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)是目前國際海事組織（IMO）認可的船舶氮氧化物（NOx）減排核心方案之一，主要通過催化劑作用，利用還原劑（如氨、尿素）將煙氣中的 NOx 還原為無害的氮氣（N₂）和水（H₂O），滿足 IMO Tier III 等嚴苛排放法規(guī)要求。該技術(shù)具有脫硝效率高、運行穩(wěn)定等特點，廣泛應用于商船、郵輪、漁船等各類船舶的柴油機尾氣治理。 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(yōu)先與 NOx 發(fā)生反應，而非與煙氣中的氧氣（O₂）反應，從而實現(xiàn)高效脫硝。 還原劑類型： 氨（NH₃）：直接作為還原劑，反應活性高，但需解決儲存運輸?shù)陌踩�性問題。 尿素（CO (NH₂)₂）：通過熱解或水解生成 NH₃，是船舶 SCR 最常用的還原劑（避免氨泄漏風險）。 2. 主要化學反應 以尿素為還原劑、釩基催化劑為例： 尿素熱解： CO(NH 2 ​ ) 2 ​ Δ ​ 2NH 3 ​ +CO 2 ​ NOx 還原反應： 催 化 劑 主 要 針 對 ， 占 煙 氣 的 8NH 3 ​ +6NO 2 ​ 催化劑 ​ 7N 2 ​ +12H 2 ​ O(針對NO 2 ​ 的反應) 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)實際系統(tǒng)繪制，通常包括還原劑儲存、計量噴射、混合反應、催化劑艙等部分） 2. 關(guān)鍵部件與功能 部件 功能描述 還原劑儲存與供應 儲存尿素溶液（通常濃度 32.5%），通過泵和管路輸送至噴射系統(tǒng)，配備溫度控制防止結(jié)晶。 計量與噴射系統(tǒng) 根據(jù)煙氣流量、NOx 濃度動態(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。 混合器與導流裝置 使還原劑與煙氣充分混合，通過格柵、導流板優(yōu)化流場分布，避免局部氨逃逸或脫硝不均。 催化劑反應器 裝載催化劑（通常為蜂窩狀或板式），設計需考慮壓降、耐振動（船舶晃動環(huán)境）及抗硫中毒能力。 控制系統(tǒng)（PLC/DCS） 集成 NOx 在線監(jiān)測（如 NDIR 傳感器）、溫度 / 壓力傳感器，通過閉環(huán)控制實現(xiàn)噴氨量精準調(diào)節(jié)。 安全防護裝置 包括氨泄漏檢測、防火閥、緊急切斷閥，滿足 IMO《國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(shù)，側(cè)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(zhàn) 1. 船舶環(huán)境特殊性 空間限制：船舶機艙空間緊湊，要求 SCR 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)具備快速響應能力。 2. 主要技術(shù)挑戰(zhàn) 氨逃逸控制：過量噴氨會導致 NH₃隨尾氣排放（需10 ppm），并可能與 SO₃反應生成硫酸氫銨（NH₄HSO₄），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(tǒng)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 S0.1%）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(jié)晶風險：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）及設定的脫硝效率（η），計算理論噴氨量： 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：煙氣與還原劑在催化劑床層發(fā)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% O₂）。 尾氣排放與監(jiān)測：實時監(jiān)測 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：基于柴油機負荷、轉(zhuǎn)速預計算噴氨量，提前響應負荷變化。 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 算法實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。 防結(jié)晶控制：停機后用清水沖洗噴射管路，避免尿素殘留結(jié)晶；設置管路溫度閾值（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：某豪華郵輪柴油機加裝低溫沸石基 SCR 系統(tǒng)，在低負荷（20%~30% 負荷）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。 維護與優(yōu)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(tǒng)有效性，防止結(jié)晶堵塞。 傳感器校準：每年對 NOx、NH₃傳感器進行零點和跨度校準，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準確。 2. 技術(shù)優(yōu)化趨勢 寬溫域催化劑：開發(fā) 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(shù)：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(fā)的 HC-SCR 技術(shù)）。 數(shù)字化集成：通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)遠程監(jiān)控 SCR 系統(tǒng)運行狀態(tài)，結(jié)合大數(shù)據(jù)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(huán)境污染。 總結(jié) 船舶煙氣 SCR 脫硝技術(shù)是應對 IMO 嚴苛排放法規(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)設計及精準控制。未來，隨著綠色航運需求的提升，SCR 技術(shù)將向低溫高效、智能化運維、低能耗方向發(fā)展，同時與氨燃料 / 氫燃料發(fā)動機等新興技術(shù)協(xié)同，共同推動船舶行業(yè)脫碳轉(zhuǎn)型。船東在選擇 SCR 系統(tǒng)時，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維成本，確保合規(guī)性與經(jīng)濟性平衡。