利用者:加藤勝憲/工業炉
工業炉は、直接加熱器または直火加熱器とも呼ばれ、工業プロセスに熱を供給するために用いられる装置で、通常400℃より高い温度で使用される[1] 。
炉はプロセスに熱を供給するために使用され、また反応熱を供給する化学反応器として機能するものもある。炉の設計は、機能、加熱負荷、燃料の種類、燃焼用空気の導入方法によって様々である。工業炉では、燃料と空気や酸素を混ぜたり、電気エネルギーから熱を発生させる。余熱は煙道ガスとして炉から排出される[1]。
これらの設計・製造に関しては、国際的な基準や規格があり、最も一般的なものはISO 13705（石油および天然ガス産業-一般精製サービス用焼成ヒーター）である。
工業炉の種類には、バッチ炉、真空炉、太陽炉などがある。工業炉は、化学反応、火葬、石油精製、ガラス加工などの用途で使用される。
概観
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燃料はバーナーに流れ込み、送風機から供給される空気で燃焼する。炉内には複数のバーナーを設置することができ、特定のチューブを加熱するセル内に配置することができる。バーナーは設計により、底面設置、壁面設置、天面設置が可能。炎がチューブを加熱し、その熱が炉の最初の部分である放射部またはファイアボックスで内部の流体を加熱する。燃焼が行われるこの房では、熱は主に輻射によって、房内の火の周りの管に伝わる。
加熱される流体はチューブを通過するため、所望の温度に加熱される。
燃焼で生じたガスは、排ガスと呼ばれる。排ガスが火室から出た後、ほとんどの炉の設計では、排ガス筒を通して大気に放出する前に、より多くの熱を回収する対流セクションがある。(HTF=Heat Transfer Fluid。
The gases from the combustion are known as flue gas. After the flue gas leaves the firebox, most furnace designs include a convection section where more heat is recovered before venting to the atmosphere through the flue gas stack. (HTF=Heat Transfer Fluid.
また、産業界では、防錆や高い伝熱効率などの特殊な添加物を含む二次流体を加熱するために炉を使用している。
この加熱された流体は、工場全体を循環して熱交換器に送られ、製品ラインを直接加熱するのではなく、熱が必要な場所で使用される（製品・材料が揮発したり、炉の温度で割れたりする可能性があるため）。
部品
[編集]Radiant section
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輻射セクションは、炎からの輻射によって管がほとんどすべての熱を受ける場所である。縦型円筒形炉では、管は垂直である。管は垂直または水平、耐火壁に沿って配置、中央などに配置、またはセル内に配置される。スタッドは断熱材と炉壁を固定するために使用されます。この炉内の写真では約300mm間隔で配置されている。
腐食で赤茶色に変色した下図の管は、炭素鋼の管で、輻射セクションの高さを貫いている。チューブは断熱材から離れているので、放射はチューブの背面に反射し、チューブ壁の温度を均一に保つことができる。上部、中央、下部のチューブガイドがチューブを所定の位置に固定する。
Convection section
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対流セクションは輻射セクションの上部に位置し、追加の熱を回収するために温度が低くなっている。ここでの熱伝達は対流によって行われ、熱伝達を高めるためにチューブにフィンが付けられている。対流セクションの下部と輻射セクションの上部にある最初の3列のチューブは、むき出しのチューブ（フィンがない）の領域で、シールドセクション（「ショックチューブ」）として知られている。
輻射セクションの中で、排ガスがシールドセクションから対流セクションに入る直前の部分をブリッジゾーンと呼ぶ。クロスオーバーは、対流セクションの出口からラジアントセクションの入口に接続する管である。クロスオーバー配管は通常、温度をモニターして対流部の効率を計算できるように屋外に設置される。上部にある覗き窓は、作業員が上から炎の形とパターンを見たり、炎の衝突が起きていないか目視で確認したりすることができます。炎が管に触れ、非常に高温の小さい孤立した点を引き起こすとき炎の衝突は起こる。
Radiant coil
[編集]水平/垂直のヘアピン型チューブの両端を接続したもの（180°ベンド）、またはヘリカル型チューブの両端を接続したもの。輻射コイルは輻射により熱を吸収する。プロセス側の圧力損失に応じて、シングルパスまたはマルチパスが可能です。ラジアントコイルとベンドは、ラジアントボックスに収納されます。ラジアントコイルの材質は、低温サービス用の炭素鋼から高温サービス用の高合金鋼までさまざまです。これらはラジアント側壁から支持されるか、ラジアントルーフから吊り下げられる。これらの支持体の材質は一般に高合金鋼である。ラジアントコイルを設計する際には、（高温状態での）膨張のための備えが保たれるよう注意が払われる。
Burner
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上記のような縦型の円筒形炉のバーナーは床面にあり、上向きに燃焼する。列車の機関車のように、側面から燃焼する炉もある。バーナータイルは高温耐火物でできており、炎が収まる場所です。バーナーの下と送風機の出口にあるエアレジスターは、可動式のフラップや羽根が付いた装置で、炎が広がるか渦を巻くか、炎の形やパターンを制御する。炎が広がりすぎると火炎衝突を起こすので、炎が広がりすぎないようにする。エアレジスターは、空気がいつ導入されるかによって、一次、二次、場合によっては三次に分類される。
一次空気レジスタは、バーナーに最初に導入される一次空気を供給する。二次空気は、一次空気を補うために加えられる。バーナーには、バーナーに導入する前に空気と燃料を混合して燃焼を良くするためのプレミキサーが含まれている場合がある。バーナーの中には、空気を予熱し、燃料と加熱空気の混合を良くするために、蒸気をプレミックスとして使用するものもある。炉床は、技術者がメンテナンスの際に炉床を歩けるように、壁とは異なる材質で作られることがほとんどで、通常は硬いキャスタブル耐火物である。
炉の点火は、小さなパイロット・フレームか、古い機種では手で行うこともある。現在のほとんどのパイロット炎は、点火トランス（自動車のスパークプラグのようなもの）によって点火される。パイロットの炎は順番にメインの炎を点灯する。主火炎がディーゼルおよび天燃ガスを使用できる間、試験的な炎は天燃ガスを使用する。液体燃料を使用する場合はアトマイザーを使用します。アトマイザーを使用しないと、液体燃料が炉床の上に流れ出し、危険です。パイロットバーナーによる点火は、手動点火（マッチなど）に比べて安全で簡単である。
スートブロワー
[編集]スートブロワーは対流セクションにある。このセクションは輻射セクションの上にあり、フィンがあるため空気の動きが遅く、ススはここに溜まりやすい。スス吹きは通常、対流セクションの効率が低下したときに行われる。これは、クロスオーバー配管からの温度変化と対流セクション出口での温度変化を見て計算することができる。Sootblowers are found in the convection section. As this section is above the radiant section and air movement is slower because of the fins, soot tends to accumulate here. Sootblowing is normally done when the efficiency of the convection section is decreased. This can be calculated by looking at the temperature change from the crossover piping and at the convection section exit.
スートブロワーは、水、空気、蒸気などの流動媒体を利用して、チューブから付着物を除去する。これは通常、メンテナンス時に送風機をオンにして行われる。スートブロワーにはいくつかの種類がある。ロータリータイプのウォールブロワーは、対流管の間に突出して炉壁に取り付けられます。ランスは長さ方向に間隔をおいて穴が開けられた蒸気源に接続されている。電源を入れると回転し、煤を管から吹き飛ばし、煙突から排出する。
Stack
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排ガススタックは、すべての伝熱室の上部にある円筒形の構造物である。その真下にあるブリーチングが排ガスを集め、作業員に危険が及ばないよう大気中に放出する。
The flue gas stack is a cylindrical structure at the top of all the heat transfer chambers. The breeching directly below it collects the flue gas and brings it up high into the atmosphere where it will not endanger personnel.
スタックダンパーはバタフライバルブのような働きをし、炉内の（吸気口と排気口の圧力差）を調整する。スタックダンパーは、煙突を通して失われる熱も調整する。ダンパが閉じると、煙突から炉外へ逃げる熱量は減少するが、炉内の圧力やドラフトが上昇するため、炉内に空気漏れがあると、周囲で作業している人に危険が及ぶ。
内部に含まれるスタック ダンパーはバタフライ バルブのように機能し、炉内のドラフト (空気入口と空気出口の間の圧力差) を調整します。これにより、排ガスが対流セクションに引き込まれます。 スタック ダンパーは、スタックから失われる熱も調整します。ダンパーが閉じると、煙突を通って炉から逃げる熱の量は減少しますが、炉内の圧力または通風が増加し、炉内に空気漏れがあると炎が炉の外に逃げる可能性があり、炉の周囲で作業する人に危険をもたらします。 圧力が高すぎると火室が破損したり、爆発することもあります。
Insulation
[編集]断熱は加熱されたチャンバーからの熱の逃げを最小限に抑えて効率を向上させるため、炉の重要な部分である。 断熱材には耐火レンガ、キャスタブル耐火物、セラミックファイバーなどの耐火物が使用される。炉床は通常キャスタブルタイプの耐火物であり、炉壁は釘または接着剤で固定される。セラミックファイバーは一般的に炉の屋根と壁に使用され、密度と最高温度によって等級付けされる。(つまり、永久的な線形収縮の前に、2300°F は 2145°F までのみ適している)。
Insulation is an important part of the furnace because it improves efficiency by minimizing heat escape from the heated chamber. Refractory materials such as firebrick, castable refractories and ceramic fibre, are used for insulation. The floor of the furnace are normally castable type refractories while those on the walls are nailed or glued in place. Ceramic fibre is commonly used for the roof and wall of the furnace and is graded by its density and then its maximum temperature rating. For example, 8# 2,300 °F means 8 lb/ft3 density with a maximum temperature rating of 2,300 °F. The actual service temperature rating for ceramic fiber is a bit lower than the maximum rated temperature. (i.e. 2300 °F is only good to 2145 °F before permanent linear shrinkage).
Foundations
[編集]コンクリートの柱は、ヒーターを取り付ける土台である。小型ヒーターでは4本、大型ヒーターでは24本になることもある。柱と基礎全体の設計は、その地域の地盤の耐荷重と地震条件に基づいて行われる。基礎ボルトは、ヒーター設置後に基礎にグラウトされる。
Access doors
[編集]ヒーター本体には各所にアクセスドアが付いている。アクセスドアはヒーター停止時のみ使用する。通常のアクセスドアの大きさは600x400mmで、ヒーターへの人や物の出入りに十分である。運転中、アクセスドアは漏れ防止高温ガスケットを使用して適切にボルト締めされる。
参照
[編集]- Electric arc furnace
- Flued boiler
- Fire test furnaces
脚注
[編集]
- ^ a b Jenkins, Barrie; Mullinger, Peter (2011-08-30) (英語). Industrial and Process Furnaces: Principles, Design and Operation. Butterworth-Heinemann. ISBN 9780080558066
- Gray, W.A.; Muller, R (1974). Engineering calculations in radiative heat transfer (1st ed.). Pergamon Press Ltd. ISBN 0-08-017786-7
- Fiveland, W.A., Crosbie, A.L., Smith A.M. and Smith, T.F. (Editors) (1991). Fundamentals of radiation heat transfer. American Society of Mechanical Engineers. ISBN 0-7918-0729-0
- Warring, R. H (1982). Handbook of valves, piping and pipelines (1st ed.). Gulf Publishing Company. ISBN 0-87201-885-7
- Dukelow, Samuel G (1985). Improving boiler efficiency (2nd ed.). Instrument Society of America. ISBN 0-87664-852-9
- Whitehouse, R.C. (Editor) (1993). The valve and actuator user's manual. Mechanical Engineering Publications. ISBN 0-85298-805-2
- Davies, Clive (1970). Calculations in furnace technology (1st ed.). Pergamon Press. ISBN 0-08-013366-5
- Goldstick, R.; Thumann, A (1986). Principles of waste heat recovery. Fairmont Press. ISBN 0-88173-015-7
- ASHRAE (1992). ASHRAE Handbook. Heating, ventilating and air-conditioning systems and equipment. ASHRAE. ISBN 0-910110-80-8. ISSN 1078-6066
- Perry, R.H. and Green, D.W. (Editors) (1997). Perry's Chemical Engineers' Handbook (7th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049841-5
- Lieberman, P.; Lieberman, Elizabeth T (2003). Working Guide to Process Equipment (2nd ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-139087-1
外部リンク
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