KR101895146B1 - 개질기 연도 가스 터널 및 이를 위한 내화 구성요소 - Google Patents

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Abstract

증기 개질기 퍼니스 터널을 위한 내화 블록이 중공형 주 본체, 주 본체의 상부 표면으로부터 연장되는 돌출된 부분을 형성하는 적어도 하나의 제1의 기계적 교합 부재, 주 본체의 하부 표면의 일부에 형성된, 돌출 부분에 상응하는 개구부를 형성하는 적어도 하나의 제2의 상응하는 기계적 교합 부재, 주 본체의 제1 단부 및 대향하는 제2 단부 또는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 하나의 부분에 제공된 탭을 형성하는 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재, 주 본체의 제1 단부 및 대향하는 제2 단부 또는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 다른 하나에 형성되는 홈을 포함하는 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재, 및 주 본체의 하부 표면 내에 형성된 적어도 하나의 공동을 포함한다.

Description

개질기 연도 가스 터널 및 이를 위한 내화 구성요소{REFORMER FLUE GAS TUNNEL AND REFRACTORY COMPONENTS THEREFOR}
본 발명은 증기 메탄 개질기 프로세스에서 이용하기 위한 수소 개질기 퍼니스(hydrogen reformer furnace)를 위한, 개질기 연도 가스 터널로서 또한 공지된, 내화 터널, 그리고 그러한 내화 터널을 위한 내화 구성요소에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 기계적으로 보다 강건한 디자인을 가지고 이제까지 사용되었던 것보다 더 성능이 우수한 재료로 제조된 내화 구성요소를 이용하여, 수소 개질기의 적용을 보다 양호하게 견지하는, 몰타르를 사용하지 않은, 경량의 독립적인(free-standing) 터널 구조물을 제공한다.
수소 개질기 퍼니스는 일련의 촉매 반응을 통해서 천연 가스를 수소로 변환한다. 메탄(CH4)을 석유화학제품으로 변환시키기 위한 가장 일반적인 경로 중 하나는, 수소, 또는 수소 및 일산화탄소의 혼합물의 제조를 통하는 것이다. 이러한 수소/일산화탄소 재료는 "합성 가스" 또는 "신가스(Syngas)"로서 지칭된다. 사실상, 천연 가스 또는 신가스의 증기 메탄 개질(SMR; Steam Methane Reformer)은 암모니아의 산업적 합성에서 이용되는 수소뿐만 아니라 상업적 벌크 수소를 생산하는 가장 일반적인 방법이다. 약 1000 ℃의 온도에서, 그리고 금속계 촉매의 존재 하에서, 증기가 메탄과 반응하여 일산화탄소 및 수소를 산출한다. 이러한 2개의 반응은 본질적으로 가역적이다.
CH4 + H20
Figure 112016118005602-pct00001
CO + 3H2
이러한 반응은 흡열성이고, 유지되도록 하는 데 있어서 많은 양의 열의 입력을 필요로 한다. 가열 가스가 총 프로세스 가스 요건의 80%를 차지한다.
일반적인 유형의 수소 개질기 퍼니스가 "하향식(top down)" 퍼니스 또는 "하향 발화식(down fired)" 퍼니스로서 공지되어 있다. 도 1은 통상적인 수소 개질기 퍼니스(800)의 절개 사시도이다. 천연 가스 버너들(미도시)이, 촉매 파이프들(70)의 행들(rows)[레인(lane)으로서 또한 공지됨] 사이로, 퍼니스(800)의 상단에서 이격되어 있고, 연소를 통해서 열을 생성한다. 버너들은 촉매 관들(70)을 통해서, 탄화수소-증기 혼합물 유동과 병렬로, 하향 방향으로 발화되고, 그러한 촉매 관은, 통상적으로 길이가 10 내지 40 피트이고 퍼니스(800) 내에서 수직으로 장착되는 원심 주조된 크롬-니켈 관이다. 관(70)은, 예를 들어, 팰릿(pellet) 또는 볼(ball) 형태의 알루미나 운반체(carrier) 상의 활성화된 니켈 촉매를 포함한다. 프로세스 가스 및 증기가 촉매 위로 하향 공급되고 관(70)의 하단으로부터 제거된다.
일차 개질기가 700 내지 800 ℃ 범위의 온도에서 작동된다. 이때, 고온 가스가 전도성 열 전달 구역 내로 지나가고, 증기가 발생되어 일차 개질기 내로 역으로 공급될 수 있다. 이러한 유닛을 이용하여 합성 연료를 생산하는데, 그러한 합성 연료는 내연 기관에 동력을 공급하기 위한 다양한 액체 연료로 전환될 수 있다. 이는 또한, 플랜트 버너 내에서 다른 프로세스를 위해서 수소를 생산하기 위해서 종종 이용되고, 그에 의해서 불꽃 및 고온 가스 복사가 관으로의 열 입력을 제공하여 고도의 흡열 반응을 지원한다. 공기가 퍼니스(800)의 하단의 일 측면을 빠져 나온다. 버너 및 퍼니스 출구의 위치에 의해서, 공기 유동 및 열 분포가 불균일하다. 이러한 상황에서, 고온 가스가 출구로 직접적으로 유동하여, 유닛의 후방부 내의 저온 지역 및 출구 바로 전의 열점을 생성하는 것이 일반적이고, 그러한 열점은 촉매 관을 손상시킬 수 있을 정도로 충분히 높은 온도에 도달할 수 있다. 이러한 것을 바로 잡기 위해서, 연소 가스를 위한 수집 도관으로서 작용하는 연도 가스 터널(80)이 제공되어, 효율을 개선하고 관(70)의 수명을 연장하기 위한 균일한 열 분포를 촉진한다.
SMR은 양호하게 확립된 프로세스(well established process)이고, 효율 증가를 위하여 기술의 많은 면을 최적화하기 위해서 시간을 두고 노력이 이루어져 왔지만, 대부분의 초점은 촉매, 금속 합금, 버너, 공급 원료 등과 관련하여 이러한 개질기의 양태를 개선하는 것에 맞춰져 있었다. 그러나, 진보와 관련하여, SMR 기술의 한 부분이 완전히 무시되어 왔다. 즉, 이러한 유닛의 구성에서 이용되는 내화 디자인이 수십 년 동안 정체되었었다. 특히, 발화된 히터를 통해서 연소 가스를 운송하는 연도 가스 터널은, 성능 신뢰성 문제를 기초로 하는 개선을 위해서 명확하게 필요함에도 불구하고, 변화되지 않았다.
이러한 터널(80)은 평균적으로 높이가 약 8피트이고, 폭이 3 피트이며, 퍼니스 유닛(100)의 전체 길이(예를 들어, 40 ft 내지 50 ft)에 걸쳐진다. 이러한 터널(80)의 크기 및 터널의 구성에서 이용되는 내화 재료의 부피로 인해서, 상기 터널은 임의의 구조적 벽돌 벽을 구성하는 것과 유사한 방식으로, 기본적인 벽돌 형상(예를 들어, 도 2에 도시된, 표준 직사각형 형상)을 이용하여 통상적으로 제조되었다. 이때, 터널(80)의 벽(81)은, 덮개(예를 들어, 도 1 내지 도 3 참조)를 형성하는 일련의 직사각형 블록(82)으로 상단이 처리된다. 역사적으로, 통상적인 터널 벽(81)은 열 및 시간 경과 하에서 기계적으로 매우 파손되기 쉽다. 이러한 연도 터널에 대한 파손의 주요 모드는 내화 디자인, 설치 기술, 서비스 중의 기계적인 혹사(abuse), 및 초기 재료 선택과 관련된다.
비록 터널에 문제가 있더라도, 퍼니스 유닛(800)을 균일하게 가열하고 요구되는 효율을 달성하는 데 있어서, 이러한 터널(80)은 필수적이다. 예를 들어, 만약 하향 발화형 개질기가 그 유닛 구성에서 이러한 터널(80)을 포함하지 않는다면, 모든 연소 가스가 개질기의 출구에서 연도 내로 돌진할 것이다. 이는, 전술한 바와 같이, 연도로부터 먼 저온 지역 및 유닛의 출구 근처의 열점을 가지는, 유닛 전반을 통한 불균일한 온도를 생성할 것이다. 결과적으로, 개질기의 효율이 감소될 뿐만 아니라, 출구 근처의 촉매 관의 과열이 발생할 것이고, 그에 따라 조기 파손을 유발할 것이다.
SMR에서의 통상적인 연도 가스 터널(80)의 디자인 및 구성은 3 in x 9 in x 6.5 in의 전형적인 치수를 가지는 편평한 벽돌의 이용을 포함한다. 절반의 블록이 규칙적인 패턴으로 누락되어 벽(81)을 통한 터널(80) 내로의 가스 통과(미도시)를 허용하도록, 벽(81)이 구성된다. 전형적으로, 벽(81)들을 함께 유지하기 위해서, 구성 중에, 벽돌이 제 위치에서 몰타르 작업된다. 표준적인 편평한 벽돌에 대한 일반적인 대안은, 표준적인 설부(tongue) 및 홈 벽돌(83, 84)(예를 들어, 도 4 및 도 5 참조)이다. 이러한 유형의 벽돌의 다양한 크기 및 구성이 존재하지만, 그러한 통상적인 벽돌은 전형적으로 단순한 설부 및 홈 특징을 이용하여, 통상적인 방식으로 수직으로 적층될 때, 서로 기계적으로 결합된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 통상적인 벽돌(83, 84)은, 수직을 적층될 때 함께 끼워지는 단순한 설부(832, 842) 및 홈 스타일의 교합되는 특징부들(833, 843)을 포함한다.
과거에, 통상적인 터널 구조물에서, 시스템 내의 열 팽창에 대처하기 위해서 터널 벽을 따라 6 내지 10 ft마다 위치된, 큰 팽창 갭이 제공되었었다. 팽창 갭은 디자인 및 구성의 중요한 양태인데, 이는 예상되는 열적 성장이 반드시 수용되어야 하기 때문이다. 그러나, 이러한 경우에, 전술한 큰 팽창 갭의 존재로 인해서, 모든 터널이 실제로 몇 개의 큰 독립적인 벽들로 구성된다. 그에 따라, 터널 벽의 이러한 독립적인 섹션들을 지지하는 데 도움을 주기 위해서, 중간 지지 벽 또는 벽기둥이 또한 제공된다(미도시). 벽들이 기울어지거나 붕괴되는 것을 방지하기 위해서, 이러한 중간 지지 벽들은 촉매 관들 사이의 터널의 외부 벽들에 연결된다. 부벽으로서 또한 공지된, 벽기둥이 그와 동일한 목적을 위한 역할을 하고, 터널 벽들의 외측에 위치된 벽돌의 기둥으로서 구성된다(미도시).
터널 벽 구성의 다른 특징부는 단부 벽(미도시)이다. 교차 벽 또는 표적 벽으로서 또한 알려져 있는, 이러한 벽돌 벽 세그먼트(segments)는 유닛의 출구에서 터널들을 연결하여, 가스가 주위 라이닝을 우회하는 것을 방지한다. 부가적인 측방향 지지를 제공하는 것에 더하여, 단부 벽은 또한, 모든 연소 가스가 연도 가스 터널(80)을 통해서 적절하게 빠져 나오도록 보장한다.
일단 터널 벽이 구축되면, 터널 커버(덮개)가 상단에 배치된다. 코핀 커버(coffin cover)로 종종 지칭되는 이러한 커버는 전형적으로 내화 재료로 이루어진 큰 슬라브(slab)로 제조된다. 그러나, 디자인이 단순할 수 있지만, 그러한 커버는 중요한 목적을 위한 역할을 하는데, 이는 파손된 커버가 유닛 효율을 떨어트리기 때문이고, 커버가 낙하될 때 터널 벽의 파손을 유발하기 때문이며, 짧은 관 수명에 기여하기 때문이다. 코핀 커버의 4가지 주요 스타일이 있다. 주요 스타일은 직사각형 또는 정사각형의 중실형(solid) 디자인이다[예를 들어, 도 3의 덮개(82) 참조]. 이는, 통상적인 접근 방식을 나타내고, 단순히 벽(81)들 사이의 수평 거리(갭)에 걸쳐있는 내화 재료의 중실형 슬라브이다. 이러한 중실형 커버(82)가 또한 노치형(notched) 표면을 가질 수 있거나, 터널 벽과 기계적으로 결합될 수 있고 부가적인 지지를 제공할 수 있는 하단 또는 측면 상의 교합 특징부를 갖도록 달리 형성될 수 있다(미도시). 다른 스타일은 중공형 덮개 또는 압출된 덮개(821)(예를 들어, 도 6 및 도 7 참조)이다. 이러한 유형의 커버(821)는 직사각형의 중실형 덮개(82)와 동일한 외부 치수를 갖지만, 덮개의 중량 및 결과적인 응력을 감소시키기 위해서 중간부에서 중공형으로 제거된(hollowed-out) 섹션(공동)(822)의 쌍을 포함한다.
다른 일반적인 커버 디자인은, 도 8에 도시된 바와 같은, 오프셋(off-set) 커버(831)이다. 이러한 중실형 덮개는 인접한 커버들 사이의 결합을 돕는 경사진 기하형태를 특징으로 하고, 이는 반전(upset) 중에도 여분의 지지를 제공하며 커버 파손의 경우에 균열이 형성된 덮개를 지지하는 데 도움을 줄 수 있다. 도 9는 설부 및 홈 커버(851)를 도시하고, 이는 오프셋 커버(831)의 다른 버전이나, 그 기계적 교합 특징부[즉, 설부(851a) 및 홈(851b)]는 인접한 덮개(851)들과의 추가적인 결합을 제공한다.
이러한 분야에서 찾아 볼 수 있는 현재의 파손 유형 중 하나는, 덮개의 섹션, 또는 터널의 전체 길이에 걸친, 전체 덮개의 붕괴이다. 일단 설치되면, 덮개가 빔(beam)으로서 작용하고, 덮개의 중간부 내의 균열은 종종 스팬(span) 및 재료 두께 사이의 비율의 결과이다. 이때, 교체 덮개의 횡단면(두께)이 증가되나, 다른 활동(campaign) 이후에, 전형적으로 파손이 이전보다 더욱 악화된다. 이는, 덮개 파손이 정적인 부하의 결과가 아니기 때문이다. 컴퓨터 시뮬레이션과 커플링(coupling)된 수계산(hand calculation)으로, 정적인 부하만으로는 덮개에 매우 적은 응력이 부여된다는 것, 그리고 파손을 초래하지 않을 것임이 확인되었다. 1900 ℉의 일정한 서비스 온도에서 터널 상에 설치된 9 in (W) x 9 in (T) x 42 in (L)의 중실형 직사각형 덮개(예를 들어, 도 3 참조)의 컴퓨터 작동 무한 요소 분석(computer run finite element analysis)(FEA)은, 덮개가 자체의 중량 이외로 덮개에 작용하는 외부 힘을 나타내지 않는다는 것을 보여주었다. 결과는 매우 무난한 10 psi의 최대 응력이었다.
많은 재료에서, 파단 계수(modulus of rupture; MOR)가 고온에서 상당히 감소되고, 작동 진폭 온도(operational excursion temperatures)에서, 심지어 정적인 부하와 연관된 약한 응력이 파손을 초래할 수 있는 지점까지 MOR이 감소되는 낮은 등급의 내화 덮개 재료를 선택할 수 있다. 그러나, 대부분의 엔지니어드(engineered) 내화 재료 공급자는, 고온 파단 계수(HMOR)를 특징으로 하고, 강도 감소의 경우에도, 정적인 부하가 그와 관련된 매우 큰 안전 인자를 여전히 갖도록 충분히 높은 HMOR을 나타내는, 덮개에 대한 재료 선택사항을 제공한다. FEA 결과를 공개된 HMOR에 대해서 비교하는 것을 기초로, 대부분의 덮개 파손이 정적인 부하만의 결과가 아니며, 그에 따라 열적 상태와 연관된 응력의 결과라는 결론에 도달하였다.
그러한 상황에서의 열적 응력을 몇 가지 방식으로 나타냈다. 하나의 방식에서, 열 팽창이 적절하게 관리되지 않는 경우에 구성요소가 파손되어, 과다한 압축력을 초래할 수 있다. 덮개가 벽 섹션의 상단 상에 배치되고 유일한 구속(constriction)이 마찰 또는 몰타르이기 때문에, 열 팽창이 파손 지점으로 한정되지 않을 것이다. 일반적으로 이용되는 내화 몰타르의 HMOR이 대략 500 psi이고, 터널 덮개를 위해서 선택된 내화 재료의 HMOR보다 상당히 작으며, 그에 따라, 열적 응력이 그러한 수준에 도달한다면, 몰타르가 파괴될 것이고 덮개가 필요에 따라 자유롭게 팽창될 것이다.
구성요소는 또한 작동 중에 발생되는 임의의 온도차의 결과로서 발생되는 열적 응력의 결과로서 파손될 수 있고, 큰 반전의 경우로 제한되지 않는다. 구성요소의 하나의 지역으로부터의 열팽창이 다른 지역으로부터의 열팽창과 상이하여 재료의 항복 강도보다 큰 응력을 초래할 때, 열 응력 파손이 초래된다. 만약 퍼니스의 대류 섹션 내의 온도가 터널 내부의 온도와 상이하다면, 심지어 짧은 시간 동안에도, 열적 응력의 가능성이 존재한다. 1910 ℉에서의 덮개의 상단 표면 상의 온도 및 1900 ℉에서의 덮개의 하단 표면 상의 온도를 가지는 터널 상에 설치된 9 in (W) x 9 in (T) x 42 in (L)의 중실형의 직사각형 덮개(예를 들어, 도 3 참조)의 FEA는, 이 덮개가, 그 자체의 중량 이외에, 이 덮개에 작용하는 외부적인 힘을 가지지 않는다는 것을 보여준다. 덮개에 걸친 10도의 온도차는 1500 psi의 최대 응력을 초래하고, 이는 하단부 내화 재료의 HMOR보다 크다. 터널의 매우 많은 수의 덮개 모두가, 어떠한 벽도 붕괴되지 않은 동일한 활동 중에 파손되는 상황에서, 파손 모드는 열적 응력일 가능성이 가장 높다.
터널 덮개의 성능에서의 다른 중요한 인자는 재료의 내크리프성(creep resistance)이다. 크리프는, 재료의 항복 강도 미만의 높은 수준의 응력에 장시간 노출되어 재료가 느리게 그러나 영구적으로 변형될 때 발생된다. 터널 벽 상에서의 결과는, 벽의 강도 및 구조를 보완하는, 수직 방향을 따른 덮개 질량의 전달(transmission)이다. 덮개의 크리프는 중앙 스팬의 "처짐(sagging)"을 초래할 것이고, 덮개와 터널 벽 사이의 상호작용력을 변화시켜, 최종적으로 파손을 유도할 것이다. 크리프는 ASTM 표준 테스트로 특징지어질 수 있고, 이는 터널 덮개의 서비스에서의 사용을 나타내고 재료 선택에 대한 중요한 요소이다. 수퍼 듀티 브릭(Super Duty Brick)에 대한 ASTM 테스트는 2,600 ℉에서 7.86% 편향의 결과를 나타냈다. 터널 벽에 대한 결과는, 수직 축을 몇도 벗어난 각도의 덮개 질량의 전달이며, 이는 하단보다 상단에서 벽들이 서로로부터 더 멀리 떨어지도록 촉진한다.
완전한 터널 붕괴는 실제적으로 몇몇의 상이한 파손 모드의 결과일 수 있다. 통상적인 터널 구성은 수 십만 파운드의 내화 벽돌 및 덮개를 이용하고, 그들 모두는, 내화 단열 벽돌(insulating fire brick)(IFB; 도 1a 및 도 1b에 도시되지 않음)의 마지막 기저부 층 상에 최종적으로 놓이는 질량이 된다. 폭이 6 in인 벽돌, 높이가 96 in인 터널 벽, 및 두께가 9 in인 중실형 덮개를 가지는 통상적인 터널 횡단면이 11.6 psi의 지지 IFB 층 상의 부하를 초래한다. ASTM 테스트를 이용한 공개된 데이터는, 개질기 퍼니스 내에 나타내는 온도에 있어서, 기저부 IFB 층이 그러한 부하 하에서 100 시간 이내에 최대로 1% 변형될 것임을 나타낸다. 그러한 기저부 IFB 층의 변형은 2가지 방식 중 하나로 전환된다. 즉, 변형이 열 팽창에 대한 섬유 허용 오차(fiber allowance)를 조기에 압박하거나, 또는 변형이 기저부 IFB의 전체 절연 값을 감소시킬 것이다. 양 경우는 파손을 초래하는 것으로 알려져 있다.
온도 및 터널 질량의 영향은 퍼니스의 내부로 제한되지 않고, 또한, 지지 퍼니스 구조물의 변형을 유발하여, 불균일한 퍼니스 바닥을 초래할 수 있다. 통상적인 터널 디자인은 벽돌들을 서로 고정하기 위해서 몰타르 처리된 접합부를 이용하며, 그에 따라 많은 수의 작은 벽돌을 적은 수의 큰 벽 섹션으로 효과적으로 전환시킨다. 이러한 벽 섹션은 단일 본체로서 작용하고, 퍼니스 바닥의 임의의 주요 치수 변화를 수용할 수 없다. 그에 따라, 지지 퍼니스 구조물의 변형은 통상적인 터널의 파손을 초래할 것이다.
차등적 열 팽창은 상이한 디자인 재료의 상황에서 뿐만 아니라, 단일 본체로서 작용할 것으로 예상되는 재료의 큰 섹션에 걸쳐서도 발생된다. 통상적인 터널 디자인은 또한 대략 6 내지 10 피트의 벽 길이마다 섬유 팽창 접합부를 이용하고, 그 사이의 모든 구축 구성요소가 내화 몰타르로 서로에 대해서 부착된다. 이러한 내화 몰타르는 또한 벽 섹션이 단일 본체로서 거동하게 한다. 그러나, 어떠한 퍼니스도 완전히 균일한 온도 분포를 가지지 못하고, 소정 지점에서, 차등적 열 팽창이 벽 섹션에 걸쳐 발생될 것이다. 벽 섹션 상으로 부여되는 응력은, 단일 본체 내에서 열 충격을 유발하는 응력과 동일하다.
완전히 몰타르 처리된 10 ft 벽 섹션의 상단으로부터 하단까지의 온도차와 연관된 응력 수준을 결정하기 위해서 FEA가 실시되었으며, 여기에서 완전히 몰타르 처리된 벽 섹션은 분석의 목적을 위해서 단일 본체로서 취급되었다. 벽 섹션의 하단은 1925 ℉였고, 벽 섹션의 상단은 1900 ℉였으며, 그 사이의 온도 분포는 균일하였다. FEA는 또한 시뮬레이션된 터널 덮개의 중량 및 중력을 포함하였으나, 다른 외부 힘은 포함하지 않았다. 시스템의 응력이 표준 내화 몰타르의 500 psi HMOR를 초과한다는 것이 확인되었다. 몰타르 접합부가 벽 상에서 가장 약한 지점이기 때문에, 그러한 접합부가 균열되어 응력을 완화시킨다. 몰타르 처리된 벽에서 더 많은 균열이 발생될수록, 벽 섹션이 더 작아지기 시작하고, 임의의 하나의 섹션 내에서 응력이 더 작아지기 시작한다.
열 팽창을 적절히 수용하는 것은, 임의의 열적 적용예 디자인의 가장 어려운 양태들 중 하나이다. 통상적인 터널 디자인은, 터널 덮개 및 터널 기저부에 대해서 상이한 재료 및 디자인을 이용한다. 많은 터널이 벽 지지 IFB 기둥들 사이의 "기저부" 지역에서 낮은 밀도의 내화재 또는 섬유 절연재를 갖는다. 터널 덮개가 3/8 in만큼 팽창될 수 있고, 그에 의해서 터널 벽들을 서로 멀어지게 밀어낼 수 있는 반면, 섬유 절연재는 터널 벽 상으로 어떠한 팽창력도 부여하지 않을 것이다. 결과적인 사다리꼴 형상은 좌굴(buckling)되고 붕괴되기 쉽다. 특정 상황에서, 터널이, 퍼니스 활동의 종료 시에 측방향을 따른 교호적인 이동(alternative movement)을 나타낸다는 것이 발견되었다. 이는 "스네이킹(snaking)"으로서 보다 일반적으로 알려져 있고, 전체적인 터널이 본질적인 허용 오차보다 더 팽창되려 하는 것의 결과이다. 이러한 이동은 몰타르를 균열시킬 것이고, 벽을 덮개로부터 분리할 것이며, IFB 기저부로부터 멀리 벽을 밀어낼 것인데, 이들 모두는 파손을 유도한다. 원형 횡단면을 가지는 통상적인 설부 및 홈 벽돌 디자인(예를 들어, 도 4 및 도 5 참조)이 측방향 이동을 방지하는 데 있어서 어느 정도 효과적이지만, 이러한 구성은 좌굴을 충분히 억제하지 못할 것인데, 이는, 하나의 블록이 그 아래의 다른 블록에 대해서 회전되는 것이 설부를 홈으로부터 분리시켜, 전체 시스템을 붕괴시킬 것이기 때문이다(예를 들어, 도 15 참조).
통상적인 벽 디자인 및 구성요소 자체가 가지는 전술한 문제에 더하여, 통상적인 터널 시스템을 설치하는 것은 많은 수의 숙련된 노동자 배치를 필요로 하고, 이는, 특히 일시적인 필요의 경우에, 충족시키기가 점점 더 어려워진다. 이는 종종, 적절한 수준의 숙련된 노동자를 확보할 수 없는 상황을 초래하고, 결과적으로 설치된 터널 시스템의 전체적인 품질이 저하되거나 설치 비용이 예상보다 더 높아진다. 일부 경우에, 통상적인 터널 시스템은 그 원래 계획되었던 수명 범위의 전체 기간 동안 단순히 운영되었으나, 변경 스케쥴(turnaround schedule)의 짧은 시간 프레임으로 인해서, 터널이 완전히 수리 또는 교체될 수 없고 그리고 연장된 활동 동안 계속 작동되어야 한다. 그에 따라, 통상적인 터널 시스템을 설치하기 위한 시간 및 요구되는 높은 숙련 수준은 신뢰성 문제에 대한 원인이 된다. 터널 시스템에 부여될 수 있는 전체 손상 범위는 종종 변경 전에 알 수 없고, 그에 따라 유지보수 엔지니어링 직원은 검사, 디자인, 및 수리 실시를 위해서 단지 몇 주만을 이용할 수 있고, 이는, 이러한 종류의 수리가 다시 시도될 수 있는 다음 변경까지 터널 시스템을 작동적으로 유지하여야 한다는 것을 의미한다. 이는, 파손에 의해, 계획되지 않은 중단이 초래될 때, 터널 교체와 연관된 긴 조달 시간(lead time) 및 설치 시간을 고려하면, 플랜트에 대한 매우 위험한 도박이 될 수 있다.
설치 및 수리를 위한 연장된 시간 프레임 및 높은 수준의 요구되는 숙련도는 통상적인 터널 시스템에 대한 품질 출력의 바람직하지 못한 변동성을 부여한다. 결국 플랜트 변경 시간의 이용 가능한 범위(window)보다 긴 시간이 소요되는 수리는, 실행 가능한 선택 사항이 아니며, 종종 바람직하지 못한 연장된 터널 활동을 초래한다. 전체적인 설치 시간을 단축시키는 것 그리고 이러한 품질 변동성 감소를 위해 매우 숙련된 노동력에 대한 요구를 감소시키는 것에 대한 강력한 요구가 존재한다. 일부 경우에, 통상적인 터널 시스템은 무거운 터널 덮개의 취급을 보조하기 위해서 오버헤드 크레인의 설치를 필요로 한다.
본 발명의 목적은, 더 성능이 뛰어난 재료로 제조된, 보다 기계적으로 강건한 내화 구성요소를 이용하여, 수소 개질기의 적용을 보다 양호하게 견지하는, 몰타르를 사용하지 않은, 경량의 독립적인 터널 구조물을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 경량의 구조적으로 안정한 부분을 제공하는 것에 의해서, 개별적인 구성요소가 장력을 받는 것을 방지하는 시스템 디자인을 제공하는 것에 의해서, 그리고 열적 성장을 위한 정확한 양의 공간을 보장하면서도, 설치 시에 어떠한 정밀 측정도 요구하지 않는, 균일하게 분산된, 고도로 엔지니어링된(highly engineered) 팽창 갭(expansion gap)의 네트워크를 이용하는 것에 의해서 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
본 발명에 따라서, 증기 개질기 퍼니스를 위한 내화 터널 조립체가 제공된다. 터널 조립체는 복수의 중공형 기저부 구성요소, 복수의 중공형 벽 블록, 및 복수의 중공형 덮개 구성요소를 포함하고, 각각의 기저부 구성요소는 복수의 상응하는 기계적 교합 부재를 포함하고, 각각의 벽 블록은, 기저부 구성요소의 기계적 교합 부재에 추가적으로 상응하는 복수의 상응하는 기계적 교합 부재를 포함하며, 각각의 덮개 구성요소는, 기저부 구성요소 및 벽 블록의 기계적 교합 부재에 추가적으로 상응하는 복수의 기계적 교합 부재를 포함한다. 기저부 구성요소는 터널 조립체의 폭을 규정하는 수평 배열 방향(제1 방향)으로 그리고 터널 조립체의 길이를 규정하는 길이방향 배열 방향으로 연장되도록 배열된다. 벽 블록은, 몰타르를 이용하지 않으면서, 수직 배열 방향(제2 방향)으로 그리고 길이방향 배열 방향을 따라, 상응하는 기계적 교합 부재를 통해서 기저부 구성요소 상에 적층되고 기저부 구성요소에 기계적으로 상호 연결되며, 몰타르를 이용하지 않으면서, 수직 배열 방향 및 길이방향 배열 방향 양자 모두를 따라, 상응하는 기계적 교합 부재를 통해서 서로 상하로 적층되고 기계적으로 상호 연결되어, 수직 배열 방향을 따라 기저부 구성요소로부터 위쪽으로 연장되고 기저부 구성요소 상에서 (길이방향 배열 방향으로) 터널 조립체의 길이를 따라서 연장되는, (터널의 내부 폭을 규정하는) 수평 배열 방향으로 서로로부터 분리 거리를 두고 이격된, 2개의 평행한 터널 벽을 형성한다. 복수의 덮개 구성요소는, 수직 배열 방향으로 그리고 길이방향 배열 방향을 따라서, 몰타르를 이용하지 않으면서, 기계적 교합 부재를 통해서 벽 블록 상에 적층되고 기계적으로 상호 연결되며, 이에 따라 덮개가 길이방향 배열 방향을 따라서 그리고 수평 배열 방향을 가로질러 연장되어, 터널 조립체의 길이의 적어도 일부를 따라서 수평 배열 방향으로 2개의 터널 벽들 사이의 거리를 커버(cover)한다.
바람직하게, 기저부 구성요소, 벽 블록 및 덮개 구성요소 모두가 동일한 재료를 포함한다.
하나의 양태에 따라서, 복수의 기계적 교합 부재는, 기저부 구성요소, 벽 블록 및 덮개 구성요소 각각의 상부 표면 및 하부 표면 상의 상응하는 위치에 제공되는 숫놈형 구성요소 및 암놈형 구성요소의 적어도 하나의 쌍을 포함한다.
바람직하게, 숫놈형 구성요소는 기저부 구성요소, 벽 블록 및 덮개 구성요소 각각의 상부 표면으로부터 연장되는 돌출 부분을 포함하고, 암놈형 구성요소는 기저부 구성요소, 벽 블록 및 덮개 구성요소 각각의 하부 표면 내의 상응하는 개구부를 포함한다.
다른 양태에 따라서, 상응하는 숫놈형 구성요소 및 암놈형 구성요소의 적어도 하나의 쌍은 기저부 구성요소, 벽 블록 및 덮개 구성요소 각각의 상부 표면 및 하부 표면 상의 상응하는 위치에 제공된, 숫놈형 구성요소 및 암놈형 구성요소의 2개의 쌍을 포함한다.
또한, 복수의 벽 블록의 적어도 일부는 그 대향 측면 표면들 내에 형성된 적어도 하나의 관통 홀(through-hole)을 더 포함하는 것이 바람직하고, 그러한 관통 홀은 터널과 연통되나 중공형 벽 블록의 내부 공동과 연통되지는 않는다.
바람직하게, 복수의 벽 블록의 적어도 일부는 그 상부 표면에 근접한 그 측면 표면 내에 형성된 타이 바 크래들(tie bar cradle)을 더 포함하고, 내화 터널 조립체는 수평 배열 방향으로 터널 벽들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 타이 바를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 증기 개질기 퍼니스 터널을 위한 내화 블록이 제공되고, 그러한 내화 블록은 제1 단부, 대향되는 제2 단부, 상부 표면, 대향되는 하부 표면, 제1 측면 및 대향되는 제2 측면을 형성하는 외부 둘레 표면을 갖는 중공형의 주 본체 부분을 포함한다. 돌출된 부분을 형성하는 적어도 하나의 제1의 기계적 교합 부재가 제공되어, 주 본체 부분의 상부 표면의 일부로부터 연장되고, 돌출 부분에 상응하는 개구부를 형성하는 적어도 하나의 제2의 상응하는 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 하부 표면의 일부 내에 형성되며, 탭을 형성하는 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 제1 단부 및 대향하는 제2 단부 또는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 하나의 부분 내에 제공되고, 탭에 상응하는 홈을 포함하는 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 제1 단부 및 제2 단부 또는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 다른 하나에 형성되며, 적어도 하나의 공동이 내화 블록의 주 본체 부분의 하부 표면에 형성된다.
바람직하게, 내화 블록의 벽 두께가 0.65 내지 0.875 in의 범위이다.
적어도 하나의 제1의 기계적 교합 부재가 2개의 제1의 기계적 교합 부재를 포함하고, 적어도 하나의 제2의 상응하는 기계적 교합 부재가 2개의 제2의 상응하는 교합 부재를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 블록이 터널 조립체를 위한 기저부 구성요소를 포함하고, 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 하나의 수평적으로 대향되는 부분들에 제공된 2개의 탭을 포함하고, 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 다른 하나 상의 상응하는 위치에 형성된 2개의 홈을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 블록이 터널 조립체를 위한 덮개 구성요소를 포함하고, 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 하나의 수평적으로 대향되는 부분들에 제공된 2개의 탭을 포함하고, 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재가 주 본체 부분의 제1 측면 및 대향하는 제2 측면 중 다른 하나 상의 상응하는 위치에 형성된 2개의 홈을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 내화 블록이 터널 조립체를 위한 벽 블록을 포함하고, 제3의 기계적 교합 부재의 탭이 주 본체 부분의 제1 단부 및 대향하는 제2 단부 중 하나의 부분에 제공되고, 탭에 상응하는 (제4의 기계적 교합 부재의) 홈이 주 본체 부분의 제1 단부 및 제2 단부 중 다른 하나에 형성된다. 또한, 벽 블록이 블록의 제1 측면 및 대향되는 제2 측면에 형성된 대향된 개구부들을 가지는 적어도 하나의 관통 홀을 더 포함하는 것이 바람직하고, 관통 홀은 내화 블록의 주 본체 부분의 적어도 하나의 공동과 연통되지 않는다
본체에 걸친 온도차와 연관된 열적 응력이 열 충격으로 인한 파손을 초래할 수 있다. 열적 응력을 내화 구성요소의 항복 강도 미만으로 감소시키기 위해서 이용되는 많은 수의 접근 방식이 있다. 내화 구성요소의 벽 두께를 감소시키는 것은, 열 전도도에 의해, 벽 온도가 균등하게 되고 열적 차이와 연관된 응력이 제거되도록 허용한다. 벽 두께는, 터널 시스템의 전체적인 안정성을 희생시키지 않으면서 가능한 한 얇아야 한다. 터널 시스템은 오직 자립적이기 때문에, 모든 구성요소의 벽 두께를 감소시키는 것은 또한 전체적인 시스템 중량을 감소시킨다.
최적의 벽 두께를 제공하는 것은 강도 및 중량의 적절한 균형에 의해서 달성된다. 얇은 벽은 열적 응력 및 시스템 중량을 감소시키지만, 두꺼운 벽은 더 큰 부하를 지지할 수 있다. 전술한 내용을 고려할 때, 벽 두께는 바람직하게 약 0.5 in 내지 1.5 in의 범위이고, 가장 바람직하게 0.625 in 내지 0.875 in의 범위이다. 각각의 구성요소에 대한 희망 중량이 본원에서 구체화되고, 블록에 대해서 약 40 lb 내지 60 lb이며, 덮개에 대해서 50 lb 내지 75 lb이고, 기저부에 대해서 70 lb 내지 150 lb이다.
개별적인 구성요소의 벽 두께를 감소시키는 것에 더하여, 단일 섹션이 가지게 되는 차등적인 온도가 최소화되도록, 터널 시스템의 "섹션"이 감소된다. 이상적으로는, 터널 시스템의 "섹션"이 단지 개별적인 구축 구성요소만큼 커야 한다. 이를 달성하기 위해서, 모든 블록이 그 자체적인 열 팽창을 관리하여야만 하고, 전체 시스템은 몰타르를 가지지 않아야 하나, 안정성 유지를 위해서, 완전히 상호 연결되어야 한다. 이는, 정밀하게 형성된, 강건하게 기계적으로 상호 연결될 수 있는 내화 구성요소, 및 각각의 구성요소에서의 변동성을 자동적으로 수용하는 설치 절차를 제공하는 것에 의해서 달성된다.
적절한 열팽창 관리를 보장하기 위해서, 터널 시스템은 또한, 덮개(커버) 구성요소와 관련하여 동일한 재료로 제조되고 실질적으로 유사한 치수를 가지는 기저부 구성요소를 이용한다. 이는, 터널이 벽의 상단 및 하단 양자 모두에서 동등하게 팽창 및 수축하도록 보장하여, 전체적인 구조물을 유지하고, 달리 좌굴을 유발할 수도 있는 응력을 감소시킨다. 좌굴은 또한 벽 구성요소 내에 제공된 강건하고 엄격한 공차의 상호 결속(interlocking)식 기계적 교합 특징부로 인해서 억제될 수 있고, 이에 따라 아래의 다른 블록에 대한 블록의 회전은 직접적인 접촉을 파괴하지 않는다.
열팽창이 적절하게 관리되는 경우에도, 지연된 점화 또는 불균일한 퍼니스 바닥의 결과로서 좌굴이 여전히 문제가 되는 것을 추가적으로 방지하기 위해서, 교차 빔 또는 타이 바(tie bar)[타이 로드(tie rod)] 지지부가 또한 미리 결정된 위치에서 제공된다.
"스네이킹(snaking)"을 방지하는 데 있어서, 적절한 재료 선택 및 설치 절차가 또한 중요하다. 재가열될 때 많은 재료의 전체적인 치수가 증가되어, 변동성을 키울 것이고 열팽창 관리에 대한 해결과제를 부가할 것이다. 내화 구성요소에 대한 열팽창 계수가 비선형적이기 때문에, 적절한 팽창 접합부가 생성되도록 보장하기 위해서는, 이를 완전히 특성화해야 하고 이해해야 한다. 적합한 재료를 선택하는 것은 항상 통상적인 터널 디자인과 관련한 절충 및 희생에 대한 것이었다. 다시 말해서, 통상적으로, 퍼니스 지지부가 변형되지 않게 하기 위한 충분한 절연 값을 가지는 벽돌이 터널 시스템을 적절하게 지지하기 위한 충분한 강도를 항상 가지는 것은 것은 아니며, 더 큰 강도의 벽돌이 요구되는 절연 값을 가지는 것은 아니다. 통상적인 재료는 다양한 종류의 단열 벽돌 및 수퍼 듀티 벽돌(super duty brick)을 포함한다.
선택된 재료에 대한 열팽창 계수(CTE; Coefficient of Thermal Expansion)가 터널 시스템 내에서 이용되는 재료에 대한 선형 함수로서 단순히 가정되지 않아야 한다. 팽창 거동이 적절하게 관리되도록 보장하는 데 있어서, 완전히 특성화된 CTE를 가지는 것이 바람직하다. 이는, 열팽창이 단일 구성요소 수준에서 관리될 때, 보다 더 중요해진다. 적절한 재료 선택은, 바람직하게, 퍼니스의 서비스 온도 및 행정 온도(excursion temperature)에서의 파단 계수가, 연관된 정적 부하 응력과 비교할 때, 충분한 안전 인자를 가진다는 것을 확인하는 것을 포함한다. 개선된 HMOR을 가지는 재료를 선택하면 시스템 내의 안전 인자가 즉각적으로 증가하게 된다. 내화 재료의 상온 MOR을 아는 것만으로는, 터널 시스템의 적절한 디자인을 위해서 충분하지 않다.
또한, 개질기 퍼니스 내에서의 이용을 위해서 선택된 임의의 재료는, 바람직하게, 합리적으로 이용 가능한 큰 내크리프성을 가져야 하는데, 왜냐하면 감소된 크리프가 터널 시스템의 수명을 연장하고 조기 파손을 방지하기 때문이다. 개선된 내크리프성을 가지는 재료의 이용은, 상단 덮개의 하단측 상의 장력을 감소시키고, 상단 덮개가 터널의 벽돌 벽 상으로 가하는 외향적인 힘을 감소시키며, 이는 바람직하다. 완전히 특성화된 CTE, 더 큰 HMOR, 및 증가된 내크리프성을 함께 가지는 재료를 이용하는 것은 터널 시스템의 전체적인 신뢰성을 개선한다.
전술한 내용을 고려하여, 본 발명에서, 벽돌(블록), 기저부 및 커버(덮개)를 위한 적합한 재료에는, 비제한적으로, 예를 들어, 알루미나계 내화 재료, 코디어라이트(cordierite)(마그네슘 알루미늄 실리케이트), 및 지르코니아가 포함된다. 보다 바람직하게, 블록, 덮개, 및 기저부가, 중간 듀티 단열 점토 벽돌(medium duty fire clay brick)(적어도 30 중량% 알루미나로 이루어진 산화물 결합된 알루미나), 큰 듀티 단열 점토 벽돌(적어도 35 중량% 알루미나로 이루어진 산화물 결합된 알루미나), 수퍼 듀티 단열 점토 벽돌(적어도 40 중량% 알루미나로 이루어진 산화물 결합된 알루미나), 및 고(high) 알루미나 단열 점토 벽돌(적어도 60 중량% 알루미나로 이루어진 산화물 결합된 알루미나)로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 제조된다. 보다 바람직하게, 본 발명은 88 중량% 알루미나로 이루어진 멀라이트 결합 알루미나(Mullite Bonded Alumina) 또는 95 중량% 알루미나로 이루어진 산화물 결합된 알루미나를 이용한다.
본 발명에 따른 터널은 또한, 통상적인 디자인보다 약 5배 더 큰 영역에 걸쳐 벽의 중량 부하를 분산시키는 기저부 구성요소를 이용한다. 본 발명에 따른 기저부 구성요소와 결합된, 본 발명의 경량 디자인은, 전형적으로, 1.4 psi의 기저부 층 상의 부하를 초래한다. 이는 고도의 절연 재료의 이용을 허용하고, 이는 구조적 퍼니스 지지부 및 그에 따른 전체 시스템의 전체적인 신뢰성을 개선한다.
전술한 바와 같이, 폭이 6 in인 벽돌, 높이가 96 in인 터널 벽, 및 두께가 9 in인 중실형 덮개를 가지는 통상적인 터널 횡단면은 11.6 psi의 지지 IFB 층 상의 부하 및 최초 100 시간의 활동 내의 1%의 변형을 초래한다. 전체 터널 시스템의 전체적인 중량을 60% 만큼 감소시키는 것은 상당히 낮은 PSI 부하로 전환되고, 기저부 층에 대한 한자릿수가 적은 변형을 초래하며, 그에 따라 유효 생산 수명 및 터널의 효율을 증가시킨다.
본 발명에 따라서 제공된 감소된 벽 두께 및 개선된 재료를 이용하면, 경량 터널 덮개가 2명의 노동자에 의해서 용이하게 설치되거나 제거될 수 있다. 또한, 상호 결속 구성요소를 가지는 경량의, 몰타르가 없는, 블록 디자인은 한 명의 노동자에 의해서 용이하게 취급되고, 높은 수준의 숙련도에 대한 상당한 중요성 또는 요건 없이, 필요에 따라 터널 구조물이 조립, 수리 및/또는 분해될 수 있다. 변경 중에 다른 터널 구성요소에 대한 접근을 제한하지 않으면서, 교차 빔 지지부(즉, 타이 바)가 용이하게 부가되거나 제거될 수 있고, 그에 따라 수리가 완전하고 효과적이 될 수 있게 보장한다. 빠른 설치 및 수리 시간은 또한 적절한 보수가 보다 용이하게 이루어질 수 있게 하여, 시스템의 전체적인 신뢰성을 개선한다.
구성요소의 중량을 감소시키는 것은, 구축 블록의 구조적 무결성을 유지하면서, 벽돌의 하부 경로(course) 상으로 가해지는 파쇄력(crushing force)을 상당히 제거할 수 있게 한다. 경량의, 구조적으로 정확한 커버(덮개) 세그먼트를 제공함으로써, 더 강해지도록 그러한 커버 세그먼트를 더 두껍게 만드는 것과 연관된 이전의 단점이 극복되는데, 그렇게 더 두껍게 만드는 것은 또한 불리하게 부가적인 부하를 전체 시스템에 부가한다. 각각의 벽돌 사이의 팽창 갭과 시스템으로부터의 몰타르의 제거를 통합하는 것은, 조립체가, 큰 누적 응력을 생성하지 않으면서, 팽창 및 수축될 수 있게 보장하고, 전체적으로 터널의 설치 시간을 감소시킨다.
본 발명의 특성 및 목적의 보다 양호한 이해를 위해서, 첨부 도면과 관련하여 작성된, 본 발명의 바람직한 실시 모드에 관한 이하의 구체적인 설명을 참조하여야 할 것이다.
도 1a는 통상적인 수소 개질기 퍼니스의 절개 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 퍼니스의 단부 단면도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 퍼니스에서 사용되는 통상적인 터널 조립체의 사시도이다.
도 3은 통상적인 중실형 덮개의 사시도이다.
도 4는 통상적인 단일 설부 및 홈 유형의 블록(벽돌)의 사시도이다.
도 5는 통상적인 이중 설부 및 홈 유형의 블록(벽돌)의 사시도이다.
도 6은 통상적인 중공형 덮개의 단부도이다.
도 7은 도 6에 도시된 통상적인 중공형 덮개의 사시도이다.
도 8은 통상적인 오프셋 덮개의 사시도이다.
도 9는 통상적인 설부 및 홈 덮개의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 하나의 양태에 따른 절반 블록(벽돌)의 상면 사시도이다.
도 11은 본 발명의 하나의 양태에 따른 전체 블록(벽돌)의 상면 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 전체 블록의 저면 사시도이다.
도 13은 적층된 배열체 내의, 도 11에 도시된 2개의 블록의 단부 단면도이다.
도 14는, 적층된 블록들이 분리되지 않는다는 것을 설명하기 위한, 회전력 하에서의, 도 13에 도시된 적층된 배열체의 단부 단면도이다.
도 15는 동일한 유형의 회전력 하에서 이러한 블록들이 분해된다는 것을 설명하기 위한, 회전력 하에서의 도 4에 도시된 종래 기술의 블록들의 단부도이다.
도 16a 및 도 16b는 관통 홀을 포함하는 전체 블록의 상면 사시도 및 저면 사시도이다.
도 17은 2개의 관통 홀을 가지는 전체 블록의 사시도이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 다른 양태에 따라 수평적으로 상호 결속된 전체 블록의 상면 사시도 및 저면 사시도이다.
도 19는 도 18에 도시된 블록의 단부도이다.
도 20은 도 18에 도시된 블록들의 부분적인 조립 적층체의 사시도이다.
도 21은 본 발명에 따른 전체 폭 기저부 구성요소의 상면 사시도이다.
도 22는 도 21에 도시된 전체 폭 기저부 구성요소의 저면 사시도이다.
도 23은 본 발명의 다른 양태에 따른 단일 측면 기저부 구성요소의 상면 사시도이다.
도 24는 도 23에 도시된 단일 측면 기저부 구성요소의 저면 사시도이다.
도 25는, 타이 바 크래들(tie bar cradle)을 더 구비하는, 도 16에 도시된 전체 블록의 사시도이다.
도 26은 타이 바의 사시도이다.
도 27은 도 25에 따른 2개의 완전한 블록들, 및 각각의 타이 바 크래들 내에 위치되고 그 사이의 수평 거리에 걸쳐있는 도 26에 따른 타이 로드의 사시도이다.
도 28은 2개의 전체 블록, 및 본 발명의 다른 양태에 따른 다른 타이 바의 사시도이다.
도 29는 본 발명에 따른 덮개의 상면 사시도이다.
도 30은 도 29에 도시된 덮개의 저면 사시도이다.
도 31는 본 발명에 따른 터널 조립체의 사시도이다.
도 32는 도 31에 도시된 터널 조립체의 측면도이다.
도 33은 도 31 및 도 32에 도시된 터널 조립체의 단부도이다.
도 34는, 타이 바의 위치를 보여주기 위해서 일부 벽 블록을 제거한, 도 31에 도시된 조립체의 사시도이다.
블록(본원에서 또한 벽돌로서 상호 교환 가능하게 지칭됨)
본 발명에 따른 연도 가스 터널은, 몰타르를 이용하지 않고 독립적인 터널 벽을 형성하기 위한 적층 상호 연결을 돕기 위해 정밀 상호 결속식 기계적 교합 특징부로 엔지니어링된 복수의 내화 블록 또는 내화 벽돌을 포함한다. 이러한 기계적 교합 특징부는 또한 서비스 중의 열팽창을 허용하면서 동시에 벽이 조기에 분해되기 시작하는 것을 방지하도록 구체적으로 설계된다.
교합 특징부의 하나의 예는, 수평적 설치를 필요로 하고 블록이 수직으로 분해되기 시작하는 것을 방지하는 기하형태를 갖는다. 도 10은 본 발명의 이러한 양태에 따른 "절반 벽돌"(1)을 도시하고, 도 11은 "전체 벽돌"(10)을 도시한다. 도 12는 도 11에 도시된 전체 벽돌(10)의 저면도이다. 도 10에 도시된 절반 벽돌(1)의 상응하는 저면도(미도시)는 도 12에 도시된 것과, 단지 절반 크기로, 동일할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 표준 벽돌이, 예를 들어, 6.5 in (W) x 18 in (L) x 10 in (T; 높이)의 치수를 가질 수 있으나, 그러한 디자인은 2 in (W) x 4 in (L) x 2 in (T)만큼 작은 벽돌에 대해서 그리고 9 in (W) x 24 in (L) x 18 in (T)만큼 큰 벽돌에 대해서 또한 적용될 수 있다. 바람직하게, 터널 벽을 구축하기 위해서 필요한 블록의 총 개수를 가능한 가장 작은 수로 감소시키면서, 한 사람이 혼자서 블록을 용이하게 조작할 수 있도록, 각각의 블록(벽돌)이 20 내지 70 lb, 보다 바람직하게 40 내지 50 lb 범위의 중량을 갖는다.
각각의 벽돌(1, 10)이 제1 단부(la, 10a), 대향하는 제2 단부(lb, 10b), 상부 표면(lc, 10c) 및 대향하는 하부(하단) 표면(1d, lOd)을 형성하는 외부 둘레 표면을 갖는다. 이러한 벽돌(1, 10)은 중요하지 않은 지역으로부터 모든 가능한 재료를 제거하기 위해서 중공화된다. 바람직하게, 이러한 벽돌(1, 10)의 벽의 벽 두께("t")(예를 들어, 도 12 참조)가 0.5 내지 1.5 in, 바람직하게 0.625 내지 0.875 in의 범위이다. 결과적인 터널 조립체가 통상적인 터널의 중량의 약 60% 만을 갖는다. 중공화된 부분은 각각의 블록(1, 10) 내에서 하나 이상의 공동, 바람직하게 복수의 공동(2)을 형성한다.
블록(1, 10)의 상부 표면(lc, 10c)은 각각 본 발명에 따른 내화 블록의 정밀 상호 결속식 기계적 교합 특징부의 숫놈형 부분을 포함한다. 돌출 부분(3)이 표면(lc, 10c)으로부터 소정 거리만큼 상승되어, 블록(1, 10)으로부터 연장되고 블록(1, 10)의 하부 표면(1d, 10d) 내에 형성된 개구부(4) 내로 정밀하게 끼워지는 결속 부분으로서의 역할을 하는 기하형태적 부재를 형성한다. 도시된 바와 같이, 돌출 부분(3)은, 모따기된 모서리 그리고 그 중심을 통과하고 공동(2)과 연통되는 원형 개구부(3a)를 가지는, 실질적으로 직사각형인 상승부이다. 원형 개구부(3a)는 단지 제조상의 고려 사항 및 재료 제거상의 고려 사항에 따른 것이고, 중요한 것은 아니다. 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 개구부(3a)가 공동(2)과 연통된다. 그러나, 이는, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 항상 그러한 것은 아니다.
돌출 부분(3)의 정확한 형상이 여기에서 제시된 형상으로 반드시 제한될 필요는 없지만, 제조 공차를 허용하기 위한 약간의 오프셋을 가지면서, 상응하는 개구부(4)의 형상에 정합되는 기하형태가 바람직하다. 수직으로 인접한 블록들(1, 10)을 서로 확실하게 결합시켜 몰타르를 이용하지 않고 독립적인 터널 벽들을 구축하는 것을 돕기 위해서, 블록(1, 10)의 돌출 부분(3)은 수직으로 인접하는 블록(1, 10)의 개구부(4) 내에 정밀하게 끼워져야만 한다. 또한, 전술한 열팽창 고려 사항을 위한 그리고 접촉을 유지하여 좌굴을 방지하기 위한 충분한 공차가 있어야만 한다.
개구부(4)는 블록(1, 10)의 공동(2)과 연통되고, 돌출 부분(3)을 꼭 맞는 상호 결속 방식으로 수용하여, 몰타르가 없이, 도 13에 도시된 바와 같은, 수직으로 적층된 방식으로 블록들(1, 10)을 서로 확실하게 연결한다. 전술한 기계적 인자 및 열적 관심 사항을 고려할 때, 개구부(4)의 형상 및 크기가 돌출 부분(3)의 형상 및 크기에 정밀하게 상응하기만 한다면, 개구부(4)의 형상은 중요하지 않다.
상응하는 돌출 부분(3) 및 그러한 돌출 부분(3)이 내부에 끼워지는 개구부(4) 사이에 약간의 오프셋을 가지는 기하형태적 정합이 중요하다. 바람직하게, 오프셋은 0.020 in 내지 0.060 in의 범위이다. 블록 대 블록 변동성(block to block variability)을 초래하는 제조 공차 능력(manufacturing tolerance capabilities)에 의해서 최소 오프셋이 결정된다. 좌굴이 발생되는 경우에 확실하게 결합시키기 위한 충분한 높이 및 타이트함(tightness)이 있어야 한다. 바람직하게, 개구부(4)와의 충분한 결합을 보장하고 좌굴을 방지하기 위해서, 돌출 부분(3)의 전체적인 높이("h"), 또는 돌출 부분(3)이 블록(1, 10)의 상부 표면(1c, 10c)으로부터 연장되는 거리가 적어도 0.75 in이다. 개구부(4)의 치수가, 제조 변동에 대한 허용 오차를 가지고, 가능한 한 돌출 부분에 대해서 꼭 맞아야 한다. 이상적으로, 제조 요구와 균형이 맞춰진 균일한 벽 두께가 치수를 결정한다.
개별적인 블록(1, 10)은, 일 단부 상의 탭 및 타 단부 상의 홈과 같은, 부가적인 기계적 교합 특징부를 더 포함하고, 이때 수평 배열 방향을 따른 블록의 양 측면 상에서의 블록에 대해 밀봉될 때까지, 작동 온도 증가에 따라 각각의 블록이 팽창될 수 있게 허용하는 갭이 제공된다. 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 블록(1, 10)의 제1 측면(1a, 10a)이 홈 또는 슬롯(5)을 포함하고, 대향하는 제2 측면(1b, 10b)은, 수평으로 인접하는 블록(1, 10)의 상응하는 홈(5) 내로 수직으로 끼워지는 상응하는 "탭" 또는 돌출부(6)를 포함하도록 형성된다. 바람직하게, 그러한 홈은 최소의 제조 변동만큼 탭보다 크고, 바람직하게, 탭은 블록의 전체 폭의 30 내지 75%이다.
서비스 중의 소정 범위의 온도 요동(temperature fluctuation)을 수용하는 한편 가스 우회를 감소시키기 위해서, 홈(5) 내에 배치된, 압축성 고온 절연 섬유(미도시)가 또한 제공될 수 있다. 충분한 압축 변동성을 가져 600 ℃ 내지 1200 ℃의 넓은 범위의 작동 온도에 걸쳐 가스 우회를 감소시키도록, 섬유가 특정된다. 또한, 이러한 섬유는 점 하중(point loading)을 방지하기 위해서 블록들의 층들 사이에서 이용될 수 있다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 기저부 구성요소 및 상단 덮개(커버) 모두가 유사한 탭 및 홈 디자인을 가지고, 작동 온도의 범위에 걸쳐 가스 우회를 감소시키기 위해서 섬유 가스켓 또는 섬유 브레이드(fiber braid)를 이용한다.
바람직하게, 블록(1, 10)이 터널 벽의 포메이션(formation)으로 배열될 때, 블록(1, 10)은, 배열체의 기계적 강건성을 높이기 위해서, 블록 길이의 절반만큼 또는 기계적 교합 특징부의 하나의 세트만큼 수평으로 오프셋된다(예를 들어, 도 34 참조). 이러한 배열체는 또한, 좌굴을 방지하는 데 도움이 되는데, 그러한 좌굴은 강건하고 엄격한 공차의 상호 결속식 기계적 교합 특징부에 의해서 억제되며, 이에 따라, 도 14에 도시된 바와 같이, 아래에 위치되는 블록에 대한 하나의 블록의 회전이 각각의 돌출 부분(3)과 개구부(4) 사이의 직접적인 접촉을 파괴하지 않는다. 한편으로, 도 15는 종래 기술의 설부 및 홈 블록(도 4 참조)에서 회전력이 어떻게 블록들 사이의 분리를 유발할 수 있는지, 그리고 각각의 설부 특징부와 홈 특징부 사이의 직접적인 접촉이 어떻게 상당히 파괴되어 벽 붕괴를 유도하는지를 보여준다.
터널이 퍼니스의 출구를 위한 연도로서 적절히 작용하게 하기 위해서, 터널은, 보다 많은 가스가 출구로부터 가장 먼 터널 내로 진입할 수 있게 하고 보다 적은 가스가 출구에 더 근접한 터널 내로 진입할 수 있게 하는 가변적인 유입구 조건(벽 내의 개구부)을 가져야 한다. 이는 퍼니스 내의 가스 및 온도의 보다 균일한 분산을 유발시킨다. 앞서 주목한 바와 같이, 통상적인 터널 벽 디자인은 여러 위치로서 벽들 내에서 갭들을 생성하기 위해서 절반 벽돌들을 단순히 이용한다. 그러나, 그러한 통상적인 절반 벽돌은 정사각형 개구부의 상단 상에서 지지되지 않는 위치를 생성하여, 파손과 관련되는 위치를 생성한다. 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 시스템은, 가스가 터널 내로 진입할 수 있게 하기 위해서 내부에 형성되는 하나 이상의 관통 홀(7)을 포함하는 내화 블록(100, 101)을 이용한다. 이러한 디자인은 관통 홀(7)에 의해서 생성된 부하를 주위 재료로 균일하게 분산시킨다. 관통 홀(7)은, 벽돌(100, 101)이 초기에 형성될 때(예를 들어, 주조될 때) 형성될 수 있거나, 가공이나 임의의 적절한 프로세스에 의해서 추후에 형성될 수 있다.
관통 홀(7)은 임의의 기하형태를 가질 수 있으나, 바람직하게 반원 형상을 갖는다. 관통 홀(7)의 크기는 1 in2 로부터 실질적으로 블록(100, 101)의 전체 크기까지 변경될 수 있고, 그러한 전체 크기는 전형적으로 약 144 in2 이나, 바람직하게 12 in2 내지 36 in2 이다. 블록(100, 101)은 바람직하게 블록당 하나 또는 두 개의 관통 홀(7)을 가지나, 원하는 바에 따라, 동일한 최종 결과를 촉진하기 위해서 여러 위치에서 복수의 홀을 가질 수 있다. 이러한 관통 홀(7)은 폐쇄될 수 있고, 다시 말해서, 도시된 바와 같이, 터널 벽의 내부 지역을 형성하는 블록(100, 101)의 상호 연결된 내부 공동(2)과 연통되지 않거나, 또는 그 대신에, 적은 수의 블록이 터널 벽의 내부 지역에 대해서 개방된 관통 홀을 가질 수 있다.
도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 돌출 부분(3)의 개구부(3b)는 단순히 재료가 제거된 부분이고, 공동(2)과 연통되지 않는다(유체 연통되지 않음). 관통 홀(7)은, 공동(2)을 통과하는 관과 유사하나, 관통 홀(7)의 내부 표면(7a)은 공동과 유체 연통되지 않고, 그에 따라 (가스가 통과하는) 관통 홀(7)은 관통 홀(7)의 외부 표면(7b)에 의해서 공동(2)(그리고, 그에 따라, 터널 벽의 내부 표면 지역)에 대해서 폐쇄된다. 도 17은 2개의 관통 홀(7)을 가지는 블록(101)을 도시하나, 그러한 경우에, 돌출 부분(3)은 어떠한 재료 제거 부분도 포함하지 않는다. 그 대신에, 돌출 부분(3)은, 터널 내로 진입되는 가스가 벽 공동 공간(즉, 터널 벽의 내부 표면 지역) 내로 진행하는 것을 방지하기 위해서 중실형(solid)의 기하형태를 갖는다.
도 18 내지 도 20은, 수직 설치를 필요로 하고 블록(20)이 수평으로 분해되기 시작하는 것을 방지하는, 다른 유형의 기계적 교합 특징부를 가지는, 본 발명의 다른 양태에 따른 내화 블록(20)의 예를 도시한다. 각각의 벽돌(20)이 제1 단부(20a), 대향하는 제2 단부(20b), 상부 표면(20c) 및 대향하는 하부(하단) 표면(20d)을 형성하는 외부 둘레 표면을 갖는다.
각각의 블록(20)의 상부 표면(20c)은, 본 발명에 따른 정밀 상호 결속식 기계적 교합 특징부의 복수의 숫놈형 부분을 포함한다. 돌출 부분(23)은 표면(20c)으로부터 상승되어, 수평으로 활주식으로 도입될 때 블록(20)의 하부 표면(20d) 내에 형성된 개구부(슬롯)(24) 내로 정밀하게 끼워지는 결속 부분으로서의 역할을 하는 기하형태적 부재를 형성한다. 도시된 바와 같이, 돌출 부분(23)의 단부 표면이 블록(20)의 제1 단부(20a)(단부 표면) 및 블록(20)의 제2 단부(20b)(단부 표면)와 같은 평면에 형성된다. 도 18b에 도시된 바와 같이, 블록(20)은 중공형이고, 복수의(예를 들어, 2개의) 공동(2)을 포함한다. 블록(20)이 관통 홀(7)(미도시)을 포함한다면, 공동이 더 얕게 형성될 것이고, 관통 홀은, 대부분의 경우에 공동과의 연통 없이, 통과하도록 형성될 것이다. 블록(20)의 벽 두께("t")는 전술한 두께와 동일하다.
돌출 부분(23)은, 모따기된 모서리를 가지는 실질적으로 직사각형인 상승부 또는 절두형의 직사각형 상승부의 형상이다. 돌출 부분(23)의 정확한 형상이 여기에서 도시된 형상으로 제한되지 않는 한편, 변형된 반전 사다리꼴 형상과 같이, 하단 치수보다 상단 치수가 더 큰 임의의 횡단면적 형상을 가질 수 있다. 수직으로 인접한 블록들을 서로 확실하게 결합시켜 몰타르를 이용하지 않고 독립적인 터널 벽들을 구축하는 것을 돕기 위해서, 블록(20)의 돌출 부분(23)은 수직으로 인접하는 블록의 개구부(슬롯)(24) 내에 정밀하게 끼워져야(수평으로 활주되어야) 한다. 전술한 바와 같이, 열팽창 고려 사항 및 제조 변동성을 염두에 두면서 확실한 기계적 결합을 보장하도록, 공차가 충분하여야 한다.
도 18b에 도시된 바와 같이, 블록 벽 내에 형성된 개구부(24)가 제1 단부(20a)로부터 제2 단부(20b)까지 블록(20)의 전체 길이를 따라서 실질적으로 연장되고, 돌출 부분(23)을 꼭끼는 상호 결속 방식으로 활주 가능하게 수용하여, 도 20에 도시된 바와 같이, 블록들(20)을 수직으로 적층된 방식으로 서로 확실하게 연결한다. 각각의 돌출 부분(23)은 또한, 적층된 블록들(20)의 수직 분리를 추가적으로 방지하기 위해서 개구부(24)를 따라 릿지(ridge)(24a)와 결합되는 립(lip)(23a)을 포함한다. 개구부(24)의 형상 및 크기가 돌출 부분(23)의 형상 및 크기에 정밀하게 상응하기만 한다면, 개구부(24)의 형상은 중요하지 않다. 도시된 바와 같이, Dl > D2 > D3이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 이러한 블록(20)의 설치는 또한, 몰타르를 이용하지 않으면서, 바람직하게 절반 폭 거리로 엇갈리고, 이에 따라 단일 블록(20)이 그 위쪽의 행 내의 2개의 블록(20) 및 그 아래쪽 행 내의 2개의 블록(20)과 결합된다(예를 들어, 전술한 바와 같이, 하나의 교합 특징부 결합만큼 오프셋됨). 이러한 스타일의 기계적 교합은 또한, 임의의 개별적인 부분이 그 원래 위치로부터 그 주위의 블록(20)에 대해서 얼마나 멀리 편이(shift)될 수 있는지를 제한하는 것에 의해서, 블록(20)의 팽창을 제어한다.
전술한 기계적 교합 특징부들 양자 모두는 블록들을 기계적으로 결합시키는 것에 의해서 리던던시(redundancy)를 시스템으로 부가하며, 이는, 교합 특징부들이 전단될 것을 요구하지 않으면서 또는 그들이 연결되는 블록의 벽을 통해서 달리 파괴될 것을 요구하지 않으면서, 터널 벽이 기울어지는 것 또는 무너지는 것을 방지한다.
기저부 구성요소
본 발명에 따른 터널의 다른 특징부는, 도 21 및 도 22에 도시된, 기저부 구성요소(30)이다. 복수의 기저부 구성요소(30)가 터널의 길이를 따라 연장되고 터널의 수평 폭('w')에 걸쳐져 있어서, 전술한 벽 블록(10, 100)과 동일한 교합 특징부를 이용하여 2개의 벽을 함께 연결한다(예를 들어, 도 33 및 도 34 참조).
각각의 기저부 구성요소(30)는, 상호 결속식 기계적 교합 특징부(33, 34)가 상부에 형성되는 상부 표면(30c) 및 대향하는 하부(하단) 표면(30d)을 가지는 외부 둘레 표면을 갖는다. 돌출 부분(33)은 블록(1, 10, 100)과 관련하여 전술한 돌출 부분(3)에 상응하고, 개구부(34)는 블록(1, 10, 100)과 관련하여 전술한 개구부(4)에 상응한다. 전술한 기계적 교합 특징부 및 벽 두께에 대한 동일한 임계 치수 요건이 기저부 구성요소에도 역시 적용된다. 바람직하게는, 각각의 기저부 구성요소(30)가 약 75 내지 150 lb의 범위의 총 중량, 보다 바람직하게 약 100 lb의 총 중량을 갖는다.
돌출 부분(33)은, 상부에 설치하고자 하는 터널 벽들의 측방향(수평방향) 대향 위치들에 상응하도록, 2개의 대향 단부(33a, 33b)에 근접하게 기저부 구성요소(30)의 상부 표면(30c) 상에 제공된다. 개구부(34)는, 도 22에 도시된 바와 같이, 상응하는 위치에서 기저부 구성요소(30)의 하단 표면(30d) 내에 제공된다. 기저부 구성요소(30)는, 기저부 블록의 중량을 줄이기 위해서 불필요한 재료가 제거된 복수의 공동(32)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 개구부(4)가 그러한 공동(32)과 연통되고, 복수의 부가적인 공동들(32)은, 구성요소의 구조적 무결성이 유지되도록 보장하기 위한 충분한 재료를 제공하기 위해서 충분한 두께("t")를 가지는 내부 블록 벽에 의해서 분리되어, 기저부 구성요소(30)의 길이를 따라서 제공된다. 벽 두께는 바람직하게 0.5 내지 1.5 in, 더욱 바람직하게 0.625 내지 0.875 in의 범위이다. 기저부 구성요소(30)는 또한, 측면 표면(30f)(도 22 참조) 상에 형성된 홈(35) 및 측면 표면(30e)(도 21 참조) 상에 형성된 돌출부 또는 탭(36)과 같은 부가적인 기계적 교합/팽창 특징부를 갖는다. 이러한 특징부는 블록(1, 10)과 관련하여 전술한 특징부(5 및 6)와 동일한 목적 및 기능을 위한 역할을 한다. 이러한 기계적/팽창형 특징부(35, 36)의 위치는, 도 31 내지 도 34와 관련하여 이하에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 다른 기저부 구성요소(30) 및 그 상부에 적층되는 벽 블록과의 교합 정렬부에 상응한다.
전술한 바와 같이, 당업자가 이해할 수 있는 대로, 비록 기저부가 더 무거운 구성요소이지만, 열적 인자 및 응력 인자를 적절히 그리고 효과적으로 보상하기 위해서, 기저부 구성요소(30)의 크기 및 재료가 (이하에서 더 구체적으로 설명되는) 덮개와 실질적으로 동일한 것이 중요하다.
다른 기저부 구성요소(40)의 예가 도 23 및 도 24에 도시되어 있다. 이러한 기저부 구성요소는 단일 측면 기저부로서 지칭되고, 본질적으로, 표준 블록 면적의 3배까지에 걸쳐 벽의 중량을 분산시키기 위해서 확대된 하단 횡단면적(42)을 갖는 표준형의 벽 블록(10)(예를 들어, 도 11 참조)이다. 도시된 바와 같이, 섹션화된, 지지된 플랜지(41)가 기저부 블록(40)의 하나의 측면 또는 양 측면 상에 제공될 수 있다. 플랜지 구조물(41, 42)은 블록(40)이 주조될 때 블록(40) 디자인의 내부 부분으로서 형성될 수 있거나, 별개의 부재로 형성된 후 접착제 및/또는 혼소(co-firing) 기술로 부가될 수 있거나, 공지된 기술을 이용하여 기계 가공으로 형성될(가공될) 수 있다. 이러한 디자인은, 이차적인 프로세스의 이용에 의해서 다른 제조 프로세스가 주조된 부분을 동일한 형상으로 만들 수 있는 적용예에서 특히 적합할 수 있다.
타이 바(본원에서 교차 빔 지지부로서 상호 교환 가능하게 또한 지칭됨)
본 발명에서, 도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 타이 바 구성요소가 여러 지점에서 조립체 내에서 이용되어, 벽을 제 위치에서 고정함으로써 내향 이동 및 외향 이동 모두를 방지한다. (타이 로드 또는 교차 빔 지지부로서 또한 지칭되는) 타이 바(50)가 도 26에 도시되어 있다. 이러한 타이 바(50)는, 후술하는 바와 같이, 여러 가지 방식으로 터널 벽과 결합되어 지지한다.
도 25는, 터널 벽의 내부와 대면하는 블록(100)의 측면 표면(10e) 및 상단 표면(10c) 상에 형성되는 미리 주조된(pre-cast) 안장부(saddle)(크래들)이며 상부에 형성된 타이 바 크래들(15)을 더 포함하는 본 발명에 따른 블록(100)의 하나의 예를 도시한다. 타이 바 크래들(15)은, 내부의 위치로 수직으로 배치될 때(도 27 참조) 타이 바(50)의 단부(50a, 50b)에서 상응하는 환형 플랜지(51)를 안내, 수용 및 유지하기 위한 내부 환형 테두리 특징부를 가지는 반원통형 돌출부이다. 크래들(15)이 형성된 내화 블록(100)은, 터널 벽이 설치될 때, 터널 벽을 따라서 여러 위치에 배치될 수 있고, 이어서, 타이 바(50)가 설치 중에 용이하게 부가될 수 있거나, 상당한 중단 시간을 필요로 하지 않으면서 또는 유해한 유지보수 문제를 발생시키지 않으면서, 필요에 따라 추후에 제거될 수 있다.
당업자가 용이하게 결정할 수 있는 바와 같이, 타이 로드(50)가 시스템 내의 여러 지점에 배치되어 서비스 중에 터널의 전체적인 안정성을 개선한다. 타이 로드(52)가, 도 27에 도시된 바와 같이, 벽의 양 측면 상의 단일 지점에, 또는 복수의 지점에 결합될 수 있다. 예를 들어, 단일 빔 형상의 타이 바(50) 대신에, H형상의 타이 바(미도시)를 이용하여, 대안적으로, 대향하는 터널 벽들의 복수의 지점(각 측면 상의 2개의 지점)에 동시에 결합시킬 수 있다. 타이 바(50)의 스팬은 상단 덮개 및 기저부 구성요소의 스팬과 실질적으로 동일하며, 그러한 스팬은 12 in 정도로 작을 수 있거나 60 in 정도로 넓을 수 있으나, 바람직한 크기는 (터널의 내부 폭에 상응하는) 24 in 내지 36 in의 범위이다. 타이 바의 길이가, 열적 성장을 허용하기 위한 여유를 가지면서, 터널의 디자인된 폭에 의해서 엄격하게 통제된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 타이 바(50)의 횡단면 직경이 바람직하게 1 내지 8 in, 보다 바람직하게 3 내지 4 in이다.
도 28은, 초기에 구축될 때 터널 벽 내에 타이 바(52)를 배치하는 다른 방법을 도시한다. 그러나, 이러한 경우에, 각각의 블록(102) 상의 상응하는 부분(lOg) 내의 영역의 사분체 원(quarter circle)은 상부 표면(10c)에 근접하여 제거되어, 타이 로드의 플랜지(51)와 플랜지(53) 사이의 포획 영역(capture area) 내의 타이 로드(52)의 배치를 허용하기에 충분한 위치를 제공한다.
덮개(본원에서 또한 커버로서 상호 교환 가능하게 지칭됨)
본 발명에서, 상단 덮개(60)의 스팬이 12 in 정도로 작을 수 있거나, 60 in 정도로 넓을 수 있으나, 바람직한 크기는 24 in 내지 36 in의 범위이다. 바람직하게, 각각의 덮개 구성요소가 50 내지 125 lb의 범위, 보다 바람직하게 60 내지 80 lb 범위의 총 중량을 갖는다.
도 29에 도시된 바와 같이, 덮개(60)의 상부 표면(60c)은 각도를 형성하는 측면들을 가지는 편평한 상단을 구비한다. 덮개의 상부 표면(60c)은 또한 블록(1, 10)과 관련하여 전술한 것과 동일한 상호 결속식 기계적 교합 특징부(63) 및 기저부 구성요소(30)를 포함한다. 덮개(60)의 경우에, 돌출된 부분(63)이 2가지 기능을 위한 역할을 한다. 첫 번째로, 돌출된 부분(63)은 전술한 방식과 동일하게 다른 벽 블록(10, 100) 상의 상응하는 개구부(4)와 관련되는 기계적 교합 특징부를 제공하고, 이는, 덮개(60)가 최상단 구성요소가 아니고 그 대신에 부가적인 터널 벽 블록(10, 100)이 덮개(60)의 상단 상에 위치하게 되며, 벽이 수직 상향으로 계속되는 조립체에서 덮개(60)가 이용될 수 있게 한다. 두 번째로, 돌출된 부분(63)이 덮개(60)의 전체적인 표면 기하형태의 (수직 방향을 따라) 위로 적어도 0.5 in의 거리로 연장되기 때문에, 이는, 퍼니스 변경 중에 보도(walkway)를 형성하기 위해서 덮개(60)의 상단 상에 합판을 배치할 수 있게 한다. 이러한 것이 터널 벽 바로 위에 존재하기 때문에, 그러한 보도는, 작업자가 덮개의 지지되지 않는 스팬의 중심 상에 체중을 위치시키지 않고 그 대신에 작업자의 체중 전부를, 용이하게 지지될 수 있는 터널 벽 상으로 지향시키면서, 터널의 상단 상에서 퍼니스 내로 접근할 수 있게 한다.
횡단면의 단위 면적당 힘의 비율을 개선하는 것에 의해서 응력을 최소화하기 위해서, 또한 중요하지 않은 영역으로부터 모든 가능한 재료를 제거하기 위해, 덮개(60)는 하단 표면(60d)으로부터 중공화된다. 도 30에 도시된 바와 같이, 기계적 교합 특징부를 형성하는 개구부(64)와 연통되는 2개의 작은 공동(62)뿐만 아니라, 큰 중앙 공동(62)이 그에 의해서 형성된다. 기계적 교합 특징부(개구부)(64)는 벽(8)을 형성하는 블록(10, 100)의 돌출된 부분(3)과의 결합을 제공하여, 덮개(60)를 양 측면 상에서 벽(8)에 대해 확실하게 부착시켜, 벽 구조물 사이의 내부 터널 폭에 걸쳐지게 한다. 기계적 교합 특징부의 임계 치수는 전술한 바와 같다. 바람직하게, 덮개의 벽 두께("t")는 0.5 내지 1.5 in, 보다 바람직하게 0.625 내지 0.875 in의 범위이다.
또한, 덮개(60)는 측면 표면(30f)(도 30 참조) 상에 형성된 홈(65) 및 측면 표면(60e)(도 29 참조) 상에 형성된 돌출부 또는 탭(66)과 같은 부가적인 기계적 교합 특징부를 갖는다. 이러한 특징부는, 기저부 구성요소(30)와 관련하여 전술한 블록(1, 10, 100 및 35, 36)에 대해 전술한 기계적 교합 특징부/팽창형 갭 특징부(5, 6)와 동일한 목적 및 기능을 위한 역할을 한다. 이러한 교합/팽창 특징부(65, 66)의 위치는, 도 31 내지 도 34와 관련하여 이하에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 다른 덮개(60) 및 그 아래에 적층되는 벽 블록(10, 100)과의 교합 정렬부에 상응한다. 본 발명에서, 덮개(60)의 스팬이 12 in 정도로 작을 수 있거나, 60 in 정도로 넓을 수 있으나, 바람직한 크기는 24 in 내지 36 in의 범위이다.
터널 조립체( 또한 본원에서 터널로서 상호 교환 가능하게 지칭됨)
복수의 기저부 구성요소(30)가 (제1 방향 또는 수평 배열 방향으로, 즉 터널의 폭을 형성하는 방향으로) 수평으로 연장되도록 배열되고, 터널의 길이방향 연장 방향(길이)을 따라서 실질적으로 연속적인 기저부 표면을 형성하기 위해서 서로에 대해서 정렬된다. 기저부 구성요소(30)가, 어떠한 몰타르도 없이, 기계적 교합 부재(35, 36)를 통해서 서로 고정된다. 복수의 벽 형성 블록(10)이, 터널의 길이방향 연장 방향을 따라서, 양 대향 측면들 상에서 기저부 구성요소(30) 상에 수직으로 적층되고, 이는 기저부 구성요소(30)를 제 위치에서 추가적으로 고정하는 데 도움이 된다. 몰타르를 이용하지 않고 블록(10)을 기저부 구성요소(30) 상에서 제 위치에 확실하게 체결하기 위해서, 각각의 기계적 교합 부재(33)[기저부 구성요소(30)로부터 돌출하는 부분] 및 개구부(4)[블록(10) 상의 개구부)]를 이용하여, 블록(10)이, 기저부 구성요소(30) 상의 길이의 절반만큼, 순차적으로 오프셋된 방식으로 배열된다. 블록(10)은 또한 각각의 기계적 교합 부재(5, 6)를 통해서 서로 고정된다. 이어서, 복수의 블록(100)이, 유사한 절반 블록 오프셋 방식으로, 블록(10)의 행 상에서 수직으로 그리고 길이방향 연장 방향을 따라서 적층된다.
이어서, 부가적인 블록(10, 100)이 서로 교호적으로 상하로 적층되고, 몰타르 없이, 각각의 기계적 교합 부재(3, 4, 5 및 6)를 통해서 수직으로 그리고 수평으로 서로 고정되어, 절반 블록 오프셋 방식을 계속 이어가며, 그에 따라 기저부 구성요소(30)로부터 제2 방향(즉, 수직 배열 방향)으로 그리고 터널의 길이방향 연장 방향으로 모두 연장되는 2개의 평행한, 수직 배향된 터널 벽(8)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 블록의 일부가 [관통 홀(7)이 없는] 도 11에 도시된 블록(10)에 상응하고, 블록의 일부는, 관통 홀(7)을 포함하는 도 16에 도시된 블록(100)에 상응한다.
터널 벽들(8)은 수평 배열 방향을 따라 서로로부터 미리 결정된 거리(즉, 12 내지 60 in, 바람직하게 24 내지 36 in)만큼 이격되며, 그러한 거리는 기저부 구성요소(30)의 수평방향 스팬에 의해서 결정된다. 필요에 따라, 타이 바(50)가 희망 위치에서 크래들(15) 내로 삽입된다. 터널 조립체는, 기계적 교합 특징부[예를 들어, 덮개 내의 개구부(64) 및 벽 블록(10)의 돌출 부분(3)]를 통해서 최상부 블록(10) 상으로 제 위치에서 고정되고 덮개(60) 내의 기계적 교합 부재(65, 66)를 통해서 서로 추가적으로 고정되어 (또한, 터널 조립체로서 지칭되고, 예를 들어, 도 31 내지 도 34를 참조할 수 있는) 터널(200)을 구축하는, 터널 벽(8)의 상단에 걸쳐있는 복수의 덮개(60)를 배치하는 것에 의해서 고정된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 터널(200) 내에서, 각각의 개별적인 구성요소의 구조적 무결성을 유지하면서 모든 구성요소의 중량을 줄이는 것은, 벽돌[즉, 기저부 구성요소(30)]의 하부 경로 상으로 가해지는 분쇄력의 상당 부분을 제거할 수 있게 한다. 경량의, 구조적으로 정확한 커버(덮개) 구성요소(60)를 제공하는 것은, 더 강해지도록 통상적인 덮개를 더 두껍게 만드는 것과 연관된 이전의 단점을 극복하는데, 그렇게 더 두껍게 만드는 것은 또한 불리하게 전체 시스템에 부가적인 부하를 부가한다. 각각의 벽돌 사이에 제어된 팽창 갭을 포함시키는 것 그리고 전체 시스템으로부터 몰타르를 제거하는 것은, 터널 조립체(200)가, 큰 누적적 응력을 생성하지 않으면서, 팽창 및 수축될 수 있게 보장하고, 전체적으로 터널 조립체(200)의 설치 시간을 줄여준다.
본 발명에 따라서 구성요소를 위해서 이용되는 감소된 벽 두께 및 개선된 재료로, 경량 터널 덮개(60)가 2명의 노동자에 의해서 용이하게 설치되거나 간단하게 제거될 수 있다. 또한, 상호 결속식 기계적 교합 특징부를 가지는 경량의, 몰타르가 없는, 블록은 한 명의 노동자에 의해서 용이하게 취급되고, 높은 수준의 숙련도를 위한 요건 또는 중요성(consequence) 없이, 필요에 따라 터널 구조물(200)이 조립, 수리 및/또는 분해될 수 있다. 변경 중에 다른 터널 구성요소에 대한 접근을 제한하지 않으면서, 교차 빔 지지부[즉, 타이 바(50)]가 터널 조립체(200)에 용이하게 부가되거나 터널 조립체로부터 제거될 수 있고, 그에 따라 수리가 완전하고 효과적이 될 수 있게 보장한다. 빠른 설치 및 수리 시간은 또한 적절한 수리가 보다 용이하게 이루어질 수 있게 하여, 시스템의 전체적인 신뢰성을 개선한다.
구체적인 예를 참조하여 앞서 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 당업자는, 본 발명이 이러한 예로 결코 제한되지 않는다는 것, 그리고 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고도 변경 및 수정이 용이하게 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 증기 개질기 퍼니스를 위한 내화 터널 조립체로서,
    복수의 중공형 기저부 구성요소로서, 각각의 상기 기저부 구성요소가 복수의 상응하는 기계적 교합 부재를 포함하는 것인 복수의 중공형 기저부 구성요소;
    복수의 중공형 벽 블록으로서, 각각의 상기 벽 블록이, 상기 기저부 구성요소의 상기 기계적 교합 부재에 추가적으로 상응하는 복수의 상응하는 기계적 교합 부재를 포함하는 것인 복수의 중공형 벽 블록;
    복수의 중공형 덮개 구성요소로서, 각각의 상기 덮개 구성요소가, 상기 기저부 구성요소 및 상기 벽 블록의 상기 기계적 교합 부재에 추가적으로 상응하는 복수의 기계적 교합 부재를 포함하는 것인 복수의 중공형 덮개 구성요소
    를 포함하고,
    상기 기저부 구성요소는 상기 터널 조립체의 폭을 규정하는 수평 배열 방향으로 연장되도록 배열되며, 상기 터널 조립체의 길이를 규정하는 길이방향 배열 방향을 따라서 연속적인 기저부 표면을 형성하도록 서로에 대해 정렬되고,
    상기 벽 블록은, 몰타르를 이용하지 않으면서, 수직 배열 방향으로 그리고 상기 길이방향 배열 방향을 따라, 상기 상응하는 기계적 교합 부재를 통해서 상기 기저부 구성요소 상에 적층되고 상기 기저부 구성요소에 기계적으로 상호 연결되며, 몰타르를 이용하지 않으면서, 상기 수직 배열 방향 및 상기 길이방향 배열 방향 양자 모두를 따라, 상기 상응하는 기계적 교합 부재를 통해서 서로 상하로 적층되고 기계적으로 상호 연결되어, 상기 수평 배열 방향으로 서로로부터 분리 거리를 두고 이격된, 2개의 평행한 터널 벽을 형성하며, 상기 터널 벽은 상기 기저부 구성요소 상에서 상기 수직 배열 방향으로 그리고 상기 터널 조립체의 길이를 따라 상기 기저부 구성요소로부터 위쪽으로 연장되며,
    상기 복수의 덮개 구성요소는, 수직 배열 방향으로 그리고 상기 길이방향 배열 방향을 따라서, 몰타르를 이용하지 않으면서, 상기 기계적 교합 부재를 통해서 상기 벽 블록 상에 적층되고 상기 벽 블록에 기계적으로 상호 연결되어, 상기 덮개가 길이방향 배열 방향 그리고 수평 배열 방향을 따라 연장됨으로써, 상기 터널 조립체의 상기 길이의 적어도 일부를 따라서 상기 터널 벽들 사이의 거리를 커버(cover)하는 것인 내화 터널 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기저부 구성요소, 상기 벽 블록 및 상기 덮개 구성요소 모두가 동일한 재료를 포함하는 것인 내화 터널 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 기계적 교합 부재는, 상기 기저부 구성요소, 상기 벽 블록 및 상기 덮개 구성요소 각각의 상부 표면 및 하부 표면 상의 상응하는 위치에 제공되는 숫놈형 구성요소 및 암놈형 구성요소의 적어도 하나의 쌍을 포함하는 것인 내화 터널 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 숫놈형 구성요소가 상기 기저부 구성요소, 상기 벽 블록 및 상기 덮개 구성요소 각각의 상부 표면으로부터 연장되는 돌출 부분을 포함하고, 상기 암놈형 구성요소가 상기 기저부 구성요소, 상기 벽 블록 및 상기 덮개 구성요소 각각의 하부 표면 내의 상응하는 개구부를 포함하는 것인 내화 터널 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상응하는 숫놈형 구성요소 및 암놈형 구성요소의 적어도 하나의 쌍은, 상기 기저부 구성요소, 상기 벽 블록 및 상기 덮개 구성요소 각각의 상부 표면 및 하부 표면 상의 상응하는 위치에 제공된 숫놈형 구성요소 및 암놈형 구성요소의 2개의 쌍을 포함하는 것인 내화 터널 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 벽 블록의 적어도 일부가, 그 대향 측면 표면들에 형성된 개구부를 갖는 적어도 하나의 관통 홀(through-hole)을 더 포함하고, 상기 관통 홀은 상기 터널과 연통되나 상기 벽 블록의 내부 공동과 연통되지는 않는 것인 내화 터널 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 블록의 적어도 일부는, 그 상부 표면에 근접하는 그 측면 표면에 형성된 타이 바 크래들(tie bar cradle)을 더 포함하는 것인 내화 터널 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    수평 연장 방향으로 상기 터널 벽들 사이에서 연장되는 적어도 하나의 타이 바
    를 더 포함하는, 내화 터널 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 벽 블록의 벽 두께가 0.65 내지 0.875 in의 범위인 것인 내화 터널 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기저부 구성요소 및 상기 덮개 구성요소의 벽 두께가 0.65 내지 0.875 in의 범위인 것인 내화 터널 조립체.
  11. 증기 개질기 퍼니스 터널을 위한 제1항에 따른 내화 터널 조립체를 형성하는 내화 블록으로서,
    제1 단부, 대향되는 제2 단부, 상부 표면, 대향되는 하부 표면, 제1 측면 및 대향되는 제2 측면을 형성하는 외부 둘레 표면을 가지는 중공형의 주 본체 부분;
    상기 주 본체 부분의 상기 상부 표면의 일부로부터 연장되는 돌출된 부분을 형성하는 적어도 하나의 제1의 기계적 교합 부재;
    상기 주 본체 부분의 상기 하부 표면의 일부에 형성된, 상기 돌출된 부분에 상응하는 개구부를 형성하는 적어도 하나의 제2의 상응하는 기계적 교합 부재;
    상기 주 본체 부분의 상기 제1 단부 및 상기 대향되는 제2 단부 또는 상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면 중 하나의 부분에 제공되는 탭(tab)을 형성하는 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재;
    상기 주 본체 부분의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부 또는 상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면 중 다른 하나에 형성되는, 상기 탭에 상응하는 홈을 포함하는 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재;
    상기 내화 블록의 상기 주 본체 부분의 상기 하부 표면에 형성된 적어도 하나의 공동(cavity)
    을 포함하는, 내화 블록.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 내화 블록의 벽 두께가 0.65 내지 0.875 in의 범위인 것인 내화 블록.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1의 기계적 교합 부재가 2개의 제1의 기계적 교합 부재를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2의 상응하는 기계적 교합 부재가 2개의 제2의 상응하는 교합 부재를 포함하는 것인 내화 블록.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 블록이 터널 조립체를 위한 기저부 구성요소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재가 상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면 중 하나의 수평적으로 대향되는 부분들에 제공된 2개의 탭을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재가 상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면 중 다른 하나 상의 상응하는 위치에 형성된 2개의 홈을 포함하는 것인 내화 블록.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 블록이 터널 조립체를 위한 덮개 구성요소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제3의 기계적 교합 부재가 상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면 중 하나의 수평적으로 대향되는 부분들에 제공된 2개의 탭을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제4의 기계적 교합 부재가 상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면 중 다른 하나 상의 상응하는 위치에 형성된 2개의 홈을 포함하는 것인 내화 블록.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 내화 블록이 터널 조립체를 위한 벽 블록을 포함하고, 상기 탭이 상기 주 본체 부분의 상기 제1 단부 및 상기 대향되는 제2 단부 중 하나의 일부에 제공되고, 상기 홈이 상기 주 본체 부분의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부 중 다른 하나에 형성되는 것인 내화 블록.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주 본체 부분의 상기 제1 측면 및 상기 대향되는 제2 측면에 형성된 개구부를 가지는 적어도 하나의 관통 홀
    을 더 포함하고, 상기 관통 홀은 상기 내화 블록의 상기 주 본체 부분의 적어도 하나의 공동과 연통되지 않는 것인 내화 블록.
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