定程度上緩解我國鋁資源短缺問題.

目前，許多專家學(xué)者對廢舊汽車的回收利用進(jìn)行了研究.Jenseit等通過對比廢舊汽車中塑料的回收方式和方法，認(rèn)為廢舊汽車的大塊塑料應(yīng)粉碎后再回收，小塊塑料應(yīng)作為能源進(jìn)行回收[3]；Ohno等根據(jù)各國對汽車回收利用率的要求，通過不斷改進(jìn)汽車回收利用技術(shù)，提高了廢舊金屬和非金屬的回收利用率[4]；丁濤等通過對廢舊汽車材料以及拆解零部件的分析，提出了一條適合中國國情的廢舊汽車拆解處理的一體化解決方案[5]；Tian等利用層次分析法對汽車拆解的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示人工拆解可以有效提高廢舊汽車的回收利用率[6].

基于汽車輕量化趨勢，鋁金屬在汽車中的比重越來越大，因此將會(huì)產(chǎn)生大量廢雜鋁，回收利用廢雜鋁有利于緩解我國資源短缺問題，減少環(huán)境污染，同時(shí)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，減少物料的消耗.由于影響汽車銷量以及廢雜鋁回收量的因素較多，本文將通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立復(fù)雜的流位、流率系統(tǒng)，形成反饋回路，通過建立各因素之間的函數(shù)關(guān)系式，分析各因素對我國未來汽車銷量、廢舊汽車以及廢雜鋁回收量等的影響，為廢舊汽車中廢雜鋁的回收提供科學(xué)依據(jù).

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 系統(tǒng)邊界

本研究主要分析報(bào)廢汽車中廢雜鋁的回收情況，并且通過模型預(yù)測未來廢舊汽車回收量以及廢雜鋁的回收量.模型設(shè)定的時(shí)間為2000年～2025年，因?yàn)閺?000年開始數(shù)據(jù)較為完整，能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.2014年以來新能源汽車在我國汽車中使用比重越來越大，但由于汽車的平均使用壽命約為15年，相比于傳統(tǒng)動(dòng)力型汽車，到2025年只有少量的新能源汽車報(bào)廢，可以忽略不計(jì)，因此本文研究對象主要為傳統(tǒng)動(dòng)力型汽車.時(shí)間步長的選取決定了系統(tǒng)求解的精度：時(shí)間步長越小，精度越高，但是如果時(shí)間步長太小，會(huì)浪費(fèi)計(jì)算資源，選擇合適的時(shí)間步長對系統(tǒng)的模擬至關(guān)重要.時(shí)間步長一般選取0.1～1倍的最小時(shí)間常數(shù)(最小常數(shù)的倒數(shù))，本模型中最小常數(shù)為0.19，因此時(shí)間步長選取1年.

1.2 建立流位、流率系統(tǒng)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是美國麻省理工學(xué)院的福瑞斯特(Forrester)教授在1956年提出的，最早應(yīng)用于工業(yè)管理方向，被稱為“工業(yè)動(dòng)力學(xué)”.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是通過對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行建模，形成高階次、多回路和非線性的反饋結(jié)構(gòu)，并根據(jù)此模型進(jìn)行仿真模擬的過程[7].

廢舊汽車的回收利用系統(tǒng)主要由汽車的年回收量、汽車年回收鋁含量等相關(guān)因素構(gòu)成，共同決定了汽車年回收鋁量，其流量圖如圖1所示.該模型中主要包括水平變量、速率變量、表函數(shù)、延遲函數(shù)、輔助變量以及常量，各個(gè)變量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系如表1所示.

1.3 系統(tǒng)主要參數(shù)確定

對于汽車的平均使用壽命，由于汽車的報(bào)廢并不是集中于某一時(shí)間完成的，而是較為分散的，通過統(tǒng)計(jì)我國汽車的報(bào)廢年限(即基于汽車使用壽命的報(bào)廢高峰期)，汽車的使用壽命符合威布爾分布模型[9]：

表1 汽車回收利用系統(tǒng)的變量名稱及函數(shù)關(guān)系式

注：WITHLOOKUP(Time)為表函數(shù)；INTEG(IF THEN ELSE)為水平變量；DELAY1I為延時(shí)函數(shù).

f(t)=λβ(λt)β-1exp(-(βt)β),

(1)

(2)

式中：T為汽車平均使用壽命；λ為尺度參數(shù)；β為形狀參數(shù).

在威布爾分布模型中，根據(jù)我國汽車壽命的分布對β進(jìn)行取值，由于我國的汽車壽命呈負(fù)偏山狀[10]，因此取β大于3.6，本研究取β等于4[10-11].通過威布爾分布模型以及數(shù)據(jù)調(diào)研可知，當(dāng)汽車的平均使用壽命為15年時(shí)，汽車使用過程的能耗以及排放對環(huán)境的影響較小.在本研究中將分析平均使用壽命對廢雜鋁回收量及鋁金屬消耗的影響.

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國汽車含鋁加工材回收比例、汽車鑄造年回收比例和汽車鑄件年再制造比例分別為72%，61%和19%，我國的廢雜鋁的回收量不足整車鋁含量的80%[12]，與發(fā)達(dá)國家的回收利用率相差較大.本文將分析不同的回收比例對廢雜鋁回收量的影響.

由于受Vensim軟件本身的限制，模型在運(yùn)行過程中存在誤差[13]，早在1961年，對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)的方法就被提出[14].為確保模型運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際數(shù)值相符合，本文運(yùn)用所構(gòu)建模型進(jìn)行了汽車保有量的實(shí)際值、理論值及偏離度的精度檢驗(yàn)，計(jì)算偏離值(-7.9%～8.5 %)均介于-10%～10%之間，證明該模型的吻合性較好，符合實(shí)際情況，適合用于廢舊汽車的回收利用分析.以汽車使用壽命為例，通過計(jì)算汽車年回收量和年回收鋁量可知，各個(gè)年限的靈敏度均集中于0.4～0.8之間，而且汽車使用壽命的改變，對系統(tǒng)因變量的靈敏度影響基本一致.因此認(rèn)為該模型具有正確性和可操作性，能夠用來分析汽車在整個(gè)生命周期中鋁金屬的代謝情況.

2 情景模擬結(jié)果與分析

由中國汽車工業(yè)年鑒可知，2000～2017年我國汽車銷售量逐年增加，并且從2005年開始增長幅度明顯加快；通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測可知，我國汽車數(shù)量將呈持續(xù)增長的趨勢，汽車的銷量主要受稅收因子、汽車千人保有量等相關(guān)因素的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)我國的汽車保有量沿著龔伯斯(Gompertz)曲線的軌跡變化[15]，汽車保有量模型為

V(t)=V*×exp(-b×exp(-c×(t-t0))).

(3)

式中：V*為汽車千人保有量的飽和值；b為刻畫曲線形狀的參數(shù)；c為刻畫曲線斜率的參數(shù)；t0為參考時(shí)間.

汽車保有量受經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、政策等多種因素影響，我國汽車千人保有量范圍為150～500輛，Gompertz擬合曲線中b=4.7,c=0.07[9].我國汽車年消費(fèi)量主要受政策、經(jīng)濟(jì)、人口等相關(guān)因素影響.由于受眾多因素影響，因此汽車的年銷售量將處于動(dòng)態(tài)區(qū)間中，假設(shè)在模型中汽車的生產(chǎn)量無存量，即產(chǎn)量等于銷量，其模擬結(jié)果如圖2所示，2025年我國汽車銷量將處于4 251.40萬輛～6 802.23萬輛之間.

2.1 平均使用壽命對廢雜鋁回收及鋁金屬消耗的影響

汽車平均使用壽命是影響廢舊汽車報(bào)廢量的主要因素，并且直接影響我國廢舊汽車的回收數(shù)量，同時(shí)也會(huì)增加我國汽車的產(chǎn)銷量.本文分別取汽車平均使用壽命為T=12和T=15，分析其對我國廢舊汽車年回收量和廢舊汽車年回收鋁含量的影響，如圖3所示.

當(dāng)汽車平均使用壽命為12年時(shí)，到2025年我國廢舊汽車年回收量為2 459.92萬輛，汽車年回收鋁含量為182.42萬t；當(dāng)汽車平均使用壽命為15年時(shí)，到2025年我國廢舊汽車年回收量為2 172.75萬輛，汽車年回收鋁含量為134.59萬t，假設(shè)鋁土礦的品位為0.38，因此將節(jié)約鋁土礦354.18萬t.若將汽車平均使用壽命縮短為12年，到2025年汽車的報(bào)廢量將增加287.17萬輛，相當(dāng)于我國汽車生產(chǎn)量將增加287.17萬輛，消耗金屬鋁為86.44萬t；而縮短汽車平均使用壽命，汽車年回收鋁含量僅增加了47.82萬t，因此延長汽車使用壽命更有利于節(jié)約資源和能源.

2.2 回收/再制造比例對廢雜鋁回收的影響

由上述分析可知，汽車平均使用壽命越長，越有利于節(jié)約資源和能源.設(shè)汽車的平均使用壽命T=15年，通過改變汽車含鋁加工材回收比例、汽車鑄件年回收比例以及汽車鑄件年再制造比例，分析其對我國汽車年回收鋁含量影響.假設(shè)模式一為汽車含鋁加工材回收比例=0.72、汽車鑄件年回收比例=0.61、汽車鑄件年再制造比例=0.19；模式二為汽車含鋁加工材回收比例=0.9、汽車鑄件年回收比例=0.61、汽車鑄件年再制造比例=0.3.在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，分別分析兩種模式對汽車年回收鋁含量的影響，如圖4所示.

由圖4可知，在模式一下，到2025年我國的廢舊汽車年回收鋁含量為134.59萬t；在模式二下，到2025年我國的廢舊汽車年回收鋁含量為160.25萬t.相比較兩種模式，模式二回收廢雜鋁量比模式一多25.66萬t，假設(shè)鋁土礦的品位為0.38，因此模式二將節(jié)約鋁土礦67.52萬t.因此，提高廢舊汽車含鋁加工材回收比例以及汽車鑄件年再制造比例等將會(huì)增加廢雜鋁的年回收量，可以有效減少鋁土礦的消耗量，并且可以減少鋁土礦開采造成的環(huán)境污染以及開采成本.

2.3 分析與討論

通過分析可知，增加汽車的平均使用壽命將減少我國汽車工業(yè)對鋁土礦的使用量，達(dá)到節(jié)約資源、能源，減少成本的目的.但是，汽車的使用壽命受諸多因素的影響，由于汽車的老化，汽車的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性等都會(huì)下降，并且汽車的排放將會(huì)超標(biāo).如果無限制地延長汽車平均使用壽命，汽車耗油量將增加，并且維修次數(shù)也會(huì)大幅度增加，增加了其成本的損耗，同時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題和噪音問題.面對汽車?yán)匣瘑栴}，我國應(yīng)該通過提高科技水平，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，增強(qiáng)輪胎的耐磨系數(shù)等，以此提高我國汽車的平均使用壽命，達(dá)到節(jié)約資源、能源，保護(hù)環(huán)境的目的.當(dāng)汽車的使用壽命一定時(shí)，通過改變汽車含鋁加工材的回收比例以及汽車鑄件年再制造比例等，以增加我國廢舊金屬的回收量，減少資源和能源的浪費(fèi).

本研究主要以傳統(tǒng)動(dòng)力型汽車為主，但由于資源與環(huán)境形勢變得越來越嚴(yán)峻，因此新能源汽車已成為低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，新能源汽車的使用能夠有效推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，改善環(huán)境，解決能源的供需矛盾.新能源汽車的發(fā)展主要涉及動(dòng)力電池和汽車輕量化材料兩個(gè)方面[16]，隨著新能源汽車的推廣，將會(huì)給我國鋁工業(yè)帶來更大的壓力.2016年我國新能源汽車產(chǎn)量已達(dá)51.7萬輛，在政府不斷出臺(tái)補(bǔ)貼政策的情況下，我國新能源汽車將會(huì)保持年復(fù)合增速約35%，預(yù)計(jì)到2025年，我國新能源汽車將會(huì)達(dá)到770萬輛.由于使用輕金屬可以有效減輕汽車質(zhì)量，預(yù)期每輛新能源汽車用鋁量將達(dá)到630kg，其鋁含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)動(dòng)力型汽車，由于汽車的使用壽命有限，汽車報(bào)廢后將會(huì)產(chǎn)生更多的廢雜鋁，回收再利用廢舊汽車將有效緩解我國鋁資源短缺問題.

3 結(jié) 語

通過模擬分析得到，提高汽車的平均使用壽命將有效減少我國鋁資源的消耗，并且提高回收以及再制造比例能夠有效增加我國廢雜鋁的回收量.當(dāng)汽車平均使用壽命為12年時(shí)，2025年我國廢舊汽車年回收量為2 459.92萬輛，汽車年回收鋁含量為182.42萬t；當(dāng)汽車平均使用壽命為15年時(shí)，2025年我國廢舊汽車年回收量為2 172.75萬輛，汽車年回收鋁含量為134.59萬t.若提高汽車含鋁加工材回收比例、汽車鑄件年回收比例和汽車鑄件年再制造比例，使其分別為0.9，0.61和0.3，2025年我國廢舊汽車年回收鋁含量為160.25萬t.

我國應(yīng)該提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，提高輪胎、齒輪等的耐磨系數(shù)以提高汽車的使用壽命，進(jìn)而減少鋁資源的消耗量；其次我國政府應(yīng)該建立健全廢舊汽車回收利用法律法規(guī)，將廢舊汽車回收利用納入正軌，同時(shí)，我國政府應(yīng)該鼓勵(lì)汽車行業(yè)生產(chǎn)易拆卸零件，并且要求汽車制造廠能夠回收利用其零部件，以提高汽車鑄件的回收率以及年再制造比例，提高廢舊金屬的回收量.