核心原理與化學反應
1. 基本原理
選擇性催化還原：在催化劑（如釩基、沸石基）作用下，還原劑優先與 NOx 發生反應，而非與煙氣中的氧氣（O?）反應，從而實現高效脫硝。
還原劑類型：
氨（NH?）：直接作為還原劑，反應活性高，但需解決儲存運輸的安全性問題。
尿素（CO (NH?)?）：通過熱解或水解生成 NH?，是船舶 SCR 常用的還原劑（避免氨泄漏風險）。
2. 主要化學反應
尿素熱解：CO(NH2)2Δ2NH3+CO2
NOx 還原反應：8NH3+6NO2催化劑7N2+12H2O(針對NO2的反應)
催化劑類型與選型
釩基催化劑：適用于中高溫（300~420℃）煙氣，脫硝效率高（＞90%），但需警惕 SO?氧化生成 SO?導致的銨鹽堵塞問題。
沸石基催化劑：低溫活性好（200~350℃），抗硫性能強，適合船舶柴油機低負荷運行時的煙氣溫度波動。
金屬氧化物催化劑（如 Fe、Cu 基）：新興技術，側重寬溫域適應性和抗水性能，尚在船舶應用驗證階段。
船舶應用特點與挑戰
1. 船舶環境特殊性
空間限制：船舶機艙空間緊湊，要求 SCR 系統小型化、模塊化設計，催化劑艙常采用立式或緊湊型臥式布局。
振動與沖擊：船舶航行中的振動可能導致催化劑破碎、管路松動，需加強機械結構強度和抗震設計。
煙氣條件波動大：柴油機負荷變化（如從怠速到滿負荷）導致煙氣流量、溫度、NOx 濃度劇烈波動，要求系統具備快速響應能力。
2. 主要技術挑戰
氨逃逸控制：過量噴氨會導致 NH?隨尾氣排放（需≤10 ppm），并可能與 SO?反應生成硫酸氫銨（NH?HSO?），堵塞催化劑孔道和下游設備（如空冷器）。
低溫脫硝效率：船舶柴油機低負荷時煙氣溫度可能低于 200℃，傳統釩基催化劑活性下降，需搭配低溫催化劑或預加熱裝置。
硫中毒與催化劑壽命：燃油含硫（即使低硫油 S≤0.1%）會導致催化劑活性位點被硫酸鹽覆蓋，需定期清洗或更換催化劑（壽命通常 2~5 年）。
尿素結晶風險：噴射系統溫度過低時，尿素溶液可能分解生成縮二脲，堵塞噴嘴和管路，需采用伴熱保溫措施。
典型工藝流程與控制策略
1. 工藝流程
煙氣預處理：若煙氣溫度過低（＜200℃），可通過廢氣再循環（EGR）或燃油燃燒器加熱提升溫度。
還原劑噴射：根據 NOx 濃度（C_NOx）、煙氣流量（Q）及設定的脫硝效率（η），計算理論噴氨量：噴氨量=MNOx×效率系數CNOx×Q×η×MNH3
（效率系數通常取 0.8~0.9，考慮還原劑利用率）催化反應：煙氣與還原劑在催化劑床層發生還原反應，出口 NOx 濃度需滿足排放限值（如 IMO Tier III 要求遠洋船舶 NOx 排放≤0.4 g/kWh @13% O?）。
尾氣排放與監測：實時監測 NOx、NH?濃度及溫度、壓力參數，反饋至控制系統調整噴氨量。
2. 控制策略
前饋控制：基于柴油機負荷、轉速預計算噴氨量，提前響應負荷變化。
反饋控制：根據出口 NOx 濃度偏差動態修正噴氨量，采用 PID 算法實現閉環調節。
防結晶控制：停機后用清水沖洗噴射管路，避免尿素殘留結晶；設置管路溫度閾值（如＞25℃），自動啟動伴熱系統。
國際法規與應用案例
1. IMO 排放法規要求
| 排放階段 | 適用船舶類型 | NOx 排放限值（g/kWh, @13% O?） |
|---|---|---|
| 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 | 較 Tier I 降低 20%~40%（按功率段） |
| Tier III | 2016 年及以后在 ECA 區域運營船舶 | 較 Tier II 降低 70%（需配備 SCR 或 EGR 等減排技術） |
2. 典型應用案例
集裝箱船：某 20,000 TEU 集裝箱船配備立式 SCR 系統，采用釩基催化劑，處理煙氣量 500,000 m3/h，脫硝效率＞90%，滿足北美 ECA 區域排放要求。
郵輪：某豪華郵輪柴油機加裝低溫沸石基 SCR 系統，在低負荷（20%~30% 負荷）下脫硝效率保持＞85%，解決傳統釩基催化劑低溫活性不足問題。
漁船：小型漁船采用緊湊式模塊化 SCR 裝置，集成尿素罐與催化劑艙，占地＜5 m2，適配近海作業排放控制需求。
維護與優化方向
1. 日常維護要點
催化劑檢查：定期通過窺視孔觀察催化劑表面積灰情況，每年進行一次活性測試（如取芯分析），必要時用壓縮空氣或超聲波清洗。
管路清洗：每季度清洗尿素噴射管路，檢測伴熱系統有效性，防止結晶堵塞。
傳感器校準：每年對 NOx、NH?傳感器進行零點和跨度校準，確保監測數據準確。
2. 技術優化趨勢
寬溫域催化劑：開發 200~450℃全負荷高效催化劑，減少溫度波動對脫硝效率的影響。
無氨 SCR 技術：探索使用碳氫化合物（如甲烷）或氫氣作為還原劑，避免氨儲存運輸風險（如日本 Mitsubishi Heavy Industries 研發的 HC-SCR 技術）。
數字化集成：通過物聯網（IoT）技術遠程監控 SCR 系統運行狀態，結合大數據分析預測催化劑壽命及故障預警。
廢催化劑回收：建立釩、鈦等貴金屬回收體系，降低催化劑更換成本并減少環境污染。
