船舶煙氣 SCR 脫硝技術(shù)概述 船舶煙氣選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)是目前國(guó)際海事組織（IMO）認(rèn)可的船舶氮氧化物（NOx）減排核心方案之一，主要通過(guò)催化劑作用，利用還原劑（如氨、尿素）將煙氣中的 NOx 還原為無(wú)害的氮?dú)猓∟₂）和水（H₂O），滿足 IMO Tier III 等嚴(yán)苛排放法規(guī)要求。該技術(shù)具有脫硝效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于商船、郵輪、漁船等各類船舶的柴油機(jī)尾氣治理。 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（O₂）反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高效脫硝。 還原劑類型： 氨（NH₃）：直接作為還原劑，反應(yīng)活性高，但需解決儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)陌踩�性�?wèn)題。 尿素（CO (NH₂)₂）：通過(guò)熱解或水解生成 NH₃，是船舶 SCR 最常用的還原劑（避免氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)）。 2. 主要化學(xué)反應(yīng) 以尿素為還原劑、釩基催化劑為例： 尿素?zé)峤猓? CO(NH 2 ​ ) 2 ​ Δ ​ 2NH 3 ​ +CO 2 ​ NOx 還原反應(yīng)： 催 化 劑 主 要 針 對(duì) ， 占 煙 氣 的 8NH 3 ​ +6NO 2 ​ 催化劑 ​ 7N 2 ​ +12H 2 ​ O(針對(duì)NO 2 ​ 的反應(yīng)) 系統(tǒng)組成與關(guān)鍵部件 1. 船舶 SCR 系統(tǒng)主要模塊 image （注：示意圖需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)繪制，通常包括還原劑儲(chǔ)存、計(jì)量噴射、混合反應(yīng)、催化劑艙等部分） 2. 關(guān)鍵部件與功能 部件 功能描述 還原劑儲(chǔ)存與供應(yīng) 儲(chǔ)存尿素溶液（通常濃度 32.5%），通過(guò)泵和管路輸送至噴射系統(tǒng)，配備溫度控制防止結(jié)晶。 計(jì)量與噴射系統(tǒng) 根據(jù)煙氣流量、NOx 濃度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)還原劑噴入量，常用空氣輔助霧化噴嘴確保均勻混合。 混合器與導(dǎo)流裝置 使還原劑與煙氣充分混合，通過(guò)格柵、導(dǎo)流板優(yōu)化流場(chǎng)分布，避免局部氨逃逸或脫硝不均。 催化劑反應(yīng)器 裝載催化劑（通常為蜂窩狀或板式），設(shè)計(jì)需考慮壓降、耐振動(dòng)（船舶晃動(dòng)環(huán)境）及抗硫中毒能力。 控制系統(tǒng)（PLC/DCS） 集成 NOx 在線監(jiān)測(cè)（如 NDIR 傳感器）、溫度 / 壓力傳感器，通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)噴氨量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。 安全防護(hù)裝置 包括氨泄漏檢測(cè)、防火閥、緊急切斷閥，滿足 IMO《國(guó)際防止船舶造成污染公約》（MARPOL Annex VI）安全要求。 3. 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 SO₂氧化生成 SO₃導(dǎo)致的銨鹽堵塞問(wèn)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(shí)的煙氣溫度波動(dòng)。 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(dòng)與沖擊：船舶航行中的振動(dòng)可能導(dǎo)致催化劑破碎、管路松動(dòng)，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(dòng)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(dòng)，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(guò)量噴氨會(huì)導(dǎo)致 NH₃隨尾氣排放（需10 ppm），并可能與 SO₃反應(yīng)生成硫酸氫銨（NH₄HSO₄），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(shí)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 S0.1%）會(huì)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(guò)低時(shí)，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(guò)低（＜200℃），可通過(guò)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= M NOx ​ ×效率系數(shù) C NOx ​ ×Q×η×M NH 3 ​ ​ ​ （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% O₂）。 尾氣排放與監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) NOx、NH₃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(dòng)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(dòng)啟動(dòng)伴熱系統(tǒng)。 國(guó)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% 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 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(yíng)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(wèn)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(guò)窺視孔觀察催化劑表面積灰情況，每年進(jìn)行一次活性測(cè)試（如取芯分析），必要時(shí)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(cè)伴熱系統(tǒng)有效性，防止結(jié)晶堵塞。 傳感器校準(zhǔn)：每年對(duì) NOx、NH₃傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和跨度校準(zhǔn)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。 2. 技術(shù)優(yōu)化趨勢(shì) 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(dòng)對(duì)脫硝效率的影響。 無(wú)氨 SCR 技術(shù)：探索使用碳?xì)浠�合物（如甲烷）或氫氣作為還原劑，避免氨儲(chǔ)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(guò)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(cè)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。 總結(jié) 船舶煙氣 SCR 脫硝技術(shù)是應(yīng)對(duì) IMO 嚴(yán)苛排放法規(guī)的核心手段，其高效性與可靠性依賴于催化劑性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及精準(zhǔn)控制。未來(lái)，隨著綠色航運(yùn)需求的提升，SCR 技術(shù)將向低溫高效、智能化運(yùn)維、低能耗方向發(fā)展，同時(shí)與氨燃料 / 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等新興技術(shù)協(xié)同，共同推動(dòng)船舶行業(yè)脫碳轉(zhuǎn)型。船東在選擇 SCR 系統(tǒng)時(shí)，需綜合考慮船舶類型、航線區(qū)域（如是否涉及 ECA）、燃油硫含量及初期投資與運(yùn)維成本，確保合規(guī)性與經(jīng)濟(jì)性平衡。