一种紧凑异形选择性催化还原反应器
技术领域
本发明涉及机车柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种紧凑异形选择性催化还原反应器。
背景技术
选择性催化还原(SCR)尾气后处理系统是以氨气作为还原剂，在催化剂的作用下将柴油机的尾气中有害的NOX转化为无害的氮气(N2)和水蒸气。反应器是选择性催化还原(SCR)尾气后处理系统的关键设备，作用是为NOX催化还原反应提供场所。
未来满足环保法规要求的内燃动车组及内燃机车要求SCR尾气后处理系统装于车体内。内燃动车组及内燃机车车体内提供给SCR反应器的空间狭小，特别是内燃动车组车体内空间尺寸更小，在长度、宽度和高度方向限制尺寸极为严格，由于车顶空间形状为圆弧形，高度方向尺寸随圆弧弧度变化而变化，如图1和图2所示，车体的内部空间主要包括柴油机空间1和SCR后处理空间2。
内燃动车组及内燃机车要求SCR尾气后处理系统的反应器在限定的紧凑异形空间内脱硝性能满足NOX≤1.6g/kWh(高于目前国际最高的EPA Tier4排放法规要求)要求；流动阻力≤5kPa以满足柴油机燃油经济性要求；降噪消声20dB(A)以降低机车噪音向四周辐射。
内燃动车组及内燃机车以柴油机为动力，柴油机排气噪声的主要成分包括基频排气噪声、涡流噪声、气柱共振噪声等，其频谱噪声覆盖低频至高频，在降噪处理上需要空间及流动阻力以消减不同频率的噪声。
满足脱硝性能及阻力要求，需要反应器提供匹配脱硝性能的催化剂空间，同时催化剂前的废气与还原剂氨气混合均匀度≥90％；反应器降噪消声20dB(A)要求空腔空间及流动阻力。在有限异形扁平空间内实现喷射混合均匀、降噪消声和流动阻力小，在技术实现需要气体流动动力学仿真、尿素蒸发、分解、混合过程模拟仿真、多孔介质模拟仿真、噪声仿真等多项仿真技术，并与实践相结合，本发明是在上述多项专业技术综合攻关基础上与实践结合的技术发明。
现有汽车领域SCR尾气后处理系统技术，反应器的混合区和反应区大多为规则圆柱形状。现有汽车领域SCR尾气后处理系统反应器形状为圆柱形规则形状，一般排气后处理系统阻力大于10kPa；该技术直接用在功率大的内燃动车组及内燃机车上，存在阻力大，又尺寸超出允用空间限制。现有船机领域的SCR尾气后处理系统技术，反应器主体多为规则方形。例如MAN Diesel&Turbo公司的标准SCR系统，相对于功率相同规格，内燃动车组给定的SCR尾气后处理系统的反应器限界尺寸是相同功率的MAN公司SCR反应器空间0.69倍，流动阻力是0.625倍。可见现有SCR尾气后处理系统的反应器无法装于内燃动车组内，远远无法达到内燃动车组及内燃机车的处理指标要求。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种紧凑异形选择性催化还原反应器。本发明采用的技术手段如下：
一种紧凑异形选择性催化还原反应器，包括依次连接的集气箱、混合箱和反应箱，所述集气箱内设有还原剂喷头，所述混合箱的宽度从与集气箱连接的一端到与反应箱连接的一端逐渐增大，且所述混合箱的顶板包括矩形的第一中顶板和设置于第一中顶板两侧且向下倾斜的第一侧顶板，所述反应箱的顶板包括矩形的第二中顶板和设置于第二中顶板两侧且向下倾斜的第二侧顶板，所述混合箱内设有消音结构，所述反应箱内设有负载有催化剂的催化剂载体。
进一步地，同侧的第一侧顶板和第二侧顶板在同一个平面上，所述反应箱的两侧的反应箱侧板为竖直矩形板，所述第一侧顶板为三角形或梯形，所述第二侧顶板为矩形。
进一步地，所述第一侧顶板的外侧边缘与第一中顶板的侧面边缘的夹角为15～25度，所述第二中顶板与两个第二侧顶板围成的梯形的高度与所述反应箱侧板的高度的比值为0.9～1.1，所述反应器的总长度为反应器的总高度的3.5～7倍。
进一步地，所述混合箱内设有消声器，所述消声器为横向设置的圆柱形或椭圆柱形封闭腔，所述消声器的曲面上部和下部均设有若干通孔，所述消声器的中心轴与混合箱的端部的距离为混合箱长度的0.2～0.8倍，所述混合箱的长度为反应器总长度的0.2～0.6倍。
进一步地，所述集气箱底部设有进气口，所述集气箱远离混合箱的一侧和顶部之间设有弧形导向结构，所述弧形导向结构的半径为250～650mm，所述集气箱的底部位置高于反应箱的底部位置，所述混合箱的底部为连接集气箱的底部和反应箱的底部的倾斜底部，所述集气箱的长度与反应器总长度的比值为0.10～0.35。
进一步地，所述集气箱底部设有两个进气口，所述集气箱内的两个还原剂喷头分别与布置在集气箱两侧的还原剂入口相连，两个还原剂喷头在宽度方向的距离为第一中顶板宽度的0.2～0.8，所述还原剂喷头的喷口朝向混合箱的方向，所述还原剂喷头在反应器长度方向上与集气箱远离混合箱的一端的距离为集气箱长度的0.2～0.9倍，所述还原剂喷头与反应器顶部之间的竖直距离为反应器高度的0.2～0.9倍。
进一步地，所述进气口处设有进气波纹管，所述进气波纹管与集气箱的底部之间设有锥形扩张管，所述锥形扩张管的扩张角度为10度～40度。
进一步地，所述集气箱与混合箱之间相互可拆卸固定，所述反应器外部设有隔热层，所述反应器底部设有用于将反应器固定于支撑横梁上的连接座，所述反应器的末端顶部设有排气道，所述反应器的末端设有端墙，所述端墙可拆卸固定于反应箱上，所述端墙的内壁设有阻性消音结构，所述反应器末端的顶部设有矩形的排气道，所述排气道的长宽比为2～4，所述排气道的长度为为第二中顶板宽度的0.6～1倍。
进一步地，所述连接座与支撑横梁之间设有隔热垫，所述连接座通过螺栓和长条形螺栓孔固定于支撑横梁上，所述支撑横梁的端部设有用于固定于车体侧墙上的长条形螺栓孔。
进一步地，所述反应器内部为单通道结构或通过中间隔板分隔的双通道结构。
与现有技术比较，本发明所述的紧凑异形选择性催化还原反应器为根据车厢顶部的圆拱形采用了仿形设计的异形反应器，体积小，结构紧凑、流动阻力小、流场混合均匀、无死区，能够安装于内燃动车组动力车和内燃机车车体内，在有限的空间内最大限度地满足了脱硝性能、降噪和流动阻力要求，满足在运用工况下废气排量催化脱硝和降噪对流场和空间的要求。
附图说明
图1是机车车体内SCR尾气后处理反应器限界主视示意图。
图2是机车车体内SCR尾气后处理反应器限界侧视示意图。
图3是本发明实施例的立体结构示意图。
图4是本发明实施例的主视结构示意图。
图5是本发明实施例所述的还原剂喷头喷射尿素产生的旋转流场示意图。
图6是本发明实施例所述的端墙结构示意图。
图7是本发明实施例所述的消音器结构示意图。
具体实施方式
如图3和图4所示，一种紧凑异形选择性催化还原反应器，包括依次连接的集气箱2、混合箱5和反应箱8，所述集气箱2内设有还原剂喷头，所述混合箱5的宽度从与集气箱2连接的一端到与反应箱8连接的一端逐渐增大，且所述混合箱5的顶板包括矩形的第一中顶板13和设置于第一中顶板13两侧且向下倾斜的第一侧顶板14，所述反应箱8的顶板包括矩形的第二中顶板11和设置于第二中顶板11两侧且向下倾斜的第二侧顶板12，所述混合箱5内设有消音结构，所述反应箱8内设有负载有催化剂的催化剂载体。本实施例采用的还原剂为尿素溶液。本实施例整个反应器形状符合空气动力学特征，流动阻力小于4kPa。
同侧的第一侧顶板14和第二侧顶板12在同一个平面上，且第一侧顶板14和第二侧顶板12的倾斜度依照机车车顶的弧度进行设计，所述反应箱8两侧的反应箱侧板16为竖直矩形板，所述第一侧顶板14为三角形或梯形，所述第二侧顶板12为矩形。梯形与矩形组合式烟道，无死区，不会滞留多余还原剂，有利于对反应物的比例进行精准控制，实现充分反应。
所述第一侧顶板14的外侧边缘与第一中顶板13的侧面边缘的夹角a为15～25度，也就是第一侧顶板的外侧边缘和内侧边缘的夹角为15～25度，保证气流由矩形处向反应箱8多边梯形顺利过渡，以保证流动不分离，所述第二中顶板11与两个第二侧顶板12围成的梯形的高度H1与所述反应箱侧板16的高度H2的比为0.9～1.1，所述反应器的总长度L为反应器的总高度H的3.5～7倍，反应器总高度定义为：所述第二中顶板与两个第二侧顶板围成的梯形的高度与所述反应箱侧板的高度之和，不含本实施例下方所述的排气道的高度。本实施例的混合箱的侧板为梯形，混合箱5整体的水平投影为梯形，在保证还原剂与尾气混合均匀的情况下，在混合气体进入反应箱前增大截面积，降低流速，保证气体在反应箱8内充分反应，既保证催化剂前氨气与废气混合均匀度≥90％，又保证催化剂的空间。
所述混合箱5内设有消声器，如图7所示，所述消声器为横向设置的圆柱形或椭圆柱形封闭腔，所述消声器的曲面上部和下部均设有若干通孔，消声器的中心轴与反应器的宽度方向一致。在长度方向上，所述消声器的中心轴与混合箱5的端部的距离为混合箱长度的0.2～0.8倍，所述混合箱5的长度L2为反应器总长度L的0.2～0.6倍。
所述集气箱2底部设有进气口，所述集气箱2远离混合箱5的一侧和顶部之间设有弧形导向结构15，所述弧形导向结构15的半径R为250～650mm，以保证流动特性。所述集气箱2的底部位置高于反应箱8的底部位置，所述混合箱5的底部为连接集气箱2的底部和反应箱8的底部的倾斜底部，所述集气箱2的长度L1与反应器总长度L的比值为0.10～0.35。集气箱2的形状保证高度方向的柴油机排气顺畅转入轴向流动并实现流动阻力小。
所述集气箱2底部设有两个进气口，所述集气箱内的两个还原剂喷头分别与布置在集气箱两侧的还原剂入口3相连，两个还原剂喷头整体在集气箱内居中设置，两个还原剂喷头在宽度方向的距离为第一中顶板宽度的0.2～0.8，所述还原剂喷头的喷口朝向混合箱5的方向，所述还原剂喷头在反应器长度方向上与集气箱5远离混合箱的一端(也就是整个反应器的首端)的距离L3为集气箱2长度L1的0.2～0.9倍，所述还原剂喷头与反应器顶部之间的竖直距离H3为反应器高度H的0.2～0.9倍。混合箱5的扁平扩展形状满足还原剂喷头喷射尿素产生的旋转流场，如图5所示图中数字为气体流速，图中流场上部的流速较高，流场的旋转中心处流速较低，尿素与废气混合蒸发成氨气、氨气与废气混合均匀度满足≥90％的流动要求。
所述进气口处设有进气波纹管1，避免柴油机的振动传于反应器上，所述进气波纹管1与集气箱2的底部之间设有锥形扩张管17，所述锥形扩张管17的扩张角度b为10度～40度，扩张角度是指锥形扩张管的两个相对的母线的延长线之间的夹角。
所述集气箱2与混合箱5之间相互可拆卸固定，可以通过法兰4固定，便于拆卸维护，具体地，可以通过矩形或矩形倒角的多边形法兰固定，所述反应器外部设有隔热层，具体可以为包覆隔热材料的形式，阻止反应器内柴油机尾气热量传递到反应器外，所述反应器底部设有用于将反应器固定于支撑横梁6上的连接座7，所述反应器的末端设有端墙9，所述端墙9可拆卸固定于反应箱上，具体可以通过螺栓连接，便于反应器维护。如图6所示，所述端墙9的内壁设有阻性消音结构18，所述的阻性消音结构18为多孔结构，具体可以为多孔钢板内包裹的吸音棉结构。所述反应器末端的顶部设有矩形的排气道10，所述排气道的长宽比为2～4，所述排气道的长度为为第二中顶板宽度的0.6～1倍，第二中顶板的宽度方向与排气道的长度方向平行，均与反应器的宽度方向一致。本实施例的矩形排气道替代传统的圆形排气烟囱，有效利用空间，在有限空间的基础上，降低排气阻力，保证排气效果，并使得经过反应器的气体均能顺利排出，不产生死角，在保证排气效果的同时，保证了整个反应器的处理效果。
所述连接座7与支撑横梁6之间设有隔热垫，具体可以为石墨隔热垫，所述连接座7通过螺栓固定于支撑横梁6上，连接螺栓孔为长条形孔；所述支撑横梁6的端部设有用于固定于车体侧墙上的螺栓孔，该螺栓孔也为长条形孔，保证反应器冷热工作环境下自由膨胀，降低热应力。
所述反应器内部为单通道结构或通过中间隔板分隔的双通道结构。具体地，可以为两个通道集合一起形成的本实施例的结构。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。