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 *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(NH2​)2​Δ​2NH3​+CO2​
• NOx 还原反应：催化剂主要针对，占烟气的8NH3​+6NO2​催化剂​7N2​+12H2​O(针对NO2​的反应)

系统组成与关键部件

1. 船舶 SCR 系统主要模块

（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 S≤0.1%）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

1. 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。
2. 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=MNOx​×效率系数CNOx​×Q×η×MNH3​​​
   （效率系数通常取 0.8~0.9，考虑还原剂利用率）
3. 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）。
4. 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。