一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器

技术领域

本发明涉及内燃机轨道机车车载设备领域，尤其涉及一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器。

背景技术

目前现有的SCR催化反应器大多数使用在汽车和船舶中，汽车用SCR催化反应装置体积较小，但是背压过大、适用发动机的功率低，并且材料包含塑料、铝合金等的发动机，不适用于轨道交通机车车辆的柴油机功率大、背压低且耐高温的情况，而船用SCR催化反应装置，体积过于庞大，也无法运用在轨道机车车辆的狭小环境中。国外目前有部分厂家设计了轨道机车车辆的SCR脱硝反应装置，但是由于技术封锁和适用车型完全不同，所以不适用于国内的内燃机轨道机车。

但是，由于机车内部安装空间狭小，SCR催化反应装置体积受到限制，现有的适用于大功率发动机的SCR催化反应装置难以安装使用，而小体积的催化器背压过大，适用内燃机功率低，不适合机车使用，SCR催化反应装置如何满足机车内燃机使用工况，并且满足机车空间安装需求是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器，以克服上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器，包括车体顶盖和SCR反应箱体；

所述车体顶盖包括顶面及与所述顶面两侧固定连接并向下延伸的侧面，所述顶面上设有开口；

所述SCR反应箱体内设有尾气进入单元、尿素喷射单元、催化单元及排放单元；所述尾气进入单元、所述尿素喷射单元、所述催化单元及所述排放单元连通，所述催化单元设于所述尿素喷射单元与所述排放单元之间，所述尿素喷射单元设于所述尾气进入单元上方；所述催化单元包括反应区及位于所述反应区底部的SCR催化剂，所述SCR催化剂下方设有混合区；对应所述反应区位置的所述SCR反应箱体的上部能够从所述顶面上设置的所述开口伸出所述车体顶盖；所述SCR催化剂铺满整个所述反应区的横向截面；所述排放单元包括烟囱，所述SCR反应箱体远离所述烟囱侧的外壁设有尿素溶液加热装置；所述尾气进入单元包括导流器，所述导流器的高度低于所述SCR催化剂的高度；所述尿素喷射单元包括尿素喷射装置，所述尿素喷射装置下部设于所述导流器内；尿素溶液经所述尿素溶液加热装置加热后进入尿素喷射装置，再进入所述导流器，尾气从所述导流器进入后与尿素溶液混合，混合后的尾气和尿素溶液进入所述混合区，再经过所述SCR催化剂进入所述反应区顶部区域，脱硝后的尾气从所述烟囱排出。

进一步的，所述SCR反应箱体的下部设于所述车体顶盖内侧，所述车体顶盖的高度高于所述SCR催化剂上表面水平高度；所述尿素溶液加热装置设于所述车体顶盖内侧，且所述尿素溶液加热装置的位置高度高于所述SCR催化剂上水平面的高度。

进一步的，所述尾气进入单元还包括扩流器和圆形波纹管，所述扩流器设于所述导流器下方，所述圆形波纹管固定连接于所述扩流器下方，所述导流器与所述扩流器及所述圆形波纹管连通。

进一步的，所述催化单元还包括催化剂顶部固定架及催化剂固定支架，所述催化剂固定支架设于所述混合区内，所述SCR催化剂设于所述催化剂固定支架和所述催化剂顶部固定架之间。

进一步的，所述SCR反应箱体内还设有被动式混合器，所述被动式混合器设于所述导流器与所述混合区之间。

进一步的，所述尿素喷射装置顶部固定连有尿素喷射法兰。

进一步的，所述SCR反应箱体伸出所述开口端的远离与靠近所述侧面的两侧设有顶部固定座，所述车体顶盖远离与靠近所述侧面的两侧设于顶部支撑座，所述顶部固定座能够固定于顶部支撑座上。

进一步的，所述烟囱下方设有集水槽，所述集水槽底部设有排水口。

进一步的，所述车体顶盖内设有车顶支撑梁，所述车顶支撑梁设于靠近所述尿素喷射装置一侧与靠近所述烟囱一侧；所述SCR催化箱体靠近所述圆形波纹管一侧箱体外侧还设有前端传感器连接口和末端传感器连接口；所述SCR催化箱体外固定有箱体加强筋，所述箱体加强筋一端与所述SCR催化箱体固定连接，另一端与所述集水槽底部固定连接。

进一步的，还包括车顶活动盖板及反应箱顶部活动盖板，所述车顶活动盖板盖于所述顶面对应的所述尿素喷射装置上方，所述反应箱顶部活动盖板盖于所述顶面对应的所述反应区上方。

与现有的SCR催化反应器相比，本发明的有益效果是：

(1)本反应器的SCR催化剂横向平铺反应区中，气体由下至上通过催化剂，平铺的方式充分利用的轨道机车动力间内有限的空间，加大了催化剂和反应物的接触面积，提高了反应效率，同时催化剂在气体流动方向上的横截面积加大，降低了设备的阻力，也降低了柴油机的背压，减少对柴油机性能的影响；

(2)本发明将扩流、导流、喷射、混合、催化功能集成在一个整体设备中，减少了设备体积，使得轨道机车车辆在不进行大型改动下，在车体内部可以加装SCR后处理装置；

(3)本反应器采用逐级放大气流流通面积的设计，减少空气流动阻力和气体流速，减少阻力可以降低柴油机背压，减少设备对柴油机性能的影响。减少气体流速可以提高混合气体通过催化剂的时间，增加催化效率，使反应更加充分，提高脱硝率；

(4)本发明中反应器与车体顶盖一体化设计，部分SCR反应箱体设于车体顶盖外，减小了反应器所占的车体内部空间，极大节约了空间，同时也减少了车顶部的重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器示意图一；

图2为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器示意图二；

图3为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器主视图；

图4为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器示主视剖面图；

图5为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器左视图；

图6为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器右视图；

图7为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器示右视剖面图；

图8为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器俯视图；

图9为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器示俯视剖面图；

图10为本发明实施例中公开的一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器仰视图。

图中：1、车体顶盖；11、顶面；111、开口；12、侧面；13、顶部支撑座；14、车顶支撑梁；15、箱体加强筋；2、SCR反应箱体；21、尾气进入单元；211、导流器；212、扩流器；213、圆形波纹管；22、尿素喷射单元；221、尿素喷射装置；2211、尿素喷射法兰；23、催化单元；231、反应区；232、SCR催化剂；233、混合区；234、尿素溶液加热装置；235、催化剂顶部固定架；236、催化剂固定支架；24、排放单元；241、烟囱；242、集水槽；2421、排水口；25、被动式混合器；26、顶部固定座；27、前端传感器连接口；28、末端传感器连接口；3、车顶活动盖板；4、反应箱顶部活动盖板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本实施例提供了一种轨道内燃机车使用的内置集成式高效SCR催化反应器，如图1、图2所示，包括车体顶盖1和SCR反应箱体2；

所述车体顶盖1包括顶面11及与所述顶面11两侧固定连接并向下延伸的侧面12，所述顶面11上设有开口111；

所述SCR反应箱体2内设有尾气进入单元21、尿素喷射单元22、催化单元23及排放单元24；所述尾气进入单元21、所述尿素喷射单元22、所述催化单元23及所述排放单元24连通，所述催化单元23设于所述尿素喷射单元22与排放单元24之间，所述尿素喷射单元22设于所述尾气进入单元21上方；所述催化单元23包括反应区231及位于所述反应区231下方的SCR催化剂232，所述SCR催化剂232下方设有混合区233；对应所述反应区231位置的所述SCR反应箱体2的上部能够从所述顶面11上设置的所述开口111伸出所述车体顶盖1；所述SCR催化剂232铺满整个所述反应区231的横向截面；所述排放单元24包括烟囱241，所述SCR反应箱体2远离所述烟囱241侧的外壁设有尿素溶液加热装置233；所述尾气进入单元21包括导流器211，所述导流器211设置的高度低于所述反应区231；所述尿素喷射单元22包括尿素喷射装置221，所述尿素喷射装置221下部设于所述导流器23内；尿素溶液经所述尿素溶液加热装置234加热后进入尿素喷射装置221，再进入所述导流器23，尾气从所述导流器211进入后与尿素溶液混合，混合后的尾气和尿素溶液进入所述混合区233，再经过所述SCR催化剂232进入所述反应区231，脱硝后的尾气从所述烟囱241排出。所述反应区231的横向截面为所述反应区231水平方向的剖切面，所述SCR催化剂232铺满所述反应区231的长度方向与宽度方向。所述SCR催化剂232平铺的方式使催化剂与反应物的接触面积增大，提高反应效率，同时能够加大催化剂在气体流动方向上的横截面积，降低设备阻力，降低柴油机背压。本反应器将扩流、导流、喷射、混合、催化功能集成在一个整体设备中，减少了设备体积，使得轨道机车车辆在不进行大型改动下，在车体内部可以加装SCR后处理装置，保证车体外美观。本反应器采用逐级放大气流流通面积的设计，减少空气流动阻力和气体流速，减少阻力可以降低柴油机背压，减少设备对柴油机性能的影响，减少气体流速可以提高混合气体通过催化剂的时间，增加催化效率，使反应更加充分，提高脱硝率。尿素喷射位置的设置，可保证反应温度，提高催化效率，防止尿素结晶。同侧尿素喷射连接位置，可以根据实际情况选择共用一套尿素喷射系统，或者使用两套单独的尿素喷射系统。所述反应箱体2外部设置的所述尿素加热装置234，可以利用尾气的余热对尿素溶液进行加热，提高尿素溶液温度可以降低低温尿素溶液对反应温度的影响，余热再利用对环保有利。所述SCR反应箱体2上半部暴露在外界空气中，可以进行风冷，降低高温传导对车顶材料强度的影响。同时也能够降低反应器的重量；所述烟囱241突出设计，底部加有斜坡，可避免雨水进入箱体，配合百叶结构可以有效防水防尘。本反应器的SCR催化剂横向平铺于所述反应区231中，气体由下至上通过所述SCR催化剂232，平铺的方式充分利用的轨道机车动力间内有限的空间，加大了催化剂和反应物的接触面积，提高了反应效率，同时催化剂在气体流动方向上的横截面积加大，降低了设备的阻力，也降低了柴油机的背压，减少对柴油机性能的影响；所述SCR反应箱体2顶部伸出所述车体顶盖1能够使所述车体顶盖1不需要保温装置，从而降低反应器的重量；所述尿素溶液加热装置234固定于所述SCR催化箱体2外，能够利用进入箱体的尾气热量的传导对尿素溶液进行加热，节省能源，经济适用性高，且本反应器适配于柴油机排气管在同一侧的内燃机车。

优选的，如图4所示，所述SCR反应箱体2设于所述车体顶盖1内侧，所述车体顶盖1的高度高于所述SCR催化剂232的上表面水平高度；所述尿素溶液加热装置234设于所述车体顶盖1内侧，且所述尿素溶液加热装置234的位置高度高于所述SCR催化剂232上水平面的高度。所述车体顶盖1内侧为所述车体顶盖1的下方，即车体内部，所述SCR催化剂232设于车体内部能够保证催化反应的温度及反应效果，所述尿素溶液加热装置234设于车体内部，并设于所述SCR反应箱体2远离所述烟囱241侧的外壁上，且所述尿素溶液加热装置234的位置高度高于所述SCR催化剂232，所述尿素溶液加热装置234设置的位置有利于所述尿素溶液加热装置234利用催化反应后气体中的热量对尿素溶液进行加热，节能环保。

优选的，如图3、图4所示，所述尾气进入单元21还包括扩流器212和一对圆形波纹管213，所述扩流器212设于所述导流器211下方，所述圆形波纹管212固定连接于所述扩流器212下方，所述导流器211与所述扩流器212及所述圆形波纹管213连通。所述扩流器212采用降阻力设计，底部直径小，顶部直径大，可有效降低阻力和气体流速，可根据机车排气管间距的不同调整所述扩流器212的位置。

优选的，如图4所示，所述催化单元23还包括催化剂顶部固定架235及催化剂固定支架236，所述SCR催化剂232设于所述催化剂固定支架236上方及所述催化剂顶部固定架235下方。所述催化剂固定支架236及所述催化剂顶部固定架235能够将所述SCR催化剂232固定。所述催化剂顶部固定架235可拆卸，能够实现不卸载设备的情况下检修维护或更换所述SCR催化剂232。

优选的，如图7所示，所述SCR反应箱体2内还设有被动式混合器25，所述被动式混合器25设于所述导流器211与所述混合区233之间。所述导流器211末端安装所述被动式混合器25，所述被动式混合器25采用扇叶结构，能够加速尿素溶液与尾气的混合速率，扇叶结构由钢柱支撑固定。

优选的，如图4、图5所示，所述尿素喷射装置221顶部固定连有尿素喷射法兰2211。所述尿素喷射装置221顶部焊接尿素喷射法兰2211，所述尿素喷射法兰2211能够通过管路与所述尿素溶液加热装置233连接，所述使加热后的尿素溶液进入所述尿素喷射装置221。

优选的，如图1、图3所示，所述SCR反应箱体2伸出所述开口111端的远离与靠近所述侧面12的两侧设有顶部固定座26，所述车体顶盖1远离与靠近所述侧面12的两侧设于顶部支撑座13，所述顶部固定座26能够固定于顶部支撑座13上。所述顶部固定座26能够与所述顶部支撑座13用螺栓进行固定。

优选的，如图8-10所示，所述烟囱241下方设有集水槽242，所述集水槽242底部设有排水口2421。在使用本反应器时，遇雨天情况，所述集水槽242能够收集雨水，所述集水槽242为斜坡设计，靠近所述SCR催化剂端高，反侧低，保证积水不会流入所述SCR反应箱体2内，造成所述SCR催化剂失效，并通过所述排水口2421将雨水排出，所述集水槽242再与配合百叶可以达到防雨防灰的效果。

优选的，如图4、图6所示，所述车体顶盖1内设有车顶支撑梁14，所述车顶支撑梁14设于靠近所述尿素喷射装置221一侧与靠近所述烟囱241一侧；所述SCR催化箱体2靠近所述圆形波纹管213一侧箱体外侧还设有前端传感器连接口27和末端传感器连接口28；所述SCR催化箱体2外固定有箱体加强筋15，所述箱体加强筋15一端与所述SCR催化箱体2固定连接，另一端与所述集水槽242底部固定连接。所述车顶支撑梁1能够为所述车体顶盖1提供支撑力，所述箱体加强筋15能够使所述SCR反应箱体更加牢固，增加所述SCR反应箱体2的稳固性。

优选的，如图8所示，还包括车顶活动盖板3及反应箱顶部活动盖板4，所述车顶活动盖板3盖于所述顶面11对应的所述尿素喷射装置221上方，所述反应箱顶部活动盖板4盖于所述顶面11对应的所述反应区231上方。所述反应箱顶部活动盖板4能够方便设备检修和所述SCR催化剂的更换。所述车顶活动盖板3与所述车体顶盖1采用螺栓连接，保证反应器在整体吊装的同时，可以实现在不拆卸所述车体顶盖1的情况下对所述尿素喷射装置221进行维护和其他操作。

具体实施过程：工作时，所述圆形波纹管213与增压器排气口相连接，柴油机排放的尾气通过所述扩流器212进入反应器内，管径逐步增大可以降低阻力和气体流速。尿素溶液先进入所述尿素溶液加热装置234提高液体温度，再通过所述尿素喷射装置221进入设备内，所述尿素喷射装置221距离进气口较近，温度损失低，可保证反应温度，尾气和尿素溶液经过所述被动式混合器25充分混合进入所述混合区233。混合气体受到后续气体挤压通过所述SCR催化剂232，加速废气中氮氧化物的化学反应，生成无害的氮气和水，最后通过所述烟囱241排放出去。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。