Modelado y simulación en régimen permanente del enfriador de Clincker de una planta de cemento

Abstract

La industria cementera es una de las más importantes del mundo, ya que el cemento, y por consiguiente el hormigón, son de los productos más demandados a nivel global debido a que sus características los convierten en un elemento fundamental en la construcción entre otros usos menos extendidos.
Además de ser de las industrias que más empleo genera, y más dinero produce, llegando a ser un indicador macroeconómico de la riqueza de muchos países, es de las que más contamina.
Si toda esta industria fuese un país, sería el tercero del mundo que más CO2 libera a la atmósfera. Asimismo, es la causante de la formación de miles de toneladas de partículas, las cuales son altamente perjudiciales para la salud, sobre todo para la de aquellos que residen o trabajan cerca de plantas o almacenes de cemento.
Por todo lo mencionado anteriormente, en los últimos años se han endurecido las normativas. Aunque es complicado pues se trata de una industria altamente globalizada, por lo que las normativas no afectan de la misma manera a países y regiones.
Esto ha hecho que sea crucial mejorar el proceso, no solo por cumplir con las nuevas leyes, si no por realizar un proceso más sostenible y respetuoso con el medio ambiente.
El proceso de formación del cemento es largo y complejo, y previo a la formación del cemento, se tiene el clinker, una mezcla de caliza y arcilla, que molido y unido (aunque presente de forma mayoritaria) a otros componentes, forman el cemento.
La etapa de enfriamiento del clinker tiene lugar en el ‘cooler’ o enfriador. Existen varios tipos, mas en este Trabajo de Fin de Grado se trabaja con el de parrilla. En este, el clinker entra en contacto con aire a temperatura ambiente, y por convección, es capaz de reducir notablemente la temperatura de salida del clinker. Es el tipo de ‘cooler’ más interesante, ya que el aire que sale del sistema se recircula a la etapa anterior, la del horno, lo que aumenta notablemente la eficiencia energética del proceso global. Pero para ello necesita encontrarse en unas condiciones de temperatura determinadas, si no sería necesario su calentamiento, lo que incrementaría los costes de proceso, y disminuiría la eficiencia. A su vez ha de ser capaz de enfriar el clinker hasta las temperaturas necesarias para pasar a la siguiente etapa.
Por ello, empleando la herramienta de simulación Aspen Custom Modeler, se ha modelado un ‘cooler’, y se ha estudiado qué variables mejoran el proceso y lo optimizan. Dado que las ecuaciones de transporte se encuentran en derivadas parciales, es necesario encontrar un método de resolución, en este caso se escoge el método de los volúmenes finitos, manteniendo el ancho y dividiendo la altura y el largo del lecho de clinker.
Para poder emplear el modelo se realiza una validación con dos modelos bibliográficos por diferentes métodos, uno analítico, y el otro gráfico, para concluir que una vez empleado el modelo los resultados que proporciona son válidos y se puede trabajar con ellos.
Una vez validado el modelo, se procede a realizar los resultados, y a estudiar qué variables afectan al modelo y en qué medida lo hacen, y así se puede obtener las condiciones óptimas de operación. Aunque en este trabajo solo se realiza un análisis técnico y no económico, por lo que queda incompleto, pues hay que encontrar las condiciones que hagan que el proceso se realice con la máxima eficiencia, pero que genere menor coste y mayor beneficio.