東京都及周邊區域煤炭消費沿革鏡鑒

孫 騰

上海市節能減排中心

0 東京都及周邊區域概況

對居民生活領域已不再使用煤炭的先進地區，煤炭消費情況分析一般分為制造業用煤和發電用煤兩部分進行。因日本特殊的電力體制[1]，對發電用煤的分析采用東京電力公司（以下簡稱“東京電力”）口徑，東京電力服務包含東京都在內的1 都8縣（茨城縣、栃木縣、群馬縣、埼玉縣、千葉縣、東京都、神奈川縣、山梨縣、靜岡縣），制造業用煤則圍繞東京灣區域（東京都、神奈川縣、千葉縣）開展分析。東京都人口1 382萬，行政區域面積2 194 km2。東京電力服務人口4 540 萬人，服務面積3 9510 km2。1985 年,東京都人均 GDP 為 1.95 萬美元 ，1986 年為2.91萬美元（因日元大幅升值）。1987年,日本人均 GDP 為 2.07 萬美元，1988 年為 2.51 萬美元。從人均GDP 來看，東京都及附近區域上世紀80 年代末的發展水平與上海目前的發展水平相近，分析該區域最近30 年的煤炭消費沿革對上海市有一定的借鑒意義。

1 東京都及周邊區域制造業用煤

1.1 制造業用煤歷史數據

隨著產業結構不斷調整優化（見表1），東京都內目前已沒有大型鋼鐵廠和石化企業，1990 年以來，煤炭消費量始終低于10 萬t。放大到東京灣區域，千葉縣和神奈川縣的制造業用煤主要集中在長流程鋼鐵生產企業，其中距離東京都中心（皇城）最近的大型鋼鐵廠是位于川崎市的JFE 東日本制鐵所（京濱地區），直線距離19 km（見圖1），與寶山區到人民廣場的距離相近（21 km）。其他距離東京都中心較近的大型鋼鐵廠是位于東京灣西側的JFE 東日本制鐵所（千葉地區，直線距離34.5 km）和新日鐵住金君津制鐵所（直線距離38 km），相當于將鋼鐵廠布置在上海市郊環外（向北進入太倉、昆山）。

表1 東京都工業主要行業銷售產值位次及所占工業比重的演變（%）

圖1 東京周邊長流程鋼鐵生產企業位置

JFE 東日本制鐵所（京濱地區）位于神奈川縣，1#高爐 1976 年投運，運行至 2004 年停運；2#高爐1979 年投運，運行至1990 年停運，改造后于2004年重新運行，爐容5 000 m3，是目前唯一在運高爐。該制鐵所運用了大量技術減少用煤量和排放，如2#高爐運用了天然氣噴吹技術，降低了噴煤量和CO2排放量，提升了高爐生產效率，曾一度創造2.56 t鐵水/（d·m3）的世界紀錄；2008 年投運年產能50 萬t豎爐1 座，可融化廢鋼鐵供轉爐；2009 年新增年產能44 萬t 廢鋼粉碎分選設備，粉碎后的廢鋼部分供豎爐，部分直供轉爐。神奈川縣煤炭消費量幾乎全部集中在鋼鐵及廢鐵金屬制造業，1990 年以來JFE 東日本制鐵所（京濱地區）始終保持單高爐運行，在提升生產效率的同時，實現了煤炭消費量的穩定，始終維持在350萬t左右(見圖2)。

JFE 東日本制鐵所（千葉地區）位于千葉縣，歷史上共有過6座高爐（1#高爐1953年投運），最近停運的5#高爐為1965 年投運，2004 年停運，爐容2 584 m3；目前僅 1 座 6#高爐在運，該高爐 1977 年投運，1998年改造后爐容達到5 153 m3。

新日鐵君津制鐵所位于千葉縣，歷史上共有過4 座高爐（1#高爐1968 年投運），最近停運的3#高爐為 1971 年投運，2001 年改造后爐容 4 822 m3，2016年停運；目前在運的是2#高爐和4#高爐，2#高爐 1969 年投運，1975-1982 年期間停運，2012 年改造后爐容達到 4 500 m3，4#高爐1975 年投運，2003年改造后爐容達到5 555m3，是世界上最大的高爐之一。2#高爐采用了高利用系數作業，通過對原料條件和送風條件進行優化調整，實現單位時間出鐵量增加20%，用兩座高爐達到了原有三座高爐同等的生產規模。

千葉縣煤炭消費量同樣幾乎全部集中在鋼鐵及廢鐵金屬制造業，不同于神奈川縣，化工行業有20 萬t 左右煤炭消費。2007 年新日鐵化學君津制造所合并，開始生產焦炭，故當年煤炭消費量大幅上升。2016 年新日鐵君津制鐵所3#高爐停運后，煤炭消費量682萬t(見圖3)。

圖2 神奈川縣煤炭消費量（萬t）

綜上，東京周邊大型鋼鐵廠在運高爐4 座（3 座5 000 m3以上 ，1 座 4 500 m3高利用系數運行），2016 年合計用煤1 042 萬t。其中東京都中心區域20 km 范圍內僅1 座高爐在運，煤炭消費量350 萬t左右。其他制造業部門用煤量較少，東京都、神奈川縣、千葉縣 1990 年用煤量合計為 29 萬 t，2016 年為39萬t，其中東京都用煤量從1990年的7.3萬t降至3.9 萬t。東京灣重化工業形成產業集群，在布局大量鋼鐵生產、石化化工企業的情況下，通過內部協作體制（見圖4），公共電廠實際上發揮了類似自備電廠的作用，因此相關化石燃料消費量將體現在電廠中。

1.2 控制制造業用煤相關舉措

鋼鐵業是日本溫室氣體排放量最大的產業部門，2016 年排放占比達40%。配合日本整體溫室氣體減排計劃，日本鋼鐵聯盟(JISF)發布《全球變暖應對路線圖》，推動大型鋼鐵生產企業提高效率、減煤降碳，其中從《京都議定書》第一個承諾期開始到2005年執行“自主行動計劃”，具體措施包括推廣新一代焦爐、煤氣燃氣輪機復合發電、蓄能燃燒器、廢棄物資源利用等。2005 年至2030 年執行“低碳社會實行計劃”，2030年后執行“長期變暖防止對策”，具體措施包括和諧型煉鐵工藝技術開發項目（COURSE50）、創新性煉鐵工藝（鐵焦技術）、氫氣供給和CO2分離回收技術、中低溫熱回收技術、生物質能應用等。其中，鐵焦技術和COURSE50 項目是日本鋼鐵企業減煤控碳的關鍵技術。

圖3 千葉縣煤炭消費量（萬t）

圖4 東京灣產業集群及內部協作體制[2]

鐵焦是指改善高爐內鐵礦石還原反應效率、大幅削減CO2發生量的一種新的高爐原料，它是煤和鐵礦石事先粉碎、混合、成型后，用連續式干餾爐加熱，將其中的鐵礦石還原成金屬鐵、煤結焦的復合球塊料，以此大幅提高弱黏結煤和低品位鐵礦石的使用比率。在高爐中可用鐵焦置換部分高爐用焦，可促使CO 濃度上升，鐵礦石（燒結礦）的還原反應可在低溫下進行，從而大幅降低燃料比，減少CO2排放。目前,JFE 東日本制鐵所（京濱地區）有一套30 t/d的鐵焦中試設備，JFE 正在西日本制鐵所（福山地區）建設一套300 t/d的鐵焦實證設備，加快推進鐵焦技術研發應用，2020 年3 月建成，2022 年完成技術確立，目標是煉鐵工序能耗降低10%。福山試驗設備的建設費用約150 億日元，其中國家擔負50%。

COURSE50 項目由兩項關鍵技術支撐，一是高爐H 還原技術，二是CO2分離回收技術。高爐H 還原技術依托提高H 含量的焦爐煤氣改質技術，將含CH428%、CO6%、H255%的焦爐煤氣催化改質為含CH418%、CO8%、H267%的改質焦爐煤氣（亦可改制高爐煤氣），然后將此富H 煤氣從高爐下部或中部噴吹到高爐中煉鐵。開發未利用低溫廢熱有效利用技術支撐CO2分離回收（見圖5）。目前,新日鐵君津制鐵所有一座12 m3的中試高爐，第一輪試驗操作（截至2017 年12 月）實現了CO2減排9.4%的效果。項目的最終目標是實現完全H 還原鋼鐵生產，自產煤氣制H 還原鐵在2025 至2030 年間投運首臺套，輔助外購H 還原鐵在2030 至2035 年間投運首臺套，在2050 年前全面推廣,完全H 還原在2040 至2050 年間投運首臺套并逐步推廣。

2 東京都及周邊區域發電用煤

東京電力的火電廠幾乎全部分布在東京灣區域，靠近大用戶，煤電裝機占比6.3%。除鹿島、常陸那珂、廣野火電廠外，東京電力其余12 座火電廠全部圍繞東京灣布置，毗鄰東京灣重化工產業帶(見圖6)。常陸那珂電廠兩臺百萬kW 煤電機組，廣野電廠兩臺60萬kW 煤電機組，煤電裝機合計320萬kW，占東京電力全部自有機組（5 107萬kW，不含停運核電裝機1 261 萬kW）的6.3%。除一臺60 萬kW 機組外，其它三臺煤電機組均為2013 年12 月投運。常陸那珂、廣野之間建有煤炭儲備基地。

圖5 COURSE50核心技術示意圖

圖6 東京電力經營設備概要

東京電力靈活性調節電源占比較高，煤電裝發電小時數高。以福島核事故前的2009 年為例，東京電力總裝機容量6 448.2 萬kW，其中，靈活性調節電源4 617.4萬kW（抽水蓄能898.6萬kW，煤電外的火電3 718.8萬kW），靈活性調節電源占比71.6%。福島核事故后核電停運（核電裝機1 730.8萬kW），靈活性調節電源占比進一步提升至90%以上。根據發電量推算，2016-2018 年，東京電力煤電機組發電小時數分別為 7 280 h、7 530 h 和 7 470 h，煤電占自有機組發電量（東京電力從其他發電企業購買約500 億kWh 電量）11.6%、12.3%和12.5%；燃氣發電機組發電小時數分別為5 100 h、5 350 h 和5 250 h。

東京電力持續提升火電機組效率，輸配電可靠性高。東京電力火電機組發電熱效率從2003 年的45.4%逐步提升至2018 年的49.7%（見圖7），15 年提升4.3 個百分點。東京電力2016-2018 年輸配電情況為停電時間6 min、6 min、19 min，三年平均供電可靠性為99.998%；輸配電損失率4.1%、3.8%、4.1%。2019 年開始，東京電力實施低效機組退出計劃，停運全部設計效率43%以下的機組（10 臺機組合計約 460 萬 kW）和 2 臺 100 萬 kW 設計效率44.2的燃油機組。

從重點發展核電轉向重點發展可再生能源發電，核電將適度恢復發展?！稏|京電力年度報告2010》提出的十年發展目標如圖8 所示，原計劃進一步提升核電在電力中的比重，2019年核電占比接近一半，減少氣電和油電，煤電保持穩定，新能源發電占比1%。福島核事故后，目前實際主要依賴氣電，核電處于停滯狀態。東京電力最新的發展規劃基于5D 理念，提出做好應對人口減少、低碳化、分散化、電力市場自由化和數字化的準備。2018 年，東京電力提出了“可再生能源主力電源化”的目標，明確將可再生能源作為發展支柱，提出2030年之前開發可再生能源發電裝機（不含水電）600 萬～700 萬 kW 的目標（目前僅 5 萬 kW）。同時，核電仍將適度發展，東京電力計劃適時推進柏崎核電站6、7 號機組的重啟，并在零碳電源發展順利的情況下，逐步推進1～5 號機組的報廢工作。相較而言，日本全國將核電擺在更重要的位置，計劃2030 年重新將核電占比提升至20%以上（見圖9）。

圖7 東京電力火電機組發電熱效率（自有機組）

圖8 東京電力2010年提出的電力結構調整規劃

3 經驗小結

制造業用煤遠離城市中心區域，鋼鐵業等代表性行業采取多種手段減少煤炭消費。上世紀90 年代，東京都制造業煤炭消費量已基本歸零。從東京都市圈來看，距離中心20 km 范圍內，僅1座高爐，用煤量約 350 萬 t，50 km 范圍內僅 4 座高爐。相關鋼鐵企業持續淘汰老舊生產設備（如高爐一般在45 年內停運），提升在運設備生產效率，推進廢鋼鐵循環利用，穩步推進先進減煤降碳技術（如鐵焦技術和H 還原煉鐵技術）研發應用，且東京都市圈范圍內鋼鐵企業優先試點最先進減煤降碳技術。

圍繞重化工產業聚集區域布局火電廠。東京電力火電廠絕大部分布局在東京灣重化工產業帶，接近電熱負荷中心，實現了最短距離供電供熱，有效提升了效率。

煤電發揮基荷作用，火電整體保持較高負荷，重視電源整體靈活性。東京電力旗下煤電廠發電小時數達到7 200 h 以上，氣電廠發電小時數達到5 000 h 以上，為火電企業保持良好效益奠定基礎。福島核事故前煤電用煤量約為300萬t，目前煤電用煤量略高于800 萬t，2018 年煤電占東京電力自有機組發電量的12.5%。靈活性調節電源占比高，水電全部具備抽水蓄能功能，結合氣電，靈活性調節電源占比達到3/4以上。

圖9 日本2030年能源結構和電力結構展望

逐步淘汰發電效率較低的機組，結合最新形勢重點發展可再生能源發電。東京電力火電發電整體熱效率接近50%，目前正加速淘汰設計效率發電效率較低的機組。把握低碳化和分散化的發展趨勢，東京電力后續將可再生能源發電作為發展重點，并在保障安全的情況下適當發展核電。