2016年,国际海事组织(IMO)将强制实施更加严格的氮氧化物(NOx)排放标准,而选择性催化还原(SCR)技术是实现IMO Tier Ⅲ标准最有效的途径。但是,船舶柴油机排气温度低、废气成分复杂,极大地限制了 SCR系统的大规模应用。催化剂性能直接关系着SCR系统工作性能,而SCR反应路径直接决定了催化剂活性和选择性。本文选取船舶柴油机SCR系统为研究对象,采用数值模拟与试验相结合的方法,从催化剂理化性质、详细反应路径和反应动力学三个方面,深入分析了柴油机排气条件及关键参数对SCR反应过程的影响规律,以期为船舶柴油机SCR系统的优化设计提供理论参考。本文主要工作及结论有:(1)论述了尿素分解及沉积物形成、SCR反应详细路径及其动力学模型和SCR系统模拟计算的研究现状,并重点分析了 SCR系统的船舶应用问题;结合Eley-Rideal反应机理,构建了描述SCR系统工作过程的输运方程,并推导了主要SCR反应相关参数的拟合方程。(2)采用催化剂表征技术及手段,详细分析了 V205/TiO2型催化剂的元素组成、元素价态、比表面积、孔结构以及表面形貌等物性参数;通过多方案的催化剂小样性能试验,分析了空间速度、废气温度、NH3/NOx、NO2/NO、O2和H2O等关键因素对催化剂活性的影响规律。研究发现,SCR反应所需活性中心为5价钒基氧化物V5+-OH和V5+=O,而V4+氧化物和V3+物质仅作为中间产物参与反应过程;NH3吸附/解附反应会引发SCR反应的时滞效应,而快速SCR反应有助于改善其时滞效应。(3)根据Topsoe双基循环催化机理,将低温反应路径与高温氧化反应路径嵌入到标准SCR反应模型中,构建了适用于V2O5/Ti02型催化剂的SCR详细反应模型;结合传热、传质模型,进行了 SCR详细反应过程的模拟计算研究,深入分析了空间速度、废气温度、NH3/NOx、NO2/NO、O2和H20等关键因素对SCR反应动力学过程的影响规律。研究发现,详细反应模型可以详细描述NH3-NO/NO2-SCR反应动力学特性,并用于分析不同条件下SCR详细反应路径及速率,但其适用范围为150～500℃、NO2/NOx≤0.5;NH4N03是限制其低温性能的关键因素,温度低于250℃时,NH4NO3的生成率要快于其分解率;而随着温度的升高,NH4NO3生成与分解反应达到准平衡状态,不会明显地存在NH4NO3晶体。(4)根据某型船舶柴油机SCR系统的试验数据,耦合简化的SCR总反应路径,构建了 SCR系统的三维瞬态模型,进行了 25%、50%、75%和100%负荷下SCR系统工作过程的一体化模拟计算,详细分析了其还原剂喷射过程、气液混合过程、还原剂分解过程以及SCR催化反应过程的特点及规律。研究发现,高压喷射尿素溶液和安装静态混合器可以高效地提高尿素溶液和废气的混合均匀性,但部分喷射液滴会粘滞在排气管内部、混合器表面以及催化剂表面,而堆积尿素会继续发生分解反应,造成制定喷射策略的困难;低负荷所需氨氮比大幅降低,SCR反应时滞效应增强,NH3逃逸率激增现象得以缓解。