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远洋运输船舶在承担了80%国际贸易运输的同时,也贡献了全球氮氧化物（NOx）总排放量的15%。近几年,国内外均实行了更加严格的船舶排放控制法规,我国生产和运营的船舶必须进行高效的尾气脱硝处理才能合法地航行在公海上。选择性催化还原（SCR）技术具有效率高、对船舶柴油机类型适应性好的优点具有巨大的应用前景。但是,船舶柴油机工况变动复杂且船舶空间狭小,陆上脱硝系统的设计准则难以直接指导船用脱硝系统的开发。因此探索船舶SCR反应装置的小型化设计方法,研发具有高工况适应性的小型船舶SCR系统具有重要的应用价值。为此,本文首先采用数值模拟方法系统研究了船舶SCR脱硝系统内流动与化学反应特性,获得了柴油机负荷变化、混合装置和反应装置的结构参数对船舶SCR脱硝系统脱硝效率和氨逃逸的影响规律。在此基础上结合响应面法（RSM）,在满足脱硝性能的前提下以体积最小化为目标对结构参数进行优化,获得了船舶SCR系统小型化设计方案及关键参数。之后通过实验对该方法进行了验证,并完成了一套船舶SCR系统的小型化设计方案。首先,建立了船舶SCR脱硝系统的三维数值模型,通过数值模拟研究了柴油机负荷变化、尿素分解混合室设置和SCR反应装置结构参数对船舶SCR系统内流场、反应物浓度分布和脱硝性能的影响规律,并从NOx脱除率Y1与氨逃逸量Y2两方面进行了实验验证。研究发现随着柴油机负荷的减小,脱硝效率明显降低,不能达到法规要求的排放标准。为了解决这一问题,本文提出了入口管道加设混合室的方案,并在此基础上,研究了混合室与喷嘴间距离xm变化、SCR反应装置体积变化（即催化剂长度lc与催化剂半径rc）对SCR系统性能的影响规律。在数值模拟研究的基础上,通过响应面法建立了结构参数（lc、rc、xm）与主要性能参数（Y1、Y2）的回归方程,并通过实验验证了回归模型对预测Y1与Y2的可行性。通过等高线与响应面分析,得到关于各因素对结果影响大小的规律,其中对于Y1:lc>rc=xm;对于Y2:lc>xm>rc。通过求解回归方程,得到满足NOx脱除率与氨逃逸量要求下结构参数的最优取值范围,优化后SCR反应装置体积最高缩小45.2%。在CFD与RSM优化基础上,根据国际海事组织的Tier3排放规定与“广船国际MAN B&W 6G50ME-C9.5柴油机尾气脱硝项目”的实际工程要求,设计了一套处理量为49500m3/h,尾气温度为563674K的船舶SCR尾气脱硝系统。