一、研究的背景与问题
钢铁行业是我国国民经济的支柱产业，同时也是高物耗、高能耗、高污染的工业部门。实施钢铁企业超低排放改造是目前我国开展非电行业大气污染治理、打赢“蓝天保卫战”的主战场，也是推动钢铁产业转型升级、实现钢铁企业低碳绿色发展的重要举措。
高炉煤气作为产量最大的钢铁冶金副产煤气，是钢铁企业重要的二次能源之一，多用于高炉热风炉、轧钢加热炉和剩余煤气发电等工序。高炉炼铁过程中，煤炭、铁矿石等炼铁原料中的部分硫元素转移到高炉煤气中，经燃烧后产生的二氧化硫（SO₂）是钢铁企业主要的大气污染源之一，属于超低排放改造的重点环节。目前，SO₂的减排路线主要包括源头控制和燃烧后烟气治理，由于高炉煤气下游用户多分布于钢铁厂各个区域，采用末端烟气治理的方式存在着治理点位多、投资成本高、占地面积大、运行管理复杂等问题，因此在源头实施高炉煤气精脱硫被视为一种更经济有效的技术手段。2019年4月，生态环境部等5部门联合发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中，除对冶金煤气燃烧后的末端烟气中SO₂的排放提出了更严标准外，还首次明确提出了要“加强源头控制，高炉煤气、焦炉煤气应实施精脱硫”。
高炉煤气中的硫化物主要以羰基硫（COS）和硫化氢（H₂S）的形式存在，其中COS约占70%。由于COS化学性质稳定，无法同H₂S一样采用简单的碱液吸收或氧化锌吸附的方法实现深度净化，因此实施高炉煤气精脱硫的技术难点主要在于COS的深度脱除。催化水解法由于反应温度低、净化率高、无二次污染等优势，被视为当前净化高炉煤气中COS最具潜力的方法之一，其技术关键在于催化剂的选择。尽管化工行业有关于COS催化水解净化的应用案例，但高炉煤气因其特殊性（处理气量大、温度波动大、成分复杂），导致实际工程应用过程中存在催化剂的使用寿命短、需要频繁更换的难题。
二、解决问题的思路与技术方案
目前，COS的水解催化剂主要有两类：一类是负载型催化剂，通常以活性炭、堇青石等多孔材料为载体，通过负载一定量的活性组分制得。活性组分包括碱金属、碱土金属、过渡金属氧化物、稀土金属氧化物等；另一类是非负载型催化剂，包括各种单一金属氧化物和多元复合金属氧化物等。如何提高催化剂的低温催化活性并避免催化剂的中毒失活一直是该领域研究的重点。
北京科技大学大气污染控制与资源化创新团队自2007年开始对羰基硫水解开展研究，获得了国家自然科学基金（面上、青年）、博士后基金、企业委托等多项资助。团队在多年实验室研究的基础上，开展了针对工业化应用的催化剂成型工艺及验证研究，围绕目前高炉煤气精脱硫的技术挑战，开发出了适用于高炉煤气工况的“富缺陷型高效长效羰基硫水解催化剂”。
三、主要创新性成果
1、系统研究了制备方法对催化剂结构、表面性质与催化剂活性的影响，建立了有机硫水解催化剂制备方法--物化性质--催化性能三者之间的关联模型。
2、深入研究了各种反应条件的影响，通过对反应温度、水蒸汽含量、氧气含量等关键反应参数进行深入分析，阐明了催化剂效率降低的内在原因，为工艺优化提供指导；
3、结合催化活性、热力学和动力学的实验结果及理论计算，对水解中间产物进行了推测，探索了不同气氛条件下催化水解的反应机理，指出氧空位对于催化水解的重要作用。提出了调节催化剂表面不同碱性位点的强度和数量，分别促进水分子的羟基化和COS的吸附是低温水解催化剂研发的关键。
团队已出版羰基硫净化学术专著1部，申请相关专利30余项，由Elsevier出具的权威科研分析报告表明：团队在羰基硫脱除方向的研究产出规模、引用影响力和浏览关注度均位于本领域学者前列；其中两篇文章入选领域权重引用影响力前十（第3和6名）。
四、应用情况与效果
2022年1月至今，采用具有自主知识产权的“富缺陷型高效长效羰基硫水解催化剂”，在常州中天钢铁8#高炉TRT区域开展煤气精脱硫中试。运行数据表明：
1、羰基硫脱除效果满足高炉煤气精脱硫工程要求：在温度＞85℃条件下，连续运行180天，羰基硫净化后浓度低于1 ppm；运行至283天时，羰基硫净化后浓度低于10 ppm。
2、可以有效避免催化剂表面的硫酸盐沉积：有效转化率（H₂S选择性）大于95%，说明羰基硫可以充分转化为硫化氢，有效避免了硫酸盐在催化剂表面的沉积。
3、催化剂具有较长使用寿命：催化剂已连续使用283天，累计处理煤气量1217万Nm³/吨，高于876万Nm³/吨.年的工程设计值。
4、可以较好的应对极端工况变化：催化剂对煤气流量波动、短时低温等极端工况有很好的适应性，且当操作条件好转后有机硫脱除效果得到恢复。
2023年3月27日，在常州中天钢铁集团举行了“高炉煤气精脱硫工艺方案”论证会。与会人员在听取项目组汇报并详细查看工艺方案、设备布置后形成一致意见：具有自主知识的催化材料性能可靠，可满足工程应用条件下连续运行需求。
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