JP6322767B2 - 改質燃焼排ガストンネル及びその耐火部材 - Google Patents

Description

本発明は、水蒸気メタン改質プロセスに用いる水素改質炉用の改質燃焼排ガストンネルとしても知られる耐火トンネル及びその耐火部材に関する。より詳細に述べると、本発明は、モルタルを使用することなく、従来用いられてきたよりも機械的に堅牢な設計を有し、高性能材料からなる耐火材を用いて、水素改質器の適用に耐え、軽量且つ自立的なトンネル構造を提供する。

水素改質炉は、一連の触媒反応により天然ガスを水素に変換する。メタン（ＣＨ₄）を石油化学製品に変換するための最も一般的な経路の一つは、水素又は水素と一酸化炭素との混合気、の生成経路の何れかである。この水素／一酸化炭素材料は、「合成ガス」又は「シンガス」と称呼される。実際に、天然ガス又は合成ガスの蒸気メタン改質（ＳＭＲ）はアンモニアの工業的合成に使用される水素と同様に、商業用の大量生産される水素を製造する最も一般的な方法である。約１０００℃の温度及び金属系触媒の存在下において、蒸気はメタンと反応して一酸化炭素及び水素を生成する。これらの２つの反応は性質上可逆的である。

ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ ⇔ ＣＯ ＋ ３Ｈ₂

この反応は吸熱性であり、持続させるために多量の熱を必要とする。加熱に用いられるガスはプロセスに必要なガス全体の８０パーセントを占める。

一般的なタイプの水素改質炉は「トップダウン」又は「ダウンファイア」型炉として知られている。図１は、従来の水素改質炉８００の斜視図である。天然ガスバーナ（図示せず）は触媒配管７０の列（レーンとしても知られている）の間にある炉８００内の上部に配置され、燃焼によって熱を生成する。バーナは下向きに、炭化水素と蒸気の混合流と平行に、触媒配管７０の延びる方向に向かって燃焼する。この触媒配管７０は、長さ３ｍ〜１２ｍ（１０フィート〜４０フィート）の遠心鋳造されたクローム−ニッケル管で、炉８００に垂直に取り付けられる。触媒配管７０は、例えば、ペレット又はボールの形状のアルミナ担体上に活性化されたニッケル触媒を含んでいる。プロセスガス及び蒸気は触媒中を下向きに流れ、触媒配管７０の底部から除去される。

一次改質器は７００℃〜８００℃の温度範囲にて動作する。高温ガスは対流熱伝達ゾーンに通され、蒸気が生成され、一次改質器にフィードバックされる。このユニットは、内燃機関の動力となる種々の液体燃料に変換される合成燃料の生成に用いられる。それはまた、工業用バーナの他のプロセスのために水素を生成するために使用されることが多く、火炎及び高温ガスの輻射によって触媒配管に熱入力が与えられ、高吸熱反応がサポートされる。空気は炉８００の底の一方から流れ出る。バーナ及び炉出口の配置に基づく空気流及び熱分布は不均一である。この状況においては、高温ガスが出口に直接流れることが一般的であり、ユニットの背後の低温領域及び出口直前の触媒配管にダメージを与えるほどの高温に達する高温スポットが生じてしまう。これを補正するために、燃焼ガスに対して集塵ダクトとして作用する燃焼排ガストンネル８０が設けられる。このトンネルは、効率を改善し、触媒配管７０の寿命を延ばすために熱分布を均一にするようにはたらく。

ＳＭＲは十分に確立されたプロセスであり、効率を高めるために多面的に技術を最適化する努力が時間をかけて行われてきたが、その焦点の殆どは、触媒、金属合金、バーナ、供給原料等についてこれらの改質器の性能を改良することに向けられてきた。しかし、ＳＭＲ技術の一つの進歩に関しては完全に無視されてきた。即ち、これらのユニットの建造に用いられる耐火設計は何十年も停滞している。特に、性能の信頼性の問題に基づいて改善の必要性が明らかになっているにもかかわらず、燃焼ヒータを通って燃焼ガスを運搬する燃焼ガストンネルは変更されることがなかった。

これらのトンネル８０は平均で高さ約２．４ｍ（約８フィート）、幅約０．９ｍ（約３フィート）、長さは炉ユニット１００の全長（例えば、１２ｍ〜１５ｍ（４０フィート〜５０フィート））にわたっている。これらのトンネル８０のサイズ及びこれらの構成に使用される耐火材料の体積に起因して、それらは任意のレンガ壁を構成するのと同様に、伝統的に基本レンガ形状（例えば、標準の矩形形状、図２参照。）を用いて製作されてきた。トンネル８０の壁８１は蓋を形成する一連の矩形のブロック８２で覆われる（例えば、図１〜３を参照。）。歴史的に、従来のトンネル壁８１は熱及び経時的な機械的破損を受け易かった。これらの燃焼トンネルに関する故障の主要なモードは、耐火設計、設置技術、運転時の機械的酷使及び初期の材料選定に関係している。

このような問題を含んでいるが、これらのトンネル８０は、炉のユニット８００を均等に加熱し、要求された効率を達成するために必要不可欠である。例えば、ダウンファイア型改質器がこのようなトンネル８０をそのユニット構成に含まなかったならば、燃焼ガスの全てが改質器の出口にてガス送管に流れ込んでしまう。これにより、前述したように送管から遠い低温領域とユニットの出口近傍の高温スポットがユニット全体の温度分布を不均一にしてしまう。その結果、改質器は効率が低下するだけでなく、出口近傍の触媒配管を過熱させ、早期の故障を引き起こしてしまう。

ＳＭＲの従来の燃焼ガストンネル８０の設計及び建造は、典型的な寸法が０．０８ｍ×０．２３ｍ×０．１７ｍ（３インチ×９インチ×６．５インチ）の平らなレンガを使用することが要件となる。壁８１は、壁８１を通ってトンネル８０内をガスが通過できるように、規則的なパターンにて半ブロックが取り除かれるように建造されている（図示せず。）。典型的には、レンガは壁８１を一緒に保持するために建造中に適所においてモルタルにより接合される。標準の平らなレンガに対する共通の代替品は、標準のべろ及び溝のレンガ８３、８４である（例えば、図４及び図５を参照。）。これらのタイプのレンガには多くのサイズ及び構成が存在するが、従来のレンガは一般的に、通常の方法で鉛直に積層されるとき、互いに機械的に係合する単純なべろ及び溝を用いる。図４及び図５に示したように、従来のレンガ８３、８４は、垂直に積層されたとき互いにフィットする単純なべろ８３２、８４２及び溝状嵌合部８３３、８４３を含んでいる。

過去において、従来のトンネル構造によれば、システム内の熱膨張を考慮してトンネル壁に沿って１．８ｍ〜３ｍ（６フィート〜１０フィート）毎に配置される大きな膨張ギャップが設けられていた。予想される熱成長を吸収する必要があるため、膨張ギャップは設計及び建造の重要な側面である。しかしこの場合、これらの大きな膨張ギャップの存在により、各トンネルは実際にはいくつかの大きな自立壁でできている。従って、トンネル壁のこれらの自立部を支持するために中間支持壁又は支柱も設けられる（図示せず。）。これらの中間支持壁は、壁が傾いたり崩壊するのを防ぐために触媒管の間のトンネルの外壁を接続する。控え壁としても知られる支柱は同一の目的を果たし、トンネル壁の外側に配置されるレンガの柱として組み立てられる（図示せず。）。

トンネル壁の構造の別の機構は端部壁である（図示せず。）。交差壁又は隔壁としても知られるように、これらのレンガ壁部分は、ユニットの出口にてトンネルを接続し、ガスが周囲の内貼りをバイパスするのを防止する。端部壁はまた、付加的な横方向の支持を提供することに加えて、すべての燃焼ガスが適切に燃焼排ガストンネル８０を通って出力することを保証する。

一旦トンネル壁が建造されると、トンネルのカバー（蓋）が上部に配置される。棺カバーとも称呼されるこれらのカバーは、通常、耐火材料の大きなスラブから作られる。単純な設計ではあるが、これらのカバーは重要な目的を果たす。なぜなら、故障したカバーはユニットの効率を低下させ、効率が低くなるほどトンネル壁の故障を引き起こし、触媒配管の寿命を短くしてしまうからである。棺カバーには４つの主要な型式がある。主要な型式は、矩形又は正方形状の中身の詰まった（即ち、密な）設計である（例えば、図３の蓋８２を参照。）。これは伝統的な手法であり、単に壁８１の間の水平方向の距離（ギャップ）にわたる耐火材料からなる密なスラブである。これらの密な蓋８２は、トンネル壁と機械的に結合可能な底面又は側面に嵌合する機構を有して形成される鋸歯状の表面又は他の表面を有し、付加的な支持（図示せず。）を備えることができる。別の型式は中空又は押出の蓋８２１である（例えば、図６及び図７を参照。）。これらの型式のカバー８２１は矩形状の密な蓋８２として同一の外形寸法を有するが、蓋の重量及びストレスを低減するために一対の中空部（キャビティ）８２２を含んでいる。

別の一般的なカバーの設計は、図８に示したようなオフセットカバー８３１である。この密な蓋の機構は、隣接するカバー間の係合を容易にする傾斜したジオメトリを有する。それは、傾倒する期間に特別な支持を提供し、カバーの故障時において破損した蓋を支えるのに役立つ。図９は、べろ及び溝を備えたカバー８５１を示す。これはオフセットカバー８３１のもう一つの形式であるが、その機械的嵌合機構（即ち、べろ８５１ａ及び溝８５１ｂ）は隣接する蓋８５１との、より容易な係合を提供する。

現場において見られる現行の故障のタイプの一つは、トンネルの全長にわたる蓋の一部又は全部の崩壊である。梁としての役割を果たす蓋が一旦設置されると、蓋の中間におけるクラックの発生はスパンと材料厚との間の比に影響されることが多い。交換蓋の断面（厚さ）は増やされるが、寿命期間後には、一般的に故障は以前よりも悪化しさえする。これは、蓋の故障は静的な負荷によって引き起こされないことによる。コンピュータシミュレーションと手計算とを組み合わせた計算結果は、静的な負荷のみでは蓋に対して非常に小さなストレスしか与えず、故障には至らないことを示している。コンピュータは、トンネルに設置された横０．２３ｍ（９インチ）×高さ０．２３ｍ（９インチ）×長さ１．０７ｍ（４２インチ）の密な矩形状の蓋（例えば、図３を参照。）について一定の運転温度である１０３８℃（華氏１９００度）における有限要素解析（ＦＥＡ）を実行し、蓋に自身の重量以外に外力が作用しないことを説明する。その結果、最大ストレスは非常に小さな６８．９ｋＰａ（１０ｐｓｉ（重量ポンド／平方インチ））であった。

多くの材料において、破壊係数（ＭＯＲ）は、より高温にて顕著に減少する。静的な負荷と関連付けられる軽度の応力によっても故障が引き起こされ得る動作可能温度にて、その蓋材料のＭＯＲは減少するので、低グレードの耐火性の蓋材料を選定することも可能である。しかし、ほとんどの工業用耐火材料サプライヤは、強度が低下してさえも静的な負荷がそれに関連する安全性の非常に重要な要因を有するように高温破壊係数（ＨＭＯＲ）を特徴付け、十分に高いＨＭＯＲを有する蓋に対する材料オプションを提供する。公表されたＨＭＯＲに対するＦＥＡの結果の比較によれば、殆どの蓋の故障は静的な負荷単独の結果ではなく、熱状態に関連する応力の結果であることが結論付けられている。

このような状況における熱応力は、いくつかの例を明示する。例えば、熱膨張が適切に管理されていないと、故障し得る部材には過大な圧縮力がかかる。蓋は壁部の上部に配置され、唯一の拘束が摩擦又はモルタルの何れかであるので、熱膨張は故障点に制限されない。一般的に使用される耐火モルタルのＨＭＯＲは概ね３．４ＭＰａ（５００ｐｓｉ）であり、トンネルの蓋のために選定される耐火材料のＨＭＯＲより低い。熱応力がＨＯＭＲのレベルに達すると、モルタルは破損し、蓋は自由になり、必要に応じて膨張する。

部材はまた、動作中に生ずる温度差に起因して発生する熱応力によって故障が引き起こされ得る。これは大規模な倒壊の例に限定されない。部材の或る領域の熱膨張が他の領域の熱膨張と異なる結果、材料の降伏強度よりも大きな応力が発生すると、熱応力故障が発生する。炉の対流部における温度がトンネル内部の温度と異なっている場合、短期間であっても、熱応力の可能性が存在する。蓋の上面の温度が１０４３℃（華氏１９１０度）、蓋の下面の温度が１０３８℃（華氏１９００度）における、トンネルに取り付けられた幅０．２３ｍ（９インチ）×高さ０．２３ｍ（９インチ）×長さ１．０７ｍ（４２インチ）の密な矩形状の蓋（例えば、図３を参照。）についてのＦＥＡは、蓋が自身の重量以外に、その上にて作用する外力がないことを示している。蓋における１０度の温度差は、最大１０．３ＭＰａ（１５００ｐｓｉ）の応力を発生させる。これは、低価格帯の耐火材料のＨＭＯＲよりも高い。同じ寿命期間の間、如何なる壁も崩壊することなく、非常に多くのトンネルの蓋が故障した状況においては、故障のモードは熱応力であった可能性が最も高い。

トンネル蓋の性能におけるもう一つ重要な要素は、材料の耐クリープ性である。材料の降伏強度を下回る高レベルの応力に長期間曝され、材料がゆっくりと、しかし永続的に変形する場合にクリ―プが発生する。トンネル壁についての結果によれば、蓋の質量は鉛直方向に伝達され、それは壁の強度及び構造と同一方向となる。蓋のクリープは、スパン中央の「たるみ」を引き起こし、蓋とトンネル壁との間の相互作用力を変化させ、最終的に故障を引き起こす。クリープはＡＳＴＭ標準試験によって特徴づけられ得る。それは、運転中のトンネルの蓋の使用を表し、材料選定のための重要な要素である。超高強度レンガについてのＡＳＴＭ試験では、１４２７℃（華氏２６００度）にて７．８６パーセント撓むという結果が公表されている。トンネル壁についての結果によれば、蓋の質量は鉛直軸から数度傾き、壁を下面よりも上面にてお互い分離させるような角度にて伝達される。

トンネルの全壊は、実際にはいくつかの異なる故障モードの結果であり得る。従来のトンネル構造は、約１００トン（数十万ポンド）の耐火レンガ及び蓋を使用する。これらの全てが耐火断熱レンガ（ＩＦＢ；図１Ａ及び図１Ｂに図示せず。）の最終基礎層に最終的に載っている。断面が幅０．１５ｍ（６インチ）のレンガ、高さ２．４ｍ（９６インチ）のトンネル壁及び厚さ０．２３ｍ（９インチ）の密な蓋を有する従来のトンネルは、支持ＩＦＢ層上に８０．０ｋＰａ（１１．６ｐｓｉ）の荷重をもたらす。ＡＳＴＭ試験の公表データは、改質炉内に存在する温度において、基礎ＩＦＢ層が１００時間以内にそれらの荷重下で完全に１パーセント変形することを示している。基礎ＩＦＢ層の変形は、２つの方法：熱膨張に対する繊維の許容量を早期に圧縮する方法、又は基礎断熱値を削減する方法、の何れかに換算される。これらの例はいずれも故障の原因として知られている。

温度及びトンネル質量の影響は炉の内部に限らず、炉の支持構造を変形させ、炉床を不均一にする可能性もある。従来のトンネル設計は、レンガ同士を互いに固定するためにモルタル接合を利用し、多数の小さなレンガを少数の大きな壁部に効果的に変化させる。これらの壁部は単体として機能し、炉床における如何なる大きな寸法変化にも対応することができない。従って、炉の支持構造の変形は、従来のトンネルの故障の原因となる。

温度差による熱膨張は、異なる設計の材料を用いた場合だけでなく、単体として機能するように期待される材料の大きな部分にわたって発生しさえする。従来のトンネル設計は、耐火モルタルにより互いが接着されているすべての建造部材について壁に約１．８ｍ〜３ｍ（約６フィート〜１０フィート）毎に繊維拡張接合も使用する。この耐火モルタルもまた、壁部が単体として機能する要因となる。完全に均一な温度分布を有する炉はないが、ある時点において、温度差により熱膨張が壁部全体にわたって発生することがある。壁部に付与される応力は、単体において熱衝撃を生じさせる応力と同一である。

ＦＥＡは、全てがモルタルからなる３ｍ（１０フィート）の壁部の上部から下部までの温度差に関連する応力レベルを決定するために実行される。全てがモルタルからなる壁部は、解析の目的のため、単体として取扱われる。均一な温度分布下において、壁部の下部は１０５２℃（華氏１９２５度）であり、壁部の上部は１０３８℃（華氏１９００度）である。ＦＥＡはまた、トンネル蓋の計算された重量及び重力を含んでいるが、他の外力は含んでいない。システムの応力が標準的な耐火モルタルのＨＭＯＲである３．４ＭＰａ（５００ｐｓｉ）を上回ることが示されている。モルタル接合は壁において最も脆弱な点であるので、応力を緩和するためにひび割れる。モルタル壁においてクラックが発生するほど、壁部は小さくなり、何れの部分においても応力は小さくなる。

熱膨張に適切に対応することは、如何なる熱応用設計において最も困難な側面の一つである。従来のトンネルの設計は、トンネル蓋及びトンネルベースに対して異なる材料及び設計を用いている。多くのトンネルは、壁支持ＩＦＢの柱の間の「ベース」領域に低密度の耐火性又は繊維状の断熱材を有している。トンネル蓋は９．５ｍｍ（３／８インチ）ほど膨張し、それによってトンネル壁を押し広げる。これによって、繊維状の断熱材はトンネル壁に如何なる膨張力をも分け与えない。結果として生じる台形形状は、座屈及び崩壊の影響を受け易い。ある状況において、トンネルは炉の寿命期間後、別の横方向の運動を有することが理解される。これは、より一般的には「蛇行」として知られており、トンネル全体が組み込まれた割り当てよりも大きく膨張するために起こる。この動きは、モルタルをひび割らせ、壁を蓋から分離し、壁をＩＦＢベースから押し出し、これらの全てが故障につながる。円形の断面を有する伝統的なべろ及び溝のレンガ設計（例えば、図４及び図５を参照。）が横方向の動きを防止する一方で、この配置は十分には座屈の進行を止めることができない。下のブロックを基準にした一つのブロックの回転は、べろを溝から分離し、全システムの崩壊を許してしまう（例えば、図１５を参照。）。

伝統的な壁の設計及びそれ自身の部材に関する上記の問題に加え、従来のトンネルシステムを設置するにあたり、特に一時的に、多くの熟練労働者を確保する必要がある。これはしばしば、適切なレベルの熟練労働者を採用できないという状況を作り出す。そして、結果として、設置されたトンネルシステム全体の品質は妥協され、或いは、設置コストが予想よりも高騰してしまう。いくつかの例においては、従来のトンネルシステムは、当初計画された寿命の全期間だけ動作するが、復旧スケジュールの時間枠が短いために、トンネルを完全に修復又は交換することができない。そして、従来のトンネルシステムは、延長された寿命期間に対し実行を継続しなければならない。従って、従来のトンネルシステムを設置するのに必要な時間の長さ及び熟練度の高さが、信頼性の問題の原因となる。トンネルシステムが受ける損傷の全範囲は、たいてい復旧前には未知であり、メンテナンス工事の作業者には、次の回復までトンネルシステムの動作を維持するだけの試験、設計及び修理を行うために数週間しか与えられない。この種の修理は再び行われ得る。故障が予定外の停止を引き起こすと、トンネルの交換に関連して長い所要時間及び設置時間が必要となるので、工場にとって非常に危険な冒険となり得る。

設置と修理のために必要な延長された時間枠及び高度なスキルは、従来のトンネルシステムに対する品質に望ましくないばらつきを与える。工場の復旧時間の利用可能な時間枠よりも長くかかる修理は、実行可能な選択肢ではなく、望ましくない延長されたトンネルの寿命期間につながることが多い。この品質のばらつきを低減するために、全体の設置時間を削減するための強い要求及び高度熟練者の必要性がある。場合によっては、従来のトンネルシステムでは、重いトンネル蓋のハンドリングを補助するためにオーバーヘッドクレーンを設置する必要がある。

本発明の目的は、より高性能の材料により作られた機械的により堅牢な耐火部材を用いて、水素改質器の適用に耐えること、及びモルタルを使用することなく軽量且つ自立型のトンネル構造を提供することにある。より具体的には、本発明の目的は、軽量で構造的に安定な部材、個々の部材に張力がかかることを回避するシステム設計を実装すること、及び均等に分散され、熱膨張に対する正確な量を確保するが、設置時には如何なる精密な計測も必要としない、高度に工業化された膨張ギャップのネットワークを備えた設計を用いて、従来技術の欠点を克服することにある。

本発明によれば、水蒸気改質炉用の耐火性トンネルアセンブリが提供される。トンネルアセンブリは、複数の対応する機械的嵌合部を備える複数の中空状のベース部材、ベース部材の機械的嵌合部に更に対応する複数の対応する機械的嵌合部を備える複数の中空状の壁ブロック、及びベース部材及び壁ブロックの機械的嵌合部に更に対応する複数の機械的嵌合部を備える複数の中空状の蓋部材を備える。ベース部材は、トンネルアセンブリの幅を画定する水平配置方向（第１方向）及びトンネルアセンブリの長さを画定する長手配置方向に延びて配置される。壁ブロックは、モルタルを使用することなく、対応する機械的嵌合部を介して鉛直配置方向（第２方向）及び長手配置方向に沿って積層され、ベースと機械的に相互接続される。壁ブロックは、更に水平配置方向に互いに距離を置いた２つの平行なトンネル壁を画定する（トンネルの内幅を画定する）ように、モルタルを使用することなく、鉛直配置方向及び長手配置方向の両方に対応する機械的嵌合部を介して積層され、機械的に互いに相互接続される。このトンネル壁は、ベース部材から鉛直配置方向に上向きに、且つベース部材のトンネルアセンブリの長さに沿って（長手配置方向に）延在する。複数の蓋部材は、モルタルを使用することなく、鉛直配置方向及び長手配置方向に沿って機械的嵌合部を介して積層され、壁ブロックと機械的に相互接続され、トンネルアセンブリの長さの少なくとも一部に沿ってトンネル壁の間の距離をカバーするために長手配置方向且つ鉛直配置方向に延在する。

好ましくは、ベース部材、壁ブロック及び蓋部材はすべて同一の材料を含んでいる。

一つの態様によれば、複数の機械的嵌合部は、ベース部材、壁ブロック及び蓋部材のそれぞれの上面及び下面の対応する位置に配置される少なくとも一対の雄部材及び雌部材を備えている。

好ましくは、雄部材は、ベース部材、壁ブロック及び蓋部材のそれぞれの上面から延出する突起部を備え、雌部材は、ベース部材、壁ブロック及び蓋部材のそれぞれの下面の対応する開口を備えている。

別の態様によれば、少なくとも一対の対応する雄部材及び雌部材は、ベース部材、壁ブロック及び蓋部材のそれぞれの上面及び下面の対応する位置に配置される２対の雄部材及び雌部材を備えている。

複数の壁ブロックの少なくとも一部は、それらが対向する側面に形成される開口を有する少なくとも一つのスルーホールを更に備えている。スルーホールはトンネルと連通しているが、中空壁ブロックの内部のキャビティとは連通していない。

好ましくは、複数の壁ブロックの少なくとも一部は、その上面に最も近い側面に形成されるタイバークレードルを更に備え、耐火トンネルアセンブリは、水平配置方向のトンネル壁の間に延びる少なくとも一つのタイバーを更に備えている。

本発明の別の態様によれば、水蒸気改質炉トンネルの耐火ブロックが提供される。この耐火ブロックは、第１端面、反対側の第２端面、上面、反対側の下面、第１側面及び反対側の第２側面を画定する外周面を有する中空状の本体部を含んでいる。本体部の上面の一部から延出する突起部を画定する少なくとも一つの第１機械的嵌合部、本体部の下面の一部に形成され、突起部と対応する開口を画定する少なくとも一つの第２機械的嵌合部、本体部の第１端面及び反対側の第２端面又は本体部の第１側面及び反対側の第２側面の一つの一部に備えられるタブを画定する少なくとも一つの第３機械的嵌合部、本体部の第１端面及び第２端面又は第１側面及び反対側の第２側面の他の面に形成される、タブに対応する溝を備える少なくとも一つの第４機械的嵌合部、及び耐火ブロックの本体部の下面に形成される少なくとも一つのキャビティ、を備える。

好ましくは、耐火ブロックの壁厚は１６．５ｍｍ（０．６５インチ）から２２．２ｍｍ（０．８７５インチ）の範囲である。

少なくとも一つの第１機械的嵌合部は２つの第１機械的嵌合部からなり、少なくとも一つの対応する第２機械的嵌合部は２つの第２機械的嵌合部からなることが望ましい。

本発明の一態様によれば、耐火ブロックはトンネルアセンブリ用のベース部材を備え、少なくとも一つの第３機械的嵌合部は、本体部の第１側面及び反対側の第２側面のうちの一面の水平方向に対称となる部分に配置される２つのタブを備え、少なくとも一つの第４機械的嵌合部は、本体部の第１側面及び反対側の第２側面の他の面の対応する位置に形成される２つの溝を備える。

本発明の別の態様によれば、耐火ブロックはトンネルアセンブリ用の蓋部材を備え、少なくとも一つの第３機械的嵌合部は、本体部の第１側面及び反対側の第２側面のうちの一面の水平方向に対称となる部分に配置される２つのタブを備え、少なくとも一つの第４機械的嵌合部は、本体部の第１側面及び反対側の第２側面の他の面の対応する位置に形成される２つの溝を備える。

本発明の別の態様によれば、耐火ブロックはトンネルアセンブリ用の壁ブロックを備え、第３機械的嵌合部のタブは、本体部の第１端面及び反対側の第２端面のうちの一面の部分に配置され、タブに対応する（第４機械的嵌合部の）溝は、本体部の第１端面及び反対側の第２端面の他の面に形成される。壁ブロックは、ブロックの第１側面及び反対側の第２側面に形成される開口を有する少なくとも一つのスルーホールを更に備えている。スルーホールは耐火ブロックの本体部の少なくとも一つのキャビティと連通していない。

本体中の温度差に関連した熱応力は、熱衝撃による故障の原因となる。耐火部材の降伏強度以下の熱応力を低減するために利用される多くのアプローチがある。耐火部材の壁厚を減少させると、材料の熱伝導が壁の温度を均一にするのを可能にし、温度差に関連した応力を排除する。壁厚はトンネルシステムの全体的な安定性を犠牲しない程度において可能な限り薄くすべきである。トンネルシステムは自立型であるので、部材の壁厚を減少させるとシステム全体の重量も減少する。

最適な壁厚の提供は、強度と重量の適切なバランスによって達成される。薄い壁は熱応力及びシステム重量を低減するが、厚い壁はより多くの荷重を支持することができる。上記の観点から、壁厚は好ましくは約１２．７ｍｍ〜３８．１ｍｍ（約０．５インチ〜１．５インチ）の範囲、より好ましくは１５．９ｍｍ〜２２．２ｍｍ（０．６２５インチ〜０．８７５インチ）の範囲である。各部材に対して望まれる重量は本明細書にて特定され、ブロックに対しては約１８ｋｇ〜２７ｋｇ（約４０重量ポンド〜６０重量ポンド）、蓋に対しては約２３ｋｇ〜３４ｋｇ（約５０重量ポンド〜７５重量ポンド）及びベースに対しては約３２ｋｇ〜６８ｋｇ（約７０重量ポンド〜１５０重量ポンド）である。

トンネルシステムの「セクション」は、個々の部材の壁厚を減少させることに加えて、単一のセクションに見られる温度差が最小となるように小さくされる。理想的には、トンネルシステムの「セクション」は個々の構成部材と同じ大きさであるべきである。これを達成するため、各ブロックはそれ自身の熱膨張を管理しなければならず、システム全体がモルタルフリーでなければならないが、安定性の維持のために完全に相互接続されなければならない。これは、成形精度、機械的に堅牢に相互接続可能な耐火部材及び自動的に各部材の変動を吸収する設置手順を提供することによって達成される。

適切な熱膨張の管理を確実にするために、トンネルシステムは、同一の材料からなり、蓋（カバー）部材に関して実質的に同様の寸法を有するベース部材を利用する。これは、トンネルが、全体の構造を維持し、そうでなければ座屈を引き起こす応力を低減するように壁の上部と下部の両方に均等に膨張及び収縮することを確実にする。壁部材に備えられる堅牢且つ強固な公差連結機械的嵌合機構のおかげで、座屈も阻止され得るので、下方のブロックに対するブロックの回転が直接的な接触を破壊しない。

熱膨張が適切に管理されていても、更に、遅延した点火又は不均一な炉床の結果としての座屈が依然として問題となることを更に防止するために、クロスビーム又はタイバー（タイロッド）サポートが、所定の位置に設けられる。

適切な材料の選定及び設置手順もまた、「蛇行」を防止するのに重要である。再加熱されると、多くの材料にて全体の寸法が増加し、ばらつきが増加し、熱膨張管理に対する要求が追加される。耐火部材の熱膨張係数は非線形であるので、適切な拡張ジョイントが作成されることを確実にするために、熱膨張係数が完全に特徴づけられ、且つ理解されなければならない。従来のトンネルの設計に関して、適切な材料を選択することは常に妥協及び犠牲にされていた。即ち、従来、炉の支持体を変形させないようにする十分な断熱値を有するレンガも、常にトンネルシステムを適切に支持するのに十分な強度を有しておらず、強度の高いレンガは必要な断熱値を有していない。従来の材料には、様々なタイプの耐火レンガ及び超高強度レンガが含まれる。

選定された材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、単にトンネルシステムに使用される材料についての一次関数として仮定されるべきではない。膨張の挙動が適切に管理されていることを確実にするには、完全に特徴付けられたＣＴＥを有することが好ましい。熱膨張が単一の部材レベルにて管理される場合、これはより重要になる。適切な材料選定は好ましくは、関連する静的荷重の応力と比較した場合、炉の運転及び可動温度における破壊係数が十分な安全率を有していることを確認することを含む。改良されたＨＭＯＲを用いて材料を選定することにより、システムの安全率を直ちに増加させることができる。耐火材料単独の室温ＭＯＲを知ることだけでは、トンネルシステムの適切な設計に対しては不十分である。

加えて、クリープの減少がトンネルシステムの寿命を延ばし早期の故障を防止するので、改質炉での使用のために選定される任意の材料は、好ましくは合理的に入手可能であり、最も高い耐クリープ性を有するべきである。改善された耐クリープ性を有する材料の使用は、好ましくは上部の蓋の下側の張力を減少させ、上部の蓋がトンネルのレンガ壁に及ぼす外向きの力を減少させる。完全に特性化されたＣＴＥ、高度なＨＭＯＲ及び増大した耐クリープ性を有する材料を使用することにより、トンネルシステムの全体の信頼性が向上する。

上記の観点から、本発明において、レンガ（ブロック）、ベース及びカバー（蓋）に適した材料は、例えば、アルミナ系耐火材料、コーディエライト（ケイ酸アルミニウムマグネシウム）及びジルコニアを含むが、これらに限定されない。より好ましくは、ブロック、蓋及びベースは、中量耐火粘土レンガ（少なくとも３０重量パーセントのアルミナを含む酸化物結合アルミナ）、高級耐火粘土レンガ（少なくとも３５重量パーセントのアルミナを含む酸化物結合アルミナ）、超級耐火粘土レンガ（少なくとも４０重量パーセントのアルミナを含む酸化物結合アルミナ）及び高アルミナ耐火粘土レンガ（少なくとも６０重量パーセントのアルミナを含む酸化物結合アルミナ）からなるグループから選択される材料から作られる。より好ましくは、本発明は、８８重量パーセントのアルミナを含むムライト結合アルミナ又は９５重量パーセントのアルミナを含む酸化物結合アルミナを利用する。

本発明に係るトンネルはまた、従来の設計よりも約５倍の面積にわたって壁の重量負荷を分散するベース部材を利用する。独創的なベース部材と組み合わせた本発明の軽量設計は、典型的には、ベース層への９．７ｋＰａ（１．４ｐｓｉ）の負荷をもたらす。これにより、断熱性の高い材料を使用することが可能となり、構造炉支持体の、ひいてはシステム全体の全体的な信頼性が向上する。

前述したように、幅０．１５ｍ（６インチ）のレンガ、高さ２．４ｍ（９６インチ）のトンネル壁及び厚さ０．２３ｍ（９インチ）の密な蓋を備えた従来のトンネル断面は、支持ＩＦＢ層上に８０．０ｋＰａ（１１．６ｐｓｉ）の負荷をもたらし、寿命期間の初期１００時間以内に１パーセントの変形を生じさせる。トンネルシステム全体の総重量を６０パーセント減少させると、ＰＳＩ負荷は大幅に低下し、ベース層の変形が一桁小さくなり、トンネルの有効な製造寿命及び効率が増加する。

本発明に係る薄肉化した壁厚及び改良された材料により、軽量のトンネル蓋は２人の作業者により容易に設置し又は取り外しすることができる。更に、締結部材を備えた軽量のモルタルフリーのブロック設計は、１人の作業者により容易に取り扱われ、トンネル構造は、重要な結果又は高度なスキルを必要とすることなく、必要に応じて組立、修理及び／又は解体され得る。復旧の間、クロスビームサポート（即ち、タイバー）は、他のトンネル部材にアクセスすることなく容易に追加又は除去され、修理が完全且つ効率的になされ得ることを保証する。設置及び修理時間を短縮することにより、適切な修理をより容易に行うことができ、システムの全体的な信頼性が向上する。

部材を軽量化することにより、建造ブロックの構造的な完全性を維持しながら、レンガの下部のコース上の破砕力の多くを排除することが可能になる。軽量且つ構造的に正確なカバー（蓋）セグメントを提供することにより、従来、部材をより強くするために厚くされ、システム全体への有害な荷重が付加されることにより生じていた故障を克服する。各レンガ間の膨張ギャップの組み込みと、システムからのモルタルの除去は、大きな累積応力を発生させることなくアセンブリが膨張及び収縮し得ることを保証し、トンネル全体の設置時間を短縮する。

本発明の性質及び目的をより良く理解するために、添付図面と関連して読まれる本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明を参照すべきである。
図１Ａは、従来の水蒸気改質炉の斜視断面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示した炉の断面図である。 図２は、図１Ａ及び１Ｂに示した炉内で使用される従来のトンネルアセンブリの斜視図である。 図３は、従来の密な蓋の斜視図である。 図４は、従来の単一のべろ及び溝型ブロック（レンガ）の斜視図である。 図５は、従来の二重のべろ及び溝型ブロック（レンガ）の斜視図である。 図６は、従来の中空の蓋の端面図である。 図７は、図６に示した従来の中空の蓋の斜視図である。 図８は、従来のオフセットした蓋の斜視図である。 図９は、従来のべろ及び溝の蓋の斜視図である。 図１０は、本発明の一形態に係る半ブロック（レンガ）の上面斜視図である。 図１１は、本発明の一形態に係る全ブロック（レンガ）の上面斜視図である。 図１２は、図１１に示した全ブロックの下面斜視図である。 図１３は、図１１に示したブロックを２個積層配置した断面図である。 図１４は、積層されたブロックが回転力下において外れないことを表す図１３に示した積層配置の断面図である。 図１５は、同種の回転力下においてブロックが外れることを表す図４に示した従来技術のブロックの端面図である。 図１６Ａ及び１６Ｂは、スルーホールを含む全ブロックの上面及び下面斜視図である。 図１７は、２つのスルーホールを有する全ブロックの斜視図である。 図１８Ａ及び１８Ｂは、本発明の他の形態に係る水平連結全ブロックの上面及び下面斜視図である。 図１９は、図１８に示したブロックの端面図である。 図２０は、図１８に示したブロックの部分積層組立の斜視図である。 図２１は、本発明に係る全幅ベース部材の上面斜視図である。 図２２は、図２１に示した全幅ベース部材の下面斜視図である。 図２３は、本発明の他の形態に係る片面ベース部材の上面斜視図である。 図２４は、図２３に示した片面ベース部材の下面斜視図である。 図２５は、タイバークレードルを備える図１６に示した全ブロックの斜視図である。 図２６は、タイバーの斜視図である。 図２７は、それぞれのタイバークレードル及びそれらの間を距離をおいて水平に跨いで位置する図２５に係る２個の全ブロック及び図２６に係るタイロッドの斜視図である。 図２８は、本発明の異なる形態に係る２個の全ブロックと別のタイバーの斜視図である。 図２９は、本発明に係る蓋の上面斜視図である。 図３０は、図２９に示した蓋の下面斜視図である。 図３１は、本発明に係るトンネルアセンブリの斜視図である。 図３２は、図３１に示したトンネルアセンブリの側面図である。 図３３は、図３１及び３２に示したトンネルアセンブリの端面図である。 図３４は、タイバーの位置を示すために一部の壁ブロックを取り除いた図３１に示したアセンブリの斜視図である。

＜ブロック（本明細書では、レンガとも称呼される。）＞
本発明に係る燃焼ガストンネルは、モルタルを使用せずに自立するトンネル壁を形成するための積層相互接続を容易にするために、正確な連結の機械的嵌合機構を用いて設計される複数の耐火ブロック又はレンガを備える。これらの機械的嵌合機構は、特に、運転期間中、壁が早期に分解するのを同時に防止しながら熱膨張を許容するように設計される。

嵌合機構の一例は水平の設置が必要なジオメトリを有し、ブロックが鉛直方向に分解されないようにする。図１０及び図１１はそれぞれ、本発明の一形態に係る「半レンガ」１及び「全レンガ」１０を示す。図１２は、図１１に示した全レンガ１０の下面図を示す。図１０に示した半レンガ１の対応する下面図（図示せず）は図１２に示した下面図の半分のサイズであると解すべきである。例えば、標準レンガの寸法は、幅０．１７ｍ（６．５インチ）×長さ０．４６ｍ（１８インチ）×高さ０．２５ｍ（１０インチ）であるが、設計は、最小で幅０．０５ｍ（２インチ）×長さ０．１０ｍ（４インチ）×高さ０．０５ｍ（２インチ）、最大で幅０．２３ｍ（９インチ）×長さ０．６１ｍ（２４インチ）×高さ０．４６ｍ（１８インチ）の大きさまで適用可能である。各ブロック（レンガ）の重量は、好ましくは９．１ｋｇ〜３１．８ｋｇ（２０重量ポンド〜７０重量ポンド）の範囲であり、より好ましくは１８．１ｋｇ〜２２．７ｋｇ（４０重量ポンド〜５０重量ポンド）の範囲である。これはトンネル壁を構築するために必要とされるブロックの総数を削減しながら、一人で容易に、単独でブロックを操作することができるようにするためである。

レンガ１、１０のそれぞれは、外周面を画定する第１の端面（１ａ、１０ａ）、反対側の第２の端面（１ｂ、１０ｂ）、上面（１ｃ、１０ｃ）及び反対側の底面（１ｄ、１０ｄ）を有している。これらのレンガ１、１０は非クリティカル領域から可能な限り材料を除去するためにくり抜かれている。これらのレンガ１、１０の壁厚「ｔ」は、好ましくは１２．７ｍｍ〜３８．１ｍｍ（０．５インチ〜１．５インチ）の範囲、より好ましくは１５．９ｍｍ〜３８．１ｍｍ（０．６２５インチ〜１．５インチ）の範囲である（例えば、図１２を参照。）。得られるトンネルアセンブリは、従来のトンネルの重量の約６０パーセントしか有していない。くり抜かれた部分は、各ブロック１、１０における１つ以上の、好ましくは複数のキャビティ２を画定する。

ブロック１、１０の上面１ｃ、１０ｃはそれぞれ本発明に係る耐火ブロックの正確に連結する機械的嵌合機構の雄部を含む。突起部３は、面１ｃ、１０ｃより高くなっており、ブロック１、１０から延出し、ブロック１、１０の下面１ｄ、１０ｄに形成された開口４に正確に嵌合する係止部として機能する幾何学的部材を画定する。図に示したように、突起部３は、面取りコーナーを有する実質的に矩形の隆起部と、その中心を通り、キャビティ２と連通する円形の開口３ａと、を有する。円形の開口３ａは、単に製造上及び材料除去を考慮した機能であり、重要ではない。図１０及び１１に示したように、開口３ａはキャビティ２と連通している。しかし、以下により詳細に述べるように、これに限られない。

突起部３の正確な形状は、必ずしもここに示した形状に限定されないが、製造公差に適応するために僅かにオフセットして、対応する開口４の形状に幾何学的に一致していることが好ましい。ブロック１、１０の突起部３は、モルタルを使用せずに自立型トンネル壁の構築を容易にするために、鉛直方向に隣接するブロック１、１０と互いに確実に係合するように鉛直方向に隣接するブロック１、１０の開口４に正確に嵌合しなければならない。上述した熱膨張に対して考慮し、且つ座屈を防止するための接触を維持するのに十分な公差もなければならない。

開口４はブロック１、１０のキャビティ２と連通しており、図１３に示したように、モルタルを使用せずに鉛直方向に積層する方法によりブロック１、１０と互いに正確に接続するために、強固に連結した状態で突起部３を受け止める。機械的要因及び上述の熱関係を考慮して、開口４の形状及びサイズが突起部３の形状及びサイズに正確に対応してさえいれば、その形状は重要ではない。

重要なことは、対応する突起部３と突起部３が嵌合する開口４との間の僅かなオフセットを有する幾何学的整合である。好ましくは、オフセットは、０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）から１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）の範囲である。最小のオフセットはブロック毎のばらつきに起因する製造公差の能力によって決定される。座屈が発生した場合であっても確実に係合するために十分な高さと締め付けがなければならない。開口４との確実な係合を保証し、且つ座屈を防止するために、突起部３の全高「ｈ」又は突起部３がブロック１、１０の上面１ｃ、１０ｃから延出する距離は、好ましくは、少なくとも１９．１ｍｍ（０．７５インチ）である。開口４の寸法は、製造誤差をできるだけ許容して突起部に対して締め付けられるようにすべきである。理想的には、製造上の必要性とバランスのとれた均一な壁厚が寸法を決定づける。

個々のブロック１、１０は、一方の端部のタブと他方の端部の溝との間にギャップが設けられ、水平配置方向にそれらの両側のブロック間のギャップが埋まるまで、動作温度の上昇とともに各ブロックが膨張することを許容する、付加的な機械的嵌合機構を更に含んでいる。図１０〜１２に示したように、ブロック１、１０の第１の端面１ａ、１０ａは溝（グルーヴ又はスロット）５を含んでいる。反対の端面１ｂ、１０ｂは、水平方向に隣接するブロック１、１０と対応する溝５に垂直に嵌合する対応する「タブ」又は突起６を含むように形成される。溝は、最小の製造誤差でタブよりも大きいことが好ましい。タブは好ましくはブロックの全幅の３０パーセント〜７５パーセントである。

運転中に、温度変動の範囲に対応する間、ガスのバイパスを低減するため、溝５に配置される圧縮可能な高温断熱繊維（図示せず）を配置することも可能である。繊維は６００℃から１２００℃の広い動作温度範囲にてガスのバイパスを低減するのに十分な圧縮変動性を有するように特定される。この繊維は、局所的な負荷を防止するために、ブロックの層間においても使用可能である。以下に説明するように、ベース部材及び上蓋（カバー）の両方は同様のタブ及び溝の設計を有し、動作温度範囲にわたってガスのバイパスを低減するために繊維ガスケット又は繊維編組の何れかを使用する。

ブロック１、１０は、好ましくは、トンネル壁の編成にて配置されるように、ブロック１、１０は、配置の機械的堅牢性を向上させるために、ブロック長の半分だけ、又は一つの機械的嵌合機構のセットによって、水平方向にオフセットしている（例えば、図３４を参照。）。この配置はまた、座屈も防止する。図１４に示したように、座屈は、堅牢且つ強固な公差の相互の機械的嵌合機構によって阻止され、その下のブロックに対する１つのブロックの回転がそれぞれの突起部３と開口４との間の直接的な接触を引き起こさない。一方、図１５は、先行技術のべろと溝のブロック（図４を参照。）がどのようにしてブロック間の分離、それぞれのべろと溝の機構との間の直接的な接触、及び壁の崩壊につながる顕著な破壊を起こし得るかを示す。

トンネルが炉の出口の煙道として適切に機能するためには、出口から最も遠いトンネルに入るガスが多いこと、及び出口に最も近いトンネルに入るガスが少ないことを許容する可変入力条件（壁の開口）を有しなければならない。これにより、炉内のガス及び温度のより均一な分布が得られる。上述したように、従来のトンネル壁の設計は、単に半レンガを利用して、壁の様々な箇所においてギャップを作成する。しかし、このような従来の半レンガは、方形の開口の上部に支持されない箇所を生起させ、故障の箇所を生起させる。図１６〜１７に示したように、本発明に係るトンネルシステムは、トンネルにガスを導入可能に形成された１つ以上のスルーホール７を含む耐火ブロック１００、１０１を利用する。この設計は、スルーホール７によって生成された負荷を周囲の材料に均等に分配する。スルーホール７は、最初にレンガ１００、１０１が（例えば、鋳造によって）形成されてもよく、機械加工又は適当な工程によって後で形成されてもよい。

スルーホール７は任意の形状を有するが、好ましくは半円形の形状を有する。スルーホール７のサイズは、実質的にフルサイズのブロック１００、１０１までは、典型的には６４５ｍｍ ² （１平方インチ）から約９２９００ｍｍ ² （約１４４平方インチ）であるが、好ましくは、７７４０ｍｍ ² （１２平方インチ）から２３２００ｍｍ ² （３６平方インチ）である。ブロック１００、１０１は、好ましくはブロック毎に１つ又は２つのスルーホール７を有するが、所望に応じて、同じ結果を容易に得るために様々な箇所に複数のスルーホールを有してもよい。これらのスルーホール７は閉じられてもよい。即ち、図示したように、スルーホールは相互接続されたブロック１００、１０１内部のトンネル壁の内部領域を形成するキャビティ２と連通していなくてもよく、代わりに少数のブロックがトンネル壁の内部領域に開口していてもよい。

図１６Ａ及び１６Ｂに示したように、突起部３の開口３ｂは単に材料が除去された部分であり、キャビティ２と連通していない（流体連通していない）。スルーホール７は、キャビティ２を通過する管状を呈しているが、スルーホール７の内面７ａとは流体連通していない。従って、スルーホール７は、（ガスは通過するが）スルーホール７の外面７ｂによってキャビティ２（及びトンネル壁の内面領域）に対して閉じられている。図１７は２つのスルーホール７を備えたブロックを示すが、この場合、突起部３は如何なる材料除去部も含んでいない。代わりに突起部３は、トンネル内部で発生したガスが壁のキャビティ空間（即ち、トンネル壁の内面領域）に導入されるのを防ぐための密なジオメトリを有する。

図１８〜２０は、鉛直方向の設置を必要とし、ブロック２０が水平に分解するのを防ぐ、異なるタイプの機械的嵌合機構を有する本発明の別の態様に係る耐火ブロック２０の一例を示す。各レンガ２０は第１の端面２０ａ、反対側の第２の端面２０ｂ、上面２０ｃ及び反対側の下面（底面）２０ｄを画定する外周面を有している。

各ブロックの上面２０ｃは、本発明に係る精密な連結の機械的嵌合機構の複数の雄部材を含んでいる。突起部２３は、上面２０ｃから持ち上げられ、水平に摺動可能に導入されたときにブロック２０の下面２０ｄに形成される開口（スロット）２４に正確に嵌合する係止部として機能する幾何学的部材を画定する。図示されるように、突起部２３の端面は、ブロック２０の第１の端面２０ａ及びブロック２０の第２の端面２０ｂと面一に形成されている。図１８Ｂに示したように、ブロック２０は中空であり、複数の（例えば、２つの）キャビティ２を含んでいる。ブロック２０がスルーホール７（図示せず）を含んでいる場合、キャビティはより浅く形成され、スルーホールはほとんどの場合、キャビティと連通することなく形成される。ブロック２０の壁厚「ｔ」は上述した例と同一である。

突起部２３は、実質的に面取りされたコーナーを有する矩形の隆起部又は切頭矩形の隆起部である。突起部２３の正確な形状は、本明細書に示す形状に限定されないが、変形した逆台形形状のような上部の寸法が下部の寸法よりも大きい断面形状である。ブロック２０の突起部２３は、モルタルを使用せずに自立するトンネル壁の建造を容易にするため、鉛直方向に隣接するブロックと互いに確実に係合するために鉛直方向に隣接するブロックの開口（スロット）２４の中に正確に水平に嵌合（摺動）しなければならない。上述したように、熱膨張及び製造誤差を考慮しながら、確実な機械的係合を保証するために十分な公差がなくてはならない。

開口２４は、図１８Ｂに示したように、実質的に第１の端面２０ａから第２の端面２０ｂまでブロック２０の全長に沿ってブロック壁に形成される。開口２４は、図２０に示したように、鉛直に積層し、ブロック２０を互いに確実に接続し、突起部２３を摺動自在にしっかりと係止する。突起部２３は、積層されたブロック２０の垂直方向の分解を更に防止するために開口２４に沿って尾根部２４ａと係合する縁部２３ａをも含んでいる。突起部２３の形状とサイズに開口２４の形状とサイズが正確に対応しさえすれば、開口２４の形状は重要ではない。図示したように、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３である。

図２０に示したように、これらのブロック２０の設置は、好ましくは、モルタルを使用せず、１個のブロック２０がその上の行の２個のブロック２０及びその下の行の２個のブロック２０と係合するように、半分の幅をずらして互い違いに配置される（上述したように、例えば、一つの嵌合機構の係合によってオフセットしている）。この機械的嵌合のスタイルは、任意の個々の部分がその周りのブロック２０に相対する元の位置からシフトし得る量を制限することによりブロック２０の膨張を制御する。

上述した両方の機械的嵌合機構は、機械的にブロックを係合することによりシステムに冗長性を付加する。この機構はそれらが接続されるブロックの壁を通して切断又は破断される嵌合機構を要求されることなく、トンネル壁が傾いたり崩壊することを防止する。

＜ベース部材＞
図２１及び図２２に示したように、本発明に係るトンネルの別の特徴はベース部材３０である。複数のベース部材３０はトンネルの長さ及びトンネルの横幅「ｗ」にわたって、前述した壁ブロック１０、１００と同一の嵌合機構を用いて２つの壁を互いに接続する（例えば、図３３及び図３４を参照。）。

各ベース部材３０は、連結機械的嵌合機構３３、３４が形成された上面３０ｃ及び反対側の下面（底面）３０ｄを備えた外周面を有する。突起部３３は、ブロック１、１０、１００に関連する上述の突起部３に対応しており、開口３４は、ブロック１、１０、１００に関連する上述の開口４に対応している。上術した機械的嵌合部及び壁厚に対する同一の限界寸法の要件はベース部材にも適用される。各ベース部材３０は、好ましくは、約３４ｋｇ〜６８ｋｇ（約７５重量ポンド〜１５０重量ポンド）の範囲、より好ましくは約４５ｋｇ（約１００重量ポンド）の総重量を有する。

突起部３３は、その上に建造されるトンネル壁の横方向（水平方向）反対側の位置に対応するように、２つの端面３０ａ、３０ｂに最も近いベース部材３０の上面３０ｃに設けられる。開口３４は、図２２に示したように、ベース部材３０の底面３０ｄに対応する位置に設けられる。ベース部材３０は、複数のキャビティ３２を有しており、そこから不要な材料が除去されてベースブロックの重量が低減される。図示したように、開口４はこのようなキャビティ３２と連通し、複数の付加的なキャビティ３２はベース部材３０の長さに沿って設けられ、部材の構造的な整合性の維持を確実にするのに十分な材料を提供するために、十分な厚さ「ｔ」を有する内部のブロック壁によって分割される。壁厚は好ましくは、１２．７ｍｍ（０．５インチ）から３８．１ｍｍ（１．５インチ）、より好ましくは１５．９ｍｍ（０．６２５インチ）から２２．２ｍｍ（０．８７５インチ）の範囲である。ベース部材３０は、側面３０ｆに形成される溝３５（図２２を参照。）及び突起又は側面３０ｅに形成されるタブ３６（図２１を参照。）のような付加的な機械的嵌合／膨張機構をも有する。これらの機構はブロック１、１０と関連して、上述した機構５及び６として同一の目的及び機能を果たす。これらの機械的／膨張機構３５、３６の位置は、図３１〜図３４に関連して、より詳細に以下に説明されるように、他のベース部材３０及びその上に積層される壁ブロックとの嵌合アライメントに対応する。

上述したように、当業者には周知であるように、ベースは、より重量のある部材であるが、ベース部材３０のサイズ及び材料が、適切且つ効果的に熱及び応力の要因を補償するために、蓋のサイズ及び材料と実質的に同一であることが重要である（以下でより詳細に説明する）。

別のベース部材４０の例が図２３及び図２４に示される。このベース部材は片面ベースと称呼され、本質的に、拡大した底断面領域４２を有する標準の壁ブロック１０であり（例えば、図１１を参照。）、これにより標準のブロック領域の３倍まで壁の重量を拡張する。図示したように、区画された支持フランジ４１はベースブロック４０の片端又は両端に配置される。フランジ構造４１、４２は、ブロック４０が鋳造されるときにブロック４０の設計の一体部分として形成され得る。また、分割部品として形成され、後で接着剤及び／又は同時焼成技術を用いて付加され得る。或いは、既知の技術を用いて機械成形（型押し）され得る。この設計は特に、２次工程にて鋳造部分を同一の形状にすることが可能な用途に最適である。

＜タイバー（本明細書では、クロスビームサポートとも称呼される。）＞
本発明において、タイバー部材は、図３３及び図３４に示したように、様々な箇所にてアセンブリに用いられ、壁が内側及び外側の両方に移動するのを防止して定位置に固定できるようにする。タイバー５０（タイロッド又はクロスビームサポートとも称呼される。）が図２６に示される。このタイバー５０は、以下に述べるように様々な方法でトンネル壁に係合し、トンネル壁を支持している。

図２５は、本発明に係るブロック１００の一例を示しており、その上に形成されたタイバークレードル１５を更に含む。それは、トンネル壁の内側に面しているブロック１００の上面１０ｃ及び側面１０ｅに形成されるプリキャストサドル（クレードル）である。タイバークレードル１５は、そこにタイバーが垂直に位置するとき、タイバー５０の端面５０ａ、５０ｂに対応する環状のフランジ５１をガイドし、受け入れ、保持する内部環状リム機構を有する半円筒状の突起である（図２７を参照。）。そこに形成されたクレードル１５とともに耐火ブロック１００は、トンネル壁が建造されるとき、トンネル壁に沿って様々な位置に配置され得る。その後、タイバー５０は設置の間、容易に追加することができ、多くのダウンタイムを必要とすることなく、或いは有害なメンテナンスの排出物を生成することなく、必要に応じて除去され得る。

タイロッド５０は、当業者が容易に決定することができるように、使用中のトンネル全体の安定性を改善するためにシステム中の様々な箇所に配置される。タイロッド５２は、図２７に示したように、壁の両側の単一の点又は多くの点に係合し得る。例えば、単一ビーム形状のタイバー５０に代えて、Ｈ形状のタイバー（図示せず）を用いて、対向するトンネル壁の複数の点（各面に２点）を同時に係合することができる。タイバー５０のスパンは、上蓋及びベース部材のスパンと実質的に同一であり、好ましいサイズは（トンネルの内幅に対応する）０．６１ｍ（２４インチ）から０．９１ｍ（３６インチ）の範囲であるが、小さくて０．３０ｍ（１２インチ）、又は大きくて１．５２ｍ（６０インチ）ほどである。タイバーの長さは、トンネルの設計幅によって厳密に支配され、熱膨張を許容するクリアランスを有することが理解される。タイバー５０の断面径は好ましくは２５．４ｍｍ〜２０３ｍｍ（１インチ〜８インチ）であり、より好ましくは７６．２ｍｍ〜１０２ｍｍ（３インチ〜４インチ）である。

図２８は、初期に建造されたトンネル壁にタイバー５２を配置する別の方法を示す。しかし、この場合、各ブロック１０２の対応する部分１０ｇの４分の１円の領域が、フランジ５１とフランジ５３との間の捕捉領域にタイロッド５２を位置決めするのに十分な配置を提供する上面１０ｃに最も近い部分が除去される。

＜蓋（本明細書では、カバーとも称呼される。）＞
本発明において、上蓋６０のスパンは好ましいサイズは０．６１ｍ（２４インチ）から０．９１ｍ（３６インチ）であるが、小さくて０．３０ｍ（１２インチ）、大きくて１．５２ｍ（６０インチ）である。各蓋部材は、好ましくは２２．７ｋｇ〜５６．７ｋｇ（５０重量ポンド〜１２５重量ポンド）、より好ましくは２７．２ｋｇ〜３６．３ｋｇ（６０重量ポンド〜８０重量ポンド）の範囲の総重量を有している。

図２９に示したように、蓋６０の上面６０ｃは傾斜した側面を有する平坦な上部を有している。蓋の上面６０ｃは、更に、ブロック１、１０及びベース部材３０に関連して上述した同一の連結機械的嵌合機構６３を含んでいる。蓋６０の場合において、突起部６３は２つの機能を果たす。第１に、突起部６３は上述したのと同一の方法で他の壁ブロック１０、１００上の対応する開口４と関連して、機械的嵌合機構を備える。この方法は、蓋６０が最上部の部材ではないアセンブリにおいて使用されることを可能にし、追加のトンネル壁ブロック１０、１００が蓋６０の上部に代わりに配置され、壁が鉛直上方に連続する。第２に、突起部６３は、蓋６０の全体の面ジオメトリの上方に（鉛直方向に）少なくとも１２．７ｍｍ（０．５インチ）の距離だけ延びているので、これにより、蓋６０の上部に合板を配置して、炉の復旧の間の歩道を画定することが可能になる。これはトンネル壁の真上に存在するので、作業員は、支持されていない蓋のスパンの中央に重量をかけずにトンネルの上の炉にアクセスすることができ、その重量をトンネルの壁面に向け、容易に支持することができる。

蓋６０は、更に、重要でない領域から可能な限りの材料を除去して下面６０ｄがくり抜かれることにより、断面の単位領域あたりの力の比を改善して応力を最小化することができる。図３０に示したように、それによって大きな中央のキャビティ６２と、機械的嵌合機構を画定する開口６４と関連する２つの小さいキャビティ６２と、が形成される。機械的嵌合機構（開口）６４は、壁８を形成するブロック１０、１００の突起部３との係合を提供し、壁構造間の内部トンネル幅にわたる両側の壁８に蓋６０を確実に取り付ける。機械的嵌合機構の重要な寸法は、上述した機構と同様である。蓋の壁厚「ｔ」は、好ましくは１２．７ｍｍ（０．５インチ）から３８．１ｍｍ（１．５インチ）、より好ましくは１５．９ｍｍ（０．６２５インチ）から２２．２ｍｍ（０．８７５インチ）の範囲である。

蓋６０は、更に、側面３０ｆに形成される溝６５（図３０を参照。）及び側面６０ｅに形成される突起又はタブ６６などの付加的な機械的嵌合機構を有している。これらの機構は、ブロック１、１０、１００と関連して上述した機械的嵌合機構／膨張ギャップ機構５及び６、並びにベース部材３０と関連して上述した３５、３６、と同一の目的及び機能を果たす。これらの嵌合／膨張機構６５、６６の位置は図３１〜図３４と関連して以下により詳細に説明されるように、他の蓋６０及びその下に積層された壁ブロック１０、１００との嵌合位置決めに対応している。本発明において、蓋６０のスパンは、好ましいサイズは０．６１ｍ（２４インチ）から０．９１ｍ（３６インチ）の範囲であるが、小さくて０．３０ｍ（１２インチ）、大きくて１．５２ｍ（６０インチ）である。

＜トンネルアセンブリ（本明細書では、トンネルとも称呼される。）＞
複数のベース部材３０は水平方向（第１の方向又は水平配置方向、即ち、トンネルの幅を画定する）に延びて配置され、トンネルの長手延長方向（長さ）に沿って実質的に連続したベース面を画定するように互いに整列される。このベース部材３０はモルタルを使用することなく機械的嵌合部材３５、３６を介して互いに固定される。複数の壁形成ブロック１０は、トンネルの長手方向に沿って両対向面にベース部材３０の上に鉛直に積層され、ベース部材３０を所定位置に固定するのに更に役立つ。ブロック１０は、それぞれの機械的嵌合部３３（ベース部材３０からの突起部）及び４（ブロック１０の開口）を用いて、ベース部材３０に半分の長さで連続的にオフセットする方法で配置され、モルタルを使用することなくベース部材３０にブロック１０を確実に固定することができる。ブロック１０は、更に、それぞれの機械的嵌合部５、６を介して互いに確実に固定される。複数のブロック１００は、同様に鉛直且つブロック１０の列上の長手延長方向に沿って半ブロックオフセットしながら積層される。

次いで、追加のブロック１０、１００が半ブロックオフセットしながら互いの上に交互に積み重ねられ、それぞれの機械的嵌合部３、４，５及び６を介して、モルタルを使用することなく鉛直方向及び水平方向に相互に固定される。ベース部材３０から第２の方向（即ち、鉛直配置方向）及びトンネルの長手延長方向の双方に延びる２つの平行な垂直方向のトンネル壁８を画定する。図１１に示したように、いくつかのブロックは、（スルーホール７を有しない）ブロック１０に対応し、図１６に示したように、いくつかのブロックは、スルーホール７を含むブロック１００に対応する。

トンネル壁８は、ベース部材３０の水平スパンによって規定される水平配置方向においてお互いからの所定の距離（即ち、０．３０ｍ〜１．５２ｍ（１２インチ〜６０インチ）、好ましくは０．６１ｍ〜０．９１ｍ（２４インチから３６インチ））だけ離間している。タイバー５０は、必要に応じて所望の位置にてクレードル１５に挿入される。トンネルアセンブリは、トンネル壁８の上部を横切って複数の蓋６０を配置することにより固定される。蓋６０は、機械的嵌合機構（例えば、蓋の開口６４及び壁ブロック１０の突起部３）を介して最上のブロック１０に配置されて固定され、更に、トンネル２００（トンネルアセンブリとも称呼される。例えば、図３１〜図３４を参照。）を構成する蓋６０の機械的嵌合部６５、６６を介して互いに固定される。

上述したように、本発明に係るトンネル２００において、すべての部材の重量を低減することにより、個々の部材のそれぞれの構造的完全性を維持しながら、レンガの下部のコース（即ち、ベース部材３０）における破砕力の大部分を排除することが可能になる。軽量で構造的に正しいカバー（蓋）部材６０を備えることにより、強度を保つため厚くされ、システム全体に付加的な負荷を有害な方法で加えていた従来の蓋にこれまで関連した欠点を克服することができる。各レンガ間の制御された膨張ギャップの組み込み及びシステム全体からのモルタルの排除は、トンネルアセンブリ２００が大きな累積応力を生成することなく膨張及び収縮すること、並びにトンネルアセンブリ２００全体の設置時間を短縮することを保証する。

本発明に係る部材の壁厚が減少し、材料が改良されることにより、軽量のトンネルの蓋６０は２人の作業員によって容易に設置され又は取り外しすることができる。加えて、結合機械的嵌合機構を有する軽量且つモルタルフリーのブロックは、重要性又は高度のスキルを必要とすることなく、一人の作業員によって容易に取り扱われ、トンネル構造２００が組み立てられ、修理され、及び／又は必要に応じて解体され得る。クロスビームサポート（即ち、タイバー５０）は、復旧の間、修理が完全に且つ効果的に為されることを確実にする間、他のトンネル部材へのアクセスを制限することなく、トンネルアセンブリ２００から容易に追加又は除去され得る。設置及び修理の時間を短縮することにより、適切な処理をより容易に行うことができ、システムの全体的な信頼性が向上する。

本発明が示され、具体的な実施例を参照して説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されないことを当業者によって理解されるべきであり、その変更及び変形は、本発明の範囲及び思想から逸脱することなく容易に為され得る。

Claims (17)

1. 水蒸気改質炉用の耐火トンネルアセンブリであって、前記トンネルアセンブリは、
   複数の対応する機械的嵌合部を備える複数の中空状のベース部材、
   前記ベース部材の前記機械的嵌合部に更に対応する複数の対応する機械的嵌合部を備える複数の中空状の壁ブロック、及び
   前記ベース部材及び前記壁ブロックの前記機械的嵌合部に更に対応する複数の機械的嵌合部を備える複数の中空状の蓋部材、
   を備え、
   前記ベース部材は、前記トンネルアセンブリの幅を画定する水平配置方向及び前記トンネルアセンブリの長さを画定する長手配置方向に延びて配置され、
   前記壁ブロックは、モルタルを使用することなく、前記対応する機械的嵌合部を介して鉛直配置方向及び前記長手配置方向に沿って積層され、前記ベース部材と機械的に相互接続されるとともに、水平配置方向に互いに距離を置いた２つの平行なトンネル壁を画定するように、モルタルを使用することなく、前記鉛直配置方向及び長手配置方向の両方に前記対応する機械的嵌合部を介して積層され、機械的に互いに相互接続され、
   前記トンネル壁は、前記ベース部材から前記鉛直配置方向に上向きに、且つ前記ベース部材の前記トンネルアセンブリの長さに沿って延在し、
   前記複数の蓋部材は、モルタルを使用することなく、鉛直配置方向及び前記長手配置方向に沿って前記機械的嵌合部を介して積層され、前記壁ブロックと機械的に相互接続され、
   前記蓋部材は、前記トンネルアセンブリの前記長さの少なくとも一部に沿って前記トンネル壁の間の前記距離をカバーするために長手配置方向且つ鉛直配置方向に延在する、
   耐火トンネルアセンブリ。
2. 請求項１に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記ベース部材、前記壁ブロック及び前記蓋部材のすべてが同一の材料からなる、
   耐火トンネルアセンブリ。
3. 請求項１に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記複数の機械的嵌合部は、前記ベース部材、前記壁ブロック及び前記蓋部材のそれぞれの上面及び下面の対応する位置に配置される少なくとも一対の雄部材及び雌部材を備える、耐火トンネルアセンブリ。
4. 請求項３に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記雄部材は、前記ベース部材、前記壁ブロック及び前記蓋部材のそれぞれの上面から延出する突起部を備え、
   前記雌部材は、前記ベース部材、前記壁ブロック及び前記蓋部材のそれぞれの下面に、対応する開口を有する、耐火トンネルアセンブリ。
5. 請求項３に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記少なくとも一対の対応する雄部材及び雌部材は、前記ベース部材、前記壁ブロック及び前記蓋部材のそれぞれの上面及び下面の対応する位置に配置される２対の雄部材及び雌部材を備える、耐火トンネルアセンブリ。
6. 請求項１に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記複数の壁ブロックの少なくとも一部は、それらが対向する側面に形成される開口を有する少なくとも一つのスルーホールを更に備え、
   前記スルーホールは、前記トンネルと連通しているが、前記壁ブロックの内部のキャビティとは連通していない、耐火トンネルアセンブリ。
7. 請求項１に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記複数の壁ブロックの少なくとも一部は、その上面に最も近い側面に形成されるタイバークレードルを更に備える、耐火トンネルアセンブリ。
8. 請求項７に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記水平配置方向の前記トンネル壁の間に延びる少なくとも一つのタイバーを更に備える、耐火トンネルアセンブリ。
9. 請求項１に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
   前記壁ブロックの壁厚が１６．５ｍｍから２２．２ｍｍの範囲である、耐火トンネルアセンブリ。
10. 請求項１に記載の耐火トンネルアセンブリにおいて、
    前記ベース部材及び前記蓋部材の壁厚が１６．５ｍｍから２２．２ｍｍの範囲である、耐火トンネルアセンブリ。
11. 第１端面、反対側の第２端面、上面、反対側の下面、第１側面及び反対側の第２側面を画定する外周面を有する中空状の本体部、
    前記本体部の前記上面の一部から延出する突起部を画定する少なくとも一つの第１機械的嵌合部、
    前記本体部の前記下面の一部に形成され、前記突起部と対応する開口を画定する少なくとも一つの第２機械的嵌合部、
    前記本体部の前記第１端面及び前記反対側の第２端面又は前記本体部の第１側面及び前記反対側の第２側面の一つの一部に備えられるタブを画定する少なくとも一つの第３機械的嵌合部、
    前記本体部の前記第１端面及び前記第２端面又は前記第１側面及び前記反対側の第２側面の他の面に形成される、前記タブに対応する溝を備える少なくとも一つの第４機械的嵌合部、及び
    前記耐火ブロックの前記本体部の前記下面に形成される少なくとも一つのキャビティ、
    を備える水蒸気改質炉トンネル用耐火ブロック。
12. 請求項１１に記載の耐火ブロックにおいて、
    前記耐火ブロックの壁厚が１６．５ｍｍから２２．２ｍｍの範囲である、耐火ブロック。
13. 請求項１１に記載の耐火ブロックにおいて、
    前記少なくとも一つの第１機械的嵌合部は、２つの第１機械的嵌合部からなり、前記少なくとも一つの第２機械的嵌合部は、２つの第２機械的嵌合部からなる、耐火ブロック。
14. 請求項１３に記載の耐火ブロックにおいて、
    前記耐火ブロックはトンネルアセンブリ用のベース部材を備え、
    前記少なくとも一つの第３機械的嵌合部は、前記本体部の前記第１側面及び前記反対側の第２側面のうちの一面の水平方向に対称となる部分に配置される２つのタブを備え、
    前記少なくとも一つの第４機械的嵌合部は、前記本体部の前記第１側面及び前記反対側の第２側面の他の面の対応する位置に形成される２つの溝を備える、
    耐火ブロック。
15. 請求項１３に記載の耐火ブロックにおいて、
    前記耐火ブロックはトンネルアセンブリ用の蓋部材を備え、
    前記少なくとも一つの第３機械的嵌合部は、前記本体部の前記第１側面及び前記反対側の第２側面のうちの一面の水平方向に対称となる部分に配置される２つのタブを備え、
    前記少なくとも一つの第４機械的嵌合部は、前記本体部の前記第１側面及び前記反対側の第２側面の他の面の対応する位置に形成される２つの溝を備える、
    耐火ブロック。
16. 請求項１３に記載の耐火ブロックにおいて、
    前記耐火ブロックはトンネルアセンブリ用の壁ブロックを備え、
    前記タブは前記本体部の前記第１端面及び前記反対側の第２端面のうちの一面の部分に配置され、
    前記溝は前記本体部の前記第１端面及び前記反対側の第２端面の他の面に形成される、
    耐火ブロック。
17. 請求項１６に記載の耐火ブロックにおいて、
    前記本体部の前記第１側面及び前記反対側の第２側面に形成される開口を有する少なくとも一つのスルーホールを更に備え、
    前記スルーホールは、前記耐火ブロックの前記本体部の前記少なくとも一つのキャビティと連通していない、耐火ブロック。

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