加拿大钢铁工业的脱碳战略

0 加拿大钢铁工业概况

2006-2007年间，全球钢铁工业掀起了并购重组浪潮，加拿大的部分大型钢铁企业也被安赛乐米塔尔、盖尔道和耶弗拉兹等跨国钢铁集团收购。加拿大钢铁工业由长流程和短流程钢铁企业组成，如表1所示，世界钢铁协会的最新统计数据显示，2020年加拿大粗钢总产量1 100万t，同比下滑14.7%，居全球第18位

。钢铁工业年均排放1 200万tCO

，其中约90%来自阿尔戈马钢铁公司、安赛乐米塔尔集团多法斯科公司、STELCO公司等三大长流程钢铁企业。这三家长流程钢铁企业都设有焦化厂和高炉，其铁前设备报废后，将不会进一步投资。考虑到铁水生产方面，高炉具有其他工艺难以企及的优势，部分企业也许会在高炉-转炉工艺上新增CO

捕集和封存（CCUS）技术，从而达到减排目标，或者支付碳税。预计到2030年左右，长流程钢铁企业才会作出最终的投资决定，如果继续维持现状，氢基炼铁工艺将会难以实现。

1 加拿大炭化研究协会

截至目前，尽管个别钢铁企业与大学和政府实验室建立了合作伙伴关系，但总体而言，加拿大钢铁工业并没有建立全行业研发合作的良好机制，而在这方面，加拿大炭化研究协会（CCRA）发挥了主导作用。CCRA成立于1965年，根据《加拿大公司法》，1981年组建为一个非营利性研究协会

，通过开展有关焦煤和焦化研究，协助并支持钢铁、铸造、有色和煤炭工业的发展。另外，积极加入具有相似目标的国际组织或协会。CCRA现有的会员企业包括：安赛乐米塔尔集团多法斯科公司、CanmetENERGY、泰克资源公司、STELCO公司、阿尔戈马钢铁公司、Suncoke能源公司等。

从政策层面看，CCRA也在主导会员企业与联邦政府之间的合作研发工作。CCRA会员企业和加拿大自然资源部能源技术中心(CanmetENERGY)联合开展了一项基于共识的项目。很多会员企业都在CanmetENERGY开展了一系列的试验，可以满足实际的研发需求。对于任何一家钢铁企业而言，拥有一个先进的实验室是开展焦化研究的关键所在，而CanmetENERGY可以提供关键技术辅助，支持钢铁企业创新发展。

CCRA-CanmetENERGY联合项目涵盖的研发领域主要包括燃料能源的节约和增效，以及稳定供应，温室气体减排、采矿、加工、运输、炼铁、环保和安全。研发项目着眼于行业内最紧迫的问题，同时致力于解决未来发展可能遇到的问题。

案例1中教师的操作有两个问题：第一，实验的目的是验证水的热胀冷缩。试管里应该装满水，但教师用于实验的试管却有约20%空气，而空气的热胀冷缩现象比水更加明显。实验观测到的结果究竟是“水的热胀冷缩”，还是“空气的热胀冷缩”导致的呢？这影响了实验的准确性。第二，违反操作规程。在实验过程中教师擅自取开气球皮，人为改变实验进程。这不利于培养学生正确的实验观和实验操作方法。

从历史上看，CCRA主要侧重于加拿大煤炭工业的发展。CCRA的统计数据显示，加拿大焦煤产量在20世纪90年代初达到了历史峰值，见图1。数据来源：CCRA。加拿大西部地区的焦煤具有独特的炼焦性质，可以生产出优质的焦炭，但需要专业的工程和技术。通过制定技术项目，在全球范围内展示加拿大西部焦煤的技术优势，CCRA发挥了重要作用，因此，加拿大煤炭工业已发展到3 000万t的总量水平。

为了提高炼铁工艺的能效，钢铁工业与CCRA开展了联合研究。针对现有设备进行了必要的改进，通过深入了解并提高加拿大高炉的焦炭质量，为降低燃料消耗率作出了贡献。自20世纪60年代，归功于焦炉质量和高炉技术的提升，钢铁工业的CO

减排趋势见图2（注：数据来源：CCRA）。

1.1 从碳优化到脱碳

从发展趋势来看，今后CSPA也有望在加拿大钢铁工业脱碳战略中发挥关键性作用。

2012-2013年，ERCO工程正式启动，由加拿大赫氏集团承接施工设计，并得到了CCRA会员企业的捐助和加拿大自然资源公司的可免除贷款资助。随着设计的完成，对选址和辅助设施的规划正在进行中，现有的可移动壁炉进行了搬迁，便于ERCO安装。

2020年，这一情况发生了改变。虽然CSPA并未真正成为研究活动的中心，但为钢铁工业提出了一个“净零碳气候行动”计划。该计划为加拿大钢铁工业开辟了一条全新的道路，需要大量的研究和技术发展才能实现净零碳目标。考虑到与CCRA的长期合作关系，CSPA再次联合CCRA，共同为加拿大工业实现2050年净零碳排放而努力

。

一个有关高炉煤粉喷吹(PCI)的项目随即获得了联邦政府批准，并在渥太华附近的贝尔斯角地区建立了一个特殊实验设施。CCRA、加拿大钢铁生产商协会（CSPA）与CanmetENERGY共同实施了一项关于炼铁研究的战略，同时预见了炼铁技术在未来20年的发展。这项研究于1990年完成，相关成果为加拿大钢铁工业的炼铁技术路线图的制定打下了良好基础。与此同时，由于联邦政府试图同时支持煤炭和钢铁工业，另一个总部位于渥太华的联邦研究机构遂迁址到阿尔伯塔省，其研究主要集中在煤矿管道、焦化装料添加剂、热压型焦，以及焦炭和焦煤的岩相分析方法。由加拿大西部煤炭生产商建成了炼焦设施，阿尔戈马钢铁公司捐赠了考伯斯式焦炉，同时还建造了一个小型流化床来加热焦煤。

在国家政策的推动下，从20世纪70年代开始，由于加拿大西部焦煤含有大量反应性半褐铁矿，特别开展了与美国阿巴拉契亚焦煤的对比研究。在此期间，研发项目集中于岩相分析和炼焦试验，以改善炼焦性能，产出品质优秀的焦炭。CCRA通过开发其技术项目，阐述了加拿大西部焦煤的优点，并发表了大量的研究论文。加拿大自然资源部(NRCan)统计显示，尽管加拿大煤炭产量占全球总量的1%，位居全球第13位，但解决了技术和质量问题后，加拿大焦煤出口量在20世纪80年代翻了一番。

苏珊·桑塔格的形式美学思想中，首当其冲的就是审美欣赏中仅针对艺术作品内容的泛泛而谈和过分阐释，这也正是1961年到1966年间，苏珊·桑塔格所发表的近30篇理论文章的主题。毫无疑问这也正是《反对阐释》这一著作的核心概念。在《反对阐释》中：

2010年是CCRA成立的第45年。该协会开始了一个雄心勃勃的项目，在贝尔斯角地区的焦煤和焦炭设施实施了ERCO工程的设计、建造和调试。ERCO技术是传统室式焦炉技术的另一种替代方法，事实上，加拿大的中试设备以往并没有使用ERCO技术，这意味着不能就地进行研发。CCRA的目标是让加拿大真正拥有此类设备，最终处于这项技术的前沿，会员企业将能够在此类焦炉中观察焦煤的行为，运用该设备，也可以充分发挥加拿大西部焦煤的优点，而且可以利用不同类型的配煤进行研究，以评价焦炭的质量。

在现代企业发展过程中，技术创新是企业发展的核心因素。要在激烈的市场竞争中保持可持续发展，企业必须进行技术创新。技术创新是一个复杂模式，不是简单的技术更新，而是从生产到管理和服务的整体升级，与企业高管的水平有直接的关系。激励高管发挥主观能动性，是科学有效提升企业技术创新的关键因素。高管是企业技术创新的核心人力，在企业技术创新过程中起到主导作用。对高管进行科学有效激励，是提高企业技术创新的有力措施[1-3]。

他山之石，可以攻玉．比较是为了知己知彼，学他人之长处，改自身之不足[6]．美国学生具有的良好创造能力正是中国教育期望中国学生提升的能力．因此以美国California Mathematics 7教科书（以下简称CM教科书）与中国人民教育出版社七年级上册数学教科书（以下简称RJ版教科书）作为比较研究的对象，发现美国教育对学生实际应用水平和创造能力的培养在其教科书中的体现．

2016-2017年，CCRA致力于煤炭相关研究项目。2015-2016年启动煤炭膨胀ISO实验室内研究，并与美国克莱瑞恩大学地球科学院签订了研究资助协议，目标是利用水基罗宾钻机工艺从加拿大西部煤田生产清洁煤。此外，还开展了进一步的捣固装炉装煤和小型炼焦研究，以满足会员企业的未来需求。

2017-2018年间，CCRA对PCI实验装置进行了升级，以更好地控制进煤速率和高炉煤气组分，同时提出了一种处理实验数据的新方法，包括引入两个新的参数来量化焦煤的气化程度。还提出了一种利用TGA方法来量化燃烧残留物反应性的新方法。后期的工作重点将关注提高装置在天然气/焦炉煤气喷吹、高炉煤气水分控制和尾气组分分析方面的能力。

基于价差返还机制的月度集中市场模拟及参数影响分析//陈思远,王波,王佳丽,林刚,王亚骏//(16):111

1.2 当前研究项目

CCRA的发展历程表明，它可以适应会员企业、煤炭和钢铁工业不断变化的需求。创新需要时间，而CCRA项目框架将工业和政府以互惠互利的形式结合在一起，全力支持加拿大工业的发展。从中短期来看，为了实现钢铁工业脱碳，需要采用可再生生物基碳替代传统的化石燃料，而为了实现这一目标，则需要开展大量的研究。

考虑到钢铁行业的现有设备将会使用至淘汰，CCUS技术将会在未来发挥重要作用。由于温室气体减排已经成为全球钢铁和煤炭行业的重大议题，从中长期看，CCRA正在积极寻求相关的减排举措。通过与加拿大和国际合作伙伴合作，CCRA计划在中长期（2030-2050年）开发碳中和炼铁工艺。目前CCRA的研究方向主要聚焦于钢铁工业可持续生物质能源的利用，包括：热解技术评价、生物基碳用于电炉炼钢、生物质型煤的形成、生物基碳向高炉直接喷吹、生物黑炭的生产和处理。

2 加拿大钢铁生产商协会

加拿大钢铁生产商是代表加拿大钢铁工业经济的组织，以高质量、有竞争力和创新性的产品满足北美客户的需求。加拿大钢铁生产商曾经是美国钢铁协会(AISI)的长期会员，但面对美国钢铁贸易保护主义冲击，为了维护自身利益，最终于1986年成立了加拿大钢铁生产商协会（CSPA）。时至今日，CSPA会员企业涵盖了加拿大钢铁工业的全部产能。

2008-2009年，温室气体开始成为联合研发项目的关注热点。为了研究替代性的焦化技术，2009年CCRA-CanmetENERGY联合项目开始研究能源回收中试焦炉(ERCO)，为了建造这一设备，还特别邀请了安大略水电公司作为合作伙伴。

CSPA会员企业在加拿大各地工厂每年生产约1 300万t钢材产品，钢铁相关从业人员约2.3万人，同时创造了约10万个间接就业岗位。CSPA致力于为加拿大钢铁生产商创造良好的发展条件，助力会员企业实现可持续发展。但是，CSPA始终是一个传统的行业游说团体，虽然在贸易政策、税收和监管上发挥了指导作用，但尚未真正涉足研究和技术开发领域。

模袋混凝土的充灌是整个施工过程中的关键工序，要做到混凝土搅拌、运送、泵送、充灌成形一条龙作业，把握好充灌速度。所需混凝土必须严格按配合比搅拌，保证坍落度、强度等指标。充灌混凝土的顺序采取自下而上逐排口逐仓充灌 (每4 m为1个灌口)，每排的充灌顺序为：由模袋搭接的一侧开始向另一侧逐口充灌，采用这样的充灌顺序实际上是几条模袋轮流交替充灌。与同一次连续充满一条模袋后再充灌下一条模袋的顺序相比，这样的顺序有以下优点：

20世纪80年代末，国际能源危机已经消退，煤炭和钢铁价格持续下跌，钢铁工业进入了一个激烈竞争时期。高炉煤粉喷吹技术由于生产力优势突出，被引入欧洲和日本。为了提升焦炭质量，CCRA技术委员会也评价了选煤厂控制、焦炭反应后强度（CSR）和碳织构、焦炉内的垂直温度分布以及焦煤的部分老化/风化对焦炭质量的影响。

高校拉丁舞课程作为顺应文化大发展，文化交流无国界的潮流而由外引进的一门新课程，教学中如何立德树人，适应国内的文化传统，赋予其中国化的新符号，是我们实践研究的重要任务。

CSPA目前由安赛乐米塔尔集团多法斯科公司主持。这是因为2000-2010年期间，在加拿大钢铁工业的重组和缩减过程中，仅多法斯科公司维持了内部的研发能力。加拿大钢铁工业主要炼钢工艺流程的CO

排放和能耗情况见图3(注：数据来源：CSPA)。

20世纪80年代初，CCRA的研究大多集中在焦炭与工业炉加工条件的相关性上，尤为注重中试焦炉和工业焦炉的煤气和炉壁压测定。CCRA能够利用原计划拆除的阿尔戈马钢铁公司6号焦炉，对高压配煤进行焦化，以确定高炉壁压力对焦炉的影响，以及是否会导致炉壁故障。当时CCRA曾与日本钢管公司(NKK)开展过频繁的技术交流，相互展示了各自的学术成果

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3 净零碳钢铁技术路线图

作为温室气体排放的大户，钢铁工业迫切需要实施重大的技术变革，以大幅减少排放。重大的创新和技术突破对于2050年实现净零碳排放的目标至关重要。CSPA与CCRA组建的脱碳联盟已经按照逐步转型的方法制定了一套研发行动计划。其中，2020-2025年为近期的研发和实施阶段，将利用现有生产设施应用和推广温室气体减排技术；2020-2050年为长期研发阶段，充分挖掘现有工艺装备的减排潜力，追求净零碳排放的炼钢技术。

净零碳钢铁技术路线图的宏观目标为：利用现有的生产设施，显著减少钢铁生产过程中的温室气体排放；研究和开发非化石碳基钢铁冶炼工艺，以取代现有的化石碳基技术，实现钢铁生产净零碳排放。在此转型期间从整体上提高加拿大钢铁工业的生产力和全球竞争力。

从具体项目来看，近期的研发和实施阶段包括：高炉和电炉中可再生生物碳替代化石碳还原剂，用低碳燃料替代化石燃料取暖，探讨钢铁生产中电气化的潜力，改善低品位余热的管理和利用，探讨钢铁生产中碳捕集、利用和封存的潜力。

长期研发阶段包括：推进替代型炼铁技术，特别是氢气-DRI和电解炼铁技术；升级炼钢技术以利用替代型铁原料；开发煤气还原剂的生产、储存和输送技术，以支持DRI工艺开发；开发可再生发电技术以支持替代性炼铁技术，真正将CCUS技术应用于钢铁冶炼过程中，构建碳循环路径和长期碳封存体系。

4 向净零碳钢铁工业转型的框架

基于林业和生物碳的丰富资源，加拿大钢铁工业的CO

减排路径可能会不同于其他国家，这将是帮助钢铁工业向净零碳转型的一个主要潜在优势。加拿大拥有丰富的天然气和优质铁矿石资源，森林工业规模巨大，历史上曾为美国报纸工业提供新闻纸。随着数字媒体兴起，在纸浆和造纸行业产生了过剩的生物质，这可能是生物碳的重要来源。利用生物质作为煤炭的替代品，作为一个过渡步骤，今后将会为氢基炼钢做准备。不过，这需要从传统的研究方式中彻底脱离出来，并积极发展与外部行业的伙伴关系。

不可避免的是，向净零碳或绿色钢铁的转变将会导致一系列外部问题，特别是这类钢材产品的价格预计将上涨30%～50%。而碳税政策将会发挥重要作用，只有在实施相对较高的CO

排放价格后，生物质利用才具有经济可行性，反之将显著影响钢铁的生产成本。根据当前的价格和近期技术，生物质最高可替代42%的化石燃料，这将使钢铁生产成本至少增加50%。此外，在生物质供应方面还将面临竞争。仅钢铁需求就占供应总量的15%，而能源、运输和化学等其他行业也需要生物质投料。

若全面实施转型，钢铁厂外观和技术结构都会发生颠覆性改变，未来或将与化工行业耦合：小型电炉将以氢气-DRI、氢基或DRI的形式投料，辅以现场的制氢厂、甲醇工厂和电解工厂。传统的钢铁生产始终是以经典的冶金学理论为根基，在未来将由氢气、生物碳和电子作为主要驱动力。向生物质炼铁生产的转型路径如图4所示，对于每吨铁水而言，假设热解过程中生物质产出率为30%，需要700 kg生物质原料

。

第一道习题，意在提前干预连减简便计算与加减混合运算的混淆；第二道习题，意在提前干预乘法分配律受加减混合运算的混淆；第三道习题，意在提前干预乘法分配律与结合律的混淆。通过对典型错题的议错、辨错活动，使学生有序重建正确的知识结构，摆脱负迁移的不良影响。

5 结语

为了支持加拿大钢铁工业的长期脱碳，CCRA、CSPA和CanmetENERGY等机构组织正在进行合作研究，开发全新的技术解决方案，从而应对这一紧迫的全球挑战。CSPA与CCRA组建的脱碳联盟已经发布了净零碳钢铁技术路线图。不过，除了充足的人力和技术支撑，如果没有碳税和其他财政援助的支持，加拿大钢铁工业很难实现全面转型。最后，为了向净零碳排放目标迈进，加拿大钢铁工业将会继续强化与林业和化工行业的紧密联系。

[1]2021年世界钢铁统计数据［N/OL］.https://www.worldsteel.org/zh/dam/jcr:976723ed-74b3-47b4-92f6-81b6a452b86e/WSIF_2021_CN_R.pdf.

[2]Canada(2017)“Sources of Pollution:Iron and Steel.”Ottawa:Government of Canada.［N/OL］.https://www.canada.ca/en/environment-climate-change/services/managing-pollution/sources-industry/metals-mineral-processing/iron-steel.html.

[3]Canadian Carbonization Research Association(2020)“Annual Report 2020.”［N/OL］.https://www.cancarb.ca/about/annual-reports/.

[4]Canada's Steel Industry:A SUSTAINABLE CHOICE［N/OL］.https://canadiansteel.ca/files/resources/CSPA_Climate-Call-to-Action-EN.pdf.

[5]Wesselinga,J.,Lechtenböhmerb,J.,Åhmanc,M.,Nilssonc,L.,Worrelld,E..The transition of energy intensive processing industries towards deep decarbonization:Characteristics and implications for future research[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017（79）：1303-1311.