เตาเผาให้ความร้อนแก่ของไหลในกระบวนการผลิต

เป็นอุปกรณ์สำคัญมากในโรงกลั่นน้ำมันและโรงงานปิโตรเคมี โดยใช้ การเผาไหม้เชื้อเพลิง เพื่อให้ความร้อนแก่ Process Fluid ที่ไหลอยู่ภายในท่อ โดย Process Fluid ไม่ได้สัมผัสกับเปลวไฟโดยตรง

Fired Heater คืออุปกรณ์ที่ใช้เชื้อเพลิง เช่น

• Natural Gas
• Refinery Fuel Gas
• Fuel Oil

Fired Heater นำเชื้อเพลิงมาเผาไหม้ใน Firebox / Firebox Furnace เพื่อสร้างความร้อน แล้วถ่ายเทความร้อนให้กับ Process Fluid ที่ไหลอยู่ภายใน Process Tubes

หลักการสำคัญคือ

Fuel + Air → Combustion → Heat → Process Tubes → Process Fluid
ดังนั้น Fired Heater สามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานความร้อนสำหรับกระบวนการผลิตได้

ส่วนประกอบสำคัญของ Fired Heater

Burner
อยู่บริเวณด้านล่างของ Firebox หน้าที่คือผสมเชื้อเพลิงกับอากาศและทำให้เกิดเปลวไฟ
เชื้อเพลิงที่เข้าสู่ Burner มี Fuel Gas + Combustion Air
จากนั้นเกิดการเผาไหม้
Fuel + O2–> CO2 + H2O + Heat
ความร้อนที่เกิดขึ้นจะถูกนำไปใช้ในการให้ความร้อนแก่ Process Fluid

Firebox / Firebox Zone

บริเวณที่เกิดการเผาไหม้และมีอุณหภูมิสูงมากเรียกว่า Firebox จะเห็นเปลวไฟอยู่บริเวณด้านล่าง หน้าที่ของ Firebox คือเป็นพื้นที่สำหรับ
• การเผาไหม้
• การถ่ายเทความร้อนจากเปลวไฟ
• การรับ Radiation จาก Flame
ดังนั้นบริเวณนี้ถือเป็นส่วนที่มี Heat Flux สูง และต้องออกแบบอย่างระมัดระวัง

Radiant Section
ส่วนนี้เป็นบริเวณที่ท่อได้รับความร้อนจาก Radiation ของเปลวไฟโดยตรง Process Tube ขดอยู่บริเวณผนังด้านในของ Furnace ความร้อนจะถ่ายเทดังนี้
Flame → Radiation → Tube Surface → Process Fluid
กลไกการถ่ายเทความร้อนที่สำคัญของ Fired Heater การถ่ายเทความร้อนหลักเกิดจาก Thermal Radiation จาก Flame และผนังที่มีอุณหภูมิสูงมายัง Process Tubes

Process Tubes
Process Tubes คือท่อที่บรรจุ Process Fluid ตัวอย่าง Process Fluid อาจเป็น
• Crude Oil
• Hydrocarbon
• Vacuum Gas Oil
• Feedstock
• Steam
• Thermal Oil
ของไหลจะไหลเข้า Heater ผ่าน Inlet จากนั้นไหลผ่านท่อภายใน Heater และได้รับความร้อน แล้วออกทาง Outlet
Cold/Lower Temperature Process Fluid  Inlet 
Process Tubes  ได้รับความร้อน  Outlet  Heated Process Fluid

Convection Section
บริเวณด้านบนของ Fired Heater คือ Convection Section หลังจาก Flue Gas ผ่าน Radiant Section แล้ว ก๊าซร้อนยังมีพลังงานความร้อนเหลืออยู่มาก จึงนำก๊าซร้อนนี้ขึ้นไปผ่าน Convection Section ความร้อนจะถ่ายเทจาก Hot Flue Gas → Tube → Process Fluid โดยอาศัยหลักการ Convection Heat Transfer จึงสามารถนำพลังงานความร้อนที่เหลือกลับมาใช้ประโยชน์ได้

ถ้าไม่มี Convection Section ก๊าซไอเสียที่ออกจาก Furnace จะยังมีอุณหภูมิสูงมาก และพลังงานส่วนหนึ่งจะถูกปล่อยทิ้งไปกับ Flue Gasดังนั้น Convection Section ช่วยเพิ่ม Thermal Efficiency ของ Fired Heater หรือพูดง่าย ๆ คือเก็บความร้อนจาก Flue Gas กลับมาใช้ให้ได้มากที่สุด

Insulation
บริเวณรอบ Firebox จะมี Insulation ซึ่งมีหน้าที่หลักคือ
• ลด Heat Loss สู่บรรยากาศ
• ลดอุณหภูมิผิวภายนอก
• เพิ่ม Thermal Efficiency
• ช่วยปกป้องโครงสร้างภายนอก
Heat generated -> Heat to Process
แทนที่จะเป็น
Heat generated -> Heat lost to Atmosphere

Stack
ส่วนบนสุดของ Heater คือ Stack หน้าที่คือระบาย Flue Gas ออกจากระบบและปล่อยขึ้นสู่บรรยากาศตามระบบควบคุมมลพิษของโรงงาน เส้นทางของก๊าซโดยทั่วไปคือ
Burner-> Firebox -> Radiant Section -> Convection Section Stack -> Atmosphere

Inlet และ Outlet
INLET
Process Fluid เข้าสู่ Fired Heater ที่จุด Inlet ของไหลยังมีอุณหภูมิต่ำกว่าที่ต้องการ
OUTLET
หลังจาก Process Fluid ไหลผ่าน Process Tubes และได้รับความร้อนแล้ว จะออกทาง Outlet
ดังนั้น Tout > Tin คือ Heater ทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่ Process Fluid
หลักการทำงานของ Fired Heater
สามารถแบ่งเป็นลำดับได้ดังนี้
ขั้นที่ 1 — Fuel เข้า Burner
เชื้อเพลิงถูกส่งเข้า Burner
ขั้นที่ 2 — Combustion Air เข้า Burner
อากาศสำหรับการเผาไหม้ถูกจ่ายเข้า Burner
ขั้นที่ 3 — เกิด Combustion
เชื้อเพลิงและอากาศผสมกันและเกิดการเผาไหม้ เกิด Flame และ High Temperature Flue Gas
ขั้นที่ 4 — Radiation Heat Transfer
เปลวไฟและบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงถ่ายเทความร้อนไปยัง Process Tubes
ขั้นที่ 5 — Process Fluid ได้รับความร้อน
ของไหลภายในท่อรับความร้อนและอุณหภูมิเพิ่มขึ้น
ขั้นที่ 6 — Flue Gas ขึ้นสู่ Convection Section
ก๊าซร้อนที่ยังมีพลังงานเหลืออยู่ไหลขึ้นด้านบน
ขั้นที่ 7 — Recover Heat
Convection Section ดึงความร้อนจาก Flue Gas กลับมาใช้กับ Process Fluid
ขั้นที่ 8 — Flue Gas ออกจาก Stack
Flue Gas จะออกทาง Stack จะสูญเสียความร้อนออกอากาศบางส่วน

รายการ	Radiant Section	Convection Section
กลไกหลัก	Radiation	Convection
แหล่งความร้อน	Flame/Hot Furnace	Hot Flue Gas
ตำแหน่ง	บริเวณ Firebox	ส่วนบน
Heat Flux	สูง	ต่ำกว่า Radiant
หน้าที่	ให้ความร้อนหลัก	Recovery ความร้อนที่เหลือ

Radiant Section = รับความร้อนจากเปลวไฟ
Convection Section = ดึงความร้อนจากก๊าซร้อนกลับมาใช้
ปัญหาสำคัญของ Fired Heater คือ Tube Overheating หาก Tube ได้รับ Heat Flux มากเกินไป อุณหภูมิผิวท่อจะสูงขึ้น และอาจทำให้
• Tube Creep
• Tube Oxidation
• Metal Degradation
• Coke Formation
• Tube Rupture
เกิดขึ้นได้ ดังนั้นต้องควบคุม Firing Rate + Fuel Flow + Air Flow + Tube Skin Temperature + Process Flow ให้เหมาะสม

Burner ไม่ได้จ่ายเฉพาะ Fuel แต่ต้องมี Combustion Air ที่เพียงพอ ถ้า Air น้อยเกินไป การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ อาจจะเกิด
• CO
• Smoke
• Unburned Hydrocarbon
• Flame Instability
แต่ถ้า Air มากเกินไปจะเกิด Excess oxygen จะมีอากาศส่วนเกินจำนวนมากที่ต้องถูกทำให้ร้อน และถูกระบายออกทาง Stack ทำให้เกิด Stack Heat Loss เพิ่มขึ้น ดังนั้นต้องหาปริมาณ Optimum Excess Air
Energy Balance แบบง่ายๆ สามารถเข้าใจ Fired Heater ด้วยสมการพื้นฐาน
Heat from Fuel = Heat to Process + Heat Loss
โดย Heat Loss มีหลายทาง เช่น
• Flue Gas Loss
• Radiation Loss
• Convection Loss
• Unburned Fuel Loss
• อื่น ๆ
ดังนั้นเป้าหมายคือ ทำให้ Heat ที่ได้จาก Fuel ถูกส่งไปยัง Process Fluid ให้มากที่สุด โดยยังคงปลอดภัยและรักษาอายุการใช้งานของ Heater ด้านล่างแสดง Flow แบบง่ายๆ

Process Fluid In
→ Fired Heater
→ Process Fluid ได้รับความร้อน
→ Heated Process Fluid Out
และ
Fuel + Air
→ Burner
→ Combustion
→ Flame + Hot Flue Gas
→ Radiant Section
→ Convection Section
→ Stack
→ Flue Gas Out
Fired Heater คือ เตาให้ความร้อนแก่ Process Fluid โดยใช้เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงาน หัวใจของการทำงานคือ Fuel + Air → Burner → Combustion → Flame จากนั้นความร้อนจะถูกถ่ายเท 2 ส่วนหลัก
Radiant Section คือ Flame → Radiation → Process Tubes
Convection Section คือ Hot Flue Gas → Convection → Process Tubes
Process Fluid ร้อนขึ้น → Outlet
Flue Gas → Stack → ออกสู่ระบบระบาย
จำการเดินทาง 2 ทาง คือ
การเดินทางความร้อน
Fuel → Burner → Flame → Radiant → Convection → Stack
การเดินทาง Process Fluid
Inlet → Process Tubes → ได้รับความร้อน → Outlet