Konvektionsabschnitt in befeuerten Heizgeräten: Design, Effizienz und Wartung

Nach drei Jahren in einer Delayed Coking-Anlage war die Rauchgasaustrittstemperatur einer befeuerten Heizung von 180 °C auf 246 °C gesunken. Die Brenner waren eingestellt und die Strahlrohre sahen in Ordnung aus, dennoch war der Brenngasverbrauch um fast vier Prozent gestiegen. Das Problem wurde dort gefunden, wo Betreiber oft zuletzt hinschauen: im Konvektionsbereich. Die Rippenrohre waren mit einer harten Schicht aus Salz und Asche bedeckt, und eine beschädigte Auskleidung hinter dem Bündel ließ heißes Rauchgas vollständig an den Rohren vorbeiströmen.

Der Konvektionsbereich liefert normalerweise 25 bis 35 Prozent der gesamten Prozessleistung einer befeuerten Heizung. Wenn die Leistung nachlässt, sinkt die Effizienz, die Kraftstoffkosten steigen und die nächste Wende wird dringlicher. In diesem Artikel wird erläutert, was der Konvektionsbereich bewirkt, wie er konstruiert ist, warum er die Effizienz der Heizung steuert und was vor dem Kauf eines neuen Pakets überprüft werden sollte.

Was der Konvektionsbereich in einer befeuerten Heizung bewirkt

Bei einem vertikalen zylindrischen Heizgerät befindet sich der Konvektionsabschnitt direkt über dem Strahlungsabschnitt. Bei einem Kabinenheizgerät sitzt es an einem Ende des Strahlungskastens. Bei beiden Anordnungen wird heißes Rauchgas durch eine Reihe horizontaler Rohre geleitet, und die Prozessflüssigkeit in diesen Rohren nimmt Wärme durch die Rohrwand auf. Da das in den Konvektionsbereich eintretende Rauchgas bereits weit unter der Flammentemperatur liegt, wechselt der vorherrschende Wärmeübertragungsmodus von Strahlung zu erzwungener Konvektion.

Um den geringeren gasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten auszugleichen, werden in der Regel vergrößerte Flächen eingesetzt. Die folgende Tabelle vergleicht die Arbeitsbedingungen in den beiden Abschnitten einer typischen Raffinerieheizung.

Vergleich typischer Betriebsbedingungen in den Strahlungs- und Konvektionsabschnitten eines Raffinerie-Heizgeräts.
Parameter	Strahlungsabschnitt	Konvektionsabschnitt
Rauchgastemperatur	950–1100 °C in der Flammenzone	650–800 °C Einlass; 150–250 °C Auslass
Dominanter Wärmeübertragungsmodus	Wärmestrahlung	Konvektion mit etwas Strahlung
Typische Rohroberfläche	Blankes, glattes Rohr	Mit Flossen, Nieten oder nackt
Anteil am Gesamtzoll	60–70 Prozent	25–35 Prozent
Hauptbetriebsrisiko	Überhitzung und Kriechen	Verschmutzung und Korrosion am kalten Ende

Wie der Konvektionsbereich Wärme zurückgewinnt

Der gasseitige Wärmeübergangskoeffizient für ein blankes Rohr im Konvektionsbereich ist niedrig, etwa 15 bis 30 W/(m²·K), während der prozessseitige Koeffizient in der Regel um ein Vielfaches höher ist, insbesondere wenn die Flüssigkeit siedet. Der Grenzwiderstand liegt daher fast immer auf der Rauchgasseite des Rohres.

Rippen- und Noppenrohre lösen dieses Problem durch eine Vervielfachung der Außenfläche. Gezackte Rippen mit einer Dichte von 4 bis 5 Rippen pro Zoll oder etwa 157 bis 197 Rippen pro Meter vergrößern die Außenfläche um das Fünf- bis Zehnfache im Vergleich zu einem blanken Rohr mit demselben Durchmesser. Das folgende Diagramm zeigt ein typisches Rauchgastemperaturprofil durch einen Konvektionsabschnitt mit drei Durchgängen.

Abbildung 1. Typische Reduzierung der Rauchgastemperatur über einen Konvektionsabschnitt mit drei Durchgängen.

Der heißeste Durchgang, der dem Strahlungsabschnitt am nächsten liegt, verarbeitet den Prozessstrom, der die höchste Temperatur benötigt. Die Kühlerdurchgänge gewinnen Wärme für Niedertemperaturdienste wie Dampferzeugung, Verdünnungsdampfüberhitzung und Vorwärmung des Einsatzmaterials zurück. Diese Gegenstromanordnung sorgt bei jedem Durchgang für einen nützlichen Temperaturunterschied.

Design des Konvektionsabschnitts: Druckabfall, Geschwindigkeit und Materialien

API 560 bietet den Konstruktionsrahmen, der für die meisten befeuerten Heizgeräte in Raffinerien und petrochemischen Betrieben verwendet wird. Der Konvektionsabschnitt kann nicht isoliert dimensioniert werden: Bündeltiefe, Rippengeometrie und erforderlicher Tiefgang müssen zusammen festgelegt werden, da jeder einzelne Einfluss auf den anderen hat.

Die kritischen Prüfungen sind Rauchgasdruckabfall, Gasgeschwindigkeit, Rohrmetalltemperatur und Lamellenmaterial. Eine typische Heizung hält den Druckabfall im Konvektionsbereich zwischen 3 und 10 mbar oder 30 bis 100 mm H₂O. Ein tieferes Bündel gewinnt mehr Wärme zurück, erfordert jedoch mehr Stapel- oder Saugzuggebläsekapazität. Die Gasgeschwindigkeit sollte bei der niedrigsten Feuerungsrate über etwa 4,5 m/s bleiben, um ein Absetzen der Asche zu verhindern, und unter 15 bis 20 m/s, um Erosion und durch Strömung verursachte Vibrationen zu vermeiden. Die Rohrmetalltemperatur am kalten Ende muss über dem Taupunkt der Schwefelsäure bleiben, wenn Schwefel vorhanden ist. sonst korrodieren die unteren Reihen und das Gehäuse schnell. Das Rippenmaterial richtet sich nach der lokalen Gastemperatur: Rippen aus Legierung am heißen Ende, Rippen aus Kohlenstoffstahl am kalten Ende und manchmal blanke Rohre, bei denen Erosion oder Reinigungszugang von entscheidender Bedeutung sind.

Eine praktische Engineering-Checkliste sieht so aus:

Bestätigen Sie den Massenstrom, die Zusammensetzung und den Schwefelgehalt des Rauchgases.
Wählen Sie das Rohrlayout und die Steigung für die Zielgeschwindigkeit und den Druckabfall aus.
Berechnen Sie die Effizienz der Lamellen und wählen Sie den Lamellentyp, die Dichte und den Materialdurchlauf aus.
Überprüfen Sie die Rohrmetalltemperatur anhand des Säuretaupunkts und der Oxidationsgrenzen.
Stellen Sie Zugangswege, Rußbläseranschlüsse und abnehmbare Inspektionsplatten bereit.

Warum der Konvektionsbereich die Effizienz der Heizung steuert

Als Faustregel für die Konstruktion befeuerter Heizgeräte gilt, dass eine Reduzierung der Abgasaustrittstemperatur um 22 °C den Wirkungsgrad um etwa einen Prozentpunkt erhöht. Eine Absenkung der Austrittstemperatur von 250 °C auf 170 °C lohnt sich also etwa 3,5 Prozent. Bei einer 100-MW-Heizung sind das 3,5 MW Brennstoff, eine erhebliche Einsparung im Vergleich zu einem Jahr Dauerbetrieb.

Erweiterte Flächen ermöglichen eine derart niedrige Austrittstemperatur ohne große Einhausung, wie das folgende Balkendiagramm zeigt.

Abbildung 2. Typischer äußerer Bereich eines Rohrs mit 114 mm Außendurchmesser und blanken, genoppten und gerippten Oberflächen.

Rippenrohre vergrößern die Oberfläche, verlängern aber auch den Gasweg und erhöhen den Druckabfall. Die Wahl zwischen Blank-, Noppen- und Rippenrohren in jedem Durchgang ist ein wirtschaftlicher Kompromiss zwischen Oberfläche, Tiefgang, Reinigungszugang und Korrosionsspielraum.

Verschmutzung, Reinigung und Korrosion am kalten Ende

Verschmutzung ist das hartnäckigste Betriebsproblem des Konvektionsabschnitts. Ablagerungen wirken als Isolationsschicht, sodass die Rauchgasaustrittstemperatur steigt und dem Prozess weniger Wärme zugeführt wird. Gleichzeitig verringert die Ablagerungsschicht die offene Strömungsfläche und erhöht den Zugverlust. In schweren Fällen kann das Heizgerät seine vorgesehene Feuerrate nicht erreichen.

Die Hauptursachen für die Verschmutzung des Konvektionsabschnitts sind unten aufgeführt. Brennstoffqualität, Brennerleistung und Prozessverschleppung tragen alle dazu bei, und die Verteilung variiert von Gerät zu Gerät.

Salz-/Ascheablagerungen (35 %)
Koks-/Kohlenstoffablagerungen (30 %)
Korrosionsprodukte (25 %)
Sonstige Einlagen (10 %)

Abbildung 3. Typische Verteilung von Verschmutzungsursachen in Konvektionsabschnitten.

Die Verschmutzungskontrolle beginnt mit der Abstimmung der Verbrennung und dem Kraftstoffmanagement, eine regelmäßige Reinigung ist jedoch dennoch erforderlich. Die folgende Tabelle fasst die Methoden zusammen, die beim Betrieb von Anlagen am häufigsten verwendet werden.

Typische Reinigungsmethoden für Konvektionsabschnitte und ihre Anwendung.
Reinigungsmethode	Bestens geeignet für	Typische Häufigkeit
Online-Dampfrußblasen	Leichte Asche- oder Salzablagerungen	Wöchentlich bis monatlich
Rußblasen mit Hochdruckluft	Ruß aus flüssigen oder festen Brennstoffen	Täglicher oder kontinuierlicher Zyklus
Offline-Hydrostrahlen	Harte, dicke Ablagerungen	Bei jeder Wende
Chemische Reinigung	Spezielle Lagerstätten wie Salze oder Koks	Nach Bedarf

Konvektionsabschnitte in Raffinerie- und petrochemischen Anwendungen

Jede befeuerte Heizung in einer Raffinerie oder einem Petrochemiestandort verfügt über einen Konvektionsabschnitt, aber jeder Dienst erfordert ein anderes Design. In einem Rohöl- und Vakuumdestillationserhitzer heizt der Konvektionsabschnitt Rohöl vor und erzeugt manchmal Dampf. Ein Ethylen-Krackofen enthält typischerweise eine Vorheizschlange für die Kohlenwasserstoffbeschickung, Überhitzungsschlangen für Verdünnungsdampf und eine Hochdruckdampfbank. Bei Wasserstoff- und DRI-Reformern bestimmt der Konvektionsabschnitt den Gesamtenergieverbrauch der Einheit, indem er Wärme für den Dampf und die Vorwärmung des Einsatzmaterials zurückgewinnt.

Beim Einsatz von Rohölaggregaten dominieren die Wahl des Rippentyps und die Entscheidung, Dampfschlangen einzubeziehen, die technische Diskussion. Ein Lieferant mit Erfahrung in diesen Kompromissen kann das Projektrisiko reduzieren und das Betriebsergebnis verbessern.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Befeuerter Heizer für atmosphärische und Vakuumdestillation Dieses Heizgerät berücksichtigt die Kompromisse zwischen Rippentyp und Dampfschlange im Rohölbetrieb und bietet eine gleichmäßige Mehrzonenheizung und einen hohen thermischen Wirkungsgrad, um eine stabile ADU/VDU-Trennung zu unterstützen und gleichzeitig das Betriebsrisiko zu senken. Produkt anzeigen →

Petrochemische Heizgeräte erhöhen die Komplexität noch weiter, da sich mehrere Rohrschlangen den gleichen Rauchgasweg teilen müssen. Die Prinzipien dahinter Auswahl befeuerter Heizgeräte und technische Anwendungen in der petrochemischen Industrie Erklären Sie, wie Betreiber bei diesen Diensten die Spulentemperaturen, den Dampfbedarf und die Ofenökonomie ausgleichen.

Das anspruchsvollste Beispiel sind Ethylen-Spaltöfen. Ihre Konvektionsabschnitte verarbeiten Spaltgas, Verdünnungsdampf und Dampferzeugungsschlangen in einer kompakten Anordnung, und die Legierungsauswahl wird durch strenge Betriebstemperaturen bestimmt.

Ethylen-Spaltofen für die Pyrolyse Angesichts der hohen Legierungsanforderungen in Ethylen-Konvektionsabschnitten tragen die präzise Temperaturregelung und das optimierte Strahlungs-/Konvektionsdesign dieses Ofens dazu bei, die Crackkonsistenz und -ausbeute bei kontinuierlichem Hochtemperaturbetrieb aufrechtzuerhalten. Produkt anzeigen →

Was ist beim Kauf eines Konvektionsteils zu beachten?

Unabhängig davon, ob Sie ein beschädigtes Bündel ersetzen oder die Dampferzeugungskapazität erweitern, gelten dieselben Prüfungen.

Stellen Sie sicher, dass das neue Bündel dem Rauchgasmassenstrom und dem verfügbaren Zug des vorhandenen Strahlungsabschnitts entspricht.
Überprüfen Sie die Design-Code-Basis: API 560 für die Heizung, ASME B31.3 für die rohrseitige Verrohrung und die Standortspezifikation des Kunden.
Bewerten Sie den Schweißqualitätsplan rund um die Rippen-Rohr-Verbindung und die Rohr-Sammelrohr-Verbindungen, da dies die häufigsten Fehlerstellen sind.
Überprüfen Sie das Isolierungs- und Auskleidungssystem auf die erwartete Gaseinlasstemperatur, einschließlich des Erosionsschutzes an der Stelle, an der das Gas in das Bündel eintritt.
Bestätigen Sie die Fähigkeiten des Herstellers: Schweißverfahrensqualifikationen, hydrostatische Tests, Maßkontrolle und Inspektion durch Dritte.

Die meisten Konvektionsabschnitte werden als werkstattgefertigte Module geliefert, einschließlich Rohren, Sammlern, Isolierung und Gehäuse. Dieser Ansatz verkürzt die Aufbauzeit vor Ort und verbessert die Schweißqualität, da die schweren Montagearbeiten unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden. Wenn das Modul an seinen Platz gehoben wird, müssen die Verbindungen zum Strahlungsabschnitt und zum Stapel des vorhandenen Heizgeräts die Wärmeausdehnung aufnehmen und gasdicht bleiben.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Im Laden gefertigtes Konvektionsabschnittsmodul Dieser modulare Konvektionsabschnitt ist für eine kontrollierte Fertigung in der Werkstatt und ein einfaches Heben vor Ort konzipiert. Er besteht aus langlebigen Legierungen und einem anpassbaren Design, um die Wärmeausdehnung auszugleichen und während der Installation gasdichte Verbindungen aufrechtzuerhalten. Produkt anzeigen →

Ebenso wichtig ist die Logistik. Bei einem großen Konvektionsabschnittsmodul handelt es sich um eine überbreite, schwere Ladung, daher verdienen der Transportweg, die Hebemethode und der Handhabungsplan vor Ort die gleiche Prüfung wie das thermische Design. Ein Hersteller, der sowohl die Fertigung als auch den Schwertransport bewältigen kann, verringert das Risiko von Terminverzögerungen. Für eine projektspezifische Bewertung oder ein Angebot können Sie uns gerne kontaktieren Kontaktieren Sie das Tuopu-Ingenieurteam mit dem Datenblatt Ihres Heizgeräts.

Häufig gestellte Fragen zu Konvektionsabschnitten

Warum haben Konvektionsrohre Rippen?

Durch Lamellen vervielfacht sich die äußere Wärmeübertragungsfläche um das Fünf- bis Zehnfache, was den geringen Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rauchgasseite ausgleicht. Ohne Rippen müsste der Konvektionsabschnitt um ein Vielfaches größer sein, um die gleiche Wärmemenge zurückzugewinnen.

Wie hoch ist die normale Rauchgastemperatur am Austritt der Konvektionsstrecke?

Für eine effiziente, gut gewartete Heizung beträgt die Austrittstemperatur typischerweise 150 bis 200 °C. Bei stark schwefelhaltigem Kraftstoff wird der Auslass über dem Säuretaupunkt gehalten, oft bei etwa 250 bis 300 °C, oder das kalte Ende besteht aus korrosionsbeständigem Material.

Wie viel Effizienz geht verloren, wenn der Konvektionsbereich verschmutzt ist?

Durch Verschmutzung steigt die Abgasaustrittstemperatur. Da jeder Temperaturanstieg um 22 °C etwa einen Prozentpunkt Effizienz kostet, verringert sich der Wirkungsgrad bei einem Anstieg um 50 °C um etwa 2,3 Prozent, was sich direkt im zusätzlichen Kraftstoffverbrauch niederschlägt.

Kann ein Konvektionsabschnitt ausgetauscht werden, ohne den Strahlungsabschnitt zu berühren?

Ja. Vorhandene befeuerte Heizgeräte erhalten häufig ein neues Konvektionsabschnittsmodul, während der Strahlungskasten, die Brenner und der Kamin erhalten bleiben. Dies ist eine gängige Modernisierungsmethode, vorausgesetzt, dass die Struktur und die Fundamente noch über eine ausreichende Restlebensdauer verfügen und der Druckabfall des neuen Bündels in den verfügbaren Entwurf passt.