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2026-09-18
加熱ヒーターの対流セクションは、熱効率が勝敗を左右する部分です。排ガスは 400 ～ 650 °C で放射セクションから排出され、燃料の放熱量の 35% も運びます。適切に設計された対流セクションは、熱の大部分を回収してプロセスに戻します。設計が不十分であったり、汚れていたりすると、ユニットの寿命全体にわたって静かに燃料代がかさむことになります。結論を先に言うと、対流セクションはヒーターが 65% 効率で動作するか 90% 効率で動作するかを決定し、ラジアント ボックスと同様に設計上の注意を払う価値があります。
この記事では、対流セクションとは何か、その内部で熱伝達がどのように機能するか、重要な設計パラメータ、効率性、無視を罰する故障モード、および新規または交換用の対流モジュールを購入する際に考慮すべき点について説明します。
対流セクションは、ヒーター構造の上部の内側、放射セクションの上流または下流に位置する伝熱管のバンクです。垂直の円筒形ヒーターでは、放射セクションの上に配置されます。キャビンタイプのボックスヒーターでは、上部コンパートメントを占め、そこで煙道ガスが管の列を横切って流れます。エンジニアはこれを対流ボックスと呼ぶことがよくあります。
放射セクションから出た排ガスはまだ熱いですが、その温度は効率的な放射熱伝達には低すぎます。対流セクションでは、熱は主に強制対流によって移動します。つまり、高温の燃焼ガスがチューブを横切って流れます。フィンやスタッドなどの拡張された表面は、外部面積を 5 ～ 10 倍にし、対流ガス流の低い熱伝達係数を相殺します。
対流バンクは通常、単一の熱交換器ではなく、複数の回路アセンブリです。プロセス原料の予熱と蒸発、蒸気の過熱、蒸気の生成、そして水蒸気改質装置やエチレン炉では希釈蒸気の過熱をすべて 1 つのコンパクトなボックス内で行うことができます。
高収率熱分解用エチレン分解炉 この炉は炭化水素分解に正確で均一な高温熱を提供し、柔軟な原料処理と連続運転のための堅牢な設計により効率的なエチレン生産をサポートします。 製品を見る→ エチレン分解は、このサービスがいかに要求の厳しいものであるかを示す良い例です。原料は放射コイルに入る前に完全に気化して過熱する必要があり、対流回路内の局所的なオーバーコーキングは流量分布を変化させ、早期停止を余儀なくさせます。
設計条件では、排ガスはおよそ 500 ～ 700 °C で対流セクションに入り、150 ～ 250 °C で出ます。対流セクションで吸収される熱量は、通常、吸収される熱全体の 20 ～ 30% に相当します。 88% の効率で動作するヒーターでは、放射セクションで燃料入力の約 58% が吸収され、対流セクションで約 29% が吸収され、残りはスタック損失とケーシング損失として失われます。
表面積の広いチューブを使用すると、この回収が経済的に行われます。炭素鋼管に鋸歯状のフィンを溶接すると、適度な追加コストで単位長さあたりの外表面が 2 倍以上になります。ベアチューブは、ガス温度が十分に高くフィンによるメリットがほとんどない高温の入口列でのみ使用されるか、フィンの間隔を洗浄可能に保つことができない汚れの多いサービスでのみ使用されます。
| パラメータ | 放射部 | 対流セクション |
|---|---|---|
| 支配的な熱伝達モード | 熱放射 | 強制対流 |
| 典型的な排ガス温度 | 750～1,250℃ | 150～700℃ |
| チューブ外面 | 裸 | 裸, finned, or studded |
| 吸収された義務の割合 | 55～70% | 20～35% |
| 汚れに対する感度 | 低い | 中～高 |
| 清掃アクセス | ドア開口部 | 取り外し可能なパネル、スートブロワー |
対流セクションを適切に行うには、相互にバランスをとり、経験豊富なエンジニアが検討する必要があるいくつかのパラメータが必要になります。
ガス側の質量速度は通常 3 ～ 6 kg/m²·s に保たれます。速度が高くなると熱伝達は向上しますが、圧力損失が増加するため、自然通風動作が制限されます。約 25 ～ 40 mm を超える通風水柱を消費する対流セクションでは、誘起通風ファンが必要になる可能性があり、多額の資本コストと運転コストがかかります。
クリーンなガス燃料には高密度ソリッドフィンが経済的です。減圧残留物や重コーカーガスオイルなどの汚れた燃料の場合は、より広いフィン間隔、鋸歯状フィン、または裸のチューブを使用し、スートブロワーレーンを提供します。フィンの密度は、次の洗浄までにヒーターが動作できる時間を直接決定します。
最も高温の入口列では、チューブの金属温度が 540 °C を超えるため、通常は T11 や T22 などの Cr-Mo 合金、または腐食性の堆積物が予想される場合はステンレス グレードを使用します。スキン温度が硫酸露点 (通常は 120 ～ 150 °C) を超えている場合、低温の出口列には炭素鋼を使用できます。
断熱材の厚さとケーシングの気密性により、熱損失と外皮温度が制御されます。ケーシングの空気の侵入により局所的な冷却が発生し、金属の温度が露点以下に低下し、高価な腐食が発生します。
ベンダーの設計をレビューするときは、指定された燃料に対するフィン密度の正当性、排ガスの圧力降下の予算、コイルごとの金属温度の計算、および各列の文書化された腐食代を要求してください。
ヒーター効率は、スタック温度が 20 ～ 25 °C 低下するごとに約 1% 向上します。輻射のみの熱回収により、ヒーターの効率は 65% 近くになります。対流セクションを追加すると、この数字は 82 ～ 87% になります。下流に燃焼用空気予熱器を追加すると、90% 以上になります。
50 MW の加熱ヒーターの場合、65% と 87% の効率の差は約 16 MW の燃料に相当し、一般的なガス価格では年間 100 万ドル以上になります。原油および真空ヒーターは、製油所内でスタック温度が最も高くなることが多いため、最も一般的な改修候補です。
常圧蒸留装置および減圧蒸留装置用加熱ヒーター ADU および VDU での原油加熱用に設計されたこのヒーターは、高い熱効率と均一なマルチゾーン加熱を提供し、燃料コストと排出量を削減しながら分別を改善します。 製品を見る→ 効率の向上により、燃焼した燃料に正比例して CO₂ 排出量も削減されるため、対流セクションはトン当たりベースで利用可能な最も安価な排出削減プロジェクトの 1 つとなります。
フィン付きの対流バンクは裸チューブの表面よりも早く汚れが発生し、汚れによってヒーターの動作が強制停止されるずっと前に変化します。症状としては、排ガス出口温度の上昇、通風損失の増加、プロセス予熱の低下が挙げられます。85% の効率を目指して設計されたヒーターが、重質液体燃料を使用すると数か月以内に 78% まで低下する可能性があります。
コールドエンド腐食は、対流セクションの強制交換の主な原因です。チューブの外皮温度が酸露点を下回ると、硫酸が凝縮します。防止戦略は、金属温度を露点以上に保ち、環境に適した合金を選択し、ケーシングの気密性を維持することです。
オンライン クリーニング ツールには、蒸気および空気のスート ブロワー、音波ホーン、シャットダウン中の水洗浄などがあります。ターンアラウンド検査の範囲は、チューブの壁の厚さ、フィンの高さと状態、内部ボアのコーキング、ケーシングの気密性、サポートの完全性をカバーする必要があります。調査結果に基づいて、局所的な修理を行うか、モジュール全体を交換するかを決定します。
現場で対流セクションを再構築するのは時間がかかり、費用もかかります。工場で組み立てられたモジュラーセクションは、そのリスクのほとんどを回避します。チューブは溶接およびテストされて到着し、フィンが取り付けられ、耐火物が適用され、吊り上げラグの準備が整います。
工場で組み立てられた炉用対流セクションモジュール 溶接されたチューブ、フィン、耐火物を備えたプレハブ対流モジュールは、工業炉の熱伝達とエネルギー効率を向上させながら、迅速な設置とダウンタイムの削減を目的に設計されています。 製品を見る→ 交換用モジュールを購入する場合は、実際の燃料分析、汚れ係数、ドラフトとスタックの制限をベンダーに提供してください。設計コードに同意し（API 560 は製油所ヒーターの共通基準です）、検査ポイント（水圧試験、取り付け寸法、耐火物の乾燥度、結合位置）を確認します。
ヒーターの種類とその対流構成の選択は、ユニット全体に影響します。製油所および石油化学サービス全体の構成の概要については、ガイドを参照してください。 石油化学産業における加熱ヒーターの選択とエンジニアリング用途 .
プロジェクト固有の見積もりや工場視察については、次の方法で当社のエンジニアリング チームにお問い合わせください。 お問い合わせページ .
プロセス原料または過熱蒸気を予熱および蒸発させることにより、輻射セクションから出る排ガスから熱を回収し、全体のヒーター効率を約 65% から 85% 以上に高めます。
フィンはガス側の表面積を 5 ～ 10 倍にし、対流排ガス流の低い熱伝達係数を相殺し、バンドルをコンパクトに保ちます。
排ガスは通常、500 ～ 650 °C で流入し、150 ～ 250 °C で流出します。下流の空気予熱器を使用すると、スタック温度が 130 °C 未満に低下し、ヒーター効率が 92% を超える可能性があります。
主な原因は、酸露点 (通常 120 ～ 150 °C) 未満でチューブ表面に硫酸が凝縮することです。予防とは、金属の温度を露点以上に保ち、コールド スポットを避けるためにケーシングの気密性を維持することを意味します。
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