Gestión del agua y control de la contaminación en planta siderúrgica

Gestión del agua y control de la contaminación en planta siderúrgica

El agua es una utilidad crucial que se necesita para la producción de hierro y acero en una planta siderúrgica. Barata y abundante, el agua fue durante siglos una utilidad de producción que la industria del acero dio por sentada. Pero en el escenario actual, los recursos hídricos son cada vez más escasos debido al creciente desequilibrio entre la disponibilidad y el consumo de agua dulce, por lo que el acceso a agua dulce limpia y segura se ha convertido en uno de los principales desafíos de la sociedad moderna.

La demanda de agua sigue aumentando debido a (i) el aumento de la población y la migración a regiones propensas a la sequía, (ii) el rápido desarrollo industrial y el aumento del uso de agua per cápita, y (iii) el cambio climático que conduce a patrones climáticos cambiantes en las áreas pobladas . Esto ha dado lugar a que la industria del acero entre en una nueva era con limitaciones de agua. Además, en las últimas tres décadas, la preocupación por la contaminación ambiental ha aumentado en todo el mundo y esto ha resultado en la promulgación de regulaciones ambientales más restrictivas. Dado que existe una amenaza de escasez de recursos hídricos en el futuro, la industria del acero ha cambiado su enfoque de la estrategia y la política del agua hacia la reducción del consumo de agua dulce.

Dado que la disponibilidad y la calidad del agua dulce representan preocupaciones importantes, la gestión del agua es un desafío importante al que se enfrenta la gestión de las plantas siderúrgicas y se está enfrentando para mejorar la sostenibilidad del ciclo de producción. El agua, como el acero, se puede reutilizar y reciclar. Sin embargo, el aumento del reciclaje de agua, después de la limpieza y el enfriamiento, puede disminuir la calidad del agua. Por lo tanto, la planta siderúrgica debe mejorar continuamente las tecnologías de limpieza para la reducción del consumo de agua. Además, los desafíos relacionados con el agua (es decir, disponibilidad, escasez estacional, competencia con otros usuarios) dependen de la ubicación de la planta, por lo que es importante contar con un enfoque local y una solución a la medida. El ciclo de vida del agua se muestra en la figura 1.

Fig. 1 El ciclo de vida del agua

En una planta siderúrgica integrada se utiliza una gran cantidad de agua. Sin embargo, la cantidad consumida no es alta, ya que la mayor parte del agua es reutilizada o devuelta a la fuente. La mayor parte del agua consumida se evapora y alrededor del 90 % (de media, el 88 % en una planta integrada y el 94 % en una planta basada en horno eléctrico de arco) del agua se descarga después de la limpieza y/o refrigeración y se usa con frecuencia por otros servicios públicos. El agua que no se consume en la planta siderúrgica se limpia, se enfría y se devuelve a la fuente. El agua que regresa a los ríos y otras fuentes suele ser más limpia que cuando se extrae en la bomba de entrada.

Una planta siderúrgica incorpora una serie de procesos desde la preparación de la materia prima hasta la laminación del acero acabado. Todos estos procesos necesitan agua. Cuando el agua se utiliza en estos procesos, se contamina con contaminantes en diversas cantidades y concentraciones. El requisito típico de agua en los diversos procesos en la planta siderúrgica varía ampliamente entre las plantas siderúrgicas y puede oscilar entre 20 metros cúbicos por tonelada de acero bruto y 150 metros cúbicos por tonelada de acero bruto. Las capacidades de bombeo para estas cantidades de agua son necesarias para el funcionamiento de varios procesos en la planta siderúrgica. El consumo de agua se considera como la entrada de agua menos la descarga de agua. El consumo total de agua depende de las instalaciones de tratamiento y recirculación de agua en la planta siderúrgica y normalmente está en el rango de 1,5 metros cúbicos por tonelada de acero bruto a 4 metros cúbicos por tonelada de acero bruto.

Una planta siderúrgica usa grandes cantidades de agua dulce para una variedad de usos que incluyen enfriamiento, supresión de polvo, limpieza, control de temperatura (tratamiento térmico), transporte de materiales de desecho (cenizas, lodos y escamas, etc.) y otros usos. El agua es una parte esencial de algunos de los procesos de las plantas siderúrgicas, como la adición de agua para controlar el contenido de humedad de la mezcla de carbón de coque, la granulación de la mezcla sinterizada, la fabricación de gránulos verdes durante la producción de gránulos de mineral de hierro, la producción de vapor y, por lo tanto, de energía. y granulación de escoria de alto horno, etc. El uso de grandes cantidades de agua también genera una cantidad considerable de aguas residuales que deben tratarse antes de su descarga.

Dado que se utiliza una gran cantidad de agua en la planta siderúrgica, cualquier mejora tecnológica en la tecnología de enfriamiento que conduzca a un pequeño porcentaje de reducción en el consumo de agua, tiene el potencial de ahorrar una gran cantidad de agua en el entorno natural y minimizar el consumo de agua. huella. Es importante buscar formas y tecnologías que permitan minimizar el consumo de agua en la industria siderúrgica.

La huella hídrica es un nuevo concepto que permite cuantificar la apropiación de agua dulce. La metodología de la huella hídrica fue presentada por Hoekstra como un indicador de la apropiación de agua dulce, con el objetivo de cuantificar y mapear el uso indirecto del agua y mostrar la relevancia de involucrar a los consumidores y productores a lo largo de las cadenas de suministro en la gestión del agua.

Las estrategias de gestión del agua ayudan a las plantas siderúrgicas a recuperar, reutilizar y/o reciclar el agua, lo que a su vez puede generar ahorros de costos considerables al minimizar la demanda de agua de entrada y al reducir los volúmenes de descarga. La gestión del agua en una planta siderúrgica integrada depende principalmente de las condiciones locales, la disponibilidad de agua y los requisitos reglamentarios.

En los últimos tiempos, la gestión del agua se ha convertido en una de las partes más importantes del acero sostenible. La gestión sostenible del agua es muy importante para la gestión de la planta siderúrgica debido al valor esencial del agua para la sociedad. Es necesario que la dirección de la planta siderúrgica se tome en serio la gestión del agua. Se requiere que la gerencia evalúe constantemente la mejor manera de usar el agua y encuentre mejoras tanto en su conservación como en su reutilización.

Como en el caso del acero, el agua se puede reutilizar y reciclar. Esto mejora la eficiencia del uso del agua y reduce su demanda, así como el costo. Al aumentar el reciclaje de agua y el uso de agua en cascada de mayor a menor calidad, el uso y consumo de agua se puede reducir considerablemente en la planta siderúrgica. Sin embargo, es necesario considerar el aumento potencial en el uso de energía antes de implementar cualquier sistema de gestión de reutilización de agua.

La forma más efectiva de reducir la ingesta de agua es reutilizándola. Esto normalmente implica limpiar y enfriar los flujos de agua entre cada uso. Algunos de estos tratamientos, como el enfriamiento, necesitan grandes cantidades de energía y pueden aumentar las tasas de consumo de agua debido a una mayor evaporación. Los procesos adicionales necesarios siempre están casi en conflicto con los objetivos de reducir el consumo de energía, lo que significa mayores emisiones de dióxido de carbono. Por lo tanto, es necesario evaluar la eficacia de la reutilización del agua de forma integrada, teniendo en cuenta todos los aspectos ambientales.

Por lo tanto, la eficiencia energética es un aspecto muy importante en la gestión del agua en la planta siderúrgica. Las medidas de reducción de agua deben combinarse con el uso de bombas eficientes energéticamente e instalaciones de recuperación de calor. Las bombas energéticamente eficientes significan menos energía necesaria para la extracción de agua, el tratamiento del agua y la circulación del agua. Además, la eficiencia en el uso del agua debe considerar el consumo real, es decir, la diferencia en la entrada y la descarga (de la misma o mejor calidad), así como los aspectos de disponibilidad y las influencias en otras categorías de recursos de la planta siderúrgica, como la energía. Además, la reutilización del agua en una industria de alta temperatura, como una planta siderúrgica, puede aumentar el consumo de agua.

El consumo de agua en la planta siderúrgica varía mucho y depende de varios factores como (i) la disponibilidad de agua, (ii) la tecnología empleada, (iii) la antigüedad y el estado de la planta y los equipos, (iv) los tipos de producción procesos, y (v) procedimientos de operación de la planta. Los tres factores básicos que son cruciales para una gestión eficiente del agua son (i) la calidad del agua de reposición, (ii) las condiciones climáticas en la ubicación de la planta siderúrgica y (iii) los requisitos reglamentarios.

Los principales problemas relacionados con el agua que tienen efectos en la gestión del agua en una planta siderúrgica son (i) la calidad del agua de proceso necesaria (ii) la calidad de las aguas residuales, (iii) el reciclaje del agua y la minimización de su consumo, (iv) los contaminantes en el agua, (v) implementación de nuevas tecnologías para la gestión del agua, y (vi) implementación de tecnologías de tratamiento de aguas residuales y su rentabilidad.

Debido al aumento del consumo, la necesidad de energía adicional y la necesidad de tratar/eliminar los subproductos generados, es crucial tener un enfoque holístico que tenga en cuenta todos los aspectos ambientales al considerar la introducción de diferentes tecnologías de reducción y tratamiento de agua con el objetivo de conseguir un vertido cero de efluentes. Por lo tanto, es crucial tener una visión holística del impacto general sobre los recursos hídricos. La figura 2 muestra un enfoque holístico de la gestión del agua.

Fig. 2 Enfoque holístico de la gestión del agua

Usos del agua

El agua tiene muchos usos en la planta siderúrgica y la calidad del agua necesaria para cada uso también varía. Además, puede haber uno a través de sistemas y puede haber sistemas con recirculación de agua parcial o total.

La mayor parte del agua de la planta siderúrgica se utiliza para refrigeración, protección de equipos y mejora de las condiciones de trabajo en los lugares de trabajo. Una cantidad de agua menor, pero todavía considerable, se utiliza como agua de proceso. Una pequeña cantidad de agua se utiliza como agua de alimentación de calderas y como agua doméstica y de servicios.

El agua se utiliza no solo en las operaciones de refrigeración, sino también para otros fines. Se necesitan diferentes calidades de agua para cumplir con los requisitos de agua en varios lugares de la planta. Además, el agua dulce se usa principalmente para procesos y enfriamiento directo e indirecto, mientras que el agua de mar se usa normalmente para el enfriamiento continuo después de un pretratamiento antiincrustante. El uso de agua dulce normalmente se considera como un indicador de desempeño. En el enfriamiento directo, el agua entra en contacto con el material y el equipo, mientras que en el enfriamiento indirecto, el agua no entra en contacto con el material o el equipo.

El agua del mar se utiliza principalmente para el enfriamiento de un solo paso sin pretratamiento ni postratamiento. No entra en contacto con el material o equipo. El agua dulce se utiliza principalmente para procesos y refrigeración. Entra en contacto con el material y el equipo y se trata antes de su reutilización o descarga. A continuación se indican los usos importantes del agua en una planta siderúrgica integrada.

• Se necesita agua para satisfacer las necesidades del proceso. Algunos ejemplos son el ajuste de la humedad en la mezcla de carbón, el enfriamiento húmedo del coque, la adición en la mezcla de sinterización para la peletización en el tambor de peletización, la pulverización de agua en la parte superior del alto horno (BF) para controlar la temperatura superior, la granulación de la escoria líquida BF, la colada de cerdo, la colada continua , decapado de acero antes del laminado en caliente, tratamiento térmico en línea y control de temperatura en laminadores en caliente y ajuste de la fuerza del ácido de decapado, etc.
• El agua se utiliza para el acondicionamiento de los materiales para facilitar su manipulación y transporte. Algunos ejemplos son el transporte de cascarilla en colada continua y laminación en caliente, la adición de agua a las materias primas para suprimir el polvo durante su transporte y almacenamiento, la fabricación de lodos para el transporte por tuberías, el transporte de cenizas volantes al estanque de cenizas y su almacenamiento allí, etc.
• Varios tipos de gases generados durante diferentes procesos se enfrían, limpian y acondicionan con agua.
• El agua se utiliza para la transferencia de calor. Varios equipos, rodillos y carcasas de hornos se enfrían con agua. Para este propósito, se emplean métodos de enfriamiento tanto directos como indirectos.
• La producción de vapor para las necesidades del proceso y para la generación de energía necesita agua desmineralizada.
• El agua se utiliza para diversos enfriamientos, como hornos y refractarios, que se enfrían con agua antes de realizar reparaciones y/o revestir. Los vertidos de metal y escoria se enfrían con agua antes de su transporte.
• Los morteros a base de agua, la masa de colada y las arcillas necesitan agua en cantidad medida.
• Los procesos de tratamiento de agua y aguas residuales necesitan la adición de agua para un tratamiento eficiente y una mejor reacción. También se necesita agua para neutralizar los efluentes ácidos.
• El agua se usa para limpiar y lavar los pisos de las tiendas para que se pueda limpiar el polvo acumulado en los pisos de las tiendas.
• Las salas de control eléctrico y los túneles se ventilan con aire húmedo para lo cual se utilizan rociadores de agua.
• El agua se utiliza para combatir incendios en una planta siderúrgica. El agua también se utiliza para agua potable, refrigeradores, comedores y baños.
• Las plantas de acero son para mantener la vegetación dentro de la planta con el propósito de proteger el medio ambiente. Esta actividad necesita agua.

Diagrama de flujo de agua y los términos utilizados para el agua

El diagrama de flujo de agua en una planta siderúrgica se muestra en la Fig. 3. Los términos utilizados para los diferentes tipos de agua en el diagrama se describen a continuación.

Fig. 3 Diagrama de flujo de agua de una planta siderúrgica

Admisión de agua – Es el agua bombeada desde el cuerpo de agua en la casa de bombas de entrada y añadida al sistema de agua de la planta siderúrgica.

Agua de compensación – Es el agua que se añade al sistema de agua. Con frecuencia se necesita agua de reposición en los sistemas que utilizan agua recirculante. Es el agua que se agrega al sistema para compensar el agua (i) perdida en el proceso, (ii) perdida por la evaporación y (iii) perdida debido a las fugas.

Agua de proceso – Es el agua que entra en contacto con un producto final o con materiales incorporados a un producto final. El agua de proceso incluye ampliamente las corrientes que entran en contacto con las materias primas o los productos finales de la producción de acero, o que se convierten en parte del producto final. Hay muchas aplicaciones de agua de proceso, incluida la separación física de los componentes del mineral, el endurecimiento por enfriamiento rápido, el descascarillado, el galvanizado y el enchapado. El agua de proceso también es un componente de solventes, ácidos y emulsiones que se utilizan para limpiar, desengrasar y enjuagar superficies de acero.

Agua de refrigeración – Es el agua que se utiliza exclusivamente para refrigeración. El agua de refrigeración se refiere a las corrientes que se utilizan para disipar el exceso de calor de los productos de acero y los equipos asociados. Las aplicaciones de enfriamiento representan la mayor parte del agua utilizada en una planta siderúrgica e incluyen enfriamiento por contacto en procesos de laminación en caliente y en frío, enfriamiento y contención de gases de escape, enfriamiento de hornos y calderas, y otras aplicaciones.

La cantidad de agua extraída y descargada por una instalación varía significativamente según el tipo de sistema de refrigeración utilizado. Los sistemas de enfriamiento de un solo paso tienen la mayor demanda de agua, mientras que los sistemas de enfriamiento de recirculación retienen casi toda el agua para ciclos de enfriamiento repetidos.

Agua desmineralizada – El agua desmineralizada es aquella agua donde se han eliminado los minerales del agua. El agua desmineralizada también se utiliza como agua de alimentación de calderas. El proceso de desmineralización normalmente se realiza cuando el agua se va a utilizar para procesos químicos y los minerales presentes pueden interferir con los otros productos químicos. Con el proceso de desmineralización, el agua se ablanda mediante la eliminación de los minerales no deseados. El agua desmineralizada tiene una conductividad más alta que el agua desionizada.

Agua de alimentación de calderas – Se utiliza agua desmineralizada como agua de alimentación de calderas. El agua de alimentación de calderas se utiliza para generar vapor de proceso que se utiliza para impulsar muchos procesos involucrados en la producción de acero. Las calderas se utilizan para producir energía para la calefacción y refrigeración de procesos, así como para alimentar sistemas de accionamiento mecánico y sistemas de control de presión. Las calderas necesitan altos estándares de calidad del agua para garantizar un funcionamiento seguro en sus condiciones de funcionamiento típicas de alta temperatura y presión. Sin embargo, con un pretratamiento adecuado, el agua de diversas fuentes se puede reciclar para usarla como agua de reposición de calderas.

Agua contra incendios – Es el agua utilizada para la extinción de incendios en la planta siderúrgica.

Agua blanda – El agua blanda es aquella agua que contiene bajas concentraciones de iones y, en particular, es baja en iones de calcio y magnesio. El término se utiliza para describir el agua que ha sido producida por un proceso de ablandamiento del agua. El agua blanda también puede contener niveles elevados de iones de sodio y bicarbonato. El agua blanda no produce depósitos de calcio en los sistemas de calentamiento de agua y en el sistema de enfriamiento de agua indirecto.

Agua efluente – Es el agua residual descargada del sistema de agua. El agua efluente de una planta se descarga a un sistema de eliminación de desechos. Sin embargo, dentro de una planta, el efluente de una unidad puede utilizarse como entrada para otra unidad. En la mayoría de los lugares, la cantidad de agua consumida es muy difícil de determinar y normalmente se considera que es la diferencia entre la entrada y el efluente o la estima el operador de la planta. En los sistemas de un solo paso, el efluente normalmente no se mide.

Agua sanitaria – También se conoce como agua sanitaria y se utiliza para beber y en los aseos.

Servicio de agua – Es el agua que se utiliza para la limpieza general del piso del taller, la supresión de polvo y el lavado de desechos, etc.

Otros usos del agua – Otros usos del agua son aquellos usos del agua que no están cubiertos por los títulos anteriores. Ejemplos de otros usos son el agua utilizada en los sistemas de ventilación, el transporte de materiales de desecho como lodos, jardinería, etc.

Contaminantes en aguas residuales

La gestión del agua en una planta siderúrgica integrada es muy importante para su funcionamiento exitoso ya que la planta siderúrgica integrada necesita una gran cantidad de agua para su funcionamiento. Durante el funcionamiento de la planta, esta agua se contamina. Es muy difícil separar el control de la contaminación del agua de la gestión del agua en la planta. Una buena gestión del agua conduce a una disminución en el control de la contaminación del agua mientras que, al mismo tiempo, el control de la contaminación del agua necesita una buena gestión del agua. Una buena gestión del agua requiere una descarga de agua nula o mínima de la planta. Esto se logra mediante la incorporación de elaborados sistemas de tratamiento de agua para la recirculación del agua. Esto reduce el consumo de agua ya que hay una reducción en el requerimiento de agua de reposición. También reduce la contaminación del agua ya que la descarga de agua desde el límite de la planta se vuelve nula o insignificante. Además, reduce la necesidad y el costo del tratamiento del agua contaminada antes de su descarga desde el límite de la planta. Los siguientes contaminantes están presentes en el agua efluente.

• Sólidos coloidales y en suspensión:finos de mineral y fundente, incrustaciones, arena, cenizas volantes, finos de carbón y coque, etc.
• Temperatura y calor:agua de refrigeración, purga de caldera, etc.
• Petróleo:aceites de trenes de laminación, lubricantes, aceites hidráulicos, aceites de enfriamiento rápido, aceites combustibles, disolventes, alquitrán y brea, etc.
• Químicos:consisten en licor de decapado, lodo ácido, lavado cáustico, cal, licor amoniacal gastado, purga de calderas y productos químicos tóxicos, etc.
• Residuos sanitarios:residuos de comedores, baños, vestuarios y baños, etc.

La descarga de agua efluente sin tratamiento provoca la contaminación de los cuerpos de agua en el lugar de descarga y, por lo tanto, es necesario un tratamiento adecuado del agua efluente antes de su descarga de la planta siderúrgica. Los siguientes son algunos de los principales métodos normalmente utilizados para el tratamiento de efluentes.

• Tanques de sedimentación:se utiliza un proceso de sedimentación convencional en tanques rectangulares o circulares para la sedimentación de sólidos en suspensión. Teniendo en cuenta los resultados, a veces se utiliza la floculación. La extracción de lodos se realiza mediante bombas o mediante grúa con cuchara.
• Para la eliminación de sólidos en suspensión de tamaño muy fino y de tamaño variable, se utilizan espesantes, clarificadores y clarifloculadores individualmente o en combinación. Los coagulantes como el alumbre, el cloruro férrico, los sulfatos férricos y los polielectrolitos se utilizan para la coagulación de los sólidos en suspensión.
• Para eliminar el calor y reducir la temperatura. El agua caliente se trata en estanques de enfriamiento, balsas de aspersión o torres de enfriamiento.
• Neutralización:el valor de pH del agua residual debe controlarse entre 6,5 y 7,5. Para esto, el agua ácida con valores de pH bajos se trata con álcalis, mientras que el agua alcalina con valores de pH altos se trata con ácidos.
• Efluentes que contienen aceites:para recoger los aceites de los efluentes, se utiliza el proceso convencional de flotación natural y desnatado. La recogida del aceite desnatado se realiza mediante artesas móviles.
• Las aguas residuales de los hornos de coque con alta demanda biológica de oxígeno (DBO) se tratan en filtros percoladores o mediante un proceso de lodos activados. El proceso de lodos activados con aireación extendida es más efectivo en la reducción de los valores de DBO. Para una descomposición microbiana adecuada, las aguas residuales de los hornos de coque necesitan suplementos de fósforo para equilibrar los nutrientes. Si hay aguas residuales sin tratar disponibles, la adición de estas aguas residuales ayuda en el proceso de lodos activados.

En la Fig. 4 se muestra un diagrama de flujo típico para el tratamiento de lodos.

Fig 4 Diagrama de flujo para el tratamiento de lodos