核心原理與化學(xué)反應(yīng)
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(yōu)先與 NOx 發(fā)生反應(yīng)，而非與煙氣中的氧氣（O?）反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高效脫硝。
還原劑類型：
氨（NH?）：直接作為還原劑，反應(yīng)活性高，但需解決儲存運(yùn)輸?shù)陌踩詥栴}。
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(fēng)險(xiǎn)）。
2. 主要化學(xué)反應(yīng)
尿素?zé)峤?/span>：CO(NH2)2Δ2NH3+CO2
NOx 還原反應(yīng)：8NH3+6NO2催化劑7N2+12H2O(針對NO2的反應(yīng))
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(dǎo)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(qiáng)，適合船舶柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)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(shù)，側(cè)重寬溫域適應(yīng)性和抗水性能，尚在船舶應(yīng)用驗(yàn)證階段。
船舶應(yīng)用特點(diǎn)與挑戰(zhàn)
1. 船舶環(huán)境特殊性
空間限制：船舶機(jī)艙空間緊湊，要求 SCR 系統(tǒng)小型化、模塊化設(shè)計(jì)，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(dǎo)致催化劑破碎、管路松動，需加強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震設(shè)計(jì)。
煙氣條件波動大：柴油機(jī)負(fù)荷變化（如從怠速到滿負(fù)荷）導(dǎo)致煙氣流量、溫度、NOx 濃度劇烈波動，要求系統(tǒng)具備快速響應(yīng)能力。
2. 主要技術(shù)挑戰(zhàn)
氨逃逸控制：過量噴氨會導(dǎo)致 NH?隨尾氣排放（需≤10 ppm），并可能與 SO?反應(yīng)生成硫酸氫銨（NH?HSO?），堵塞催化劑孔道和下游設(shè)備（如空冷器）。
低溫脫硝效率：船舶柴油機(jī)低負(fù)荷時煙氣溫度可能低于 200℃，傳統(tǒng)釩基催化劑活性下降，需搭配低溫催化劑或預(yù)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(dǎo)致催化劑活性位點(diǎn)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(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)：噴射系統(tǒng)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(yù)處理：若煙氣溫度過低（＜200℃），可通過廢氣再循環(huán)（EGR）或燃油燃燒器加熱提升溫度。
還原劑噴射：根據(jù) NOx 濃度（C_NOx）、煙氣流量（Q）及設(shè)定的脫硝效率（η），計(jì)算理論噴氨量：噴氨量=MNOx×效率系數(shù)CNOx×Q×η×MNH3
（效率系數(shù)通常取 0.8~0.9，考慮還原劑利用率）催化反應(yīng)：煙氣與還原劑在催化劑床層發(fā)生還原反應(yīng)，出口 NOx 濃度需滿足排放限值（如 IMO Tier III 要求遠(yuǎn)洋船舶 NOx 排放≤0.4 g/kWh @13% O?）。
尾氣排放與監(jiān)測：實(shí)時監(jiān)測 NOx、NH?濃度及溫度、壓力參數(shù)，反饋至控制系統(tǒng)調(diào)整噴氨量。
2. 控制策略
前饋控制：基于柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速預(yù)計(jì)算噴氨量，提前響應(yīng)負(fù)荷變化。
反饋控制：根據(jù)出口 NOx 濃度偏差動態(tài)修正噴氨量，采用 PID 算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。
防結(jié)晶控制：停機(jī)后用清水沖洗噴射管路，避免尿素殘留結(jié)晶；設(shè)置管路溫度閾值（如＞25℃），自動啟動伴熱系統(tǒng)。
國際法規(guī)與應(yīng)用案例
1. IMO 排放法規(guī)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(qū)域運(yùn)營船舶 | 較 Tier II 降低 70%（需配備 SCR 或 EGR 等減排技術(shù)） |
2. 典型應(yīng)用案例
集裝箱船：某 20,000 TEU 集裝箱船配備立式 SCR 系統(tǒng)，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(qū)域排放要求。
郵輪：某豪華郵輪柴油機(jī)加裝低溫沸石基 SCR 系統(tǒng)，在低負(fù)荷（20%~30% 負(fù)荷）下脫硝效率保持＞85%，解決傳統(tǒng)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(yè)排放控制需求。
維護(hù)與優(yōu)化方向
1. 日常維護(hù)要點(diǎn)
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(jìn)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(tǒng)有效性，防止結(jié)晶堵塞。
傳感器校準(zhǔn)：每年對 NOx、NH?傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和跨度校準(zhǔn)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
2. 技術(shù)優(yōu)化趨勢
寬溫域催化劑：開發(fā) 200~450℃全負(fù)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(shù)：探索使用碳?xì)浠衔铮ㄈ缂淄椋┗驓錃庾鳛檫€原劑，避免氨儲存運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)（如日本 Mitsubishi Heavy Industries 研發(fā)的 HC-SCR 技術(shù)）。
數(shù)字化集成：通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控 SCR 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析預(yù)測催化劑壽命及故障預(yù)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(huán)境污染。
