1. Vergleich des Prozessflusses zwischen Primäraluminium und recyceltem Aluminium
Primäraluminium beginnt mit dem Bauxitabbau und wird über das Bayer-Verfahren zu Aluminiumoxid raffiniert. Anschließend wird es durch Hall-Elute-Elektrolyse zu flüssigem Aluminium reduziert und schließlich zu Primäraluminiumbarren gegossen. Recyceltes Aluminium verwendet direkt verschiedene Arten von Aluminiumabfällen als Rohmaterialien und umgeht die Abbau- und Elektrolyseverfahren. Die Kernprozesse umfassen das Zuführen, Vorheizen, Schmelzen, Raffinieren, Isolieren, Gießen, Sägen und die Homogenisierungs-Wärmebehandlung.
Unterschiede in den Produktionsprozessen zwischen Primäraluminium und recyceltem Aluminium
Abfälle werden in interne und externe Abfälle unterteilt. Interne Abfälle stammen aus dem Produktionsprozess unserer Fabrik, wie z. B. Gießspeisereste, Sägespäne und Walzkanten. Diese Abfallarten haben eine saubere Zusammensetzung und erfordern im Allgemeinen keine komplexe Vorbehandlung. Sie können direkt im Ofen wieder eingeschmolzen werden; externe Abfälle stammen aus verschrotteten Produkten am Ende des Verbrauchs, wie z. B. Automobilkomponenten, Aluminiumdosen, Kabel und Aluminiumteile von Haushaltsgeräten, die vor dem Einschmelzen sortiert und entlackt werden müssen. Der Raffinationsprozess nach dem Schmelzen umfasst Legierungs- und Mischkomponenten, Flussmittel-Schlackeentfernung, Rotationsentgasung, Keramikfiltration und die Entfernung von geschmolzenem Wasserstoff und nichtmetallischen Einschlüssen; Anschließend gelangt die Schmelze in den Isolierofen zur statischen Temperaturkontrolle, um eine halbkontinuierliche Gießerei abzuschließen und Aluminiumplattenrohlinge zu erhalten. Einige der Rohlinge müssen auch einer Langzeit-Homogenisierungs-Wärmebehandlung unterzogen werden, um Gießseigerungen zu beseitigen und die nachfolgende Walzverarbeitungsleistung zu verbessern.
Der vollständige Materialenergie-Input- und Output-Prozess der SAPA-Fabrik ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Systemgrenze umfasst den gesamten Prozess des Vorwärmofens, des Schmelzofens, des Isolierofens, des Gießens, des Sägens und der Homogenisierungs-Wärmebehandlung; Der Input umfasst Rohaluminiumbarren, interne und externe Abfallmaterialien, Flussmittel, Propanbrennstoff, Strom, Sauerstoff und Argon; Der Output umfasst Aluminiumplattenrohlinge, Aluminiumschlacke, verschiedene Prozessabfälle und Energieverluste, die durch Rauchgas und Kühlwasser abgeführt werden.
2. Haupttypen von Schmelzöfen
Die Forschung konzentriert sich auf den Vergleich von Induktionsöfen, die in der Industrie weit verbreitet sind, mit Sauerstoff-Brennstofföfen. (1) Induktionsofen: Er nutzt die elektromagnetische Induktion, um direkt Joule-Wärme im Metall zu erzeugen, um Aluminiummaterial zu schmelzen, ohne dass eine Brennstoffverbrennung erforderlich ist, mit minimalen Rauchemissionen, und die Schmelze wird nicht leicht durch Verbrennungsprodukte verunreinigt; Der Hauptenergieverlust entsteht durch die Wärmeableitung der Ofenwand, die durch die Schlacke abtransportierte Aluminiumschlacke und die große Menge an Wärme, die vom Kühlwasser der Induktionsspule abgeführt wird.

2) Sauerstoff-Brennstoffofen: Verwendet Propan als Brennstoff, ohne Luft zur Unterstützung der Verbrennung, und reinen Sauerstoff zur Unterstützung der Verbrennung. Die Verbrennung von gewöhnlichem Luftbrennstoff bringt eine große Menge Stickstoff mit sich, der erhitzt und mit einer großen Menge Wärme durch das Abgas abgeführt wird; Die Sauerstoff-Brennstoffverbrennung enthält keinen großen Stickstoffanteil im Rauchgas, was den Gesamtdurchsatz des Rauchgases erheblich reduzieren und den Wärmeverlust minimieren kann; Die Anlage ist mit elektromagnetischer Rührung (EMS) ausgestattet, um den Wärmeübergang der Schmelze zu verbessern und die Schmelzgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Hauptwärmeverluste von Sauerstoff-Brennstofföfen entstehen durch Hochtemperatur-Rauchgas, Ofenwände, Kühlwasser und Aluminiumschlacke.

Die Fabrik ist auch mit Vorwärmöfen ausgestattet, die in direkt befeuerte Vorwärmöfen und Abgas-Abwärme-Vorwärmöfen unterteilt sind; Der Abgas-Abwärme-Vorwärmofen nutzt die Hochtemperatur-Abgaswärme des Brennstoffofens, um die in den Ofen eingebrachten Abfallmaterialien zu trocknen und vorzuwärmen, ohne zusätzlichen Brennstoffverbrauch, was eine wichtige energiesparende Maßnahme darstellt. Alle Isolieröfen sind gasbefeuert und halten die Temperatur der Schmelze aufrecht und führen die Raffination und Schlackeentfernung durch; Alle Homogenisierungs-Wärmebehandlungen werden in elektrischen Heizöfen durchgeführt.
3. Forschungsmethoden zur Rechnungslegung
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist die gesamte Masseneingabe gleich der gesamten Massenausgabe; Gesamte Energieeingabe = effektiv genutzte Wärme + verschiedene Arten von Wärmeverlusten. [Q {in}=Q {out}=Q {useful}+Q {loss}] Wärmeverluste werden unterteilt in: Strahlungs- und konvektive Wärmeableitungsverluste der Ofenwand, sensible Wärmeabfuhrverluste durch Rauchgas, Wärmeabfuhr durch Kühlwasser, Wärmeabfuhr durch Temperaturabfall beim Transport und sensible Wärmeabfuhr durch Aluminiumschlacke und Prozessabfälle. Gleichzeitige Berechnung der Wärmestrahlung und der Konvektionswärme für die Wärmeableitung der Ofenwand; Der Wärmeverlust des Rauchgases wird basierend auf der Enthalpiedifferenz der einzelnen Komponenten im Rauchgas berechnet; Die Enthalpiewerte von Materialien bei verschiedenen Temperaturen werden mit der Thermo Calc thermodynamischen Software TCAL1-Datenbank berechnet, um die Enthalpiewerte von Aluminium und Legierungen bei verschiedenen Temperaturen zu erhalten, die für die Wärmeberechnung während des Transports, der Erwärmung und der Kühlung verwendet werden.
Nach den ISO14040- und ISO14044-Standards wird eine Cradle-to-Gate-Grenze verwendet, die die nachfolgenden Nutzungs- und Schrottrecyclingphasen des Produkts ausschließt.
Die Kohlenstoffemissionen umfassen direkte und indirekte Emissionen:
Direkte Emissionen: Die Verbrennung von Propan und Diesel innerhalb der Fabrik erzeugt Treibhausgase;
Indirekte Emissionen: Emissionen aus der vorgelagerten Primäraluminiumbarrenproduktion, der Abfallvorbehandlung, der Stromerzeugung und der Vorbereitung von Hilfsmaterialien.
Der von der Fabrik verwendete Strom stammt aus schwedischer Kernkraft von Vattenfall mit einem Kohlenstoffemissionsfaktor von nur 6,5 gCO₂eq/kWh; Native Aluminiumbarren stammen aus der EAA-Datenbank der European Aluminium Association; Die Belastung durch die Vorbehandlung von zurückgeführtem Abfallmaterial innerhalb der internen Fabrik wird als 0 berechnet; Externe Recyclingabfälle werden in die Kohlenstoffemissionen der Zerkleinerungs- und Sortierbehandlung einbezogen; Der Beitrag von Sauerstoff, Kühlwasser und Argon ist sehr gering und wird bei der Berechnung ignoriert. Der CO₂-Fußabdruck entspricht dem Verbrauch verschiedener Materialien multipliziert mit den entsprechenden Kohlenstoffemissionsfaktoren, und die Summe ergibt CO₂-Äquivalente pro Tonne Produkt.