一、船舶烟气脱硝的背景与法规要求 国际海事组织（IMO）排放法规 Tier III 标准：2016 年起强制适用于船长24 米的船舶，要求在排放控制区（ECAs，如波罗的海、北美海域）内，氮氧化物（NOx）排放较 Tier II 降低 70%（对于 130kW 以上柴油机，NOx 限值随转速变化，如 n130r/min 时限值为 2.0 g/kWh）。 全球范围内：2021 年起，非 ECAs 区域的船舶 NOx 排放需满足 Tier II 标准，推动全球船舶脱硝技术应用。 船舶 NOx 排放特点 大型船舶（如集装箱船、散货船）多采用低速二冲程柴油机（功率可达数万 kW），其 NOx 排放浓度高（可达车用柴油机的 2-3 倍），且长期在高负荷工况下运行。 船舶尾气温度较高（可达 400-600℃），但航行时工况变化（如进出港、变速）可能导致温度波动，对脱硝系统适应性要求更高。 二、船舶烟气脱硝主流技术路线 1. 选择性催化还原（SCR）技术 船舶应用特点： 系统设计优化： 因船舶机舱空间有限，SCR 反应器多采用紧凑式模块化设计，如 “轴向流 + 径向流” 组合结构，减少占地面积。 还原剂储存：通常配备大容量尿素罐（储量可达数万升），或采用氨（NH₃）储存罐（液氨或氨水），减少海上补充频次。 催化剂选型： 以耐硫、宽温域的沸石基催化剂为主（活性温度 200-550℃），适应船舶尾气温度波动，同时抵抗燃油中硫含量（国际海事组织 2020 年起要求船用燃油硫含量0.5% m/m）。 典型案例： 马士基 Line 的 3E 级集装箱船（18000TEU）采用 SCR 系统，脱硝效率达 85% 以上，满足 Tier III 标准。 中远海运部分 LNG 动力船舶结合 SCR 技术，进一步降低 NOx 排放。 2. 废气再循环（EGR）技术 原理：将部分尾气引入燃烧室，稀释氧气浓度，抑制 NOx 生成。 船舶应用局限： 仅适用于中速柴油机（如客滚船、渡轮），低速机因负荷高、EGR 率受限，脱硝效率仅 30-50%，难以满足 Tier III。 需额外配备冷却器和控制系统，增加机舱布置难度。 3. 燃料优化与燃烧改进 低氮燃烧技术：通过优化喷油器设计、燃烧时序，降低 NOx 初始生成量（可减少 20-40%），常与 SCR 结合使用。 替代燃料： LNG（液化天然气）动力船舶：NOx 排放较柴油降低 90% 以上，但需配套 SCR 进一步处理残余 NOx。 氨燃料发动机：燃烧产物主要为 N₂和 H₂O，理论上无需脱硝，但氨燃料储存和安全技术仍在研发中。 三、船舶 SCR 系统的特殊设计要点 设计维度 船舶 SCR 特点 技术应对措施 空间布局 机舱高度受限，反应器多为扁平式或卧式布置，催化剂模块可垂直堆叠 采用径向流催化剂（气流径向通过催化剂层），减少轴向长度 还原剂管理 远洋船舶需长期储存还原剂，尿素在 - 11℃以下结冰，液氨需耐压储罐 尿素罐配备电加热 + 保温层，液氨系统采用耐压不锈钢管路 耐腐蚀性 海水环境盐雾浓度高，尾气中 SOx 与水汽结合易形成酸性腐蚀 反应器外壳使用 316L 不锈钢，内部涂层采用耐酸陶瓷 温度适应性 航行时尾气温度波动大（如低速巡航时温度低至 250℃，高速时达 550℃） 采用宽温催化剂，低温时启动电加热或燃烧器辅助升温 振动防护 船舶主机振动频率低（10-50Hz）但振幅大，易导致催化剂碎裂 催化剂模块使用弹簧减震支架，内部填充缓冲材料 四、船舶脱硝技术对比与选择策略 技术类型 SCR EGR + 低氮燃烧 替代燃料（LNG） 氨燃料发动机 脱硝效率 80-95% 30-50% 70-90% 理论上近 100% 适用船型 大型商船、低速机 中小型船舶、中速机 客船、短途运输船 研发阶段，试点船舶 初始成本 高（占主机成本 15-20%） 中 高（LNG 储罐 + 供气系统） 极高（氨储存安全系统） 运营成本 需定期添加尿素 / 氨 低（无还原剂消耗） 燃料成本略高 氨燃料成本待定 技术成熟度 成熟（广泛应用） 成熟 快速推广中 示范阶段 五、船舶脱硝面临的挑战与解决方案 还原剂海上补给难题 挑战：远洋船舶单次航行数月，尿素需求量大（如 1 万 TEU 集装箱船单程消耗尿素约 50 吨），港口补给设施不完善。 解决方案： 开发高浓度尿素溶液（如 50% 浓度），减少储存体积； 研究氨直接喷射技术（液氨能量密度是尿素的 2.5 倍），延长补给周期。 硫腐蚀与催化剂中毒 挑战：尽管船用燃油硫含量降至 0.5%，但尾气中 SO₂仍可能与 NH₃反应生成硫酸铵，堵塞催化剂孔道。 解决方案： 采用抗硫型沸石催化剂（如 Cu-SSZ-13），抑制 SO₂氧化； 安装尾气脱硫（Scrubber）系统，先除硫再脱硝，提升 SCR 效率。 低温脱硝效率不足 挑战：船舶进出港时低速运行，尾气温度低于 250℃，催化剂活性下降。 解决方案： 集成电加热元件（如 Pt 电阻丝）或燃烧器，对尾气预热； 开发低温活性催化剂（如负载型贵金属催化剂，150℃即可启动）。 六、未来发展趋势 氨燃料动力与 SCR 融合 氨燃烧产生的 NOx 可通过 SCR 进一步处理，形成 “氨燃料 + SCR” 闭环系统，实现零碳排 + 低 NOx 排放，如日本商船三井的氨燃料试点船舶（2025 年下水）。 智能化脱硝控制 引入数字孪生技术，实时模拟尾气成分与催化剂活性，动态调整氨喷射量，减少氨逃逸（目标10ppm）。 绿色还原剂生产 利用船舶余热或可再生能源制氢，以氢为还原剂（H₂-SCR），反应产物仅为水，彻底消除二次污染。 七、典型应用案例：超大型集装箱船 SCR 系统 船舶类型：24000TEU 超大型集装箱船（马士基 “绿色甲醇” 系列） 脱硝方案： 主机：2 台 MAN B&W 12X92ME-C10.5 低速二冲程柴油机（单台功率 60MW） SCR 系统： 催化剂：钒钨钛（V2O5-WO3/TiO2）+ 沸石复合催化剂，体积达 1200m³ 还原剂：50% 浓度尿素溶液，储存罐容量 800m³（满足跨太平洋航行需求） 控制技术：基于神经网络的预测控制模型，脱硝效率稳定在 90% 以上 排放效果：NOx 排放较 Tier III 标准降低 75%，同时配合甲醇燃料，CO₂排放减少 70%。 总结 船舶烟气脱硝是应对 IMO 严苛排放法规的必由之路，其中 SCR 技术因高效性和可靠性成为主流选择。未来，随着氨燃料、绿色还原剂等技术的突破，船舶脱硝将与零碳动力深度融合，推动航运业向 “低氮 + 低碳” 转型。同时，需重点解决还原剂补给、耐蚀性设计等工程难题，以实现技术的规模化应用。