1. การเปรียบเทียบกระบวนการผลิตระหว่างอะลูมิเนียมปฐมภูมิและอะลูมิเนียมรีไซเคิล
อะลูมิเนียมปฐมภูมิเริ่มต้นจากการทำเหมืองบอกไซต์และกลั่นเป็นอะลูมินาผ่านกระบวนการ Bayer จากนั้นจึงลดรูปเป็นอะลูมิเนียมเหลวผ่านการแยกด้วยไฟฟ้าแบบ Hall-Héroult และสุดท้ายหล่อเป็นแท่งอะลูมิเนียมปฐมภูมิ อะลูมิเนียมรีไซเคิลใช้วัสดุเหลือใช้จากอะลูมิเนียมประเภทต่างๆ เป็นวัตถุดิบโดยตรง โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการทำเหมืองและการแยกด้วยไฟฟ้า กระบวนการหลัก ได้แก่ การป้อน การอุ่นล่วงหน้า การหลอม การกลั่น การรักษาความร้อน การหล่อ การเลื่อย และการอบอ่อนแบบโฮโมจีไนซ์
ความแตกต่างของกระบวนการผลิตระหว่างอะลูมิเนียมปฐมภูมิและอะลูมิเนียมรีไซเคิล
ของเสียแบ่งออกเป็นของเสียภายในและของเสียภายนอก ของเสียภายในมาจากกระบวนการผลิตของโรงงานของเรา เช่น ตัวป้อนจากการหล่อ เศษจากการเลื่อย และขอบจากการรีด ของเสียประเภทนี้มีส่วนประกอบที่สะอาดและโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องมีการบำบัดเบื้องต้นที่ซับซ้อน สามารถนำกลับมาหลอมใหม่ในเตาหลอมได้โดยตรง ของเสียภายนอกมาจากผลิตภัณฑ์ที่หมดอายุการใช้งานของผู้บริโภค เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์ กระป๋องอะลูมิเนียม สายเคเบิล และชิ้นส่วนอะลูมิเนียมของเครื่องใช้ในครัวเรือน ซึ่งต้องคัดแยกและลอกเคลือบก่อนนำเข้าเตาหลอม กระบวนการกลั่นหลังจากการหลอมรวมถึงการผสมและปรับส่วนประกอบ การกำจัดตะกรันฟลักซ์ การกำจัดก๊าซด้วยการหมุน การกรองด้วยเซรามิก และการกำจัดไฮโดรเจนที่หลอมเหลวและสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ หลังจากนั้น น้ำโลหะจะเข้าสู่เตาเก็บรักษาความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิแบบคงที่ ทำให้การหล่อแบบกึ่งต่อเนื่องเสร็จสมบูรณ์เพื่อผลิตแท่งอะลูมิเนียมแผ่น บางส่วนของแท่งยังต้องผ่านการอบอ่อนแบบโฮโมจีไนซ์เป็นเวลานานเพื่อกำจัดความไม่สม่ำเสมอจากการหล่อและปรับปรุงประสิทธิภาพการแปรรูปด้วยการรีดในภายหลัง
กระบวนการป้อนและส่งออกพลังงานวัสดุที่สมบูรณ์ของโรงงาน SAPA แสดงไว้ในรูปต่อไปนี้ ขอบเขตของระบบรวมถึงกระบวนการทั้งหมดของเตาอุ่นล่วงหน้า เตาหลอม เตาเก็บรักษาความร้อน การหล่อ การเลื่อย และการอบอ่อนแบบโฮโมจีไนซ์ การป้อนรวมถึงแท่งอะลูมิเนียมดิบ วัสดุเหลือใช้ภายในและภายนอก ฟลักซ์ เชื้อเพลิงโพรเพน ไฟฟ้า ออกซิเจน และก๊าซอาร์กอน การส่งออกรวมถึงแท่งอะลูมิเนียมแผ่น ตะกรันอะลูมิเนียม ของเสียจากกระบวนการต่างๆ และการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากก๊าซไอเสียและน้ำหล่อเย็น
2. ประเภทหลักของเตาหลอม
การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การเปรียบเทียบเตาเหนี่ยวนำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมกับเตาออกซิเจนเชื้อเพลิง (1) เตาเหนี่ยวนำ: อาศัยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างความร้อนจูลโดยตรงภายในโลหะเพื่อหลอมวัสดุอะลูมิเนียม โดยไม่ต้องใช้การเผาไหม้เชื้อเพลิง มีการปล่อยควันน้อยที่สุด และน้ำโลหะไม่ปนเปื้อนได้ง่ายจากผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ การสูญเสียพลังงานหลักมาจากการกระจายความร้อนของผนังเตา ความร้อนที่ถูกพาออกไปโดยตะกรันอะลูมิเนียมที่กำจัดออก และความร้อนจำนวนมากที่ถูกพาออกไปโดยน้ำหล่อเย็นของขดลวดเหนี่ยวนำ

2) เตาออกซิเจนเชื้อเพลิง: ใช้โพรเพนเป็นเชื้อเพลิง โดยไม่ต้องใช้อากาศช่วยในการเผาไหม้ ใช้ก๊าซออกซิเจนบริสุทธิ์ช่วยในการเผาไหม้ การเผาไหม้เชื้อเพลิงอากาศธรรมดาจะนำไนโตรเจนจำนวนมากเข้ามา ซึ่งจะถูกทำให้ร้อนและพาออกไปพร้อมกับความร้อนจำนวนมากโดยก๊าซไอเสีย การเผาไหม้ด้วยออกซิเจนไม่มีไนโตรเจนจำนวนมากในก๊าซไอเสีย ซึ่งสามารถลดอัตราการไหลรวมของก๊าซไอเสียได้อย่างมากและลดการสูญเสียความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด อุปกรณ์ติดตั้งระบบกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (EMS) เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนของน้ำโลหะและปรับปรุงอัตราการหลอม การสูญเสียความร้อนหลักของเตาออกซิเจนเชื้อเพลิงมาจากก๊าซไอเสียอุณหภูมิสูง ผนังเตา น้ำหล่อเย็น และตะกรันอะลูมิเนียม

โรงงานยังมีเตาอุ่นล่วงหน้า ซึ่งแบ่งออกเป็นเตาอุ่นล่วงหน้าแบบเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยตรง และเตาอุ่นล่วงหน้าแบบใช้ความร้อนทิ้งจากก๊าซไอเสีย เตาอุ่นล่วงหน้าแบบใช้ความร้อนทิ้งจากก๊าซไอเสียจะกู้คืนความร้อนจากก๊าซไอเสียอุณหภูมิสูงของเตาเชื้อเพลิง เพื่อทำให้วัสดุเหลือใช้แห้งและอุ่นล่วงหน้าก่อนนำเข้าเตา โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงเพิ่มเติม ซึ่งเป็นมาตรการประหยัดพลังงานที่สำคัญ เตาเก็บรักษาความร้อนทั้งหมดใช้แก๊ส เพื่อรักษาอุณหภูมิของน้ำโลหะและดำเนินการกลั่นและกำจัดตะกรัน การอบอ่อนแบบโฮโมจีไนซ์ทั้งหมดดำเนินการโดยใช้เตาอบไฟฟ้า
3. วิธีการคำนวณวิจัย
ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ มวลป้อนทั้งหมดเท่ากับมวลส่งออกทั้งหมด พลังงานป้อนทั้งหมด = ความร้อนที่ใช้ประโยชน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ + การสูญเสียความร้อนต่างๆ [Q {in}=Q {out}=Q {useful}+Q {loss}] การสูญเสียความร้อนแบ่งย่อยออกเป็น: การสูญเสียการแผ่รังสีของผนังเตา + การสูญเสียการกระจายความร้อนจากการพา การสูญเสียความร้อนแฝงของก๊าซไอเสีย ความร้อนที่ถูกพาออกไปโดยน้ำหล่อเย็น การสูญเสียความร้อนจากการลดลงของอุณหภูมิระหว่างการขนส่ง ความร้อนแฝงที่ถูกพาออกไปโดยตะกรันอะลูมิเนียมและของเสียจากกระบวนการ คำนวณการถ่ายเทความร้อนจากการแผ่รังสีและการถ่ายเทความร้อนจากการพาสำหรับผนังเตาไปพร้อมๆ กัน การสูญเสียความร้อนของก๊าซไอเสียคำนวณจากผลต่างของเอนทัลปีของแต่ละส่วนประกอบในก๊าซไอเสีย ค่าเอนทัลปีของวัสดุที่อุณหภูมิต่างๆ คำนวณโดยใช้ซอฟต์แวร์อุณหพลศาสตร์ Thermo-Calc ฐานข้อมูล TCAL1 เพื่อให้ได้ค่าเอนทัลปีของอะลูมิเนียมและโลหะผสมที่อุณหภูมิต่างๆ ซึ่งใช้สำหรับการคำนวณความร้อนระหว่างกระบวนการขนส่ง การให้ความร้อน และการทำความเย็น
ตามมาตรฐาน ISO14040 และ ISO14044 โดยใช้ขอบเขต Cradle to Gate ไม่รวมถึงระยะการใช้งานและการรีไซเคิลเศษวัสดุของผลิตภัณฑ์ในภายหลัง
การปล่อยก๊าซคาร์บอนรวมถึงการปล่อยโดยตรงและโดยอ้อม:
การปล่อยโดยตรง: การเผาไหม้โพรเพนและดีเซลภายในโรงงานก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก
การปล่อยโดยอ้อม: การปล่อยจากการผลิตแท่งอะลูมิเนียมปฐมภูมิต้นน้ำ การบำบัดของเสียเบื้องต้น การผลิตไฟฟ้า และการเตรียมวัสดุเสริม
ไฟฟ้าที่โรงงานใช้มาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Vattenfall ในสวีเดน โดยมีปัจจัยการปล่อยก๊าซคาร์บอนเพียง 6.5 gCO₂ eq/kWh แท่งอะลูมิเนียมพื้นเมืองมาจากฐานข้อมูล EAA ของสมาคมอะลูมิเนียมแห่งยุโรป ภาระของการบำบัดเบื้องต้นสำหรับวัสดุเหลือใช้ที่ส่งคืนภายในโรงงานภายในคำนวณเป็น 0 ของเสียรีไซเคิลภายนอกรวมอยู่ในการปล่อยก๊าซคาร์บอนจากการบดและคัดแยก การมีส่วนร่วมของออกซิเจน น้ำหล่อเย็น และอาร์กอนมีน้อยมากและถูกละเว้นในการคำนวณ รอยเท้าคาร์บอนเท่ากับปริมาณการใช้วัสดุต่างๆ คูณด้วยปัจจัยการปล่อยก๊าซคาร์บอนที่สอดคล้องกัน และสะสมเพื่อให้ได้ค่าเทียบเท่า CO₂ ต่อตันของผลิตภัณฑ์