PRINCIPAIS PROCESSOS PIROMETALÚRGICOS DE RECUPERAÇÃO DO ZINCO PRESENTE NO PÓ DE ACIARIA ELÉTRICA (PAE)

Jhemison Carmo da Silva, Programa de Pós-graduação em Química-PPGQ, Graduado em Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Sul e sudeste do Pará-Unifesspa, jhemison@unifesspa.edu.br

Jocelia Silva Machado Rodrigues, Programa de Pós-graduação em Química-PPGQ, Licenciada em Química, Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará-Unifesspa, jocysmr@gmail.com
Silvio Alex Pereira da Mota, Programa de Pós-Graduação em Química-PPGQ, Dr. Eng. De Recursos Naturais, Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará – Unifesspa, silviomota@unifesspa.edu.br

RESUMO
A produção de aço é associada a geração de uma grande quantidade de resíduos, entre esses resíduos está o pó de aciaria elétrica (PAE). O PAE é gerado em forno do tipo a arco elétrico, sendo composto basicamente por óxidos de ferro e zinco, e por alguns metais pesados, o que torna o PAE um resíduo classificado como perigoso por legislações ambientais. O zinco é o principal constituinte não-ferroso contido no composto, sua composição varia de 7 a 40%, o que torna o PAE uma possível fonte de obtenção de zinco secundário. As principais rotas tecnológicas que são utilizadas para a recuperação do zinco presente no PAE, são conhecidas como processos pirometalúrgicos. Entre os processos pirometalúrgicos temos principalmente o processo WAELZ, o Rotary Hearth Furnace e o processo PRIMUS. Diante disso o presente trabalho objetivou fazer uma revisão de literatura sobre como funciona esses processos mais utilizados. Dentre os processos estudados o WAELZ e o PRIMUS apresentam maiores índices de recuperação de zinco, em torno de 95%.
Palavras-chave: PAE, recuperação, zinco.

1. INTRODUÇÃO
A produtividade do ramo siderúrgico é alta devido à sua importância como um dos suportes da indústria de transformação. Esse volume de produção resulta em uma grande quantidade de resíduos sólidos gerados e no esgotamento de recursos minerais não renováveis. Esses resíduos sólidos são gerados durante as principais operações realizadas na produção do aço como torrefação, fusão, lixiviação e purificação de metais (ANTUÑANO, CAMBRA e ARIAS, 2019).

Entre os resíduos gerados na produção de aço, tem-se o pó de aciaria elétrica (PAE). O PAE é um resíduo gerado especificamente no forno do tipo a arco elétrico durante a produção de aço. O PAE é um material complexo composto principalmente por óxidos de metais pesados, como Zn, Fe, Pb, Cd, Mn e Cr, sendo assim, classificado como um resíduo perigoso para o meio ambiente de acordo com a legislação ambiental de muitos países (AL-HARAHSHEH M et al, 2018).

O zinco é o metal mais abundante entre os metais não-ferrosos encontrados no PAE. Sua quantidade varia entre 7 e 40%, dependendo da proporção de sucata galvanizada utilizada no momento da produção do aço. O zinco presente no PAE é encontrado principalmente como zincita (ZnO) e ferrita de zinco (ZnFe2O4). Por causa das legislações ambientais que restringem o despejo de metais perigosos, assim como o crescente interesse por zinco secundário, faz com que o interesse na reciclagem de zinco aumente de forma significativa. Cerca de 30% da produção global de zinco é derivada de zinco reciclado. A quantidade de pó de aciaria elétrica gerada por ano em todo o mundo representa uma possível recuperação de cerca de 0,86 a 1,14 milhão de toneladas / ano de zinco (AL-MAKHADMEH et al, 2018).

Entre os processos que são utilizados para a recuperação de zinco do PAE, temos os processos pirometalúrgicos. Os processos pirometalúrgicos necessitam do emprego de agentes redutores e temperaturas altas para produzir óxido de zinco bruto de baixo valor comercial (CARRANZA et al, 2016).

Neste contexto, objetivou-se com este trabalho fazer uma breve revisão da literatura sobre o funcionamento dos principais métodos utilizados para recuperação do zinco presente no pó de acearia elétrica (PAE).

2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1 PROCESSOS PIROMETALÚRGICOS
Essencialmente, os processos pirometalúrgicos aplicado ao PAE são realizados usando dois tipos de técnicas, a recuperação de metais e o processo de fundição. No processo de recuperação de metal, o óxido de ferro não é fundido, mas reduzido. Durante o processo de fundição, o óxido de ferro é reduzido a ferro metálico. Nestes dois processos, o zinco é obtido como vapor e recuperado na forma de óxido de zinco. No processo de recuperação de metais, a combustão de combustíveis sólidos auxilia o processo de redução, há controle de energia e escape de gases que também reduz o óxido de zinco. Os óxidos de ferro são convertidos em ferro metálico, na forma de pellets. A desvantagem das técnicas pirometalúrgicas são que elas exigem um alto consumo de eletricidade e resulta na criação de óxido de zinco bruto com baixo valor comercial (SIAME et al, 2019). Deve-se ressaltar que, entre as técnicas pirometalúrgicas temos: o processo Waelz (STROHMEIER e BONESTELL, 1996), o Rotary Furnace Hearth (SUETENS et al, 2014) e o processo Primus (LIN et al, 2017).

2.1.1 Processo Waelz
O processo Waelz é o método mais antigo e a principal rota de reciclagem de resíduos de aciaria elétrica que contém zinco, representando 5,2% da produção mundial de zinco reciclado. O processo Waelz é um método pirometalúrgico, caracterizado pela volatilização de metais não ferrosos como zinco, chumbo e cádmio, a partir de uma mistura sólida (PAE + ligante + redutor + água). Essa mistura é reduzida por coque de carvão ou petróleo (redutores), em um forno rotativo sem gerar escória líquida. O PAE é então convertido em óxido de Waelz e óxido de zinco que é posteriormente levado para refinarias para recuperar o zinco metálico (BUITRAGO et al, 2018).

Buitrago et al (2018) afirma que durante o processo em forno WAELZ são realizadas reações típicas de decomposição da ferrita de zinco, redução dos óxidos ferrosos e volatilização do zinco, que posteriormente é oxidado e recuperado na forma de óxido de zinco. Dependendo da composição do PAE e de parâmetros operacionais, a taxa de recuperação do zinco pode chegar a 95%.

2.1.2 Rotary Hearth Furnace
O Rotary hearth furnace (RHF) é um dos métodos mais eficazes para tratamento de pós metalúrgicos por processo de redução direta. Esse processo pode não apenas promover a recuperação de ferro, mas também recupera elementos de metais pesados e alcalinos presentes, gerados dentro do RHF durante os processos de redução direta e volatilização (WU et al, 2018).

No processo RHF, a mistura de coque e PAE são usados como carga do forno. O óxido de ferro contido no PAE é reduzido a temperaturas acima de 1300°C. O zinco, o chumbo e outros elementos voláteis também são reduzidos e volatilizados. O principal produto é o ferro reduzido que contém 30 a 70% de ferro elementar. Um subproduto do processo é o óxido de zinco bruto contendo 50 a 65% de zinco. As principais desvantagens desse método de reciclagem são o baixo rendimento do óxido de zinco bruto e a composição instável do ferro com redução direta (DORONIN e SVYAZHIN, 2011).

2.2.3 Processo Primus
A tecnologia Primus envolve o uso de um forno de várias seções para reduzir a poeira contendo óxido ferro e de zinco provenientes de fornos para fabricação de aço a arco elétrico. A temperatura necessária para conduzir o processo é atingida pela combustão de um combustível nos queimadores e pela combustão secundária de CO formada durante as reações de redução. O zinco e o chumbo são reduzidos à sua forma metálica, vaporizada, oxidada novamente pelo gás do forno, removida do forno com os outros gases de saída, e capturado no sistema de limpeza do gás. O grau de recuperação de zinco e chumbo é de 95% ( KURONOV, 2012). Dentro do forno, os materiais carregados são submetidos a diferentes etapas do processo, incluindo secagem, aquecimento e redução do metal inicialmente na forma de óxidos como etapa final do processo. A energia gerada durante o pós-combustão de CO e componentes voláteis é suficiente para manter a temperatura de processo entre 1000-1100°C. O alto grau de pós-combustão, o fluxo de gás contracorrente e temperaturas relativamente baixas do processo tornam o PRIMUS processo muito eficiente em termos energéticos (ROTH et al, 2001).

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O PAE tem como característica uma grande variabilidade da sua composição, o que proporciona ao material uma grande dificuldade no estudo do seu reaproveitamento e na recuperação do zinco. Os processos pirometalúrgicos são os processos que conseguem lidar com mais facilidade com essas particularidades deste resíduo, no entanto apresentam como desvantagem um elevado consumo de energia e alto custo de implementação.

4. REFERÊNCIAS
Al-harahsheh M., Al-Nu’airat J., Al-Otoom A., Al-hammouri I., Al-jabali H., Al-zoubi M., Al’asal SA., Treatments of Electric Arc Furnace Dust and Halogenated Plastic Wastes: A Review, Journal of Environmental Chemical Engineering (2018), https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.102856

AL-MAKHADMEH, L. A. et al. The Effectiveness of Zn Leaching from EAFD Using Caustic Soda. Water, Air, & Soil Pollution, v. 229, n. 2, p. 33, 2018.

ANTUÑANO, N.; CAMBRA, J. F.; ARIAS, P. L. Hydrometallurgical processes for Waelz oxide valorisation–An overview. Process Safety and Environmental Protection, 2019.

BUITRAGO, L. J. H. et al. Microstructural, thermochemistry and mechanical evaluation of self-reducing pellets using electric arc furnace (EAF) dust containing zinc for Waelz process. Matéria (Rio de Janeiro), v. 23, n. 2, 2018.

CARRANZA, F. et al. Recovery of Zn from acid mine water and electric arc furnace dust in an integrated process. Journal of environmental management, v. 165, p. 175-183, 2016

CHAIRAKSA-FUJIMOTO, R. et al. The selective alkaline leaching of zinc oxide from electric arc furnace dust pre-treated with calcium oxide. Hydrometallurgy, v. 159, p. 120-125, 2016.

DORONIN, I. E.; SVYAZHIN, A. G. Commercial methods of recycling dust from steelmaking. Metallurgist, v. 54, n. 9-10, p. 673-681, 2011.

KURUNOV, I. F. Environmental aspects of industrial technologies for recycling sludge and dust that contain iron and zinc. Metallurgist, v. 55, n. 9-10, p. 634-639, 2012.

LIN, Xiaolong et al. Pyrometallurgical recycling of electric arc furnace dust. Journal of Cleaner Production, v. 149, p. 1079-1100, 2017.

ROTH, J. L. et al. PRIMUS, a new process for recycling by-products and producing virgin iron. Revue de Métallurgie, v. 98, n. 11, p. 987-996, 2001.

SIAME, M. C. et al. An attainable region approach for the recovery of iron and zinc from electric arc furnace dust. South African journal of chemical engineering, v. 27, p. 35-42, 2019.
STROHMEIER, Gerolf; BONESTELL, John E. Steelworks residues and the Waelz kiln treatment of electric arc furnace dust. Iron and steel engineer, v. 73, n. 4, 1996.

SUETENS, Thomas et al. Comparison of electric arc furnace dust treatment technologies using exergy efficiency. Journal of cleaner production, v. 65, p. 152-167, 2014.

WU, Y. et al. Process optimization of metallurgical dust recycling by direct reduction in rotary hearth furnace. Powder technology, v. 326, p. 101-113, 2018.