陳星全，屈金芝，張艷松，武麗麗，王 蘭

(1.香港浸會大學(xué)工商管理學(xué)院，香港 999077；2.中國人民大學(xué)商學(xué)院，北京 100872；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；4.中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心，北京 100088；5.浪潮軟件科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

鍺是一種重要的稀散稀有金屬，在新興產(chǎn)業(yè)和國防軍工領(lǐng)域具有廣泛而重要的作用。20世紀(jì)以來其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，當(dāng)前主要應(yīng)用于光纖和紅外設(shè)備生產(chǎn)，未來在芯片、太陽能電池、生物科技和武器制造中具有極其重要的潛在價值。我國是全球最大的鍺生產(chǎn)國，近十年來累計供應(yīng)全球68.5%的鍺，但我國鍺產(chǎn)品主要集中在上游礦產(chǎn)品和中游初級產(chǎn)品，資源價值未充分挖掘。研究全球背景下鍺資源供需和產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢對指導(dǎo)資源開發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和戰(zhàn)略布局具有十分重要的現(xiàn)實意義。

當(dāng)前，鍺資源的相關(guān)研究主要集中在資源開發(fā)、儲量分析、消費趨勢、二次回收前景和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，張洪川等[1]、馬奎等[2]研究了全球范圍內(nèi)資源賦存、供需和消費趨勢；張明燕等[3]、葉霖等[4]、林博磊[5]和李芳琴[6]對鍺煤中賦存情況及地區(qū)化學(xué)進(jìn)行分析，提出鍺資源開采方法；林博磊[5]和李芳琴[6]分析鍺應(yīng)用前景，分別對常規(guī)資源和二次回收利用提出若干建議。綜合來看，以往研究多是情報分析和資源描述，針對鍺資源開發(fā)和加工利用過程環(huán)境污染問題鮮有關(guān)注，更缺少長周期尺度下資源供需形勢的定量研究。本文以全球供需為視角，定量預(yù)測2020—2035年全球鍺資源需求形勢，并分析環(huán)境保護(hù)制約下鍺資源供應(yīng)情況，為我國科技研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策制定和規(guī)劃提供參考。

1 鍺礦開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 鍺資源分布利用情況

鍺資源在自然界中很難單獨成礦，常以化合物的形式與鉛鋅礦、黃鐵礦、煤炭等共存，全球儲量約8 600 t(單位為金屬t，下同)，其中我國儲量3 526 t，占全球41%，僅次于美國。隨著鍺應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，鍺資源產(chǎn)量大幅增加，由2000年的71 t增加到2019年的130 t，增長83.1%。 全球鍺生產(chǎn)主要特征：一是生產(chǎn)集中度較高，中國、美國和俄羅斯三國產(chǎn)量占全球75%，其中中國2019年產(chǎn)量占全球的65.4%；二是中國自2004年起取代美國，成為全球最大鍺生產(chǎn)國，近十年貢獻(xiàn)了全球68.5%的鍺(圖1～圖3)。

圖1 全球鍺儲量分布情況

圖2 全球鍺產(chǎn)量分布情況

圖3 2000—2019年全球鍺產(chǎn)量及中國占比情況

中國鍺生產(chǎn)主要集中在云南、內(nèi)蒙古和江蘇等省(區(qū))，產(chǎn)能主要集中在云南鍺業(yè)、中儲科技、四環(huán)鋅鍺等企業(yè)，主要鍺產(chǎn)品有四氧化鍺、二氧化鍺、高純鍺和鍺單晶，其中四氧化鍺主要應(yīng)用于生產(chǎn)光纖材料，二氧化鍺用于催化劑、保健品和化妝品生產(chǎn)，鍺單晶用于紅外設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備和太陽能電池生產(chǎn)。中國鍺產(chǎn)量由2000年約18 t增長至最高2014年的120 t，近年來受環(huán)保政策和整體市場環(huán)境的影響，我國鍺產(chǎn)品產(chǎn)量有所回落，逐漸降低至2019年的85 t。我國鍺資源雖然豐富，但我國鍺產(chǎn)業(yè)仍以中上游產(chǎn)品為主，資源深加工能力不足。近年來我國逐漸重視鍺高精尖產(chǎn)品研發(fā)和深加工，芯片級、光伏級、紅外級鍺產(chǎn)品等生產(chǎn)技術(shù)有望獲得突破。

1.2 中國鍺礦生產(chǎn)來源

隨著5G興起等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鍺資源需求將大量增加，從相關(guān)廢棄產(chǎn)品中回收鍺可增加資源來源，并且有效減少環(huán)境污染。當(dāng)前全球鍺產(chǎn)量的30%來自回收，主要回收來源有煉鋅廢渣、燃煤煙氣、含鍺廢料[7]。煉鋅廢渣和含鍺煙氣是最常見的鍺制取來源，分別占60%和30%；據(jù)世界金屬協(xié)會預(yù)計[8]，隨著含鍺廢料回收技術(shù)逐步進(jìn)步，大約60%的鍺光學(xué)產(chǎn)品可以回收鍺，其中美國一般從廢棄坦克等軍用車輛和武器中回收，而我國鍺回收鋅渣和含鍺煙氣為主，近年來出現(xiàn)若干從光纖、廢棄設(shè)備中回收鍺的公司，但整體規(guī)模較小。 2019年我國二次回收鍺約21 t(圖4)，占全球二次回收的87.5%。

圖4 中國鍺金屬二次回收產(chǎn)量情況

1.3 鍺產(chǎn)品生產(chǎn)過程主要污染

鍺金屬在推動新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展和方便人類生活的同時，也帶來很多環(huán)境問題。 鍺生產(chǎn)包含上游鍺礦開采、中游初級產(chǎn)品加工、下游高端研發(fā)等環(huán)節(jié)，其中污染主要來自上游和中游，所涉及污染物主要是廢水、廢氣、廢渣。鍺礦開采環(huán)節(jié)主要環(huán)境影響是廢水、固廢和土壤破壞等問題；鍺一般伴生于其他礦產(chǎn)，但在實際開采過程中取富棄貧不注重綜合利用，造成資源浪費；另外鍺矸石一般富含金屬礦物，露天堆放經(jīng)雨水沖洗，容易造成水體重金屬污染，對脆弱的云南喀斯特生態(tài)造成不可逆轉(zhuǎn)破壞。鍺金屬精煉一般采用火法和濕法工藝，過程中酸液、切磨拋和清洗等環(huán)節(jié)產(chǎn)生多種廢水，因含有鉛鋅鎘砷氟等有害元素，對地下水產(chǎn)生不利影響；而鍺礦石破碎和精制過程產(chǎn)生煙塵、氮氧化物、二氧化硫、氟化物的煙塵和廢氣，往往造成大氣污染，對居民生活產(chǎn)生不利影響。

當(dāng)前鍺生產(chǎn)企業(yè)對涉及污染物一般進(jìn)行脫污處理，但所參照的排放標(biāo)準(zhǔn)一般是在2000年前后制定頒布，其中部分標(biāo)準(zhǔn)要求已不符合當(dāng)前環(huán)保形勢。未來，伴隨環(huán)境保護(hù)的重視，鍺生產(chǎn)行業(yè)面臨環(huán)保收緊，對我國鍺生產(chǎn)帶來不利影響。

2 全球鍺資源需求預(yù)測

2.1 鍺礦產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)

鍺具有良好的光學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，是一種半導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于紅外光學(xué)、光纖通信、太陽能電池及聚合催化等新興產(chǎn)業(yè)，在信息通信、航天航空、軍事武器和新能源領(lǐng)域具有很重要的潛在價值。

鍺的工業(yè)應(yīng)用主要起始于1950年前后，前期主要用于生產(chǎn)二極管、晶體管和PET催化劑。1980年代起隨著新應(yīng)用的研發(fā)，鍺主要消費領(lǐng)域逐步轉(zhuǎn)移到光纖電纜、紅外設(shè)備和太陽能電池；2005年以來，全球鍺金屬消費結(jié)構(gòu)中，光纖和紅外產(chǎn)品中消費占比持續(xù)擴(kuò)大，光纖產(chǎn)品由2005年的20%增加到2019年34%；紅外設(shè)備占比由25%增加到36%；催化劑由2005年36%減小至2019年的4%，大幅下降(圖5～圖8)。未來鍺在戰(zhàn)略信息產(chǎn)業(yè)和國防軍工產(chǎn)業(yè)具有極其重要的應(yīng)用潛力，戰(zhàn)略信息產(chǎn)業(yè)主要是生產(chǎn)芯片、太陽能電池、傳感器、濾光器，在國防軍工領(lǐng)域主要應(yīng)用于生產(chǎn)軍用透鏡、紅外雷達(dá)、熱成像儀、放射線檢測儀、核反應(yīng)能譜儀。

當(dāng)前鍺主要應(yīng)用于光纖、PET催化劑、紅外光學(xué)及太陽能電池等領(lǐng)域，占鍺總需求的91%，其中紅外光學(xué)和太陽能電池占據(jù)著越來越重要的地位，光纖、紅外光學(xué)、太陽能等對鍺需求均穩(wěn)定增長。

圖5 2005年全球鍺消費結(jié)構(gòu)

圖6 2010年全球鍺消費結(jié)構(gòu)

圖7 2015年全球鍺消費結(jié)構(gòu)

圖8 2019年全球鍺消費結(jié)構(gòu)

2.2 鍺礦產(chǎn)品消費部門

由于鍺資源消費主要集中于光纖、紅外設(shè)備、太陽能電池和催化劑，本文利用部門消費預(yù)測法和行業(yè)需求趨勢分析來對鍺資源需求量進(jìn)行預(yù)測。

光纖是鍺最大消費領(lǐng)域，當(dāng)前已進(jìn)入5G時代，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對光纖需求量將是4G的1.4倍，2020年全球約消費光纖5.5億芯km，消費鍺60.5 t；光纖消費與通信技術(shù)發(fā)展具有一致性，表現(xiàn)在以8～10年為一個周期。據(jù)統(tǒng)計，全球2010—2015年、2016—2020年光纖年均增長分別為13.1%和9.3%，未來五年全球進(jìn)入5G光纖鋪設(shè)期，預(yù)計2020—2035年光纖需求高速的情形下將保持12.0%、8.0%和7.0%的年均增長速度，而低增長情形下仍會保持5.0%、4.0%和2.0%的增速，本文選擇中間情形，即保持年均8.5%、6.2%和3.7%的年均增長速度[9]，即2025年、2030年、2035年全球鍺光纖需求分別為90.8 t、122.5 t和147.0 t。

表1 全球光纖消費年均增長率及預(yù)測增速

在紅外領(lǐng)域，隨著大國競爭的加劇和中國軍事變革的推進(jìn)，我軍對信息化建設(shè)將提出更高要求，為滿足基本的信息化戰(zhàn)爭需要，我軍夜視儀需求達(dá)6.5萬臺，每臺約需要0.3 kg鍺，總計折合鍺需求19.5 t[2]；而我國國防軍工領(lǐng)域雷達(dá)、鏡頭、探測儀等需鍺約11 t，預(yù)計全球軍工需求鍺約61 t。另外，紅外成像逐漸成為車載標(biāo)配，隨著新能源汽車的崛起，未來全球紅外熱像儀需求94萬臺，合計鍺需求280 t[10]。 綜合來看，紅外領(lǐng)域鍺需求年均增長6.2%，由2020年54 t增長至2025年73.4 t，而2030年需求約95.5 t，2035年需求114.5 t。

太陽能電池用鍺主要用于衛(wèi)星，未來民用航天逐漸興起，但衛(wèi)星屬于高端產(chǎn)品，消費領(lǐng)域較窄，預(yù)計太陽能電池整體對鍺需求年均增長3.5%[11]，即2025年、2030年、2035年分別需求28.4 t、33.8 t和40.1 t。鍺催化劑消費主要集中在日本，約占全球68.9%，鍺催化劑具有性能好、污染小、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢，未來新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)會促進(jìn)鍺催化劑需求，但考慮到鍺催化劑價格較高且可被替代，預(yù)計催化劑鍺需求整體年均增長2%，即2025年、2030年、2035年分別需求5.9 t、6.4 t和6.9 t。

2.3 中國鍺礦產(chǎn)品需求形勢

根據(jù)鍺主要產(chǎn)品中國產(chǎn)量全球占比，可以推算出中國鍺需求量。據(jù)國家統(tǒng)計局2018年我國光纖產(chǎn)量4.18億芯km[12]，占全球總產(chǎn)量的66%；據(jù)Evsales統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年全球新能源汽車生產(chǎn)221萬輛，而中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的信息顯示中國新能源汽車產(chǎn)量130萬輛，即中國新能源汽車產(chǎn)量占全球的62%；2019年中國運載火箭發(fā)射34次[13]，占全球33%。 由此可知，中國鍺需求將增長至占全球的58.8%，年均增長約7.0%，預(yù)計2025年、2030年、2035年分別需求115.1 t、151.3 t和181.3 t(圖9)。

2.4 鍺礦產(chǎn)品供需平衡情況

未來鍺需求快速增長已成定局，未來資源供應(yīng)將面臨新的形勢。一是供不應(yīng)求現(xiàn)象逐步突出，當(dāng)前全球鍺資源基本供需平衡，隨著全球鍺需求的增長中國鍺產(chǎn)量將同步增加，但受環(huán)保和資源出口政策限制，中國鍺產(chǎn)量增幅有限，預(yù)計中國鍺產(chǎn)量至2028年逐漸增加并穩(wěn)定至170 t，自2025年起全球鍺缺口逐步明顯。 二是鍺二次回收產(chǎn)量將增加(表3)，隨著鍺缺口增加鍺價格將隨之上漲，將進(jìn)一步刺激回收鍺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，預(yù)計2025年、2030年、2035年全球鍺二次回收產(chǎn)量分別為43.5 t、88.1 t、138.6 t，鍺二次回收比重將從當(dāng)前30%升至2035年的45%。另外，未來中國作為全球最大鍺資源供應(yīng)國的地位很難改變，未來鍺資源供應(yīng)增量主要來自二次回收，作為全球最大的消費地區(qū)，中國有巨量的回收來源，另外當(dāng)前我國國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)若干鍺回收企業(yè)，鍺回收技術(shù)和企業(yè)成熟度逐步完善，國內(nèi)回收鍺行業(yè)會進(jìn)一步發(fā)展壯大。

表2 全球鍺消費需求預(yù)測

圖9 2020—2035年全球鍺需求量預(yù)測及中國占比

表3 2020—2035年全球鍺產(chǎn)品供需形勢

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

1) 鍺資源主要與鉛鋅礦、煤炭等礦物伴生共存，單獨礦物較少；全球鍺資源分布較為集中，主要賦存于美國(45%)、中國(41%)和俄羅斯(10%)。中國是全球最大鍺資源供應(yīng)國，近十年來供應(yīng)全球68%的資源，未來中國仍將是全球最重要的鍺供應(yīng)國，增量主要來自資源二次回收。

2) 鍺廣泛應(yīng)用于紅外光學(xué)、光纖通信、太陽能電池及聚合催化等新興產(chǎn)業(yè)，且已初具規(guī)模；當(dāng)前正處于鍺產(chǎn)業(yè)變革的起飛點，未來鍺在信息通信、航天航空、軍事武器和新能源領(lǐng)域具有很重要的潛在價值。 全球鍺資源需求將快速增加，年均增長約6.6%，2025年、2030年和2035年的需求量預(yù)計分別為198.5 t、258.1 t和308.6 t，其中紅外設(shè)備鍺產(chǎn)品需求73.4 t、95.5 t和114.5 t；光纖系統(tǒng)鍺產(chǎn)品需求90.8 t、122.5 t和147.0 t；太陽能鍺產(chǎn)品需求分別為28.9 t、34.8 t和42.0 t。

3) 鍺資源供不應(yīng)求現(xiàn)象在2025年起逐步凸顯，屆時資源二次回收將成為重要的來源，預(yù)計2025年、2030年、2035年全球鍺二次回收產(chǎn)量分別為43.5 t、88.1 t、138.6 t，鍺二次回收比重將從當(dāng)前30%升至2035年的45%。

3.2 建議

1) 鍺資源開發(fā)和加工污染主要集中在資源冶煉提取環(huán)節(jié)，當(dāng)前主要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足新的環(huán)保要求，相關(guān)管理機(jī)構(gòu)和行業(yè)協(xié)會應(yīng)著手修訂制定新的標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)企業(yè)應(yīng)當(dāng)我國應(yīng)加大鍺資源深加工能力，提升行業(yè)競爭力。

2) 未來鍺資源在戰(zhàn)略信息產(chǎn)業(yè)和國防軍工行業(yè)具有潛在價值，作為我國優(yōu)勢礦產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮自身的戰(zhàn)略價值：一是鼓勵科技研發(fā)，瞄準(zhǔn)下一代產(chǎn)業(yè)開發(fā)高技術(shù)產(chǎn)品；二是加強(qiáng)行業(yè)聯(lián)合，提高國際競爭力和話語權(quán)；三是制定嚴(yán)格的出口管控政策，嚴(yán)防資源流失。

3) 隨著鍺資源需求量增加，資源二次回收將是重要的資源來源，我國當(dāng)前鍺資源二次回收雖然有所起步，但整體仍較弱，為此我國政府和社會應(yīng)引導(dǎo)和扶持資源二次回收行業(yè)發(fā)展，鞏固自身資源大國地位。