Gestão Eficiente da Água e Controle de Poluição em Siderúrgicas Modernas

Gestão da Água e Controle de Poluição em Siderúrgicas

A água é um insumo indispensável para a produção de ferro e aço em uma siderúrgica. Por séculos, a água barata e abundante foi considerada um recurso garantido pela indústria siderúrgica. No cenário atual, porém, os recursos hídricos tornam-se cada vez mais escassos devido ao crescente desequilíbrio entre a disponibilidade de água doce e o consumo, tornando o acesso a água limpa e segura um dos maiores desafios da sociedade moderna.

A demanda por água continua aumentando devido a: (i) crescimento populacional e migração para regiões propensas a secas; (ii) desenvolvimento industrial rápido e aumento do uso de água per capita; e (iii) mudanças climáticas que alteram padrões climáticos em áreas povoadas. Isso colocou a indústria siderúrgica em uma nova era de restrição hídrica. Nas últimas três décadas, as preocupações com a poluição ambiental intensificaram-se globalmente, resultando em regulamentações ambientais mais restritivas. Diante da ameaça de escassez futura de recursos hídricos, a indústria siderúrgica mudou sua estratégia e política de água para a redução do consumo de água doce.

Desafios da Gestão Hídrica

Como a disponibilidade e qualidade da água doce representam grandes preocupações, a gestão da água é um desafio crucial para a gestão da siderúrgica, visando melhorar a sustentabilidade do ciclo produtivo. A água, assim como o aço, pode ser reutilizada e reciclada. No entanto, o aumento da reciclagem da água, após limpeza e resfriamento, pode diminuir sua qualidade. Por isso, a siderúrgica deve aprimorar continuamente as tecnologias de limpeza para reduzir o consumo de água. Além disso, os desafios relacionados à água (disponibilidade, escassez sazonal, competição com outros usuários) dependem da localização da planta, sendo importante uma abordagem local e uma solução sob medida. A Figura 1 ilustra o ciclo de vida da água.

Uma grande quantidade de água é utilizada em uma siderúrgica integrada. Contudo, o consumo real não é alto, pois a maior parte da água é reutilizada ou devolvida à fonte. A maior parte da água consumida evapora-se e cerca de 90% (em média, 88% em planta integrada e 94% em planta baseada em forno a arco elétrico) é descarregada após limpeza e/ou resfriamento, sendo frequentemente utilizada por outros serviços. A água não consumida na siderúrgica é limpa, resfriada e devolvida à fonte. A água devolvida a rios e outras fontes costuma ser mais limpa do que quando captada na bomba de captação.

Uma siderúrgica incorpora diversos processos, desde a preparação da matéria-prima até a laminação do aço acabado. Todos necessitam de água. Quando utilizada, a água contamina-se com poluentes em quantidades e concentrações variadas. A necessidade típica de água nos vários processos varia amplamente entre siderúrgicas, podendo oscilar entre 20 m³ e 150 m³ por tonelada de aço bruto. Capacidades de bombeamento para esses volumes são necessárias para o funcionamento dos processos. O consumo de água é considerado a captação menos a descarga. O consumo global depende das instalações de tratamento e recirculação e normalmente situa-se entre 1,5 m³ e 4 m³ por tonelada de aço bruto.

A siderúrgica usa enormes quantidades de água doce para diversas finalidades: resfriamento, supressão de poeira, limpeza, controle de temperatura (tratamento térmico), transporte de materiais de resíduos (cinzas, lamas, carepas) e outros usos. A água é parte essencial de alguns processos, como adição para controle de umidade na mistura de carvão de coque, pelotização da mistura de sinter, produção de pelotas verdes na fabricação de pelotas de minério de ferro, geração de vapor e energia, e granulação de escória de alto-forno. O uso de grandes volumes também gera considerável quantidade de efluentes que devem ser tratados antes da descarga.

Como grandes volumes de água são utilizados, qualquer melhoria tecnológica no resfriamento que leve a uma pequena redução percentual no consumo pode poupar grande quantidade de água no meio ambiente e minimizar a pegada hídrica. É fundamental buscar formas e tecnologias que permitam minimizar o consumo de água na indústria siderúrgica.

Pegada Hídrica e Estratégias de Gestão

A pegada hídrica é um conceito que permite quantificar a apropriação de água doce. A metodologia foi introduzida por Hoekstra como indicador de apropriação de água doce, visando quantificar e mapear o uso indireto de água e mostrar a relevância de envolver consumidores e produtores nas cadeias de suprimento na gestão da água.

Estratégias de gestão da água ajudam a siderúrgica a recuperar, reutilizar e/ou reciclar água, gerando economia significativa ao minimizar a demanda por água de captação e reduzir volumes de descarga. A gestão da água em uma siderúrgica integrada depende principalmente das condições locais, disponibilidade de água e requisitos regulatórios.

Recentemente, a gestão da água tornou-se uma das partes mais importantes do aço sustentável. Gerir a água de forma sustentável é vital para a gestão da siderúrgica devido ao valor essencial da água para a sociedade. A gestão deve avaliar constantemente como melhor utilizar a água, buscando melhorias tanto na conservação quanto na reutilização.

Assim como o aço, a água pode ser reutilizada e reciclada. Isso melhora a eficiência do uso da água e reduz sua demanda e custo. Ao aumentar a reciclagem e o uso em cascata da água (de maior para menor qualidade), o uso e consumo podem ser reduzidos consideravelmente. Contudo, é necessário considerar o potencial aumento no uso de energia antes de implementar qualquer sistema de gestão de reuso.

A forma mais eficaz de reduzir a captação é reutilizando a água. Isso normalmente envolve limpeza e resfriamento dos fluxos entre cada uso. Alguns desses tratamentos, como o resfriamento, demandam grandes quantidades de energia e podem levar a maiores taxas de consumo por evaporação. Os processos adicionais necessários frequentemente conflitam com objetivos de redução do consumo de energia, o que significa maiores emissões de dióxido de carbono. Portanto, é necessário avaliar a eficácia do reuso de água de forma integrada, considerando todos os aspectos ambientais.

Eficiência Energética na Gestão da Água

A eficiência energética é aspecto crucial na gestão da água na siderúrgica. Medidas de redução de água devem ser aliadas ao uso de bombas energeticamente eficientes e instalações de recuperação de calor. Bombas eficientes significam menos energia necessária para captação, tratamento e circulação da água. A eficiência do uso da água deve considerar o consumo real (diferença entre captação e descarga de mesma ou melhor qualidade), aspectos de disponibilidade e influências em outras categorias de recursos, como energia. Além disso, o reuso de água em uma indústria de alta temperatura como a siderúrgica pode aumentar o consumo de água.

O consumo de água na siderúrgica varia amplamente e depende de vários fatores: (i) disponibilidade de água, (ii) tecnologia empregada, (iii) idade e condição da planta e equipamentos, (iv) tipos de processos produtivos, e (v) procedimentos operacionais. Três fatores básicos são cruciais para uma gestão eficiente: (i) qualidade da água de reposição, (ii) condições climáticas no local da siderúrgica, e (iii) requisitos regulatórios.

As principais questões relacionadas à água que afetam a gestão são: (i) qualidade da água de processo necessária, (ii) qualidade do efluente, (iii) reciclagem e minimização do consumo, (iv) poluentes na água, (v) implementação de novas tecnologias de gestão, e (vi) implementação de tecnologias de tratamento de efluentes e sua relação custo-benefício.

Devido ao aumento do consumo, energia adicional necessária e necessidade de tratar/dispor subprodutos gerados, é crucial ter uma abordagem holística considerando todos os aspectos ambientais ao introduzir diferentes tecnologias de redução e tratamento de água visando descarte zero de efluentes. A Figura 2 mostra uma abordagem holística.

Usos da Água na Siderúrgica

A água tem muitos usos na siderúrgica e a qualidade necessária varia para cada uso. Existem sistemas de passagem única e sistemas com recirculação parcial ou total.

A maior parte da água é usada para resfriamento, proteção de equipamentos e melhoria das condições de trabalho. Uma quantidade menor, mas ainda considerável, é usada como água de processo. Uma pequena quantidade serve como água de alimentação de caldeiras e água doméstica e de serviço.

A água não é usada apenas no resfriamento, mas também para outros fins. Existem diferentes qualidades de água para atender aos requisitos em vários pontos da planta. Água doce é usada principalmente para processos e resfriamento direto e indireto, enquanto água do mar é normalmente usada para resfriamento de passagem única após pré-tratamento anti-incrustante. O uso de água doce é considerado indicador de desempenho. No resfriamento direto, a água entra em contato com o material e equipamentos; no indireto, não há contato.

A água do mar é usada principalmente para resfriamento de passagem única sem pré ou pós-tratamento, sem contato com material ou equipamentos. Água doce é usada para processos e resfriamento, entra em contato com material e equipamentos e é tratada antes de reuso ou descarga. Os principais usos de água em uma siderúrgica integrada são:

• Necessidades de processo: ajuste de umidade na mistura de carvão de coque, resfriamento úmido do coque, adição na mistura de sinter para pelotização no tambor pelotizador, aspersão de água no topo do alto-forno para controle de temperatura, granulação de escória líquida, lingotamento de gusa, lingotamento contínuo, descascamento de aço antes da laminação a quente, tratamento térmico em linha e controle de temperatura em laminadores a quente, ajuste da força do ácido de decapagem, etc.
• Condicionamento de materiais: transporte de carepa no lingotamento contínuo e laminação a quente, adição de água em matérias-primas para supressão de poeira durante transporte e armazenamento, preparação de lama para transporte por duto, transporte de cinzas volantes para tanque de cinzas e armazenamento, etc.
• Resfriamento, limpeza e condicionamento de gases: diversos gases gerados nos processos são resfriados, limpos e condicionados com água.
• Transferência de calor: equipamentos, cilindros e revestimentos de fornos são resfriados por água, empregando métodos diretos e indiretos.
• Produção de vapor: para necessidades de processo e geração de energia, requer água desmineralizada.
• Resfriamento diverso: fornos e refratários resfriados com água antes de reparos e/ou revestimento; derramamentos de metal e escória resfriados antes do transporte.
• Argamassas, massas de canal e argilas à base de água: necessitam água em quantidade medida.
• Processos de tratamento de esgoto e água: adição de água para tratamento eficiente e melhor reação; neutralização de efluentes ácidos.
• Limpeza e lavagem de pisos: remoção de poeira depositada.
• Ventilação de salas de controle elétrico e túneis: com ar umidificado via aspersores.
• Combate a incêndios: água para hidrantes e sistemas de sprinklers.
• Água potável, bebedouros, refeitórios e banheiros.
• Manutenção de áreas verdes: dentro da planta para fins ambientais.

Diagrama de Fluxo de Água e Termos Utilizados

O diagrama de fluxo de água em uma siderúrgica é mostrado na Figura 3. Os termos para os diferentes tipos de água são descritos a seguir.

Água de captação

Água bombeada do corpo hídrico na casa de bombas de captação e adicionada ao sistema de água da siderúrgica.

Água de reposição (Make-up water)

Água adicionada ao sistema, frequente em sistemas de recirculação. Compensa água perdida no processo, por evaporação e por vazamentos.

Água de processo

Água que entra em contato com produto final ou materiais incorporados ao produto final. Inclui correntes que contactam matérias-primas ou produtos finais, ou que se tornam parte do produto final. Aplicações: separação física de constituintes do minério, têmpera por imersão, descascamento, galvanização, chapeamento, componente de solventes, ácidos e emulsões para limpeza, desengraxe e enxágue de superfícies de aço.

Água de resfriamento

Água usada exclusivamente para resfriamento. Correntes que dissipam calor excessivo de produtos de aço e equipamentos associados. Aplicações de resfriamento respondem pela maior parte da água usada: resfriamento por contato em laminação a quente e a frio, resfriamento e contenção de gases de forno, resfriamento de fornos e cadinhos. A quantidade de água captada e descarregada varia significativamente conforme o tipo de sistema de resfriamento. Sistemas de passagem única têm maior demanda; sistemas de recirculação retêm quase toda a água para ciclos repetidos.

Água desmineralizada

Água com minerais removidos. Usada como água de alimentação de caldeiras. A desmineralização é feita quando a água será usada em processos químicos e os minerais podem interferir com outros químicos. A água é amolecida pela remoção de minerais indesejados. A água desmineralizada tem condutividade maior que a deionizada.

Água de alimentação de caldeira

Água desmineralizada usada para gerar vapor de processo que alimenta muitos processos da produção de aço. Caldeiras produzem energia para aquecimento e resfriamento de processo, acionamento de sistemas mecânicos e controle de pressão. Exigem altos padrões de qualidade para operação segura em altas temperaturas e pressões. Com pré-tratamento adequado, água de várias fontes pode ser reciclada como água de reposição de caldeira.

Água de combate a incêndio

Água usada para extinção de incêndios na siderúrgica.

Água amolecida (Soft water)

Água com baixas concentrações de íons, particularmente cálcio e magnésio. Produzida por processo de amolecimento. Pode conter níveis elevados de sódio e bicarbonato. Não produz depósitos de cálcio em sistemas de aquecimento e resfriamento indireto.

Água de efluente (Effluent water)

Água residual descarregada do sistema. O efluente da planta é descarregado em sistema de disposição de resíduos. Dentro da planta, efluente de uma unidade pode ser captação para outra. Na maioria dos locais, o consumo é difícil de determinar e considerado a diferença entre captação e efluente, ou estimado pelo operador. Em sistemas de passagem única, o efluente normalmente não é medido.

Água doméstica

Também chamada água sanitária, usada para consumo e em banheiros.

Água de serviço

Usada para limpeza geral de pisos, supressão de poeira, lavagem de resíduos, etc.

Outros usos

Usos não cobertos acima: ventilação, transporte de resíduos como lamas, jardinagem, etc.

Poluentes na Água de Efluente

A gestão da água em siderúrgica integrada é vital para sua operação bem-sucedida, pois necessita de grande volume de água. Durante a operação, essa água polui-se. É difícil separar controle de poluição da água da gestão da água na planta. Boa gestão leva a menor controle de poluição, enquanto controle de poluição requer boa gestão. Boa gestão requer descarte zero ou mínimo de água da planta, alcançado com sistemas elaborados de tratamento para recirculação. Isso reduz consumo (menos água de reposição), poluição (descarte nulo ou insignificante na fronteira da planta) e necessidade/custo de tratamento antes da descarga. Os seguintes poluentes estão presentes no efluente:

• Sólidos coloidais e em suspensão: finos de minério e fundente, carepa, areia, cinzas volantes, finos de carvão e coque, etc.
• Temperatura e calor: água de resfriamento, purga de caldeira, etc.
• Óleo: óleos de laminador, lubrificantes, óleos hidráulicos, óleos de têmpera, óleos combustíveis, solventes, alcatrão e piche, etc.
• Químicos: licor de decapagem, lodo ácido, lavagem cáustica, cal, licor amoniacal gasto, purga de caldeira, químicos tóxicos, etc.
• Resíduos sanitários: resíduos de refeitório, banheiros, vestiários e sanitários, etc.

A descarga de efluente sem tratamento causa poluição dos corpos hídricos no local de descarga, sendo necessário tratamento adequado antes da descarga. Os principais métodos de tratamento são:

• Tanques de decantação: processo convencional em tanques retangulares ou circulares para sedimentação de sólidos em suspensão. Floculação pode ser usada. Retirada de lodo por bombas ou guindaste com garra.
• Espessadores, clarificadores e clarifloculadores: para remoção de sólidos em suspensão de tamanho muito fino e variado, usados individualmente ou em combinação. Coagulantes como alume, cloreto férrico, sulfato férrico e polieletrólitos são usados para coagulação.
• Remoção de calor e redução de temperatura: água quente tratada em lagoa de resfriamento, bacia de aspersão ou torres de resfriamento.
• Neutralização: pH do efluente controlado entre 6,5 e 7,5. Água ácida (pH baixo) tratada com álcalis; água alcalina (pH alto) tratada com ácidos.
• Efluente contendo óleos: processo convencional de flotação natural e desbaste para coleta de óleos. Coleta do óleo desbastado por calhas móveis.
• Água residual de fornos de coque com alta DBO: tratada em filtros percoladores ou por processo de lodo ativado. Lodo ativado com aeração prolongada é mais eficaz na redução de DBO. Para decomposição microbiana adequada, a água residual de forno de coque precisa de suplementação de fósforo para balancear nutrientes. Se esgoto bruto estiver disponível, sua adição ajuda no processo de lodo ativado.

Um fluxograma típico para tratamento de lodo é mostrado na Figura 4.