Phần đối lưu trong lò sưởi đốt: Thiết kế, hiệu quả và bảo trì

Phần đối lưu của lò sưởi đốt là nơi đạt được hoặc mất đi hiệu suất nhiệt. Khí thải rời khỏi phần bức xạ ở nhiệt độ 400–650 °C, mang theo tới 35% nhiệt lượng tỏa ra của nhiên liệu. Phần đối lưu được thiết kế phù hợp sẽ thu hồi phần lớn lượng nhiệt đó và đưa nó trở lại quy trình; một thiết bị được thiết kế kém hoặc bị hỏng sẽ lặng lẽ làm tăng hóa đơn nhiên liệu trong suốt vòng đời của thiết bị. Kết luận trước mắt: phần đối lưu quyết định xem máy sưởi hoạt động với hiệu suất 65% hay 90% và nó xứng đáng được chú ý về mặt thiết kế giống như hộp bức xạ.

Bài viết này giải thích phần đối lưu là gì, cách truyền nhiệt hoạt động bên trong nó, các thông số thiết kế quan trọng, hiệu suất mà nó mang lại, các chế độ lỗi dẫn đến việc bỏ bê và những điều cần cân nhắc khi mua mô-đun đối lưu mới hoặc thay thế.

Phần đối lưu trong lò sưởi đốt là gì?

Phần đối lưu là dãy ống truyền nhiệt nằm phía trên hoặc phía hạ lưu của phần bức xạ, bên trong phần trên của kết cấu lò sưởi. Trong lò sưởi hình trụ thẳng đứng, nó nằm trên phần bức xạ; trong các lò sưởi dạng hộp kiểu cabin, nó chiếm ngăn phía trên, nơi khí thải chảy qua các hàng ống. Các kỹ sư thường gọi nó là hộp đối lưu.

Khí thải ra khỏi phần bức xạ vẫn còn nóng nhưng nhiệt độ của nó quá thấp để truyền nhiệt bức xạ hiệu quả. Trong phần đối lưu, nhiệt di chuyển chủ yếu bằng đối lưu cưỡng bức: khí đốt nóng chảy qua các ống. Các bề mặt mở rộng như cánh tản nhiệt hoặc đinh tán nhân diện tích bên ngoài với hệ số 5–10, bù lại hệ số truyền nhiệt thấp hơn của dòng khí đối lưu.

Bộ đối lưu thường là một tổ hợp nhiều mạch chứ không phải là một bộ trao đổi nhiệt đơn lẻ. Nó có thể làm nóng trước và làm bay hơi nguyên liệu chế biến, làm nóng hơi nước, tạo ra hơi nước và trong các bộ chuyển hóa hơi nước và lò nung ethylene, hơi pha loãng quá nhiệt - tất cả đều nằm trong một hộp nhỏ gọn.

Ethylene Cracking Furnace for High-Yield Pyrolysis

Lò nung ethylene để nhiệt phân năng suất cao Lò này cung cấp nhiệt độ cao đồng đều, chính xác cho quá trình Cracking hydrocarbon, hỗ trợ sản xuất ethylene hiệu quả với khả năng xử lý nguyên liệu linh hoạt và thiết kế chắc chắn để hoạt động liên tục. Xem sản phẩm →

Cracking ethylene là một ví dụ điển hình về yêu cầu của dịch vụ này. Nguyên liệu phải được hóa hơi hoàn toàn và quá nhiệt trước khi đi vào cuộn dây bức xạ, đồng thời quá nhiệt cục bộ trong bất kỳ mạch đối lưu nào sẽ làm thay đổi sự phân phối dòng chảy và buộc phải tắt máy sớm.

Phần đối lưu thu nhiệt khí thải như thế nào

Ở điều kiện thiết kế, khí thải đi vào phần đối lưu ở nhiệt độ khoảng 500–700°C và thoát ra ở nhiệt độ 150–250°C. Công suất hấp thụ trong phần đối lưu thường chiếm 20–30% tổng lượng nhiệt hấp thụ. Trong lò sưởi chạy với hiệu suất 88%, phần bức xạ hấp thụ khoảng 58% nhiên liệu đầu vào, phần đối lưu khoảng 29% và phần còn lại bị mất do tổn thất ống khói và vỏ.

Nhiệm vụ bức xạ 58%
Thuế đối lưu 29%
Mất ngăn xếp 9%
Mất vỏ 4%

Ống có bề mặt mở rộng giúp việc phục hồi này trở nên tiết kiệm. Một cánh răng cưa được hàn vào một ống thép carbon sẽ làm tăng gấp đôi bề mặt bên ngoài trên một đơn vị chiều dài với chi phí tăng thêm khiêm tốn. Các ống trần chỉ được sử dụng ở các hàng đầu vào nóng, nơi nhiệt độ khí đủ cao để các cánh tản nhiệt mang lại ít lợi ích hoặc trong các dịch vụ có độ bám bẩn cao, nơi không thể giữ khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt để có thể làm sạch được.

Sự khác biệt chính giữa phần bức xạ và phần đối lưu của lò sưởi đốt.
tham số	Phần rạng rỡ	Phần đối lưu
Chế độ truyền nhiệt chiếm ưu thế	Bức xạ nhiệt	Đối lưu cưỡng bức
Nhiệt độ khí thải điển hình	750–1.250°C	150–700°C
Bề mặt bên ngoài ống	trần	trần, finned, or studded
Phần thuế hấp thụ	55–70%	20–35%
Độ nhạy bẩn	Thấp	Trung bình đến cao
Truy cập dọn dẹp	Cửa mở	Tấm có thể tháo rời, máy thổi bồ hóng

Các thông số thiết kế phần đối lưu quan trọng

Để có được phần đối lưu phù hợp cần có một số thông số phải được cân bằng với nhau và được các kỹ sư giàu kinh nghiệm xem xét.

Vận tốc khí thải và giảm áp suất

Vận tốc khối lượng phía khí thường được giữ trong khoảng từ 3 đến 6 kg/m2·s. Vận tốc cao hơn giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt nhưng làm tăng độ sụt áp, điều này hạn chế vận hành gió lùa tự nhiên. Đoạn đối lưu tiêu thụ nhiều hơn khoảng 25–40 mm cột nước của gió lùa có thể tạo ra một quạt gió cảm ứng - một khoản vốn và chi phí vận hành đáng kể.

Thiết kế vây và phụ cấp bám bẩn

Đối với nhiên liệu khí sạch, vây rắn mật độ cao là kinh tế. Đối với nhiên liệu bẩn như cặn chân không hoặc dầu khí cốc nặng, hãy sử dụng khoảng cách cánh tản nhiệt rộng hơn, cánh tản nhiệt có răng cưa hoặc ống trần và cung cấp các làn đường thổi bồ hóng. Mật độ vây xác định trực tiếp thời gian máy sưởi có thể chạy giữa các lần vệ sinh.

Lựa chọn vật liệu và nhiệt độ kim loại

Các hàng đầu vào nóng nhất có nhiệt độ kim loại dạng ống trên 540 °C và thường sử dụng hợp kim Cr-Mo như T11 hoặc T22 hoặc các loại không gỉ nếu dự kiến có cặn ăn mòn. Các hàng thoát lạnh hơn có thể sử dụng thép carbon nếu nhiệt độ bề mặt duy trì trên điểm sương của axit sulfuric, thường là 120–150 °C.

Độ cách nhiệt và độ kín của vỏ

Độ dày cách nhiệt và độ kín của vỏ giúp kiểm soát sự thất thoát nhiệt và nhiệt độ của lớp vỏ bên ngoài. Sự xâm nhập của không khí vào vỏ tạo ra sự làm mát cục bộ, làm giảm nhiệt độ kim loại xuống dưới điểm sương và tạo ra sự ăn mòn tốn kém.

Khi xem xét thiết kế của nhà cung cấp, hãy yêu cầu: biện minh về mật độ vây so với nhiên liệu được chỉ định, ngân sách giảm áp suất khí thải, tính toán nhiệt độ kim loại trên mỗi cuộn dây và mức cho phép ăn mòn được ghi lại cho mỗi hàng.

Hiệu quả và tác động kinh tế của phần đối lưu

Hiệu suất của bộ sưởi cải thiện khoảng 1% khi nhiệt độ ống khói giảm đi 20–25 °C. Việc thu hồi nhiệt chỉ bằng bức xạ giúp lò sưởi đạt hiệu suất gần 65%. Việc bổ sung thêm phần đối lưu sẽ nâng con số đó lên 82–87%; việc bổ sung thêm bộ sấy sơ bộ không khí đốt ở hạ lưu sẽ đẩy nó lên trên 90%.

Đối với lò sưởi đốt công suất 50 MW, sự khác biệt giữa hiệu suất 65% và 87% là khoảng 16 MW nhiên liệu - với giá khí đốt thông thường là hơn một triệu đô la mỗi năm. Máy sưởi thô và chân không là những ứng cử viên được trang bị thêm phổ biến nhất vì nhiệt độ ống khói của chúng thường cao nhất trong nhà máy lọc dầu.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation Units

Lò sưởi đốt cho các thiết bị chưng cất khí quyển và chân không Được thiết kế để sưởi ấm dầu thô trong ADU và VDU, máy sưởi này mang lại hiệu suất nhiệt cao và sưởi ấm đa vùng đồng đều để cải thiện quá trình phân tách đồng thời giảm chi phí nhiên liệu và khí thải. Xem sản phẩm →

Hiệu suất tốt hơn cũng làm giảm lượng khí thải CO₂ tỷ lệ thuận với nhiên liệu được đốt cháy, khiến phần đối lưu trở thành một trong những dự án giảm phát thải rẻ nhất hiện có tính trên mỗi tấn.

Bụi bẩn, ăn mòn và bảo trì trong thế giới thực

Các ngân hàng đối lưu có vây bám bẩn nhanh hơn các bề mặt ống trần và sự bám bẩn làm thay đổi hoạt động của máy sưởi rất lâu trước khi buộc phải tắt máy. Các triệu chứng là nhiệt độ đầu ra của khí thải tăng lên, tổn thất gió lùa cao hơn và giảm quá trình gia nhiệt trước của quy trình - một lò sưởi được thiết kế để đạt hiệu suất 85% có thể giảm xuống 78% trong vòng vài tháng đối với nhiên liệu lỏng nặng.

Cơ chế tắc nghẽn phổ biến

Muội do đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu lỏng.
Tro cặn từ vanadi và natri trong dầu nhiên liệu.
Sự lắng đọng amoni bisulfate khi khí thải có chứa amoniac từ quá trình khử xúc tác chọn lọc ở hạ lưu.
Các sản phẩm ăn mòn tích tụ trên bề mặt lạnh.

Chống ăn mòn

Ăn mòn ở đầu lạnh là nguyên nhân hàng đầu của việc thay thế phần đối lưu cưỡng bức. Axit sulfuric ngưng tụ khi nhiệt độ vỏ ống giảm xuống dưới điểm sương axit. Chiến lược phòng ngừa là giữ nhiệt độ kim loại trên điểm sương, chọn hợp kim phù hợp với môi trường và duy trì vỏ kín.

Vệ sinh và kiểm tra

Các công cụ làm sạch trực tuyến bao gồm máy thổi bồ hóng bằng hơi nước và không khí, còi âm thanh và rửa nước trong khi tắt máy. Phạm vi kiểm tra quay vòng phải bao gồm độ dày thành ống, chiều cao và tình trạng của vây, quá trình luyện cốc bên trong lỗ khoan, độ kín của vỏ và tính toàn vẹn của giá đỡ. Các kết quả đưa ra quyết định giữa sửa chữa cục bộ và thay thế toàn bộ mô-đun.

Phần đối lưu mô-đun: Chiến lược chế tạo và thay thế

Việc xây dựng lại phần đối lưu trên hiện trường rất chậm và tốn kém. Phần mô-đun được lắp ráp tại cửa hàng sẽ tránh được hầu hết rủi ro đó: các ống được hàn và thử nghiệm, các cánh tản nhiệt được lắp đặt, áp dụng vật liệu chịu lửa và các vấu nâng đã sẵn sàng.

Thời gian ngừng hoạt động ngắn hơn, vì bình mới được xây dựng trong khi lò sưởi cũ vẫn đang chạy.
Chất lượng mối hàn cao hơn nhờ chế tạo tại xưởng được kiểm soát và hàn tự động.
Tổng chi phí lắp đặt thấp hơn, giảm thời gian lao động tại hiện trường và giàn giáo.
Tái sử dụng hộp và cấu trúc bức xạ hiện có, con đường cải tạo tiết kiệm nhất.

Shop-Assembled Convection Section Module for Furnaces

Mô-đun phần đối lưu lắp ráp tại xưởng cho lò nung Một mô-đun đối lưu được chế tạo sẵn với các ống hàn, cánh tản nhiệt và vật liệu chịu lửa, được thiết kế để lắp đặt nhanh chóng và giảm thời gian ngừng hoạt động đồng thời cải thiện khả năng truyền nhiệt và tiết kiệm năng lượng trong lò công nghiệp. Xem sản phẩm →

Khi mua một mô-đun thay thế, hãy cung cấp cho nhà cung cấp bản phân tích nhiên liệu thực tế, hệ số gây ô nhiễm cũng như các giới hạn về mớn nước và ngăn xếp của bạn. Đồng ý về quy tắc thiết kế - API 560 là tài liệu tham khảo chung cho các thiết bị gia nhiệt của nhà máy lọc dầu - và xác nhận các điểm kiểm tra: thử nghiệm thủy tĩnh, kích thước lắp đặt, độ khô của vật liệu chịu lửa và vị trí gắn kết.

Việc lựa chọn loại lò sưởi và cấu hình đối lưu của nó ảnh hưởng đến toàn bộ thiết bị. Để biết tổng quan về cấu hình trên các dịch vụ lọc dầu và hóa dầu, hãy xem hướng dẫn của chúng tôi về lựa chọn lò sưởi và ứng dụng kỹ thuật trong ngành hóa dầu .

Để biết báo giá dành riêng cho dự án hoặc chuyến thăm kiểm tra cửa hàng, hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi thông qua trang liên hệ .

Câu hỏi thường gặp về phần đối lưu

Mục đích chính của phần đối lưu là gì?

Để thu hồi nhiệt từ khí thải rời khỏi phần bức xạ bằng cách làm nóng trước và làm bay hơi nguyên liệu hoặc hơi quá nhiệt, nâng cao hiệu suất tổng thể của bộ gia nhiệt từ khoảng 65% lên 85% hoặc hơn.

Tại sao vây được sử dụng trên ống đối lưu?

Các cánh tản nhiệt nhân diện tích bề mặt phía khí với hệ số 5–10, bù lại hệ số truyền nhiệt thấp của dòng khí thải đối lưu và giữ cho bó nhỏ gọn.

Sự giảm nhiệt độ điển hình trên toàn bộ mặt cắt là gì?

Khí thải thường đi vào ở nhiệt độ 500–650 °C và thoát ra ở nhiệt độ 150–250 °C. Với bộ sấy sơ bộ không khí ở hạ lưu, nhiệt độ ống khói có thể giảm xuống dưới 130°C và hiệu suất của bộ sưởi có thể vượt quá 92%.

Nguyên nhân gây ăn mòn ở phần đối lưu là gì?

Nguyên nhân chủ yếu là do axit sunfuric ngưng tụ trên bề mặt ống dưới điểm sương axit, thường là 120–150 °C. Phòng ngừa có nghĩa là giữ nhiệt độ kim loại trên điểm sương và duy trì vỏ bọc kín khí để tránh các điểm lạnh.