(57)【要約】  鉄鋼生産設備（１）のスキッドパイプ（２）を冷却するための第１の閉冷却ループ（５）から熱エネルギーを回収するシステムである。第１の閉冷却ループ（５）は、スキッドパイプから熱エネルギーを受け取る循環流体と、冷却源（６）とを備える。当該システムは、第１の閉冷却ループ（５）内の温度（Ｔ）を測定する手段（１７）と、閉ループ熱力学サイクルで作動して熱エネルギーを電気に変換するよう構成された動力変換モジュール（１０）を備える。動力変換モジュール（１０）は、冷却源（６）と流体連通するように第１の閉冷却ループ（５）に配置され、同モジュール（１０）は更に、同モジュール（１０）への熱エネルギーの投入を制御するように構成された流量制御システムを備える。この流量制御システムは、第１の閉冷却ループ（５）での測定温度（Ｔ）が所定の閾値温度（ＴＳＴＡＲＴ）を下回るとき、冷却源（６）を閉冷却ループ（５）から切り離す。【選択図】図３
2021512269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼生産設備（１）におけるスキッドパイプ（２）を冷却するための第１の閉冷却ループ（５）から熱エネルギーを回収するためのシステムであり、前記第１の閉冷却ループ（５）が、前記スキッドパイプ（２）から熱エネルギーを受け取る循環流体と、冷却源（６）とを備えてなる、システムであって、
当該システムが、
前記第１の閉冷却ループ（５）の温度（Ｔ）を測定するための手段（１７）と、
閉ループ熱力学サイクルで作動すると共に熱エネルギーを電気に変換するように構成された動力変換モジュール（１０）であり、前記冷却源（６）と流体連通した状態で前記第１の閉冷却ループ（５）に配置されている動力変換モジュール（１０）と、
を備え、
前記動力変換モジュール（１０）は更に、当該動力変換モジュール（１０）への熱エネルギーの投入を制御するように構成された流量制御システムを備えており、
前記流量制御システムは、前記第１の閉冷却ループ（５）内の測定された温度（Ｔ）が第１の所定の閾値温度（ＴＳＴＡＲＴ）を下回るとき、前記第１の閉冷却ループ（５）から前記冷却源（６）を切り離すように構成されていることで、前記循環流体が、前記動力変換モジュール（１０）の高温側のみに向けられて、前記動力変換モジュール（１０）への熱エネルギー投入を実現する、ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記流量制御システムは更に、前記第１の閉冷却ループ（５）内の測定された温度（Ｔ）が前記第１の所定の閾値温度（ＴＳＴＡＲＴ）を上回るとき、前記第１の閉冷却ループ（５）から流体的に隔てられた第２の閉冷却ループ（１６）において、前記冷却源（６）と前記動力変換モジュール（１０）の低温側との間で流体の流れを導くように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記流量制御システムは更に、前記冷却源（６）および前記動力変換モジュール（１０）を前記第１の閉冷却ループ（５）から切り離すように構成されていることで、前記循環流体が、より短い第２の閉冷却ループ（５ａ）を流れるように仕向けられ、前記スキッドパイプ（２）から前記第２の閉冷却ループ（５ａ）への熱エネルギーの投入を実現する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記流量制御システムは更に、前記第１の閉冷却ループ（５）内の測定された温度（Ｔ）が第２の所定の閾値温度（ＴＳＴＯＰ）を超えるとき、前記動力変換モジュール（１０）を前記第１の閉冷却ループ（５）及び前記冷却源（６）から切り離すように構成されていることで、前記循環流体が前記冷却源（６）のみに向けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の所定の閾値温度（ＴＳＴＯＰ）は１１０〜１４０℃の範囲であり、好ましくは約１２０℃である、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記循環流体は水である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の所定の閾値温度（ＴＳＴＡＲＴ）は、６５〜９５℃の範囲であり、好ましくは約７０℃である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記流量制御システムは、前記動力変換モジュール（１０）を前記第１の閉冷却ループ（５）及び前記冷却源（６）に接続するための導管と、前記導管を選択的に開閉して前記循環流体の流れを導くための弁（１１，１２，１３ａ，１３ｂ，１４）とを備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
鉄鋼生産設備（１）であって、
加熱すべき原料を支持するためのスキッドパイプ（２）と、
前記スキッドパイプ（２）から熱エネルギーを受け取る循環流体を含む第１の閉冷却ループ（５）と、
冷却源（６）と、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱エネルギーを回収するためのシステムと、
を備えることを特徴とする鉄鋼生産設備。
【請求項１０】
前記スキッドパイプ（２）の中を流れる循環流体を含むスキッドパイプ熱伝達ループ（３）と、
前記スキッドパイプ熱伝達ループ（３）と前記第１の閉冷却ループ（５）との間で熱エネルギーを伝達するように構成された熱交換器（４）と、
を更に備える、請求項９に記載の鉄鋼生産設備。
【請求項１１】
閉ループ熱力学サイクルで作動すると共に、熱エネルギーを電気に変換するように構成された動力変換モジュール（１０）への熱エネルギーの投入を制御するための方法であって、
当該方法が、
前記動力変換モジュール（１０）を、鉄鋼生産設備（１）内のスキッドパイプ（２）から熱エネルギーを受け取る循環流体を含む第１の閉冷却ループ（５）と、および前記第１の閉冷却ループ（５）に設けられた冷却源（６）と流体連通するように配設するステップと、
前記第１の閉冷却ループ（５）内の温度（Ｔ）を測定するステップと、
前記測定された温度（Ｔ）が第１の所定の閾値温度（ＴＳＴＡＲＴ）を下回るとき、前記冷却源（６）を前記第１の閉冷却ループ（５）から切り離すことで、前記循環流体が前記動力変換モジュール（１０）の高温側のみに流れ込み、前記動力変換モジュール（１０）への熱エネルギーの投入を実現するステップと、
を備えてなる、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記測定された温度（Ｔ）が前記第１の所定の閾値温度（ＴＳＴＡＲＴ）を上回るとき、前記第１の閉冷却ループ（５）から流体的に隔てられた第２の閉冷却ループ（１６）において、前記冷却源（６）から前記動力変換モジュール（１０）の低温側に流体の流れを導くステップ、
を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記測定された温度（Ｔ）が第２の所定の閾値温度（ＴＳＴＯＰ）を超えるとき、前記動力変換モジュール（１０）を前記第１の閉冷却ループ（５）及び前記冷却源（６）から切り離すことで、前記循環流体が前記冷却源（６）のみに向けられるステップ、
を更に備える、請求項１１又は１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、鉄鋼生産設備の冷却装置から廃熱を回収して発電するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼業界は世界のＣＯ２排出量の約７％を占めており、より環境にやさしい操業を実現するためにかなりの努力が必要とされている。熱の形態でのエネルギー損失は、製鉄所の一次投入エネルギーの最大４０％に相当し得る。この廃棄物の利用は、このような損失を利用するための機会を提供する。しかしながら、従来の廃熱回収システムは、大きな投資と、既存の生産プロセスに対する大幅な設計変更を必要とするため、その実現性を低下させている。
【０００３】
製鉄所で利用可能な廃熱を分析すると、電力生産の可能性を有する多くの原因が明らかになる。かなりの廃熱が、排気ガス流などの高温のところに見いだされる。さらに、様々なプロセスの冷却水ループにも著しい量が見いだされる。排ガスの流れは、熱回収のための最も一般的に取り組まれる供給源であるが、水に含まれる熱の潜在的な価値はさらに大きいように思われる。鉄鋼生産の冷却システム全体に豊富にある水は、廃熱を電力に変換するための最も単純な利用を提示するため、取り組むべき重要な供給源を表している。
【０００４】
製鋼所では、原料を特定の外形に機械的に成形する前に、すなわち圧延する前に、原料の温度を上げるために、ウォーキングビームまたはプッシャータイプの再加熱炉が広く使用されている。炉内の温度は通常、プロセス要件に応じて１１００〜１３００℃に維持される。要素は、スキッド上で炉を通るように運ばれ、スキッドは、炉内を通るように要素を機械的に前進させる。これらのスキッドは、材料の温度を許容レベルに保つために水によって内部で冷却されている。再加熱炉への１次エネルギー投入の１０％〜１７％は、炉の内部で原料を支持するスキッドパイプの冷却水に失われる。
【０００５】
スキッドパイプの冷却は、通常、冷却塔からの水を使用して行われる。液体の水がスキッドパイプ冷却ループで使用される場合、蒸気の形成が冷却効果を低下させるため、冷却媒体は液相のままにしておく必要がある。この冷却水の温度は通常、能動的な選択の事案ではなく、冷却塔の仕様によって代わりに決められており、通常は１０〜４０℃の範囲内である。
【０００６】
高温の熱の低温の冷却水への排出は、高品質のエネルギーを回収する機会を失うことになる。主に商業的に実現可能な低温エネルギー変換技術は不足しているため、この領域にはほとんど焦点が当てられてこなかった。
【０００７】
さらに、スキッドパイプを鋼の高温から保護するために、パイプは伝統的に耐火物で覆われている。耐火物はもろく、冷却水と鋼の高い温度差により耐火物に亀裂が生じる場合がある。したがって、耐火物を修理する、または作り直す必要があるため、スキッドパイプのメンテナンスコストが高くなる可能性がある。
【０００８】
従来、廃熱回収の解決策は、電力を生成するために、蒸気タービンや高温ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）システムなどの技術を使用して１５０℃〜６００℃の温度を必要とする。
【０００９】
特許文献１は、加圧された温水を、スキッドパイプを通るように循環させることによって、連続スラブ再加熱炉のスキッドパイプを冷却する装置を開示しており、この場合、温水は、さらに高い温度まで、約２００℃まで加熱される。加熱された温水は、熱交換器を通過することによって約１９０℃まで相対的に冷却され、その後、相対的に冷たい温水がスキッドパイプに再循環される。温水が装置内を通って、特に炉のスキッドパイプを通って循環するとき、温水を液体状態に維持し、それが蒸気になって蒸発するのを阻止するのに十分な圧力下に温水を保つための手段が提供される。しかしながら、特許文献１は、例えば電力を生成するために、回収された熱を効果的に利用するための解決策は提供しておらず、熱交換器を通して他の流体を加熱することを教示するだけであり、高い圧力と温度を必要とする。
【００１０】
最近の開発により、７０℃までのより低温で動作できる変換技術が商品化された。１００℃未満の温度で作動する際の最大の課題は、この温度範囲内のエネルギーの質が低いことであり、このことは、プロセスは、利益を生む変換を促進するには損失がほとんどない、又はまったくない状態で、非常に効率的である必要があることを要求する。多くの場合、低温の熱からの電力の生成に関連する付随する負担が、これを経済的に実現不可能な選択肢にしている。
【００１１】
熱力学的ランキンサイクルで生成される作動媒体の相変化エネルギーを利用することによって、低温の熱を電気に変換する方法はいくつか存在している。例えば、特許文献２は、発電モジュールを含むそのような熱変換システムを開示している。発電モジュールは、タービン／発電機、蒸発器、凝縮器およびメインポンプを備え、作動媒体はモジュールを通るように循環される。
【００１２】
したがって、鉄鋼生産設備から、具体的には鉄鋼圧延で使用される再加熱炉から廃熱を回収して電力を生成するための改善された解決策および方法を開発する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，４１７，８７１号明細書
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１２／１２８７１５号パンフレット
【発明の概要】
【００１４】
本発明の目的は、最新技術に関連して上述した欠点および問題のすべてまたはいくつかを克服するための改善された装置および方法を提供することである。
この目的は、本発明によって達成され、第１の態様では、鉄鋼生産設備のスキッドパイプを冷却するための第１の閉冷却ループから熱エネルギーを回収するためのシステムが提供され、第１の閉冷却ループは、スキッドパイプから熱エネルギーを受け取る循環流体と、冷却源とを備え、システムは、第１の閉冷却ループ内の温度を測定する手段と、閉ループ熱力学サイクルで作動し、熱エネルギーを電気に変換するように構成された動力変換モジュールとを備え、動力変換モジュールは、冷却源と流体連通した状態で第１の閉冷却ループに配置されており、動力変換モジュールはさらに、動力変換モジュールへの熱エネルギーの投入を制御するように構成された流量制御システムを備え、流量制御システムは、第１の閉冷却ループ内の測定された温度が第１の所定の閾値温度を下回るとき、冷却源を第１の閉冷却ループから切り離すように構成されることで、循環流体は、動力変換モジュールの高温側のみに向けられて、動力変換モジュールへの熱エネルギーの投入を実現する。
【００１５】
このシステムを利用して、再加熱炉などの鉄鋼生産設備からの廃熱を回収して電力を生成するために使用することができる。動力変換モジュールは効率的に動作するための最低温度を必要とするため、流量制御システムは、温度が所定の閾値温度を下回るとき、第１の閉冷却ループから冷却源を切り離すことによって最低温度が達成されることを保証する。換言すると、第１の閉冷却ループ内の温度が低すぎる場合、流量制御システムは循環流体を直接熱交換器に戻し、冷却源を迂回させることで、温度は、熱交換器を１回以上余分に通過することによって上昇され得る。さらに、本発明によるシステムは、必要な投資および設置時間を削減するために既存のインフラストラクチャを使用して、最小限の統合で既存のスキッド冷却ループに容易に組み込むことができる。
【００１６】
好ましい実施形態では、流量制御システムは、第１の閉冷却ループ内で測定された温度が第１の所定の閾値温度を超えるとき、第１の閉冷却ループから流体的に隔てられた第２の閉冷却ループ内で冷却源と動力変換モジュールの低温側との間で流体の流れを導くようにさらに構成されている。第１の所定の閾値温度は、６５〜９５℃の範囲、好ましくは約７０℃であってよい。第１の閉冷却ループ内の温度、およびこれにより動力変換モジュール内の温度が作動温度に達すると、動力変換モジュールは、第１の閉冷却ループ内の加熱された水から熱エネルギーを抽出することによって発電を開始する。熱エネルギーの抽出により、水の温度が下がり、水はその後熱交換器に戻される。同時に、動力変換モジュールは冷却源によって冷却されて適切な動作を保証する。生成された電気は、既存の投入エネルギー源と置き換えることができ、それにより二酸化炭素の排出を削減することができる。
【００１７】
別の実施形態では、流量制御システムは、冷却源および動力変換モジュールを第１の閉冷却ループから切り離すようにさらに構成されることで、循環流体が、より短い第２の閉冷却ループに流れるように向けられて、スキッドパイプから前記第２の閉冷却ループへの熱エネルギーの投入を実現する。
【００１８】
この実施形態を利用することで、冷却流体に必要な初期温度の上昇を確立するための時間を短縮することができる。これは、例えば、冷却流体の初期温度が特定の温度を下回る場合に利点となり得る。さらに、冷却流体の温度を上昇させる際、鋼と冷却流体との間の温度差が減少し、温度差によって耐火物に亀裂が生じるリスクが低下する。
【００１９】
有利な実施形態では、流量制御システムは、第１の閉冷却ループ内の測定された温度が第２の所定の閾値温度（ＴＳＴＯＰ）を超えるとき、動力変換モジュールを前記第１の閉冷却ループおよび冷却源から切り離すようにさらに構成されることで、循環流体は前記冷却源のみに向けられる。第２の所定の閾値温度は、１１０〜１４０℃の範囲、好ましくは約１２０℃であってよい。第１の閉冷却ループ内、およびこれにより動力変換モジュール内の温度が動力変換モジュールの動作範囲を超えるとき、動力変換モジュールが第１の閉冷却ループから切り離されることで、加熱された流体は、熱交換器に戻る前に、直接冷却源に流れて冷却される。これにより、安全機能が提供されて、動力変換モジュールが動作範囲を超えたときに、スキッドパイプのための冷却装置が損なわれないようにすることを保証する。
【００２０】
別の実施形態では、循環流体は水である。水を循環流体として使用することにより、システムは構成要素の何らかの交換や既存のインフラストラクチャの再構成を必要としない。
【００２１】
別の有利な実施形態では、流量制御システムは、動力変換モジュールを第１の閉冷却ループおよび冷却源に接続する導管と、導管を選択的に開閉して流体をその中に導くための弁とを備える。導管および弁の少なくともいくつかは、例えば、第２の閉冷却ループの少なくとも一部を形成することができる。導管および弁は、動力変換モジュールを既存のスキッド冷却ループに取り付け、その中で流体の流れを制御するための簡素で信頼できる手段を提供する。
【００２２】
本発明の第２の態様では、加熱すべき原料を支持するためのスキッドパイプと、スキッドパイプから熱エネルギーを受け取る循環流体を含む第１の閉冷却ループと、冷却源と、第１の態様による熱エネルギーの回収のためのシステムとを備える鉄鋼生産設備が提供される。
【００２３】
好ましい実施形態では、鉄鋼生産設備は、前記スキッドパイプの中を流れる循環流体を含むスキッドパイプ熱伝達ループと、スキッドパイプ熱伝達ループと第１の閉冷却ループとの間で熱エネルギーを伝達するように配置された熱交換器とをさらに備える。鉄鋼生産設備が、熱交換器を介して２つの別個のループ間で熱エネルギーを伝達するための既存のインフラストラクチャを含む場合、本発明によるシステムは、このインフラストラクチャを効率的な方法で利用することができる。
【００２４】
本発明の第３の態様では、閉ループ熱力学サイクルで作動し、熱エネルギーを電気に変換するように構成された動力変換モジュールへの熱エネルギーの投入を制御するための方法が提供され、当該方法は、動力変換モジュールを、鉄鋼生産設備のスキッドパイプから熱エネルギーを受け取る循環流体を含む第１の閉冷却ループ、および第１の閉冷却ループに配置された冷却源と流体連通するように配設するステップと、第１の閉冷却ループ内の温度を測定するステップと、測定された温度が第１の所定の閾値温度を下回るとき、冷却源を第１の閉冷却ループから切り離すことで、前記循環流体が動力変換モジュールの高温側のみに流れ込み、動力変換モジュールへの熱エネルギーの投入を実現するステップと、を備える。
【００２５】
好ましい実施形態では、その方法は、測定された温度が第１の所定の閾値温度を超える場合、第１の閉冷却ループから流体的に隔てられた第２の閉冷却ループ内で冷却源から動力変換モジュールに流体の流れを導くステップを更に備える。
【００２６】
代替の実施形態では、方法は、前記測定された温度が第２の所定の閾値温度を超えるとき、前記動力変換モジュールを前記第１の閉冷却ループおよび前記冷却源から切り離すことで、前記循環流体が前記冷却源のみに向けられるステップを更に備える。
【００２７】
次に、添付の図面を参照しつつ例示によって本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１ａ】鉄鋼生産設備における従来の冷却装置の概略図である。
【図１ｂ】鉄鋼生産設備における従来の冷却装置の概略図である。
【図２ａ】初期ウォームアップ段階における、本発明による熱エネルギーの回収のためのシステムを備える鉄鋼生産設備における冷却装置の概略図である。
【図２ｂ】初期ウォームアップ段階における、本発明による熱エネルギーの回収のためのシステムを備える鉄鋼生産設備における冷却装置の概略図である。
【図２ｃ】初期ウォームアップ段階における、本発明による熱エネルギーの回収のためのシステムを備える鉄鋼生産設備における冷却装置の追加の実施形態の概略図である。
【図２ｄ】初期ウォームアップ段階における、本発明による熱エネルギーの回収のためのシステムを備える鉄鋼生産設備における冷却装置の追加の実施形態の概略図である。
【図３】運転段階における、本発明による熱エネルギーの回収のためのシステムを備える鉄鋼生産設備における冷却装置の概略図である。
【図４】停止段階における、本発明による熱エネルギー回収のためのシステムを備える鉄鋼生産設備における冷却装置の概略図である。
【図５】本発明で使用することができる例示的な発電モジュールの動作原理を示す熱力学的閉ループサイクルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下において、本発明に従って電力を生成するために、鉄鋼生産設備から廃熱を回収する改良されたシステムおよび方法の詳細な説明が提供される。
【００３０】
図１ａおよび図１ｂは、鉄鋼生産設備１、例えば、冷却装置を含む、鋼の圧延で使用されるウォーキングビームまたはプッシャータイプの再加熱炉を示す。このような再加熱炉は、特定の外形になるように機械的に成形する前に、原料を（所望の）温度まで上昇させるために製鋼所で広く使用されている。炉内の温度は通常、プロセス要件に応じて１１００〜１３００℃に維持される。要素はブルーム(bloom)とも呼ばれ、スキッド２上で炉内を通るように運ばれ、スキッド２は、要素を、炉内を通るように機械的に前進させる。スキッド２は耐火材で覆われており、材料の温度を許容レベルに保つために内部が流体（水）で冷却される。スキッドパイプ２はループ状に相互に接続されて、スキッド２から熱を逃がす。図１ａに示す冷却装置では、スキッドパイプ２は第１の閉冷却ループ５内に接続され、流体はポンプ７によってスキッドパイプ２と冷却用の冷却源６(cooling source)（例えば冷却塔）との間で循環される。
【００３１】
図１ｂは、別の例示的な冷却装置を示しており、スキッドパイプ２は、第１の閉冷却ループ５から流体的に隔てられたスキッドパイプ熱伝達ループ３内に接続される。この場合、熱エネルギーは、スキッドパイプ熱伝達ループ３と、冷却源６を備える第１の閉冷却ループ５との間に配置された熱交換器４を利用して、スキッドパイプ２から間接的に伝達される。上述したように、第１の閉冷却ループ５内の循環流体（水）の温度は、一般的に１０〜４０℃の範囲である。スキッドパイプ熱伝達ループ３から伝達される熱は、典型的には、第１の閉冷却ループ５内の水の温度を約１０℃上昇させることで炉内のスキッド２の温度を許容可能なレベルに維持する。
【００３２】
スキッドパイプ熱伝達ループ３および第１の閉冷却ループ５の各々は、それぞれの流体をその中に循環させるためにポンプ７および８をそれぞれ備える。流れの方向は、平行流、向流、または直交流のいずれかであってよい。本例では、矢印で示すように、流路は向流である。第１の閉冷却ループ５は、温度の上昇に伴う水の膨張を可能にする膨張室９をさらに備えてもよい。
【００３３】
次に図２〜図４に注目すると、本発明による鉄鋼生産設備１における熱エネルギーの回収のためのシステムが示されている。システムは、閉ループ熱力学サイクルで作動し、前記第１の閉冷却ループ５から抽出された熱エネルギーを電気に変換するように構成された動力変換モジュール１０を備える。そのような動力変換モジュール１０の一例は、図５に関連して以下でさらに説明される。動力変換モジュール１０は、熱交換器４および冷却源６の両方と流体連通するように第１の閉冷却ループ５に配置され、弁１１、１２、１３ａ、１３ｂ、１４と、動力変換モジュール１０のそれぞれ高温側および低温側を、第１の閉冷却ループ５および冷却源６とそれぞれ接続する追加の導管とを含む流量制御システムを備える。さらに、動力変換モジュール１０は、第１の閉冷却ループ５内の温度Ｔを測定するための手段（図示せず）を備える。
【００３４】
より具体的には、動力変換モジュール１０の高温側への入口１０ａは、熱交換器４の下流かつ冷却源６の上流の第１の閉冷却ループ５に接続されるのに対して、動力変換モジュール１０の高温側の出口１０ｂは、冷却源６の下流かつ熱交換器４の上流の第１の閉冷却ループ５に接続される。同様に、動力変換モジュール１０の低温側への入口１０ｃは、熱交換器４の上流で冷却源６に接続され、動力変換モジュール１０の低温側の出口１０ｄは、熱交換器の４の下流で冷却源６に接続される。さらに、動力変換モジュール１０と第１の閉冷却ループ５との間、ならびに動力変換モジュール１０と冷却源６との間の流れを制御および誘導するための弁１１、１２、１３ａ、１３ｂ、１４、例えば当技術分野で知られている三方弁、戻り弁などが設けられている。動作モードに応じて、第１の閉冷却ループ５内の流体（水）の流れが制御され得ることで、以下で説明するように、異なる構成要素を切り離す／迂回する、分離する、または接続することができる。
【００３５】
熱エネルギーを電気に変換できるようにするために、動力変換モジュール１０は、およそ約７０℃の最小閾値温度を必要とし、好ましくは、この温度は８０〜１２０℃の範囲であるべきである。したがって、最初の起動段階またはウォームアップ段階では、第１の閉冷却ループ５内の流体の温度を、通常の１０〜４０℃から上昇させる必要がある。この動作モードは、それぞれ図１ａおよび図１ｂに示される２つの冷却装置に関連して図２ａおよび図２ｂに示される。第１の閉冷却ループ５内の温度Ｔが第１の所定の閾値温度ＴＳＴＡＲＴを下回った場合、流量制御システムは流れの方向を変えて、冷却源６を第１の閉冷却ループ５から切り離す。三方弁１１は、熱交換器４から入口１０ａへの加熱された水の流れを動力変換モジュール１０の高温側に向けるように設定されており（白で示されている）、また弁１２が閉鎖される（黒で示されている））ことで、動力変換モジュール１０の高温側からの出口１０ｂからの水は、冷却源６（斜線で示される）を通過せずに熱交換器４（矢印で示される流路）に戻る。同時に、動力変換モジュール１０と冷却源６の間の導管は閉じたままである（弁１３ａ、１３ｂは黒色で示されている）。熱交換器４を通過するたびに、冷却なしの場合、水の温度Ｔは、第１の所定の閾値温度ＴＳＴＡＲＴに達するまで上昇する。
【００３６】
水蒸気は水よりも比熱容量が低い、すなわち冷却効果が低いため、第１の閉冷却ループ５内の循環流体は液体形態に保たれることが重要である。循環流体の気化を防ぐために、８０〜１２０℃の温度範囲では、第１の閉冷却ループ５の圧力は約２バールに維持されるべきである。もちろん、より高い圧力では、蒸発の危険を冒すことなく温度範囲を広げることが可能である。しかしながら、約２バールの圧力が伝統的に鉄鋼生産設備の冷却装置で使用されており、本発明によるシステムに最適であると考えられている。
【００３７】
システムの別の実施形態では、図２ｃおよび図２ｄに開示されるように、追加の配管１８および追加の三方弁１９が、冷却源６および動力変換モジュール１０を第１の閉冷却ループ５から切り離すように構成されている。これにより、循環流体は、第２のより短い閉冷却ループ５ａ内を流れるように向けられ、この場合、スキッドパイプ２からの熱エネルギーの投入は、第２の閉冷却ループ５ａ内の循環流体をより迅速に加熱する。これにより、循環流体のウォームアップ段階を短縮することができる。たとえば、循環流体の温度が、例えば１０℃未満の場合、このような循環流体の初期のウォームアップが必要になる場合がある。もちろん、循環流体の極低温以外の理由で急速なウォームアップが必要になる場合もある。
【００３８】
第１の閉冷却ループ５内の温度Ｔが第１の所定の閾値温度ＴＳＴＡＲＴを超えるとき、動力変換モジュール１０は、第１の閉冷却ループ５内の加熱された水から熱エネルギーが抽出され電気に変換される動作モードに切り替わる。この動作モードは図３に示されている。ここで、流量制御システムは、加熱された水が熱交換器４と動力変換モジュール１０の高温側との間を循環し続けるように、弁１１および１２の設定を維持する。同時に、動力変換モジュール１０の低温側と冷却源６との間の導管が開かれることで（弁１３ａ、１３ｂは白で示される）、その間に第２の閉冷却ループ１６が形成され、この閉冷却ループは、第１の熱交換器４と動力変換モジュール１０の高温側との間の第１の閉冷却ループ５から隔てられ（分離され）ている。矢印で示すように、この第２の閉冷却ループ１６の循環は、追加のポンプ１５（白で示されている）によって補足することができる。この動作モードでは、熱交換器４からの加熱された水は、動力変換モジュール１０で間接的に冷却される。抽出された熱エネルギーは、動力変換モジュール１０内の作動媒体を加熱して電気を生成するのに使用されるのに対して、作動媒体は、動力変換モジュール１０の低温側に接続された冷却源６によって冷却される。
【００３９】
最適な作動条件を確保し、蒸発を防ぐために、流量制御システムは、第１の閉冷却ループ５の温度Ｔが第２の所定の閾値温度ＴＳＴＯＰを超えた場合、例えば上記で定義されたような動力変換モジュール１０の動作範囲８０〜１２０℃（圧力２ｂａｒで）を超えた場合、動力変換モジュール１０を迂回するように構成されてもよい。システムのこの動作モードは図４に示され、図１に示す従来の冷却装置の流路に似通っている。ここで、三方弁１１は、熱交換器４からの加熱された水が動力変換モジュール１０の高温側を通って流れずに、冷却源６に向かうように設定（白で示されている）されている。動力変換モジュール１０の低温側と冷却源６との間の導管も同様に閉じられることで（弁１３ａ、１３ｂは黒色で示されている）、動力変換モジュール１０は第１の閉冷却ループ５から完全に切り離される。代わりに、冷却源６からの流路は、開放している弁１２、１４（白で示されている）を通って熱交換器４に直接戻る。
【００４０】
上記で説明したように、システムの流路を制御することにより、再加熱炉からの廃熱を取り出し、発電に利用することができる。熱エネルギーの約１０％が、製造プロセスに影響を与えることなく電気エネルギーに変換され得ると推定される。炉の雰囲気（約１３００℃）と冷却水との温度差は非常に大きいため、２０℃〜１００℃の間の冷却温度の変化は、製造プロセスに全く影響を与えることなく同じ冷却効果を生む。これは、液体状態の水の特有の比熱容量は、２０℃〜１００℃ではほんのわずかしか変化しないためである。換言すると、液体状態にある水の冷却能力は、温度に関係なく実質的に同じである。
【００４１】
上記のように、熱力学的閉ループシステムを利用して熱をエネルギーに変換する熱変換システムは、国際公開ＷＯ２０１２／１２８７１５号パンフレットに開示されている。発電モジュールを含む同様の熱変換システムが図５に視覚化されている。
【００４２】
図５は、例示的な発電モジュールの動作原理を図示する概略図を示す。発電モジュールは、熱力学的サイクルで生成される作動媒体の相変化エネルギーを利用することによって低温の熱を電気に変換するように構成されている。熱力学的閉ループサイクルは、ランキンサイクル(Rankine cycle)、有機ランキンサイクル、カリーナサイクル(Kalina cycle)、または熱を電力に変換する他の既知の熱力学的閉ループ発電プロセスであり得る。発電モジュールは、タービン３００、発電機４００、熱源（ＨＳ）熱交換器２００、凝縮装置１００、およびポンプ６００を含み、作動媒体は、モジュール内を通るように循環される。発電モジュールのメインポンプは、凝縮ベッセル（condenser vessel、復水器）の真下に配置される。作動流体は、蒸発器とも呼ばれる熱源熱交換器２００内で、入ってくる熱源、例えば、第１の閉冷却ループ５内の加熱された水によって蒸発するまで加熱される。高温のガス状の作動流体はその後、電気エネルギーを生成するために発電機４００を駆動するタービン３００に送られる。膨張した高温の作動流体は、まだガス状であり、その後凝縮装置１００に供給されて、液体の形態に戻るように変換されてから、ＨＳ熱交換器２００に再循環されて図５の左側に示されるように閉ループサイクル１０を完成する。
【００４３】
凝縮装置は、一実施形態では、ほぼ円筒形の形状を有するベッセル（容器）１００またはコンテナ１００であってよい。作動媒体の液体組成物は、遠心ポンプ６００によって凝縮装置１００の底部部分を通して排出される。液体媒体Ｑの流れは、２つの流れＱ１、Ｑ２に分離されてよく、第１の相対的に大きな流れＱ１は、第１の導管を通ってＨＳ熱交換器２００に再循環され、第２の相対的に小さな流れＱ２は、第２の導管を通って冷源（ＣＳ）熱交換器５００に供給されて、凝縮装置１００の頂部部分に戻る前に冷却される。前記冷源(cold source)は、第２の閉冷却ループ１６内の動力変換モジュール１０に接続される冷却源(cooling source)６であり、第２の流れＱ２によって放出される熱エネルギーは、異なる用途で使用されてよい。
【００４４】
別の実施形態では、作動媒体の凝縮は、ＣＳ熱交換器５００内で直接行われ、この熱交換器５００はこの場合、凝縮装置であると言える。この実施形態では、液体媒体Ｑの全体の流れが、ＨＳ熱交換器２００に直接戻されてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  鉄鋼生産設備
２  スキッドパイプ
３  スキッドパイプ熱伝達ループ
４  熱交換器
５  第１の閉冷却ループ
５ａ  より短い閉冷却ループ
６  冷却源
１０  動力変換モジュール
１１  弁
１２  弁
１３ａ，１３ｂ  弁
１４  弁
１６  第２の閉冷却ループ
１７  温度（Ｔ）を測定する手段
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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