船舶烟气 SCR 脱硝技术概述 船舶烟气选择性催化还原（SCR）脱硝技术是目前国际海事组织（IMO）认可的船舶氮氧化物（NOx）减排核心方案之一，主要通过催化剂作用，利用还原剂（如氨、尿素）将烟气中的 NOx 还原为无害的氮气（N₂）和水（H₂O），满足 IMO Tier III 等严苛排放法规要求。该技术具有脱硝效率高、运行稳定等特点，广泛应用于商船、邮轮、渔船等各类船舶的柴油机尾气治理。 核心原理与化学反应 1. 基本原理 选择性催化还原：在催化剂（如钒基、沸石基）作用下，还原剂优先与 NOx 发生反应，而非与烟气中的氧气（O₂）反应，从而实现高效脱硝。 还原剂类型： 氨（NH₃）：直接作为还原剂，反应活性高，但需解决储存运输的安全性问题。 尿素（CO (NH₂)₂）：通过热解或水解生成 NH₃，是船舶 SCR 最常用的还原剂（避免氨泄漏风险）。 2. 主要化学反应 以尿素为还原剂、钒基催化剂为例： 尿素热解： CO(NH 2 ​ ) 2 ​ Δ ​ 2NH 3 ​ +CO 2 ​ NOx 还原反应： 催 化 剂 主 要 针 对 ， 占 烟 气 的 8NH 3 ​ +6NO 2 ​ 催化剂 ​ 7N 2 ​ +12H 2 ​ O(针对NO 2 ​ 的反应) 系统组成与关键部件 1. 船舶 SCR 系统主要模块 image （注：示意图需根据实际系统绘制，通常包括还原剂储存、计量喷射、混合反应、催化剂舱等部分） 2. 关键部件与功能 部件 功能描述 还原剂储存与供应 储存尿素溶液（通常浓度 32.5%），通过泵和管路输送至喷射系统，配备温度控制防止结晶。 计量与喷射系统 根据烟气流量、NOx 浓度动态调节还原剂喷入量，常用空气辅助雾化喷嘴确保均匀混合。 混合器与导流装置 使还原剂与烟气充分混合，通过格栅、导流板优化流场分布，避免局部氨逃逸或脱硝不均。 催化剂反应器 装载催化剂（通常为蜂窝状或板式），设计需考虑压降、耐振动（船舶晃动环境）及抗硫中毒能力。 控制系统（PLC/DCS） 集成 NOx 在线监测（如 NDIR 传感器）、温度 / 压力传感器，通过闭环控制实现喷氨量精准调节。 安全防护装置 包括氨泄漏检测、防火阀、紧急切断阀，满足 IMO《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL Annex VI）安全要求。 3. 催化剂类型与选型 钒基催化剂：适用于中高温（300~420℃）烟气，脱硝效率高（＞90%），但需警惕 SO₂氧化生成 SO₃导致的铵盐堵塞问题。 沸石基催化剂：低温活性好（200~350℃），抗硫性能强，适合船舶柴油机低负荷运行时的烟气温度波动。 金属氧化物催化剂（如 Fe、Cu 基）：新兴技术，侧重宽温域适应性和抗水性能，尚在船舶应用验证阶段。 船舶应用特点与挑战 1. 船舶环境特殊性 空间限制：船舶机舱空间紧凑，要求 SCR 系统小型化、模块化设计，催化剂舱常采用立式或紧凑型卧式布局。 振动与冲击：船舶航行中的振动可能导致催化剂破碎、管路松动，需加强机械结构强度和抗震设计。 烟气条件波动大：柴油机负荷变化（如从怠速到满负荷）导致烟气流量、温度、NOx 浓度剧烈波动，要求系统具备快速响应能力。 2. 主要技术挑战 氨逃逸控制：过量喷氨会导致 NH₃随尾气排放（需10 ppm），并可能与 SO₃反应生成硫酸氢铵（NH₄HSO₄），堵塞催化剂孔道和下游设备（如空冷器）。 低温脱硝效率：船舶柴油机低负荷时烟气温度可能低于 200℃，传统钒基催化剂活性下降，需搭配低温催化剂或预加热装置。 硫中毒与催化剂寿命：燃油含硫（即使低硫油 S0.1%）会导致催化剂活性位点被硫酸盐覆盖，需定期清洗或更换催化剂（寿命通常 2~5 年）。 尿素结晶风险：喷射系统温度过低时，尿素溶液可能分解生成缩二脲，堵塞喷嘴和管路，需采用伴热保温措施。 典型工艺流程与控制策略 1. 工艺流程 烟气预处理：若烟气温度过低（＜200℃），可通过废气再循环（EGR）或燃油燃烧器加热提升温度。 还原剂喷射：根据 NOx 浓度（C_NOx）、烟气流量（Q）及设定的脱硝效率（η），计算理论喷氨量： 喷氨量= M NOx ​ ×效率系数 C NOx ​ ×Q×η×M NH 3 ​ ​ ​ （效率系数通常取 0.8~0.9，考虑还原剂利用率） 催化反应：烟气与还原剂在催化剂床层发生还原反应，出口 NOx 浓度需满足排放限值（如 IMO Tier III 要求远洋船舶 NOx 排放0.4 g/kWh @13% O₂）。 尾气排放与监测：实时监测 NOx、NH₃浓度及温度、压力参数，反馈至控制系统调整喷氨量。 2. 控制策略 前馈控制：基于柴油机负荷、转速预计算喷氨量，提前响应负荷变化。 反馈控制：根据出口 NOx 浓度偏差动态修正喷氨量，采用 PID 算法实现闭环调节。 防结晶控制：停机后用清水冲洗喷射管路，避免尿素残留结晶；设置管路温度阈值（如＞25℃），自动启动伴热系统。 国际法规与应用案例 1. IMO 排放法规要求 排放阶段 适用船舶类型 NOx 排放限值（g/kWh, @13% O₂） Tier I 2000 年及以后建造船舶 130 kW 以下：17.0；130~2000 kW：14.4；＞2000 kW：9.8 Tier II 2011 年及以后建造船舶 较 Tier I 降低 20%~40%（按功率段） Tier III 2016 年及以后在 ECA 区域运营船舶 较 Tier II 降低 70%（需配备 SCR 或 EGR 等减排技术） 2. 典型应用案例 集装箱船：某 20,000 TEU 集装箱船配备立式 SCR 系统，采用钒基催化剂，处理烟气量 500,000 m³/h，脱硝效率＞90%，满足北美 ECA 区域排放要求。 邮轮：某豪华邮轮柴油机加装低温沸石基 SCR 系统，在低负荷（20%~30% 负荷）下脱硝效率保持＞85%，解决传统钒基催化剂低温活性不足问题。 渔船：小型渔船采用紧凑式模块化 SCR 装置，集成尿素罐与催化剂舱，占地＜5 m²，适配近海作业排放控制需求。 维护与优化方向 1. 日常维护要点 催化剂检查：定期通过窥视孔观察催化剂表面积灰情况，每年进行一次活性测试（如取芯分析），必要时用压缩空气或超声波清洗。 管路清洗：每季度清洗尿素喷射管路，检测伴热系统有效性，防止结晶堵塞。 传感器校准：每年对 NOx、NH₃传感器进行零点和跨度校准，确保监测数据准确。 2. 技术优化趋势 宽温域催化剂：开发 200~450℃全负荷高效催化剂，减少温度波动对脱硝效率的影响。 无氨 SCR 技术：探索使用碳氢化合物（如甲烷）或氢气作为还原剂，避免氨储存运输风险（如日本 Mitsubishi Heavy Industries 研发的 HC-SCR 技术）。 数字化集成：通过物联网（IoT）技术远程监控 SCR 系统运行状态，结合大数据分析预测催化剂寿命及故障预警。 废催化剂回收：建立钒、钛等贵金属回收体系，降低催化剂更换成本并减少环境污染。 总结 船舶烟气 SCR 脱硝技术是应对 IMO 严苛排放法规的核心手段，其高效性与可靠性依赖于催化剂性能、系统设计及精准控制。未来，随着绿色航运需求的提升，SCR 技术将向低温高效、智能化运维、低能耗方向发展，同时与氨燃料 / 氢燃料发动机等新兴技术协同，共同推动船舶行业脱碳转型。船东在选择 SCR 系统时，需综合考虑船舶类型、航线区域（如是否涉及 ECA）、燃油硫含量及初期投资与运维成本，确保合规性与经济性平衡。