Multi-physics optimisation of incineration grates through geometry-driven thermal control and corrosion mitigation

Grate bars operating in Waste-to-Energy plants endure extreme temperatures and are always exposed to an atmospheres that contains toxic flue gases. These conditions accelerate the degradation of the grate bars through corrosion mechanisms. The intensified corrosion kinetics reduce the service life of the component and increase costs of maintenance. This study aims to address these problems by presenting a framework that allows to evaluate the thermal, flow, and corrosion performances which would allow to improve the durability of the grate bars under the operating conditions of the combustion chamber. To simulate the steady-state flow and evaluate the thermal conditions of the grate bar, a computation fluid dynamics (CFD) model was developed. Initial simulations that were run on the baseline model showed the grate bar reached a maximum surface temperature of 916 K with significant thermal gradients across the component. Upon optimisation using geometric design modifications, the proposed final design reduced the peak temperature to roughly 623 K which corresponds to a reduction of approximately 32%. Enclosed channels were introduced to guide air flow closer to the surface of the grate to extract more heat and achieve these results. Through a temperature dependent corrosion model, the recession rate of the material degradation was estimated and with the obtained results it was possible to conclude that due to the exponential dependence of oxidation kinetics on temperature, a reduction in temperature would likely reduce the effects of corrosion experienced on the grate bar thereby extending the service life of the component. The results confirm that temperature is a critical controlling parameter in mitigating corrosion and extending service life in high temperature Waste-to-Energy applications.

Le barre della griglia utilizzate negli impianti di termovalorizzazione dei rifiuti sono soggette a temperature estreme e sono costantemente esposte ad atmosfere contenenti gas di scarico tossici. Queste condizioni accelerano il degrado delle barre della griglia attraverso meccanismi di corrosione. L’intensificazione della cinetica di corrosione riduce la vita utile del componente e aumenta i costi di manutenzione. Questo studio si pro- pone di affrontare questi problemi presentando un modello che consenta di valutare le prestazioni termiche, di flusso e di corrosione, migliorando così la durabilità delle barre della griglia nelle condizioni operative della camera di combustione. Per simulare il flusso stazionario e valutare le condizioni termiche della barra della griglia, è stato sviluppato un modello di fluidodinamica computazionale (CFD). Le simulazioni iniziali eseguite sul modello di base hanno mostrato che la barra della griglia ha raggiunto una temperatura superficiale massima di 916 K con gradienti termici significativi attraverso il componente. Dopo l’ottimizzazione mediante modifiche al design geometrico, il progetto finale proposto ha ridotto la temperatura di picco a circa 623 K, il che corrisponde a una riduzione di circa il 32%. Sono stati introdotti canali chiusi per guidare il flusso d’aria più vicino alla superficie della griglia, in modo da estrarre più calore e raggiungere questi risultati. At- traverso un modello di corrosione dipendente dalla temperatura, è stato stimato il tasso di recessione del degrado del materiale e, con i risultati ottenuti, è stato possibile concludere che, a causa della dipendenza esponenziale della cinetica di ossidazione dalla temperatura, una riduzione della temperatura ridurrebbe probabilmente gli effetti della corrosione sulla barra della griglia, prolungando così la vita utile del componente. I risultati confermano che la temperatura è un parametro di controllo critico per mitigare la corrosione e prol- ungare la vita utile nelle applicazioni di termovalorizzazione ad alta temperatura.