1. プライマリーアルミニウムとリサイクルアルミニウムのプロセスフロー比較
プライマリーアルミニウムはボーキサイトの採掘から始まり、バイヤー法によりアルミナに精製されます。その後、ホール・エルー法による電解で液状アルミニウムに還元され、最終的にプライマリーアルミニウムインゴットに鋳造されます。リサイクルアルミニウムは、採掘と電解のプロセスを省略し、様々な種類のアルミニウムスクラップを直接原料として使用します。主要なプロセスには、給餌予熱、溶解、精錬、保温、鋳造、切断、均質化熱処理が含まれます。
プライマリーアルミニウムとリサイクルアルミニウムの製造プロセスの違い
スクラップは、社内スクラップと社外スクラップに分けられます。社内スクラップは、鋳造ライザー、切断端材、圧延端材など、当社の生産プロセスから発生するものです。これらのスクラップは組成がクリーンであり、一般的に複雑な前処理を必要としません。炉で直接再溶解できます。社外スクラップは、自動車部品、アルミ缶、ケーブル、家電製品のアルミニウム部品など、消費者のエンドで発生するスクラップ製品から発生するもので、炉に入れる前に選別とコーティング除去が必要です。溶解後の精錬プロセスには、合金化と成分の混合、フラックスによるスラグ除去、ロータリー脱ガス、セラミックろ過、溶融水素と非金属介在物の除去が含まれます。その後、溶湯は保温炉に入り、静的温度制御を行い、セミ連続鋳造を完了してアルミニウム板のブランクを得ます。ブランクの一部は、鋳造偏析を排除し、後続の圧延加工性能を向上させるために、長時間の均質化熱処理も必要とします。
SAPA工場の完全な材料エネルギーの入出力プロセスを次の図に示します。システム境界には、予熱炉、溶解炉、保温炉、鋳造、切断、均質化熱処理の全プロセスが含まれます。入力には、生アルミニウムインゴット、社内および社外のスクラップ材料、フラックス、プロパン燃料、電力、酸素、アルゴンガスが含まれます。出力には、アルミニウム板のブランク、アルミニウムスラグ、様々なプロセススクラップ、および排ガスと冷却水によって運ばれるエネルギー損失が含まれます。
2. 主な溶解炉の種類
本研究では、産業界で広く使用されている誘導炉と酸素燃料炉を比較することに焦点を当てています。（1）誘導炉：電磁誘導を利用して金属内部で直接ジュール熱を発生させてアルミニウム材料を溶解します。燃料燃焼の必要がなく、煙の排出が最小限であり、溶湯は燃焼生成物による汚染を受けにくいです。主なエネルギー損失は、炉壁からの放熱、スラグ除去アルミニウムスラグによって運ばれる熱、および誘導コイルの冷却水によって運ばれる大量の熱です。

2）酸素燃料炉：プロパンを燃料とし、空気による燃焼補助なしで、純粋な酸素を燃焼補助に使用します。通常の空気燃料の燃焼は大量の窒素を運び込み、排ガスによって大量の熱とともに運び去られます。酸素燃料燃焼は排ガス中に大量の窒素を含まないため、排ガスの総流量を大幅に削減し、熱損失を最小限に抑えることができます。装置には、電磁攪拌（EMS）が装備されており、溶湯の熱伝達を強化し、溶解速度を向上させます。酸素燃料炉の主な熱損失は、高温排ガス、炉壁、冷却水、アルミニウムスラグからです。

工場には予熱炉も装備されており、燃料直火予熱炉と排ガス廃熱予熱炉に分けられます。排ガス廃熱予熱炉は、酸素燃料炉の高温排ガス熱を回収し、炉に投入されるスクラップ材料を乾燥・予熱し、追加の燃料消費を必要としません。これは重要な省エネ対策です。すべての保温炉はガス焚きで、溶湯の温度を維持し、精錬とスラグ除去を完了します。すべての均質化熱処理は電気加熱炉を使用して行われます。
3. 研究会計方法
熱力学第一法則に従い、総入力質量は総出力質量に等しくなります。入力総エネルギー=有効利用熱+様々な種類の熱損失。[Q {in}=Q {out}=Q {useful}+Q {loss}]熱損失は、炉壁の放射+対流放熱損失、排ガスの顕熱損失、冷却水によって運ばれる熱、輸送中の温度低下熱損失、アルミニウムスラグとプロセススクラップによって運ばれる顕熱に細分化されます。炉壁の放熱について、放射熱伝達と対流熱伝達を同時に計算します。排ガスの熱損失は、排ガス中の各成分のエンタルピー差に基づいて計算されます。異なる温度での材料のエンタルピー値は、Thermo Calc熱力学ソフトウェアTCAL1データベースを使用して計算され、アルミニウムと合金の異なる温度でのエンタルピー値を取得し、輸送、加熱、冷却プロセス中の熱計算に使用されます。
ISO14040およびISO14044規格に従い、Cradle to Gateの境界を採用し、製品の後続の使用およびスクラップリサイクル段階は除外します。
炭素排出量には、直接排出と間接排出が含まれます。
直接排出：工場内でのプロパンとディーゼルの燃焼による温室効果ガスの排出。
間接排出：上流のプライマリーアルミニウムインゴット製造、スクラップ前処理、電力生産、補助材料準備からの排出。
工場で使用される電力は、スウェーデンのVattenfall原子力発電からのもので、炭素排出係数はわずか6.5 gCO ₂ eq/kWhです。ネイティブアルミニウムインゴットは、欧州アルミニウム協会のEAAデータベースから調達されます。社内での返却スクラップ材料の前処理の負担は0として計算されます。社外リサイクルスクラップは、破砕および選別処理の炭素排出量に含まれます。酸素、冷却水、アルゴンの寄与は非常に低く、計算では無視されます。炭素フットプリントは、様々な材料の消費量にそれぞれの炭素排出係数を乗算し、製品トンあたりのCO ₂等量を得るために累積したものです。