Convectiesectie in gestookte verwarmingstoestellen: ontwerp, efficiëntie en onderhoud

In het convectiegedeelte van een gestookte verwarming wordt thermisch rendement gewonnen of verloren. Rookgas verlaat het stralingsgedeelte bij een temperatuur van 400–650 °C en draagt maar liefst 35% van de warmte die door de brandstof vrijkomt. Een goed ontworpen convectiesectie recupereert het grootste deel van die warmte en geeft deze terug aan het proces; een slecht ontworpen of vervuild exemplaar verhoogt stilletjes de brandstofrekening gedurende de gehele levensduur van het apparaat. De conclusie vooraf: het convectiegedeelte bepaalt of een verwarming op 65% of 90% rendement werkt, en verdient dezelfde ontwerpaandacht als de stralingskast.

In dit artikel wordt uitgelegd wat het convectiegedeelte is, hoe de warmteoverdracht daarbinnen werkt, de ontwerpparameters die er toe doen, de efficiëntie die het oplevert, de faalmodi die verwaarlozing bestraffen en waar u rekening mee moet houden bij de aanschaf van een nieuwe of vervangende convectiemodule.

Wat is het convectiegedeelte in een gestookte verwarming?

De convectiesectie is de reeks warmteoverdrachtsbuizen die zich boven of stroomafwaarts van de stralingssectie bevinden, in het bovenste deel van de verwarmingsstructuur. Bij verticale cilindrische verwarmingstoestellen bevindt hij zich bovenop het stralingsgedeelte; bij boxverwarmers van het cabinetype beslaat het het bovenste compartiment, waar het rookgas over de rijen buizen stroomt. Ingenieurs noemen het vaak de convectiebox.

Het rookgas dat het stralingsgedeelte verlaat, is nog steeds heet, maar de temperatuur is te laag voor een effectieve overdracht van stralingswarmte. In het convectiegedeelte verplaatst de warmte zich voornamelijk door geforceerde convectie: heet verbrandingsgas stroomt door de buizen. Uitgebreide oppervlakken zoals vinnen of noppen vermenigvuldigen het externe oppervlak met een factor 5–10, waardoor de lagere warmteoverdrachtscoëfficiënt van convectieve gasstroom wordt gecompenseerd.

De convectiebank is gewoonlijk een samenstel met meerdere circuits in plaats van een enkele wisselaar. Het kan procestoevoer voorverwarmen en verdampen, stoom oververhitten, stoom genereren, en in stoomreformers en ethyleenovens verdunningsstoom oververhitten - allemaal binnen één compacte doos.

Ethylene Cracking Furnace for High-Yield Pyrolysis

Ethyleenkraakoven voor pyrolyse met hoog rendement Deze oven levert nauwkeurige, uniforme hitte op hoge temperatuur voor het kraken van koolwaterstoffen, waardoor een efficiënte ethyleenproductie wordt ondersteund met een flexibele verwerking van grondstoffen en een robuust ontwerp voor continu gebruik. Bekijk Product →

Het kraken van ethyleen is een goed voorbeeld van hoe veeleisend deze dienst kan zijn. De grondstof moet volledig verdampt en oververhit zijn voordat deze de stralingsspiralen binnengaat, en plaatselijke overkooksing in een convectiecircuit verandert de stroomverdeling en dwingt tot voortijdige uitschakeling.

Hoe de convectiesectie rookgaswarmte opvangt

Onder ontwerpomstandigheden komt rookgas het convectiegedeelte binnen bij ongeveer 500–700 °C en verlaat het bij 150–250 °C. Het in het convectiegedeelte geabsorbeerde vermogen vertegenwoordigt doorgaans 20-30% van de totale geabsorbeerde warmte. In een verwarming met een rendement van 88% absorbeert het stralingsgedeelte ongeveer 58% van de brandstofinvoer, het convectiegedeelte ongeveer 29%, en de rest gaat verloren als stapel- en behuizingsverliezen.

Stralingsbelasting 58%
Convectiebelasting 29%
Stackverlies 9%
Behuizingsverlies 4%

Buizen met een groter oppervlak maken deze terugwinning economisch. Een gekartelde vin die aan een koolstofstalen buis is gelast, verdubbelt het buitenoppervlak per lengte-eenheid ruimschoots tegen bescheiden meerkosten. Kale buizen worden alleen gebruikt bij de hete inlaatrijen, waar de gastemperatuur zo hoog is dat vinnen weinig voordeel opleveren, of bij diensten met veel vervuiling waar de afstand tussen de vinnen niet reinigbaar kan worden gehouden.

Belangrijkste verschillen tussen het stralingsgedeelte en het convectiegedeelte van een gestookte verwarming.
Parameter	Stralend gedeelte	Convectie sectie
Dominante warmteoverdrachtsmodus	Thermische straling	Geforceerde convectie
Typische rookgastemperatuur	750–1.250 °C	150–700 °C
Buitenoppervlak van de buis	Kaal	Kaal, finned, or studded
Aandeel van de geabsorbeerde rechten	55-70%	20–35%
Vervuilingsgevoeligheid	Laag	Gemiddeld tot hoog
Toegang tot schoonmaken	Deuropeningen	Afneembare panelen, roetblazers

Ontwerpparameters voor convectiesecties die er toe doen

Het goed krijgen van het convectiegedeelte komt neer op verschillende parameters die tegen elkaar moeten worden afgewogen en beoordeeld door ervaren ingenieurs.

Rookgassnelheid en drukval

De massasnelheid aan de gaszijde wordt doorgaans tussen 3 en 6 kg/m²·s gehouden. Een hogere snelheid verbetert de warmteoverdracht, maar verhoogt de drukval, waardoor de natuurlijke trekwerking wordt beperkt. Een convectiesectie die meer dan ongeveer 25-40 mm waterkolom aan trek verbruikt, kan een ventilator met geïnduceerde trek aandrijven - wat aanzienlijke kapitaal- en bedrijfskosten met zich meebrengt.

Finontwerp en vervuilingstoeslagen

Voor schone gasbrandstof zijn vaste vinnen met hoge dichtheid economisch. Voor vuile brandstoffen, zoals vacuümresiduen of zware verkookste gasolie, dient u een grotere afstand tussen de lamellen, gekartelde vinnen of kale buizen te gebruiken, en voor roetblazers te zorgen. De lameldichtheid bepaalt rechtstreeks hoe lang de verwarmer kan werken tussen reinigingsbeurten.

Metaaltemperatuur en materiaalkeuze

De heetste inlaatrijen zien buismetaaltemperaturen boven 540 °C en gebruiken normaal gesproken Cr-Mo-legeringen zoals T11 of T22, of roestvrije kwaliteiten als er corrosieve afzettingen worden verwacht. Koudere uitlaatrijen kunnen koolstofstaal gebruiken als de huidtemperatuur boven het zwavelzuurdauwpunt blijft, doorgaans 120–150 ° C.

Isolatie en dichtheid van de behuizing

De isolatiedikte en de dichtheid van de behuizing regelen het warmteverlies en de temperatuur van de buitenhuid. Het binnendringen van lucht in de behuizing zorgt voor plaatselijke koeling, waardoor de metaaltemperatuur onder het dauwpunt daalt en dure corrosie ontstaat.

Wanneer u het ontwerp van een leverancier beoordeelt, vraag dan naar: rechtvaardiging van de lameldichtheid ten opzichte van de gespecificeerde brandstof, een budget voor de drukval van het rookgas, berekeningen van de metaaltemperatuur per spoel en een gedocumenteerde corrosietoeslag voor elke rij.

Efficiëntie en economische impact van de convectiesectie

De efficiëntie van de verwarming verbetert met ongeveer 1% voor elke verlaging van de schoorsteentemperatuur met 20–25 °C. Warmteterugwinning door uitsluitend straling zorgt ervoor dat de verwarming bijna 65% efficiënt is. Door een convectiesectie toe te voegen komt dat cijfer op 82-87%; door een verbrandingsluchtvoorverwarmer stroomafwaarts toe te voegen, wordt dit boven de 90% gebracht.

Voor een verwarmingstoestel van 50 MW is het verschil tussen een rendement van 65% en 87% ongeveer 16 MW brandstof – tegen normale gasprijzen meer dan een miljoen dollar per jaar. Ruwe en vacuümverwarmers zijn de meest voorkomende kandidaten voor retrofits, omdat hun stapeltemperaturen vaak de hoogste zijn in de raffinaderij.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation Units

Gestookte verwarming voor atmosferische en vacuümdestillatie-eenheden Deze verwarming is ontworpen voor het verwarmen van ruwe olie in ADU en beeldschermen en biedt een hoog thermisch rendement en uniforme verwarming in meerdere zones om de fractionering te verbeteren en tegelijkertijd de brandstofkosten en emissies te verlagen. Bekijk Product →

Een betere efficiëntie verlaagt ook de CO₂-uitstoot in directe verhouding tot de verbrande brandstof, waardoor de convectiesectie een van de goedkoopste emissiereductieprojecten is die per ton beschikbaar zijn.

Vervuiling, corrosie en praktijkonderhoud

Gevinde convectiebanken vervuilen sneller dan oppervlakken met kale buizen, en vervuiling verandert het gedrag van de verwarming lang voordat een geforceerde uitschakeling plaatsvindt. De symptomen zijn een stijgende temperatuur van de rookgasuitlaat, een groter trekverlies en een verminderde voorverwarming van het proces. Een verwarming die is ontworpen voor een efficiëntie van 85% kan binnen enkele maanden naar 78% gaan op zware vloeibare brandstof.

Veel voorkomende vervuilingsmechanismen

Roet door onvolledige verbranding van vloeibare brandstof.
Asafzettingen van vanadium en natrium in stookolie.
Ammoniumbisulfaatafzetting wanneer het rookgas ammoniak bevat afkomstig van stroomafwaartse selectieve katalytische reductie.
Corrosieproducten die zich ophopen op koude oppervlakken.

Corrosiepreventie

Koude-eindcorrosie is de belangrijkste oorzaak van vervanging van geforceerde convectiesecties. Zwavelzuur condenseert wanneer de temperatuur van de buishuid onder het zuurdauwpunt daalt. De preventiestrategie is om de metaaltemperatuur boven het dauwpunt te houden, legeringen te selecteren die geschikt zijn voor het milieu en een luchtdichte behuizing te behouden.

Reiniging en inspectie

Online schoonmaaktools zijn onder meer stoom- en luchtroetblazers, sonische hoorns en waterwassen tijdens shutdowns. De reikwijdte van de turnaround-inspectie moet betrekking hebben op de dikte van de buiswand, de hoogte en de staat van de vin, de verkooksing van de interne boring, de dichtheid van de behuizing en de integriteit van de ondersteuning. Bevindingen bepalen de beslissing tussen plaatselijke reparatie en volledige vervanging van de module.

Modulaire convectiesecties: fabricage- en vervangingsstrategie

Het herbouwen van een convectiesectie in het veld is langzaam en duur. Een in de werkplaats geassembleerd modulair gedeelte vermijdt het grootste deel van dat risico: de buizen komen gelast en getest aan, de vinnen zijn geïnstalleerd, vuurvast materiaal is aangebracht en de hijsogen zijn gereed.

Kortere uitschakelduur, omdat de nieuwe bank wordt gebouwd terwijl de oude verwarming nog draait.
Hogere laskwaliteit door gecontroleerde fabricage in de werkplaats en geautomatiseerd lassen.
Lagere totale installatiekosten, met minder veldarbeid en steigeruren.
Hergebruik van de bestaande stralingskast en structuur, de meest economische route voor vernieuwing.

Shop-Assembled Convection Section Module for Furnaces

In de winkel gemonteerde convectiesectiemodule voor ovens Een geprefabriceerde convectiemodule met gelaste buizen, vinnen en vuurvast materiaal, ontworpen voor snelle installatie en minder stilstand, terwijl de warmteoverdracht en energie-efficiëntie in industriële ovens worden verbeterd. Bekijk Product →

Wanneer u een vervangende module aanschaft, geef dan aan de leverancier de daadwerkelijke brandstofanalyse, de vervuilingsfactor en uw diepgang- en stapelbeperkingen door. Maak overeenstemming over de ontwerpcode – API 560 is de algemene referentie voor raffinaderijverwarmers – en bevestig inspectiepunten: hydrostatisch testen, montageafmetingen, vuurvaste droogte en bevestigingslocaties.

De keuze van een verwarmingstype en de convectieconfiguratie ervan heeft invloed op de hele unit. Voor een overzicht van configuraties voor raffinaderijen en petrochemische diensten raadpleegt u onze handleiding op selectie van gestookte verwarmingselementen en technische toepassingen in de petrochemische industrie .

Voor projectspecifieke offertes of een winkelinspectiebezoek kunt u contact opnemen met ons engineeringteam via de contactpagina .

Veelgestelde vragen over het convectiegedeelte

Wat is het hoofddoel van de convectiesectie?

Om warmte terug te winnen uit rookgas dat het stralingsgedeelte verlaat door procestoevoer of oververhittingsstoom voor te verwarmen en te verdampen, waardoor de algehele efficiëntie van de verwarming wordt verhoogd van ongeveer 65% naar 85% of meer.

Waarom worden vinnen op convectiebuizen gebruikt?

Vinnen vermenigvuldigen het oppervlak aan de gaszijde met een factor 5–10, waardoor de lage warmteoverdrachtscoëfficiënt van de convectieve rookgasstroom wordt gecompenseerd en de bundel compact blijft.

Wat is een typische temperatuurdaling over de sectie?

Rookgas komt doorgaans binnen bij een temperatuur van 500–650 °C en vertrekt bij een temperatuur van 150–250 °C. Met een stroomafwaartse luchtvoorverwarmer kan de schoorsteentemperatuur onder de 130 °C dalen en kan de efficiëntie van de verwarmer hoger zijn dan 92%.

Wat veroorzaakt corrosie in het convectiegedeelte?

De belangrijkste oorzaak is dat zwavelzuur condenseert op buisoppervlakken onder het zuurdauwpunt, gewoonlijk 120–150 ° C. Preventie betekent het houden van de metaaltemperatuur boven het dauwpunt en het handhaven van een luchtdichte behuizing om koude plekken te voorkomen.