1. Confronto del flusso di processo tra alluminio primario e alluminio riciclato
L'alluminio primario parte dall'estrazione della bauxite e viene raffinato in allumina attraverso il processo Bayer. Viene quindi ridotto in alluminio liquido tramite elettrolisi Hall-Héroult e infine fuso in lingotti di alluminio primario. L'alluminio riciclato utilizza direttamente vari tipi di scarti di alluminio come materie prime, bypassando i processi di estrazione ed elettrolisi. I processi principali includono il pre-riscaldamento, la fusione, la raffinazione, l'isolamento, la colata, la segatura e il trattamento termico di omogeneizzazione.
Differenze nei processi di produzione tra alluminio primario e alluminio riciclato
Gli scarti sono divisi in scarti interni ed esterni. Gli scarti interni provengono dal processo produttivo del nostro stabilimento, come i canali di colata, i ritagli di segatura e i bordi di laminazione. Questi tipi di scarti hanno una composizione pulita e generalmente non richiedono un pre-trattamento complesso. Possono essere rifusi direttamente nel forno; gli scarti esterni provengono da prodotti dismessi a fine vita, come componenti automobilistici, lattine, cavi e parti in alluminio di elettrodomestici, che devono essere selezionati e sverniciati prima di poter essere immessi nel forno. Il processo di raffinazione dopo la fusione include l'alligazione e la miscelazione dei componenti, la rimozione della scoria di fondente, la degasazione rotativa, la filtrazione ceramica e la rimozione di idrogeno fuso e inclusioni non metalliche; Successivamente, il fuso entra nel forno di mantenimento per il controllo statico della temperatura, completando la colata semicontinua per ottenere semilavorati di piastre di alluminio. Alcuni dei semilavorati devono anche subire un trattamento termico di omogeneizzazione a lungo termine per eliminare la segregazione di colata e migliorare le prestazioni di lavorazione di laminazione successive.
Il processo completo di immissione ed emissione di energia materiale della fabbrica SAPA è mostrato nella figura seguente. Il confine del sistema include l'intero processo del forno di pre-riscaldamento, del forno di fusione, del forno di mantenimento, della colata, della segatura e del trattamento termico di omogeneizzazione; L'input include lingotti di alluminio grezzo, materiali di scarto interni ed esterni, fondente, combustibile propano, elettricità, ossigeno e gas argon; L'output include semilavorati di piastre di alluminio, scorie di alluminio, vari scarti di processo e perdite di energia trasportate dai gas di scarico e dall'acqua di raffreddamento.
2. Principali tipi di forni di fusione
La ricerca si concentra sul confronto tra forni a induzione ampiamente utilizzati nell'industria e forni a ossicombustione. (1) Forno a induzione: si basa sull'induzione elettromagnetica per generare direttamente calore Joule all'interno del metallo per fondere il materiale di alluminio, senza la necessità di combustione di combustibile, con emissioni minime di fumo, e il fuso non è facilmente contaminato dai prodotti della combustione; La principale perdita di energia deriva dalla dissipazione di calore della parete del forno, dal calore trasportato via dalle scorie di alluminio rimosse e dalla grande quantità di calore trasportato via dall'acqua di raffreddamento della bobina a induzione.

2) Forno a ossicombustione: utilizza propano come combustibile, senza aria per assistere la combustione, utilizzando ossigeno puro per assistere la combustione. La combustione di combustibile ad aria normale porterà una grande quantità di azoto, che viene riscaldato e trasportato via con una grande quantità di calore dai gas di scarico; La combustione a ossigeno non contiene una grande quantità di azoto nei gas di scarico, il che può ridurre significativamente la portata totale dei gas di scarico e minimizzare la perdita di calore; L'attrezzatura è dotata di agitazione elettromagnetica EMS per migliorare il trasferimento di calore del fuso e aumentare la velocità di fusione. Le principali perdite di calore dei forni a ossicombustione derivano dai gas di scarico ad alta temperatura, dalle pareti del forno, dall'acqua di raffreddamento e dalle scorie di alluminio.

La fabbrica è inoltre dotata di forni di pre-riscaldamento, che sono divisi in forni a combustione diretta di combustibile e forni a recupero di calore dai fumi; Il forno a recupero di calore dai fumi recupera il calore dei fumi ad alta temperatura del forno a combustibile per asciugare e pre-riscaldare i materiali di scarto immessi nel forno senza la necessità di un consumo aggiuntivo di combustibile, che è un'importante misura di risparmio energetico. Tutti i forni di mantenimento sono a gas, mantenendo la temperatura del fuso e completando la raffinazione e la rimozione delle scorie; Tutti i trattamenti termici di omogeneizzazione vengono eseguiti utilizzando forni a riscaldamento elettrico.
3. Metodi di contabilità della ricerca
Seguendo il primo principio della termodinamica, la massa totale in ingresso è uguale alla massa totale in uscita; Energia totale in ingresso = calore utilizzato efficacemente + vari tipi di perdite di calore. [Q {in}=Q {out}=Q {utile}+Q {perdita}] La perdita di calore è suddivisa in: radiazione della parete del forno + perdita per dissipazione convettiva, perdita di calore sensibile dei gas di scarico, calore trasportato via dall'acqua di raffreddamento, perdita di calore per caduta di temperatura durante il trasporto e calore sensibile trasportato via dalle scorie di alluminio e dagli scarti di processo. Calcolo simultaneo del trasferimento di calore radiativo e convettivo per la dissipazione di calore della parete del forno; La perdita di calore dei gas di scarico viene calcolata in base alla differenza entalpica di ciascun componente nei gas di scarico; I valori entalpici dei materiali a diverse temperature vengono calcolati utilizzando il software termodinamico Thermo Calc TCAL1 database per ottenere i valori entalpici dell'alluminio e delle sue leghe a diverse temperature, che vengono utilizzati per il calcolo del calore durante i processi di trasporto, riscaldamento e raffreddamento.
Seguendo gli standard ISO14040 e ISO14044, adottando un confine Cradle to Gate, escludendo le fasi successive di utilizzo e riciclaggio degli scarti del prodotto.
Le emissioni di carbonio includono emissioni dirette e indirette:
Emissioni dirette: La combustione di propano e diesel all'interno della fabbrica produce gas serra;
Emissioni indirette: emissioni dalla produzione di lingotti di alluminio primario a monte, pre-trattamento degli scarti, produzione di energia e preparazione di materiali ausiliari.
L'elettricità utilizzata dalla fabbrica proviene dall'energia nucleare Vattenfall in Svezia, con un fattore di emissione di carbonio di soli 6,5 gCO₂ eq/kWh; I lingotti di alluminio nativo sono reperiti dal database EAA dell'Associazione Europea dell'Alluminio; L'onere del pre-trattamento per i materiali di scarto restituiti all'interno della fabbrica è calcolato come 0; Gli scarti di riciclaggio esterni sono inclusi nelle emissioni di carbonio del trattamento di frantumazione e selezione; Il contributo di ossigeno, acqua di raffreddamento e argon è molto basso e viene ignorato nel calcolo. L'impronta di carbonio è uguale al consumo di vari materiali moltiplicato per i corrispondenti fattori di emissione di carbonio, e accumulato per ottenere l'equivalente di CO₂ per tonnellata di prodotto.