直接還元鉄 (DRI) プラントの改質器チューブは、通常の熱交換器チューブではありません。これらは燃焼改質装置内に設置され、天然ガス、蒸気、リサイクルされたトップガスが約 850 ～ 950 °C で反応して、鉄鉱石を還元する水素と一酸化炭素を生成します。これらのチューブにクリープ、浸炭、亀裂が生じると、DRI モジュールは還元ガスを失い、生産が停止します。実際的なポイント: DRI ...
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2026-09-11
ディレードコーキング装置を 3 年間使用した後、加熱ヒーターの排ガス出口温度が 180 °C から 246 °C に変動しました。バーナーは調整され、ラジアントチューブは正常に見えましたが、燃料ガスの消費量は 4% 近く増加していました。この問題は、オペレーターが最後に確認することが多い対流セクションで見つかりました。フィン付きチューブは塩と灰の硬い層で覆われており、束の後ろのライナーが損傷しているため、高温の排ガスがチューブ全体をバイパスしていました。
対流セクションは通常、加熱ヒーターの総プロセス負荷の 25 ～ 35 パーセントを供給します。性能が低下すると、効率が低下し、燃料費が上昇し、次の立て直しがより緊急になります。この記事では、対流セクションの役割、その設計方法、ヒーター効率を制御する理由、新しいバンドルを購入する前に確認すべきことについて説明します。
垂直円筒形ヒーターでは、対流セクションが放射セクションの真上にあります。キャビンタイプのヒーターでは、ラジアントボックスの一端に設置されます。どちらのレイアウトでも、高温の排ガスが水平チューブのバンクを通過し、それらのチューブ内のプロセス流体がチューブ壁を通して熱を吸収します。対流セクションに入る煙道ガスはすでに火炎温度をはるかに下回っているため、支配的な熱伝達モードは放射から強制対流に変わります。
拡張された表面は、通常、ガス側の熱伝達係数の低下を補うために使用されます。以下の表は、典型的な製油所ヒーターの 2 つのセクションの動作条件を比較しています。
| パラメータ | 放射部 | 対流セクション |
|---|---|---|
| 排ガス温度 | 火炎ゾーンで 950 ～ 1100 °C | 入口温度 650 ～ 800 °C。 150 ～ 250 °C 出口 |
| 支配的な熱伝達モード | 熱放射 | 若干の放射を伴う対流 |
| 一般的なチューブ表面 | 裸の滑らかなチューブ | フィン付き、スタッド付き、または裸 |
| 総義務に占める割合 | 60～70パーセント | 25 ～ 35 パーセント |
| 主なオペレーショナルリスク | 過熱とクリープ | 汚れとコールドエンド腐食 |
対流セクションの裸管のガス側の熱伝達係数は低く、およそ 15 ～ 30 W/(m²・K) ですが、プロセス側の熱伝達係数は、通常、特に流体が沸騰している場合には数倍高くなります。したがって、制限抵抗はほとんど常に管の排ガス側にあります。
フィン付きチューブとスタッド付きチューブは、外部面積を増やすことでこの問題を解決します。 1 インチあたり 4 ～ 5 フィン、または 1 メートルあたり約 157 ～ 197 フィンの密度の鋸歯状フィンは、同じ直径の裸のチューブと比較して外表面を 5 ～ 10 倍増加させます。以下のグラフは、3 パス対流セクションの典型的な排ガス温度プロファイルを示しています。
放射セクションに最も近い最も熱いパスは、最も高い温度を必要とするプロセス ストリームを処理します。冷却器は、蒸気生成、希釈蒸気過熱、原料予熱などの低温サービスのために熱を回収します。この向流配置により、すべてのパスで有効な温度差が維持されます。
API 560 は、製油所および石油化学サービスにおけるほとんどの加熱ヒーターに使用される設計フレームワークを提供します。対流セクションは単独でサイズを決定することはできません。それぞれが他に影響を与えるため、バンドルの深さ、フィンの形状、および必要な喫水は一緒に決定する必要があります。
重要なチェックは、煙道ガスの圧力降下、ガス速度、チューブの金属温度、フィンの材質です。一般的なヒーターは、対流セクションの圧力降下を 3 ～ 10 mbar、または 30 ～ 100 mm H₂O に保ちます。より深いバンドルはより多くの熱を回収しますが、より多くのスタックまたは誘起通風ファンの容量が必要になります。最低燃焼速度でのガス速度は、灰の沈降を防ぐために約 4.5 m/s を超え、浸食や流れによる振動を避けるために 15 ～ 20 m/s 未満に保つ必要があります。硫黄が存在する場合、低温側の管金属温度は硫酸露点以上に保つ必要があります。そうしないと、下の列とケーシングがすぐに腐食します。フィンの材質は、局所のガス温度に従います。ホットエンドには合金フィン、コールドエンドには炭素鋼フィンが使用され、浸食や洗浄へのアクセスが重要な場合には裸のチューブが使用される場合もあります。
実際のエンジニアリング チェックリストは次のようになります。
加熱ヒーターの設計における経験則では、排ガス出口温度が 22 °C 低下すると、効率が約 1 パーセント ポイント増加します。したがって、出口を 250 °C から 170 °C に下げることは、およそ 3.5 パーセントの価値があります。 100 MW のヒーターでは、3.5 MW の燃料に相当し、1 年間の連続運転で意味のある節約になります。
以下の棒グラフが示すように、拡張された表面により、巨大な筐体を使用せずに、このような低い出口温度が可能になります。
フィン付きチューブは表面積を増やしますが、ガス経路が長くなり、圧力降下も増加します。各パスで裸チューブ、スタッド付きチューブ、フィン付きチューブのいずれを選択するかは、表面積、ドラフト、洗浄アクセス、および腐食代の間の経済的なトレードオフになります。
汚れは、対流セクションの最も永続的な動作上の問題です。堆積物は断熱層として機能するため、排ガス出口温度が上昇し、プロセスが受け取る熱が少なくなります。同時に、堆積物層により開放流域が減少し、ドラフトロスが増加します。ひどい場合には、ヒーターが設計上の燃焼速度に到達できなくなります。
対流部の汚れの主な原因を以下に示します。燃料の品質、バーナーの性能、プロセスのキャリーオーバーがすべて影響し、その配分はユニットごとに異なります。
汚れの制御は燃焼調整と燃料管理から始まりますが、それでも定期的な清掃が必要です。以下の表は、プラントの運転で最も一般的に使用される方法をまとめたものです。
| 洗浄方法 | 最適な用途 | 代表的な周波数 |
|---|---|---|
| オンライン蒸気スートブロー | 軽い灰または塩の堆積物 | 毎週から毎月 |
| 高圧空気スートブロー | 液体または固体燃料からの煤 | 毎日または継続的なサイクル |
| オフラインハイドロブラスト | 硬くて厚い堆積物 | あらゆる転換点 |
| 化学洗浄 | 塩やコークスなどの特殊な鉱床 | 必要に応じて |
製油所や石油化学施設のすべての加熱ヒーターには対流セクションがありますが、サービスごとに異なる設計が必要になります。原油および減圧蒸留ヒーターでは、対流セクションが原油を予熱し、場合によっては蒸気を上昇させます。エチレン分解炉には通常、炭化水素供給予熱コイル、希釈蒸気過熱コイル、および高圧蒸気バンクが含まれています。水素および DRI 改質装置では、対流セクションが蒸気と原料の予熱のために熱を回収することにより、ユニットの全体的なエネルギー消費量を決定します。
原油ユニットサービスの場合、フィンのタイプの選択と蒸気コイルを含めるかどうかの決定が、技術的な議論の大半を占めます。これらのトレードオフの経験を持つサプライヤーは、プロジェクトのリスクを軽減し、業績を向上させることができます。
常圧蒸留および減圧蒸留用加熱ヒーター このヒーターは、原油サービスにおけるフィンタイプと蒸気コイルのトレードオフに対処し、均一なマルチゾーン加熱と高い熱効率を提供して、運用リスクを低減しながら安定した ADU/VDU 分離をサポートします。 製品を見る→ 石油化学ヒーターは、複数のコイルが同じ排ガス経路を共有する必要があるため、さらに複雑さが加わります。背後にある原則 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 これらのサービスにおいてオペレーターがコイル温度、蒸気需要、炉の経済性のバランスをどのようにとっているかを説明します。
エチレン分解炉は最も要求の厳しい例です。対流セクションは、分解ガス、希釈蒸気、蒸気発生コイルを 1 つのコンパクトな配置で処理し、合金の選択は厳しい動作温度によって決まります。
熱分解用エチレン分解炉 エチレン対流セクションでの厳しい合金要求を考慮すると、この炉の正確な温度制御と最適化された放射/対流設計は、連続高温運転下での亀裂の一貫性と歩留まりの維持に役立ちます。 製品を見る→ 損傷したバンドルを交換する場合でも、蒸気生成能力を追加する場合でも、同じチェックが適用されます。
ほとんどの対流セクションは、チューブ、ヘッダー、断熱材、ケーシングなどの工場製造モジュールとして納品されます。このアプローチでは、重労働な組み立て作業が制御された条件下で行われるため、現場での組立時間が短縮され、溶接の品質が向上します。モジュールを所定の位置に持ち上げるとき、放射セクションと既存のヒーターのスタックへの接続は熱膨張に対応し、気密性を維持する必要があります。
工場で製造された対流セクションモジュール このモジュール式対流セクションは、管理された工場での製造と簡単な現場リフトのために構築されており、耐久性のある合金とカスタマイズ可能な設計により、熱膨張に対応し、設置中に気密接続を維持します。 製品を見る→ 物流も同様に重要です。大きな対流セクションモジュールは幅を超えた重量物であるため、輸送ルート、吊り上げ方法、および現場での取り扱い計画は熱設計と同じ精査に値します。製造と大量輸送の両方を管理できるメーカーは、スケジュール遅延のリスクを軽減します。プロジェクト固有の評価または見積もりについては、次のことができます。 Tuopu エンジニアリング チームにお問い合わせください ヒーターのデータシートと一緒に。
フィンは外部熱伝達面積を 5 ～ 10 倍にし、排ガス側の低い熱伝達係数を補います。フィンがないと、同じ量の熱を回収するには対流セクションが数倍大きくなる必要があります。
効率的でメンテナンスの行き届いたヒーターの場合、出口温度は通常 150 ～ 200 °C です。燃料に硫黄分が多く含まれている場合、出口は酸露点よりも高く、多くの場合約 250 ～ 300 °C に保たれるか、コールドエンドが耐食性材料で作られます。
汚れは排ガス出口温度を上昇させます。温度が 22 °C 上昇するごとに効率が約 1 パーセント ポイント低下するため、50 °C 上昇すると効率が約 2.3 パーセント低下し、追加の燃料消費量として直接現れます。
はい。既存の加熱式ヒーターには、ラジアント ボックス、バーナー、スタックを維持したまま、新しい対流セクション モジュールが取り付けられることがよくあります。これは、構造と基礎に十分な余命があり、新しいバンドルの圧力降下が利用可能な喫水の範囲内に収まる場合に限り、一般的な改修ルートです。
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