东京都及周边区域煤炭消费沿革镜鉴

孙 腾

上海市节能减排中心

0 东京都及周边区域概况

对居民生活领域已不再使用煤炭的先进地区，煤炭消费情况分析一般分为制造业用煤和发电用煤两部分进行。因日本特殊的电力体制[1]，对发电用煤的分析采用东京电力公司（以下简称“东京电力”）口径，东京电力服务包含东京都在内的1 都8县（茨城县、栃木县、群马县、埼玉县、千叶县、东京都、神奈川县、山梨县、静冈县），制造业用煤则围绕东京湾区域（东京都、神奈川县、千叶县）开展分析。东京都人口1 382万，行政区域面积2 194 km2。东京电力服务人口4 540 万人，服务面积3 9510 km2。1985 年,东京都人均 GDP 为 1.95 万美元 ，1986 年为2.91万美元（因日元大幅升值）。1987年,日本人均 GDP 为 2.07 万美元，1988 年为 2.51 万美元。从人均GDP 来看，东京都及附近区域上世纪80 年代末的发展水平与上海目前的发展水平相近，分析该区域最近30 年的煤炭消费沿革对上海市有一定的借鉴意义。

1 东京都及周边区域制造业用煤

1.1 制造业用煤历史数据

随着产业结构不断调整优化（见表1），东京都内目前已没有大型钢铁厂和石化企业，1990 年以来，煤炭消费量始终低于10 万t。放大到东京湾区域，千叶县和神奈川县的制造业用煤主要集中在长流程钢铁生产企业，其中距离东京都中心（皇城）最近的大型钢铁厂是位于川崎市的JFE 东日本制铁所（京滨地区），直线距离19 km（见图1），与宝山区到人民广场的距离相近（21 km）。其他距离东京都中心较近的大型钢铁厂是位于东京湾西侧的JFE 东日本制铁所（千叶地区，直线距离34.5 km）和新日铁住金君津制铁所（直线距离38 km），相当于将钢铁厂布置在上海市郊环外（向北进入太仓、昆山）。

表1 东京都工业主要行业销售产值位次及所占工业比重的演变（%）

图1 东京周边长流程钢铁生产企业位置

JFE 东日本制铁所（京滨地区）位于神奈川县，1#高炉 1976 年投运，运行至 2004 年停运；2#高炉1979 年投运，运行至1990 年停运，改造后于2004年重新运行，炉容5 000 m3，是目前唯一在运高炉。该制铁所运用了大量技术减少用煤量和排放，如2#高炉运用了天然气喷吹技术，降低了喷煤量和CO2排放量，提升了高炉生产效率，曾一度创造2.56 t铁水/（d·m3）的世界纪录；2008 年投运年产能50 万t竖炉1 座，可融化废钢铁供转炉；2009 年新增年产能44 万t 废钢粉碎分选设备，粉碎后的废钢部分供竖炉，部分直供转炉。神奈川县煤炭消费量几乎全部集中在钢铁及废铁金属制造业，1990 年以来JFE 东日本制铁所（京滨地区）始终保持单高炉运行，在提升生产效率的同时，实现了煤炭消费量的稳定，始终维持在350万t左右(见图2)。

JFE 东日本制铁所（千叶地区）位于千叶县，历史上共有过6座高炉（1#高炉1953年投运），最近停运的5#高炉为1965 年投运，2004 年停运，炉容2 584 m3；目前仅 1 座 6#高炉在运，该高炉 1977 年投运，1998年改造后炉容达到5 153 m3。

新日铁君津制铁所位于千叶县，历史上共有过4 座高炉（1#高炉1968 年投运），最近停运的3#高炉为 1971 年投运，2001 年改造后炉容 4 822 m3，2016年停运；目前在运的是2#高炉和4#高炉，2#高炉 1969 年投运，1975-1982 年期间停运，2012 年改造后炉容达到 4 500 m3，4#高炉1975 年投运，2003年改造后炉容达到5 555m3，是世界上最大的高炉之一。2#高炉采用了高利用系数作业，通过对原料条件和送风条件进行优化调整，实现单位时间出铁量增加20%，用两座高炉达到了原有三座高炉同等的生产规模。

千叶县煤炭消费量同样几乎全部集中在钢铁及废铁金属制造业，不同于神奈川县，化工行业有20 万t 左右煤炭消费。2007 年新日铁化学君津制造所合并，开始生产焦炭，故当年煤炭消费量大幅上升。2016 年新日铁君津制铁所3#高炉停运后，煤炭消费量682万t(见图3)。

图2 神奈川县煤炭消费量（万t）

综上，东京周边大型钢铁厂在运高炉4 座（3 座5 000 m3以上 ，1 座 4 500 m3高利用系数运行），2016 年合计用煤1 042 万t。其中东京都中心区域20 km 范围内仅1 座高炉在运，煤炭消费量350 万t左右。其他制造业部门用煤量较少，东京都、神奈川县、千叶县 1990 年用煤量合计为 29 万 t，2016 年为39万t，其中东京都用煤量从1990年的7.3万t降至3.9 万t。东京湾重化工业形成产业集群，在布局大量钢铁生产、石化化工企业的情况下，通过内部协作体制（见图4），公共电厂实际上发挥了类似自备电厂的作用，因此相关化石燃料消费量将体现在电厂中。

1.2 控制制造业用煤相关举措

钢铁业是日本温室气体排放量最大的产业部门，2016 年排放占比达40%。配合日本整体温室气体减排计划，日本钢铁联盟(JISF)发布《全球变暖应对路线图》，推动大型钢铁生产企业提高效率、减煤降碳，其中从《京都议定书》第一个承诺期开始到2005年执行“自主行动计划”，具体措施包括推广新一代焦炉、煤气燃气轮机复合发电、蓄能燃烧器、废弃物资源利用等。2005 年至2030 年执行“低碳社会实行计划”，2030年后执行“长期变暖防止对策”，具体措施包括和谐型炼铁工艺技术开发项目（COURSE50）、创新性炼铁工艺（铁焦技术）、氢气供给和CO2分离回收技术、中低温热回收技术、生物质能应用等。其中，铁焦技术和COURSE50 项目是日本钢铁企业减煤控碳的关键技术。

图3 千叶县煤炭消费量（万t）

图4 东京湾产业集群及内部协作体制[2]

铁焦是指改善高炉内铁矿石还原反应效率、大幅削减CO2发生量的一种新的高炉原料，它是煤和铁矿石事先粉碎、混合、成型后，用连续式干馏炉加热，将其中的铁矿石还原成金属铁、煤结焦的复合球块料，以此大幅提高弱黏结煤和低品位铁矿石的使用比率。在高炉中可用铁焦置换部分高炉用焦，可促使CO 浓度上升，铁矿石（烧结矿）的还原反应可在低温下进行，从而大幅降低燃料比，减少CO2排放。目前,JFE 东日本制铁所（京滨地区）有一套30 t/d的铁焦中试设备，JFE 正在西日本制铁所（福山地区）建设一套300 t/d的铁焦实证设备，加快推进铁焦技术研发应用，2020 年3 月建成，2022 年完成技术确立，目标是炼铁工序能耗降低10%。福山试验设备的建设费用约150 亿日元，其中国家担负50%。

COURSE50 项目由两项关键技术支撑，一是高炉H 还原技术，二是CO2分离回收技术。高炉H 还原技术依托提高H 含量的焦炉煤气改质技术，将含CH428%、CO6%、H255%的焦炉煤气催化改质为含CH418%、CO8%、H267%的改质焦炉煤气（亦可改制高炉煤气），然后将此富H 煤气从高炉下部或中部喷吹到高炉中炼铁。开发未利用低温废热有效利用技术支撑CO2分离回收（见图5）。目前,新日铁君津制铁所有一座12 m3的中试高炉，第一轮试验操作（截至2017 年12 月）实现了CO2减排9.4%的效果。项目的最终目标是实现完全H 还原钢铁生产，自产煤气制H 还原铁在2025 至2030 年间投运首台套，辅助外购H 还原铁在2030 至2035 年间投运首台套，在2050 年前全面推广,完全H 还原在2040 至2050 年间投运首台套并逐步推广。

2 东京都及周边区域发电用煤

东京电力的火电厂几乎全部分布在东京湾区域，靠近大用户，煤电装机占比6.3%。除鹿岛、常陆那珂、广野火电厂外，东京电力其余12 座火电厂全部围绕东京湾布置，毗邻东京湾重化工产业带(见图6)。常陆那珂电厂两台百万kW 煤电机组，广野电厂两台60万kW 煤电机组，煤电装机合计320万kW，占东京电力全部自有机组（5 107万kW，不含停运核电装机1 261 万kW）的6.3%。除一台60 万kW 机组外，其它三台煤电机组均为2013 年12 月投运。常陆那珂、广野之间建有煤炭储备基地。

图5 COURSE50核心技术示意图

图6 东京电力经营设备概要

东京电力灵活性调节电源占比较高，煤电装发电小时数高。以福岛核事故前的2009 年为例，东京电力总装机容量6 448.2 万kW，其中，灵活性调节电源4 617.4万kW（抽水蓄能898.6万kW，煤电外的火电3 718.8万kW），灵活性调节电源占比71.6%。福岛核事故后核电停运（核电装机1 730.8万kW），灵活性调节电源占比进一步提升至90%以上。根据发电量推算，2016-2018 年，东京电力煤电机组发电小时数分别为 7 280 h、7 530 h 和 7 470 h，煤电占自有机组发电量（东京电力从其他发电企业购买约500 亿kWh 电量）11.6%、12.3%和12.5%；燃气发电机组发电小时数分别为5 100 h、5 350 h 和5 250 h。

东京电力持续提升火电机组效率，输配电可靠性高。东京电力火电机组发电热效率从2003 年的45.4%逐步提升至2018 年的49.7%（见图7），15 年提升4.3 个百分点。东京电力2016-2018 年输配电情况为停电时间6 min、6 min、19 min，三年平均供电可靠性为99.998%；输配电损失率4.1%、3.8%、4.1%。2019 年开始，东京电力实施低效机组退出计划，停运全部设计效率43%以下的机组（10 台机组合计约 460 万 kW）和 2 台 100 万 kW 设计效率44.2的燃油机组。

从重点发展核电转向重点发展可再生能源发电，核电将适度恢复发展。《东京电力年度报告2010》提出的十年发展目标如图8 所示，原计划进一步提升核电在电力中的比重，2019年核电占比接近一半，减少气电和油电，煤电保持稳定，新能源发电占比1%。福岛核事故后，目前实际主要依赖气电，核电处于停滞状态。东京电力最新的发展规划基于5D 理念，提出做好应对人口减少、低碳化、分散化、电力市场自由化和数字化的准备。2018 年，东京电力提出了“可再生能源主力电源化”的目标，明确将可再生能源作为发展支柱，提出2030年之前开发可再生能源发电装机（不含水电）600 万～700 万 kW 的目标（目前仅 5 万 kW）。同时，核电仍将适度发展，东京电力计划适时推进柏崎核电站6、7 号机组的重启，并在零碳电源发展顺利的情况下，逐步推进1～5 号机组的报废工作。相较而言，日本全国将核电摆在更重要的位置，计划2030 年重新将核电占比提升至20%以上（见图9）。

图7 东京电力火电机组发电热效率（自有机组）

图8 东京电力2010年提出的电力结构调整规划

3 经验小结

制造业用煤远离城市中心区域，钢铁业等代表性行业采取多种手段减少煤炭消费。上世纪90 年代，东京都制造业煤炭消费量已基本归零。从东京都市圈来看，距离中心20 km 范围内，仅1座高炉，用煤量约 350 万 t，50 km 范围内仅 4 座高炉。相关钢铁企业持续淘汰老旧生产设备（如高炉一般在45 年内停运），提升在运设备生产效率，推进废钢铁循环利用，稳步推进先进减煤降碳技术（如铁焦技术和H 还原炼铁技术）研发应用，且东京都市圈范围内钢铁企业优先试点最先进减煤降碳技术。

围绕重化工产业聚集区域布局火电厂。东京电力火电厂绝大部分布局在东京湾重化工产业带，接近电热负荷中心，实现了最短距离供电供热，有效提升了效率。

煤电发挥基荷作用，火电整体保持较高负荷，重视电源整体灵活性。东京电力旗下煤电厂发电小时数达到7 200 h 以上，气电厂发电小时数达到5 000 h 以上，为火电企业保持良好效益奠定基础。福岛核事故前煤电用煤量约为300万t，目前煤电用煤量略高于800 万t，2018 年煤电占东京电力自有机组发电量的12.5%。灵活性调节电源占比高，水电全部具备抽水蓄能功能，结合气电，灵活性调节电源占比达到3/4以上。

图9 日本2030年能源结构和电力结构展望

逐步淘汰发电效率较低的机组，结合最新形势重点发展可再生能源发电。东京电力火电发电整体热效率接近50%，目前正加速淘汰设计效率发电效率较低的机组。把握低碳化和分散化的发展趋势，东京电力后续将可再生能源发电作为发展重点，并在保障安全的情况下适当发展核电。