管式加熱炉の構造及び使用される耐火材料

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ライニングが施された密閉容器内に、多数の互いに接続された高品質な無縫鋼管または合金製無縫鋼管が設置されており、加熱媒体が一連の無縫鋼管内を非常に高い流速で流れる。燃料が密閉容器内で燃焼し高温の煙を発生させ、この高温煙が放射、対流、伝導によって加熱媒体に熱を伝え、加熱媒体を製造工程で定められた温度まで、あるいは一定の化学反応が進む程度まで加熱する；この種の装置は、総称して管式加熱炉と呼ばれます。今日お話しする管式加熱炉とは、石油精製や石油化学の生産装置における工程用加熱炉で、略して石油化学工程用加熱炉と呼ばれます。http://www.znhcl.com/uedits/c029a71236c5454cabf957f3dc755142.jpg石油化学プロセス用の管式加熱炉は、放射室、対流室、余熱回収装置、燃焼器、送風システム、排煙システムなどの部品で構成されている。1. 放射室　放射室とは、加熱炉における放射伝熱を支配する部分である。炎が直接存在する場所であるため、ここは加熱炉の中で最も温度が高い部分となります。そのため、使用される材料の成分、強度、厚さ、および機械的構造については慎重に検討する必要があります。また、機能的には、炉全体の熱負荷の70～80％が放射室で吸収されます。反応変換や分解が起こる流体を用いた炉では、反応や分解などは一般的にすべて放射線室内で行われる。ですから、放射室の良し悪しが加熱炉の良し悪しを決定すると言っても過言ではありません。2.対流室　対流室とは、加熱炉における対流伝熱を支配する部分であり、非常に密に配列された管群を持っている。この構造により、煙ガスが対流管内を通過する際の速度が上昇し、効果的な対流伝熱が得られる。一般的に、対流室は炉全体の熱負荷の20～30％の熱を吸収する。対流室は放射室の上部に設置できる；地上に設置し、煙道で炉本体と接続することもできるが、本質的な仕組みは同じである。対流室では、釘頭管またはフィン付き管を使用できる。3. 余熱回収装置　余熱回収装置とは、対流室から出てくる煙ガスの熱、または対流室がない場合には放射室から直接出てくる煙ガスの熱を回収するための装置である。現在、国内外の各製油所で採用されている余熱回収策には、大きく以下の数種類がある：a．プロセスフローおよび装置全体のバランスを考慮し、冷却された原料を熱い油や空気で予熱する方法。b．循環システムの改善と簡素化の観点から、熱媒体循環–熱油による空気予熱が考えられる。開路および閉路の熱媒体循環を含む。c．付属的な回収装置を増設する観点から、①鋼管式がある；②ガラス管式；③回転式；④鋳鉄管式；⑤乱流子式；⑥ヒートパイプ式；⑦板式空気予熱器など。d．他の設備との連携による省エネを考慮すると、①余熱ボイラーがある；②コージェネレーション。4. 燃焼器は加熱炉の重要な構成要素の一つであり、その技術的性能の良し悪しや、加熱炉の工程要件、炉の構造、伝熱特性との適合性は、加熱炉の運転、エネルギー消費、環境保護に直接的な影響を与える。加熱炉の性能要件、炉の構造、熱伝達特性に適合した技術性能を持つバーナーを選定することは、加熱炉が効率的に、また「長期間・安全かつ安定して・最大限に」稼働し続けるために極めて重要である。5.通風装置　通風装置の機能は、燃焼に必要な空気を取り入れると同時に、煙を炉外に排出することであり、自然通風と強制通風の2種類がある。前者は煙突の通気力に頼る；後者は引き風機を使い、強力に煙を外に排出する。一般的に、炉内の圧力損失が小さい場合は、煙突を利用した自然換気方式が用いられる。煙突は炉の上部に設置され、加熱炉と一体化している。煙突の高さは、炉内の圧力損失を克服し、十分な換気力を維持できる程度が望ましい。加熱炉は構造が複雑で、炉内の圧力損失が大きい加熱炉や廃熱回収装置を備えた加熱炉では、多くの場合、誘引ファンを設置した強力な換気方式が採用される。6. ラジエーターチューブとエルボー ラジエーターチューブとエルボーは、管式加熱炉において最も重要な部品であり、管式加熱炉全体の鋼材量の40％、総投資額の60％を占めています。圧力に耐え、腐食に抵抗し、炎の直接的な熱にも耐える必要があるため、工程の達成と生産の安全性のために、以下の基準に従って炉管が設計されます。炉管の長さおよび総本数は、管式加熱炉の熱負荷、熱効率、そして加熱炉の構造によって決定されます。管径と管程数は、流量、許容圧力損失、滞留時間によって決定される。壁厚は、内部圧力、熱応力、静的荷重、管壁温度、材料の強度（高温でのクリープ特性や脆性などを含む）、および腐食余裕などによって決定される。材料は、許容温度および高温強度（クリープ強度を含む）、耐熱性、耐食性、脆性などによって決定される。炉管の温度が500℃未満の場合は炭素鋼製の炉管を使用する；炉管の温度が500℃～700℃の場合は、低合金鋼製の炉管（T9～T22）を使用する；炉管の温度が700℃～800℃の場合はステンレス製炉管（304、316）を使用する；炉管の温度が800℃～900℃の場合は309炉管を使用する；炉管の温度が900℃を超える場合は、高合金鋼の遠心鋳造炉管（HK-40）を使用する。管式加熱炉の放射炉管には光管が、対流室には釘頭管またはフィン付き管が使用される。炉管とエルボーの接続方法には、溶接と拡張接合の2種類があります。溶接を用いる場合、エルボーは炉管を圧着して作られた急曲がりのエルボーで、180°のエルボーが代表的であり、鋳造されるものは少ない。膨張接合を採用する場合、プラグ付きの鋳造製エルボを使用し、プラグを取り外すことで管内を機械的にスケール除去できる。欠点は価格が高いことで、材料は炉管と同じである。加熱対象の油が軽質で、炉管の焦げ付きが起きにくい場合、またはオンラインでの焦げ付き除去技術を採用している加熱炉では、すべて急曲がりエルボーを使用できる。一方、加熱対象の油が重質で炉管の焦げ付きが起きやすく、オンラインでの焦げ付き除去技術を採用していない加熱炉では、放射室部分に鋳造エルボーを使用できる。7. 管支持具とガイド枠　管支持具は炉内の加熱管の重さを支え、その重さを加熱炉のフレームに伝える。チューブ支持部に求められる条件は、優れた耐酸化・耐腐食性と高い高温強度であり、加熱管の温度変化に伴っても構造的に自由に伸縮できることです。配管支持材は、放射室および対流室の下部には25Cr—12Ni鋼または25Cr—20Ni鋼を使用する。対流室の上部には、密焼き鋳鉄「HR」と5Cr合金鋼を使用している。高クロム鋼を使用する場合の問題点は、高温での脆性と、燃料中のバナジウムや硫黄によって引き起こされる腐食です。このような場合、支持架は交換可能な構造に設計されるべきであり、高温による脆化にはフェライトによって抑制し、バナジウムの腐食には鋳造保護層によって対処することができる。一般的に、放射室ではナイフ型の管支持具が、対流室では孔板型の管支持具が使用され、ガイドフレームは管の案内役としてのみ機能する。8. 耐火材料
耐火材料は加熱炉に不可欠な材料で、大きく成形された材料と非成形の材料の2種類に分けられる。a.成形耐火材料　成形耐火材料とは、重質耐火レンガ、軽質耐火レンガ、断熱レンガなどのことで、重質耐火レンガは耐熱性を主とし、バーナーの燃焼通路や、高温の加熱炉の放射室の火にさらされる面の内張りに使用される。軽量耐火レンガは耐熱性と断熱性を兼ね備えており、炉の側壁や炉頂に多く使用される。断熱レンガの耐熱性は非常に低く、主に炉床や側壁の内張りとして使用され、使用量は多くありません。耐火レンガなどの耐火材料製品が必要な方は、耐火材料専門サイトhttp://www.znhcl.comをご覧ください。全国のメーカーから直接仕入れ可能で、アリペイによる支払いにも対応しており、即納・現金払いです。b. 非定形耐火材料とは、一般的に骨材とセメントを水で練り合わせ、コンクリートのように施工する非定形耐火材料のことで、略して注入材と呼ばれる。耐火性を主とし、ある程度の断熱性も持つ鋳造材（重質鋳造材）と、断熱型の鋳造材（軽質）に分かれ、施工方法には注入、塗布、スプレー塗布の3種類がある。管状加熱炉においては、耐熱性を主とし、ある程度の断熱性を持つプラスチック鋳造材が、炉頂、側壁、炉底に使用される。煙道や煙突の内張り、および側壁の内張りには、断熱性のあるプラスチック系注入材が使用される。セラミックファイバーブロック、ロックウールフェルト、セラミックファイバースプレーも非定形耐火材料に分類されます。9. ラフトフレーム、側壁、およびプラットフォーム　ラフトフレームは加熱炉の全荷重を支える鋼構造で、材料は一般炭素鋼であり、主に溝形鋼やI形鋼が使用される。側板とは炉壁の外表面にある鋼板で、雨やほこりを防ぎ、同時に不必要な空気が炉内に漏れ込むのを防ぐ役割を持っています。その機能によって、構造体の荷重を分担するものと、単に覆う役割だけを果たすものの2種類に分けられます。プラットフォームとはしごは、操作やメンテナンスのために設置され、日常の操作、メンテナンス、点検に使用されます。