本发明为一种冷流式催化氧化反应器及其工艺，属于多相催化反应技术和设备领域。 催化反应器习惯上按预热气体的工艺（以下简称为现有工艺）设计，它要求催化床及其进口的气体温度不得低于指定的预热温度。这一温度被认为是触发反应的必要条件，在催化气体反应中特称为起燃温度，在反应发生后，再利用反应热将床温升至高转化率所对应的床温。
为了利用反应热以降低预热功率或实现自维持反应，通常要设置热交换器，让反应前后的气体进行热交换，如有机蒸气催化燃烧装置，国内外普遍采用由预热室、催化床和热交换器三部分组成的整体装置，其起燃温度一般都在240℃以上。在浓度低、反应热小的情况下甚至要预热至300℃以上。
预热气体不但需要大的能耗，而且由于反应热的放出和相间存在的大温差，常使催化床在远高于反应所需的温度下工作，催化燃烧的实践已表明：现有装置每1000立方米/小时风量的启动功率一般在40千瓦以上;在自维持反应中，下限浓度所对应的床温达500℃，相间温差为150℃左右，而正常反应所要求的床温只需350℃左右。随着反应物浓度的增加、床温还要升高、相间温差也还要增大，在自维持反应中，即使通过人为降低热交换效率控制气体预热温度，也会使床温成倍超出反应所需温度，有的甚至要增加反应段数，显然，按现有工艺设计的装置，对延长催化剂的使用寿命，降低能耗和设备投资十分不利。
为解决现有装置所存在的基本问题，科学工作者长期以来都将重点放在低活性和耐高温的催化剂及高效热交换器的研制工作上。这类企图完善现有工艺的办法未能取得根本性的突破。在个别特定的场合，却由于触动了现有工艺而取得意想不到的效果。如苏联《气体工业净化》期刊83年第二期所介绍地一种红外源热催化反应器，取消了预热气体的工艺环节、利用红外灯加热催化床，通过一定频率的光量子将反应分子选择性地振荡激发至反应状态，按这种原理设计的一氧化碳净化装置如图1所示。图中1为反应器外壳，2为催化剂，3为红外灯，4为绝缘体，5为导线，6为连通管，含40毫克/立方米一氧化碳的空气，在15～20℃室温下进入反应器，不经预热即从催化剂和红外灯3之间的空间流过。当床温为260℃时，净化率达86℃。该反应器在简化结构和节能两个方面均有突破性进展，但由于气流和催化剂接触的紧密性差，虽有利于节能，但净化率低，只能用在浓度很低的场合。更为遗憾的是受其工艺原理的限制，只适用于分子吸收波长与红外线相一致的反应物，且始终离不开红外线的激活作用，限制了它的推广应用，也不能实现冷流条件下的自维持反应。
我国航天工业部511研究所在为福州印刷厂研制催化燃烧装置时，曾利用远红外辐射加热技术改善过装置的启动过程，但在设计上没有冷流意识，保留了现有工艺的运行方式，加上装置本身存在的其它问题，未能通过工业运行考验。
本发明的目的，一是要提供一种直接加热催化床的有效技术手段，二是要提供一种在低浓度下维持进口端床层温度的经济可行的技术方法，最终提供一种在冷流条件下，即在催化床入口气温远低于现有传统工艺预热温度的条件下实现自维持反应的装置。有效地避免催化床在过高的温度下工作，同时又保留在一定条件下实现自维持反应的优点，从而显著降低能耗，大大简化结构。
本发明为一种冷流式催化氧化反应工艺，在催化氧化反应开始前，用远红外乳白石英管电辐射加热器（以下简称石英管加热器）予热催化床，达到反应温度，含反应气体的冷气流直接在热的催化剂表面发生氧化反应，释放的反应热被用来维持催化床温。当反应物的浓度较高时，完全依靠反应热维持和提高催化床温，实现冷流条件下的自维持反应。当反应物的浓度较低、反应热不足以维持催化床温时，利用热交换器回收一部分反应热，以提高入口冷流的温度，降低空床气速以减轻冷气流对入口端催化床层的冷冲击;根据催化床温信号，自动供给少量煤气等可燃气体，与冷气流混合并在催化剂表面燃烧放热以维持催化床温，也可以根据催化床温信号用石英管加热器加热催化床以维持床温。
本发明又为一种实施上述工艺的冷流式催化氧化反应器，它包括：反应器箱体、催化床和防爆型远红外乳白石英管电辐射加热器。反应器箱体截面为方形。箱体内部装有1～4层屉式结构的催化床层。每层催化床层为一个独立的部件，内装颗粒状或蜂窝状方块催化剂;其特征在于在每两层催化床层中间，装配有能直接辐射加热每层催化床层的并且接电部位不与反应气流接触的防爆型远红外乳白石英管电辐射加热器;在反应器箱体外装有由石英管加热器电源电路，风机电源电路和开关式温度调节器控制线路所组成的配电板。在低浓度下，在第一层催化床层入口侧装有一组石英管加热器。在催化床下部设有回收一部分反应热以提高冷流温度的热交换器。在大风量低浓度下，采用单立箱双冷流和周边进气的床层结构，即在同一个反应器箱体内装有并联的两组催化床组，每组催化床组有1～2层催化床层，在催化床组中间有一个筒型气流分布器，其上部和下部有气流分布孔，两组催化床组的出口侧分别设有一组热交换器组，热交换器组由第一级热交换器和第二级热交换器组成，两个第一级热交换器为一个整体装置并放在反应箱体一侧。
现在结合附图对本发明进行详细说明。
图2a、图2b、图3a、图3b和图4a、图4b分别给出了三种基本结构装置的简图。图中粗线为钢结构剖面。
图2a、图2b为大风量和中、低浓度气体净化装置的简图。
图3a、图3b为小风量和中、低浓度气体净化装置的简图。
图4a、图4b为高浓度气体净化装置的结构简图。
这里气体浓度的高低是相对反应床温而言的，由进气温度和反应热共同决定的反应后气体的温度若能达到高净化率所需的床温，就称为高浓度气体，其它即为中、低浓度气体。
图2a、图2b为大风量和中、低浓度有害气体净化装置。图2a、图2b中7为反应器箱体，8为一级热交换器，9为二级热交换器，10为催化床层，11为催化床保温层，12为进气通道，13为石英管加热器，14为筒形气流分布器，15为分流板，16为排气集合管，17为出口，18为进口，19为压板，20为密封垫，21为接线室，22为活门。该装置采用单立箱-双冷流和周边进气的床层布置。在反应箱体7内布置有两组共四层催化床层，每两层床层之间都装有一组石英管加热器13。反应气体自进口18进入一级热交换器8，分为两股气流穿越管间后流出，此后两股气流又各分为两支，一支经过分流板15，另一支经过二级热交换器9和进气通道12，重新汇集在四壁上均开有百页式小型定向孔道的筒形气流分布器14的外侧，外侧的气流从该分布器四面进入两组催化床的入口空间，特称为周边型进气方式。此后，气流分为两股，分别进入上、下两组催化床组反应。反应后的气体经两次热交换后在排气集合管16内汇合，最后从出口17排出。采用单立箱-双冷流和周边型进气的床层布置，主要为降低气速以减轻进口端床层所受的冷冲击，既降低自维持反应所要求的浓度，又以紧凑的结构获得较好的气流均布性。此外它还大大降低了床层阻力，有效地利用了结构表面的传热作用，并使床层入口侧的石英管加热器免用不锈钢制作的反射屏（参看图3及说明），提高热效率。
与这种床层布置相配的气流通道是全对称的。热交换器的结构形式主要按组织气流通道的要求作出选择，保证双冷流有较好的均分性，其中二级热交换器9还兼顾出口端床层的气流均布性。热交换器的设计目的与现有装置大不相同。其冷侧出口气温，非但不要求达到或尽量接近现有工艺的预热温度，反而必须与它保持足够大的距离，以保持冷流本身的优势。在此前提下，使进气温度过低的气体得到一定幅度的温升。热交换的设计效率，则按不同工作浓度（包括进气温度）范围，分为几档，通过改变管径和管数以及分流板15的开口面积，可得到不同档次的热交换效率，分流板15的另一个作用是改善筒形气流分布器14外侧气压的均匀性。
本装置的配电板由石英管加热器电源电路、风机电源电路和开关式温度控制器XCT122的控制线路三部分组成，石英管加热器电源线、地线和热电偶（监测床温）引线都从配电板上引入反应器箱体7一侧的接线室、石英管加热器以两个为一组，采用并联连接。每一组两个石英管加热器则在对侧的接线室内串联起来，启动时，合上总电闸，用手触动电源按钮开关（常开），带动石英管加热器电源电路的接触器;接通其电源，催化床受石英管加热器的热辐射迅速升温。XCT122即指示出热电偶监测的催化床温度，至反应温度时，即由XCT122发出信号、带动风机电源电路中的接触器，使风机电源电路处于常闭合状态、开动风机、进入净化运行。在用城市煤气等可燃气维持床温的场合，在启动风机时即切断石英管加热器电源，打开可燃气管路上的电磁阀，按调定的流量（在现有装置适宜处理的浓度范围内一般不超过处理风量的千分之三）供给可燃气，当床温升至设定的上限温度时，XCT122发出信号，关闭电磁阀，待床温降至设定的下限温度时，则又重新启动电磁阀，为使可燃气与反应气流充分混合均匀，可燃气由装置进口18之外的进口管段上进入主气流。在由石英管加热器继续加热维持床温时，XCT122在床温达到设定的上限值时才发出信号，切断石英管加热器的电源，而当床温降至下限值时，重新接通加热电源，运行结束时用手触动电源按钮（常闭），拉下总电闸即可。
图3为小风量中、低浓度气体净化装置，图中23为催化床气体入口，24为反应器箱体，25为不锈钢反射板，26为石英管加热器，27为催化床层，28为压板，29为活门，30为接线室，31为热交换器，32为热交换器冷侧出口，33为热交换器冷侧进口，34为出口，35为进口，36为热交换器冷侧进气通道，37为热交换器热侧出口，38为催化床入口气流通道。因小风量下床层截面尺寸小，按一定比例加大床层截面积所引起的尺寸绝对变化量也小，故该装置采用单流结构，通过增加床层截面积降低气速。
催化床入口侧的石英管加热器是为提高进口端床层预热温度和缩短预热时间而设的。由于它处于单面辐射状态，迎风侧设置了不锈钢反射板25，此反射板兼起气流分布板的作用。反应气体自进口35进入，经热交换器冷侧进气通道36、热交换器31、催化床入口气流通道38和催化床气体入口23等抵达催化床。反应后的气体从热交换器31的管间穿出，至出口34排出，该装置对热交换器31的设计要求与图2a、图2b所示装置相同，也很好地利用了结构本身的传热作用。该装置的配电板及运行和图2a、图2b装置完全相同。
图4a、图4b所示结构的装置是在高浓度下工作的。图中39为进口，40为反应器箱体，41为催化床层，42为接线室，43为压板，44为石英管加热器，45为活门，46为密封垫，47为出口，48为防爆片。反应气体自进口39径直进入催化床层41反应，反应后的气体从出口47直接排出反应器，因其工作浓度高，反应热很大，无需降低气流速度，即无需分流，一般也无需增大床层截面积，只在小风量情况下，以增加床层截面积的方式使蜂窝状催化剂的床层减至两层，或将颗粒层催化床高度减半，正因为反应热大，能使每层催化床继续升温，故可简化石英管加热器的组装结构，在这种情况下，当然无需供给可燃气（除非反应后的气体作热风循环时供热有要求），且任何热交换都是徒劳无益的，反而不利于降低床温。
该装置的配电板和启动过程与图2a图2b所示装置完全相同，风机启动后，利用反应热可使床温升至更高温度，在有害气体净化工程中，反应物浓度从通风安全角度已控制在1/4爆炸下限以下，在此浓度范围内，工作床温仍将明显低于催化剂所能承受的上限温度，不需控制床温。在工业催化的高浓度下，往往会使工作床温超出催化剂许可的上限温度，或因反应温度的严格要求，其床温需按多段反应器或列管式反应器来控制。
本发明也可用于同类工业催化，它不但可使现装置象图4装置那样完全取消预热气体所需的结构，还可望减少一段反应段数，从而显著降低启动能耗和设备投资。
本发明非但不会降低净化率（或转化率），反而有利于反应向深度发展，实验室研究和现场实验研究已表明：只要保持相同的床温，低温进气对转化率无不利影响，即使反应后的气体温度低于现工艺的预热温度，仍取得了97%以上的净化率;在适当高的浓度下，完全依靠反应热维持床温，室温下的反应气流也能在热的催化剂上实现自维持反应，并获得99%以上的净化率。这些结果表明：床温是影响转化率的决定性因素，气体预热温度和红外线的选择性地振荡激发并非反应必要条件，本发明通过控制床温来保证反应，自然比控制气体预热温度的方式更可靠。冷流又显著改善了装置的工作温度条件，也便于提高密封性和净化率。
与现有装置相比，本发明还具有下列优势：
1.装置体积约减少1/3，投资约减少1/4
这是由去掉气体预热室及省去或简化热交换器带来的效益。
2.节能效果显著
本发明不但能显著降低启动预热所需的能耗和风机运行的能耗，也降低了运行中维持反应所需的能耗。
现有装置在启动阶段要预热等风量的清洁空气，并由热空气预热催化床和热交换器等气流所经过的结构，不但气体温度要达到预热温度之上，催化床的温度也要达到预热温度，而本发明只需预热催化床及相邻结构，能耗可降低一个数量级，从根本上避免了现有装置与生产严重争电问题。风机的运行能耗则因结构简化，阻力降小而降低30%以上。
运行中的节能主要是由受热对象和加热方式的不同所决定的，通常相间有很大温差，直接加热催化床自然比预热气体节能，如现有装置在自然维持反应时相间温差（以出口气温计）一百多摄氏度，实际床温在500℃以上，在350℃左右的正常反应温度下，即使不考虑低床温下因辐射能力小，传递同样热量需有更大的相间温差，催化床排出气温也不过200℃左右，已低于或相当于现有装置热交换器热侧出口气温，可见单凭冷流作用就已有着等同于现有装置热交换器所具有的节能效益，现场实验中在170℃催化床出口气温下即得到97%以上的净化率即是一个证明。
3.冷流降低了床温，有利于延长催化剂的寿命。
4.自动操作过程得到进一步简化，且由于床温与反应比预热温度有更密切的关系，尤其是利用供给可燃气后的温升幅度，有助于及时判断催化剂是否失效，便于正常运行管理。