本文对全球能源的氢需求量进行了评估，介绍了日本为实现CO₂零排放氢链的研究项目，使用全球环境综合评估模型的能源模块，在模型中增加了CO₂零排放氢的制造、输送和利用的技术选项，评估了世界及日本到2050年的氢需求量发展趋势。

   在气候变化框架公约缔约国大会（UNFCCC COP），大幅度减少温室气体排放已成为国际社会讨论的一个先决条件。日本也长期保持着严格的限制目标。

   东日本大地震对日本的能源供需结构有很大影响。日本的能源系统将来必 须 满 足3E S（Energy secur i t y, Economi c ef f i ci ency, Environment and Saf ety）的条件。对于CO₂零排放的能源技术，能源的供需双方进行了产学官合作的多个技术开发项目。一般情况下，从开发技术到技术引入，存在促进、阻碍其普及的各种不确定性。

   2014年4月，日本内阁会议决定在基本能源计划中列入加快实现“氢社会”的措施。在同年6月公布的氢、燃料电池发展策略路线图中，作为氢引入的未来蓝图，描述了CO₂零排放氢供应系统的确立。这种CO₂零排放氢链，被政府、制造商和社会高度重视。

   2011年3月，日本成立了“为实现CO₂零排放氢链的理念研究会”，2012年6月，组建了“为实现CO₂零排放氢链的行动计划研究会”，这些作为有助于减排CO₂目标达成的长期性技术选项，对日本大规模利用CO₂零排放氢的意义和效果等，从定性和定量两方面进行了反复的研究。这里的CO₂零排放氢指的是，采用可再生能源和具备CO2回收封存（CCS：Carbon Capture and Storage）的化石燃料改质和核能制造的氢。

   1模型概要

   GRAPE是能源综合工学研究所开发的超长期综合评价模型，它是由能源、经济、气候变化、环境影响、土地利用模块构成。GRAPE能源模块将世界分为15个区域（加拿大、美国、西欧、日本、大洋洲、中国、其他东南亚国家、印度、中东和北非、撒哈拉以南非洲、巴西、其他拉丁美洲国家、中欧、东欧、俄罗斯），一期为5年，到2100年，是能源系统成本最小的、优化全球能源供需平衡（制造、运输、转换、需求）的模型。

   使用该模型的能源供需平衡计算如下。首先，从现在到未来的人口、GDP等宏观经济指标的各种预测，来推测发电、交通运输和定置各部门的能源需求。然后，设置模型假设的能源流、可利用的技术选项。最后，设置模型考虑的CO₂排放量的上限等限制条件，探索和确定全球整体的、能源系统成本最小的能源供需结构。作为计算结果，输出世界不同区域的能源供需量、CO₂排放量等。

   在该模型中，假设在加拿大、美国、大洋洲、其他亚洲国家、中东和北非、其他拉丁美洲国家和俄罗斯7个CO₂零排放氢的供应地，从2020年开始制造CO₂零排放氢。日本、加拿大、美国和西欧从2020年开始利用这种制造的氢；俄罗斯、中国、印度和巴西从2030年开始利用，按照生产地域内利用或氢供需地域的需要进行国际输送。

   氢制造、输送效率和成本等的设定如下。日本以外地域的配送设定为换算成DOE（美国能源部）2020年目标值的703美元/油当量。日本国内的氢供应包括天然气、LPG、石脑油的蒸汽重整、炼油厂的重油气化、钢铁厂焦炉煤气（COG）中提取的氢、氯化钠电解副产氢等方式。氢输送设定为各供需方用高压气体、液体氢和管线输送，日本国内的氢供需比其他地区表述的更详细。氢需求为：设想的发电部门的企业用大规模氢发电用的燃料消耗；定置部门的氢热电联产机组（H₂ CHP）、天然气混烧的氢直接利用的燃料消耗；运输部门的燃料电池汽车（FCV）和氢引擎汽车用燃料、乘用车以外的替代燃料的消耗。大规模氢发电的设备费与天然气火力发电相同，为900美元/kW，寿命也与其他火力发电相同，设定为30年。氢热电联产机组的设备费参考了IEA ETSAP的产业用热电联产机组数据，为1050美元/kW。氢热电联产设备寿命为15年。氢天然气混烧以相当于氢烷（20vol%）为上限，不考虑追加的设备费用。FCV引进相当于现在电动汽车的补贴，2020年约为300日元/辆。乘用车使用寿命设定为10年。

   假设各地区的各资源累积使用量增加，资源价格上升。这是因为资源价格与开采成本相关，假设从开采成本低的资源开采。在该模型假设中，不包括短期需求影响导致的资源价格上升和下降。

   2结果

   2.1计算案例的设定及其条件

   模型考虑的CO2减排限制，2020年根据坎昆协议COP15区域限制，2050年全球总排放量比1990年减少50%，发达地区（加拿大、美国、西欧、日本、大洋洲）合计排放量比1990年减少80%。此外，对发达地区，设定了2025年到2050年的上限值，设定了2050年以后全球总的上限值。日本在COP19前，目标是比2005年减少3.8%，这是没有考虑核能发电效率的暂定值。

   目前，日本的目标值是，到2020年的减排限制设定为比1990年减少5%。作为与发电相关的条件，日本将CCS的上限限制在2亿吨·CO₂/年。核电站的寿命设为40年，不新增设核电站。可再生能源中，设定了对太阳能和风力发电量的上限。

   2.2能源进口价格

   在化石资源和进口氢的CIF价格模型中，制造装置等的固定费用作为外生变量给出，但变动费的原燃料及氢制造所需的电力除一部分外，作为内生变量给出，因此，模型内由于资源利用，氢价格的计算结果产生波动。在本文的条件下，日本的氢CIF价格相当于26-31日元/Nm³。2030-2035年日本没有从海外进口，所以价格也没有输出。2025年，日本将从氢价格最便宜的俄罗斯进口CO₂零排放氢约0.1百万吨油当量（Mt oe）。但2040年以后，随着严苛的CO₂排放限制，从其他拉丁美洲国家进口风力为动力源制造的CO2零排放氢。

   2.3氢需求

   2050年，世界总的氢需求量为805 Mt oe。如图1所示，世界氢需求量的大部分是交通运输部门。从2020年开始可能利用氢，但随着时间的推移，为应对更加严苛的CO₂排放限制，氢需求量将增加。2050年，日本在发电部门将引进大规模的氢发电。2050年日本的氢需求量将达到57 Mtoe（2198亿Nm³）。与近年日本氢需求量几百亿Nm³（基本是炼油厂和化学工业自己消费）相比，该需求量非常大。此外，该研究中没有研究自己消费氢的需求。例如，炼油厂的脱硫和氢化裂解的氢需求也很大，该评估是今后的课题。氢需求主要由发电、交通运输和定置部门构成，分别利用大致相同量的氢。2045年以后，发电部门将引入大规模氢发电。2020年以后，定置部门将引入氢热电联产机组。2050年，氢热电联产机组的氢需求量为19.4Mt oe（753亿Nm³）。2050年，氢热电联产发电机组和直接燃料合计的氢需求量占定置用燃料的约8%。在交通运输部门，乘用车引入FCV后，在运输能量总消费中，2050年氢消费量达到17.5 Mt oe，约占43%。

   2.4发电部门

   发电部门减排CO₂技术选项除大规模氢发电外，还有带CCS的火力发电、核电和可再生能源发电。考虑到由各动力源的发电成本、运转率和动力源特性推测的市场占有率限制，计算长期的动力源构成，因为CO₂排放限制，2050年全球的电力将向低碳化发展。煤炭火力发电逐渐减少，由带有CCS的IGCC替代。发电量是核电供应约一半的电力，可再生能源的水力发电变化不大。但2020年以后的风力发电将增加，2035年以后太阳能发电将增加。因CO₂排放限制，在日本的动力源也将向低碳化发展，2010年约400g·CO₂/kWh的单位CO₂排放量，到2050年基本为零。与世界的发电量构成不同，日本将在2045年以后引入利用从海外进口氢的大规模氢火力发电机组。在日本，氢以外的零排放动力源，特别是核电和有CCS的火力发电都有量的限制，所以考虑引入采用氢的大规模发电。

   2.5交通运输部门

   图2是世界乘用车保有量构成的变化。随着CO₂严苛的排放限制，世界的乘用车保有量与现有的内燃机汽车比较，CO₂排放量少的FCV、EV、PHEV的引入增加。在日本没有看到PHEV增加，作为PHEV的燃料假设为汽油，认为这是为满足2050年严苛的CO₂排放限制。2050年，FCV车为2570万辆，EV车是1800万辆。

   图3是世界交通运输能源构成的变化。交通运输部门由乘用车、卡车、公交车、铁路、航空和船舶构成。在全球，随着经济增长的交通运输需求的增加，以汽油、轻油和重油为主的能源消费量增加。但2030年以后，电力、氢和生物质燃料将真正开始普及，2050年氢将占24%。在日本，由于人口减少和运输设备效率的提高，交通运输能源消费是

   减少的趋势。到2030年，虽然汽油、轻油和重油起主要作用，但之后电力、氢和生物质燃料将增加，2050年氢将占43%。

   2.6定置部门

   图4是世界定置部门的能源消费变化趋势。

   世界定置部门基本需要的是天然气、生物质燃料、高品位煤，氢在2050年面向定置部门的需求约为2%。日本从2020年引入氢热电联产机组，2050年氢热电联产机组的氢需求量是19.4Mtoe，2050年，定置部门的氢需求量约占8%。

   2.7日本一次能源供给

   图5是日本一次能源供应量的变化。在该图中，示出了进口CO₂零排放氢供给日本能源的量，这里氢是一次能源。进口的二次能源（石油产品、电力等）在能源统计上被视为一次能源，所以，进口的氢也按惯例作为一次能源。2020年氢虽没有起作用，但从2040年开始全面引入的CO₂零排放氢，2050年氢对一次能源将有约20%的贡献，并可能成为未来的重要能源之一。

   2.8日本氢需求的敏感性分析

   图6是日本能源需求条件变化引起的氢需求量的变化，即氢需求量的敏感性分析。敏感性分析案例为：日本不能利用CCS时（没有CCS）；氢CIF价格比基准条件高约10日元/Nm³的案例（高价氢）；核能发电量减少的15%由氢发电供应的案例。在2030年之前，所有条件氢需求量基本相同。但2035年以后，没有CCS的案例，氢需求量最大，2050年为80Mt oe，是基准条件的约1.4倍，其原因是将采用大规模的氢发电。在高价氢的条件下，在2045年之前氢需求量比基准条件少，但到2050年与基本条件相同。这是因为要满足发达国家整体比1990年减少80%CO₂排放量的限制，引入氢发电。在核电的条件下，在2050年，氢需求量最少。在进行敏感性分析时发现，发电部门大规模氢发电对氢需求量的影响很大。

   3结语

   采用全球环境综合评估模型GRAPE的能源模块，对世界性能源的氢需求进行了评估。在模型中添加CO₂零排放氢的制造、运输和利用技术的选项，以严苛的CO₂排放限制进行了计算。

   在全球范围内，氢用于定置部门需求的热电联产机组、直接燃烧和交通运输的需求，2050年的需求量是805Mtoe。在日本，除定置、交通运输需求外，发电部门也引入了大规模氢发电，2050年，日本氢需求量为57Mtoe。这是发电部门的零排放动力源的带有CCS火力发电和核能发电受限的原因。

   此外，在敏感性分析案例中，日本不能利用CCS时，2050年日本的氢需求量最多，为80Mtoe，核电保持一定量时，不引入大规模氢发电，氢需求量至少为39Mtoe。在进行敏感性分析的范围内，发电部门的氢利用对氢需求量有很大影响。

   （全荣）

   上接B10版

   一种等离子技术进行无焦炼铁，并从钢铁工业产生的副产品中回收利用铁相。2008年，瑞典欧沃克钢铁公司胡福什钢厂启动了这个研发项目，并为此新建了一座试验工厂。

   试验反应炉物料容量最高可达200kg/h。由于试点工厂的规模不允许在连接两个反应炉的流道中建立一个连续的渣流，因此该试验工厂是由一个可分批处理的反应炉构建而成，而不是两个反应炉串联。

   对不同的铁氧化物原材料进行评估：铁矿石、钢厂副产品及其混合物等。表1列出了原材料清单。钢厂富含氧化铁的副产品含有堪比铁矿石的化学成分，且由于原材料是直接熔融，因此物理性质并不重要。因此，这项工作的目的是评估确定适用于炼铁的铁氧化物材料的范围。

   经过对所有原材料和混合物的评估，铁的收得率为95%-99%。测定终渣中氧化亚铁最低含量为1%。和预期的一样，磁铁矿含量较高的混合料在工艺中的能源利用率更高。结果表明，含磷量较高的矿石可作为原料，如果较多的额外碳用于还原反应炉，则磷可转变成炉渣（见表2）。

   最终还原为金属铁时，即使炉渣中氧化亚铁含量低至40%（炉渣中氧化亚铁活度低），反应速率依然很高。在试验过程中，当额外的碳加入到富含氧化亚铁的熔渣中时，反应炉内压力急剧增加，从而观察到高反应速率。试验厂的结果表明，IRONARC工艺可由铁氧化物含量较低的原材料进行炼铁，且铁的收得率高达99%。对该工艺的经济可行性进行评估，以工厂年产铁水40000t计算，理论上原料中铁氧化物含量最低应为60%。

   对碳源作为还原剂和铁水渗碳能力进行测定。表1列出了所有经过测试的碳源，经试验证明，这些碳源均适用于IRONARC工艺。甚至连高硫含量的煤也可以用于冶炼，因为硫会在冶炼阶段被氧化，因此不会污染生成的铁。

   对预测与控制铁水质量的可行性进行了评估。还原阶段中铁水渗碳所需的额外碳，随着铁水成分目标的不同而不同。如表2所示，根据还原阶段中的氧势，铁水的两大主要特质已达标。

   低碳铁水的生产可去除原材料中的磷和硫。这将使高磷铁矿石以及高硫低碳源炼铁成为可能。然而，用从钢厂副产品中回收的铬冶炼的低碳铁水质量较低。

   由于从风口喷入气体会造成剧烈的渣池搅拌；因此，这个过程的操作接近热力学平衡。铁还原过程的热力学是众所周知的；然而，在这些有利的条件下进行反应的动力学和反应速率却鲜有人知。为此，在配备了快速淬火TGA设备的实验室对还原过程中的所有阶段作进一步的研究。此外，实验室还将研究如黏度、密度和表面张力等炉渣性能。其目的是表征控制渣流参数的相互作用，以达到最优的混合条件和高能效、控制反应速率以及确定IRONARC工艺的瓶颈。

   示范工厂对从研发到全面的工业应用、整体工艺的评估和长期效应的研究而言，是不可或缺的一个重要环节。计划建立一个利用回收钢厂副产品每年冶炼40000t铁水的示范工厂。示范工厂是迈向全面工业过程的第一步，是与高炉炼铁竞争扩大生产规模的基础。基于理论知识获得的技术成果和经验，示范IRONARC工艺的目标如下：

   ◆不用焦煤或烧结矿炼铁；

   ◆炼铁煤耗不到250kg/t；

   ◆二氧化碳排放量低于765kg/t；

   ◆总能耗少于3100kWh/t（包括煤炭和电力）；

   ◆所产铁水碳含量可预测且控制在3%-4%的范围内；

   ◆证明钢厂副产品可转化成高质量铁水，且品质适用于电弧炉或碱性氧气炉；

   ◆证明与传统炼铁技术相比，小型炼铁工艺在经济上是可行的。

   3用氧化铁皮炼铁

   某案例研究介绍了用氧化铁皮作为原材料炼铁的生产数据；图5为质量和能量的平衡。以工厂年产40000t铁水为基准进行计算。

   冶炼1t铁需要1450kg氧化铁皮。化学还原至铁水需要205kg碳。除此之外，还需要45kg碳生成渗碳铁。加入40kg氧化钙作为造渣剂用于调节炉渣的熔点。此过程可生产190kg炉渣，其中有一半的量是在高炉熔炼过程中产生的。

   化 学 还 原205kg铁，1240kWh的能量由电力提供，1860kWh由碳提供。碳渗铁加入的碳不产生任何额外的热量。

   注入155m³氧气帮助内部循环气体燃烧。燃烧后释放1350kWh热量熔融炉内物料。

   等离子发生器焓值为3.8kWh/Nm³时，其能效为80%。

   得益于等离子气体的高能量密度，生产1t铁仅需要420Nm³废气。相对较低的废气量可使废气的能量密度更高，还能为废气处理装置瘦身。

   表3中列出了工厂不同位置的热能损失。冷却损失的热能可用于产生蒸汽，或用于小区供热系统。当金属在熔融阶段进入电弧炉时，所产生的金属显热就可加以利用；降低生产钢材的单位能耗。

   4讨论

   本文介绍了一种新型炼铁工艺IRONARC，已经通过中试规模测试，现在准备在一个全面的示范工厂进行试验。试验工厂对不同的含铁材料和不同碳源进行了测试。试验证明，氧化亚铁含量较低的炉渣反应速率依然很高，铁的收得率高达99%的目标已达到。同时证明根据额外碳含量生产不同品质的铁水是有可能的。在最终还原阶段，额外碳含量高可使生铁中含碳量饱和，而额外碳含量低则可生产优质钢。

   新型炼铁工艺IRONARC的特点有潜力满足钢铁工业的需求：减少工业二氧化碳排放量、煤炭以及其他化石能源的消耗和使用。IRONARC工艺可利用钢厂的富含氧化铁的副产品回收铁元素；因此，该工艺的方向是实现钢厂“零填埋”，实现工业可持续发展的愿景。

   IRONARC工艺已通过工厂试验发展阶段，其发展潜力已被证明。该项目团队正在努力启用示范工厂，以证明该技术可作为工业炼铁方法使用。对用氧化铁皮炼铁的案例证明：基于钢厂副产品的小规模炼铁装置在经济上是可行的。 （邵岚）