CO催化氧化耦合SCR脱硝：烧结烟气热能回收与超低铂催化剂设计新策略

针对钢铁行业烧结烟气中CO排放控制与热能回收难题，研究人员提出催化氧化CO(COC)耦合选择性催化还原(SCR)脱硝的协同治理方案。通过Aspen Plus模拟验证，当烟气CO浓度>0.4 vol%时，CO氧化放热可满足SCR系统供热需求，使高炉煤气消耗降低2-3个数量级，年CO2减排40%。团队开发的0.01 wt%超低铂负载催化剂在210°C实现CO完全氧化，TOF值达49.81 s?1，为工业烟气治理提供经济高效解决方案。

　　

钢铁工业作为全球碳排放的重要来源，其烧结工序产生的烟气中含有0.6%-1.2%的高浓度CO，既是剧毒污染物（>50 ppm可致人中毒），又是蕴含283 kJ/mol燃烧热值的能源载体。传统处理方式直接排放不仅造成能源浪费，更导致严重环境问题。与此同时，当前烧结烟气脱硝主流技术选择性催化还原(SCR)需要消耗大量高炉煤气(BFG)供热，而BFG中高达20%-25%的CO₂含量又加剧了碳足迹。这种"污染未治、能源未用、碳排反增"的困境，成为制约钢铁行业绿色转型的关键瓶颈。

针对这一难题，中国国家自然科学基金支持的研究团队创新性提出将CO催化氧化(COC)与SCR脱硝耦合的协同治理策略。通过Aspen Plus流程模拟发现，当烟气CO浓度超过0.4 vol%时，其完全氧化释放的热量即可满足SCR系统30-60°C的温升需求。实际工程测算显示，该方案可使BFG消耗量骤降2-3个数量级，年CO₂减排约40%，相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

研究采用Aspen Plus V12进行流程模拟，结合浸渍法制备钛基缺陷结构载体(Ti-D N₂)，通过N₂等离子体处理构建表面氧空位。采用HAADF-STEM、XPS、DRIFTS等技术表征催化剂微观结构，在固定床反应器中评价CO氧化活性，计算周转频率(TOF)量化本征活性。

结果与讨论

1. 工艺可行性验证：模拟表明CO氧化反应器出口温度可达300-350°C，完全满足SCR催化剂180-400°C的操作窗口。当CO浓度达4 vol%时，系统可实现热量自平衡。
2. 经济效益分析：相比传统BFG加热方案，COC供热使吨钢运行成本降低56%，投资回收期仅1.8年。
3. 催化剂开发：0.01Pt/Ti-D N₂催化剂在210°C实现CO完全转化，230°C时TOF高达49.81 s^?1，较传统0.1Pt/Ti催化剂提升两个数量级。表征显示氮等离子体处理形成的Ti³⁺缺陷位促进Pt原子簇分散，CO-DRIFTS证实其吸附能力增强3倍。

结论与意义
该研究开创性地将CO治理从单纯的环保问题转化为能源回收与污染协同控制的系统工程。超低铂催化剂(0.01 wt%)的开发突破贵金属成本瓶颈，其完全暴露的Pt原子簇与载体缺陷的协同作用机制为设计抗硫中毒催化剂提供新思路。实际应用中，每吨烧结矿可回收约8.4×10⁶ kJ热能，相当于节约标煤286 kg。这项技术为钢铁行业实现"超低排放-节能降碳-经济效益"三重目标提供了可量产的解决方案，对推动《钢铁行业碳达峰实施方案》落地具有重要实践价值。