Presentazione di PowerPoint

ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO
DELLE EMISSIONI DAGLI
IMPIANTI A BIOMASSE
Ettore Guerriero
CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico
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Progetto SELVA
21.06.2012
Overview
La combustione Ideale e quella Reale
La Composizione Elementare della Biomassa
La Composizione Organica della Biomassa
Il Processo di Combustione della Biomassa
La Combustione Incompleta
Il Monitoraggio alle Emissioni
Allestimento del Mezzo Mobile per il
Monitoraggio alle Emissioni
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Esigenza Produzione Energia da Biomasse
La società civile ha 2 esigenze primarie:
Fonti energetiche rinnovabili
per contribuire a sostenere
uno sviluppo mondiale che
incrementa quotidianamente la
richiesta energetica.
Il controllo delle emissioni
di gas serra e in particolare
di CO2.
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Combustione Ideale
CxHy + O2  CO2 + H2O
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Combustione Reale
La combustione delle biomasse può creare diversi
problemi ambientali, soprattutto in open burning e in
impianti non ben progettati e controllati.
Dalle combustioni si generano Due gruppi di inquinanti :
Macroinquinanti (quali PTS, NOx, SOx,CO,COT,)
Microinquinanti (quali PCDD/F, IPA, PCB e metalli
pesanti)
Per comprendere le emissioni provenienti dalla
combustione delle biomasse, occorre primariamente
riferirsi alla loro composizione elementare e alla
struttura.
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Composizione Elementare
Il materiale inorganico è presente come fase intimamente distribuita nel
combustibile e comprende sali di Si, K, Na, S, Cl, P, Ca, Mg e Fe, che danno
luogo al deposito delle ceneri.
Questa composizione elementare fornisce quindi informazioni su precursori di
emissioni inquinanti quali azoto, zolfo o cloro.
Cernuschi S., “Tecnologie e prospettive della produzione di energie da biomasse”,, Milano 2006
Obernberger I., et al., Biomass & Bioenergy, 30, 973-982, 2006
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Composizione Organica
La composizione chimica media di una biomassa ad
alto fusto consiste di circa in:
 25-30% di lignina
 75% di carboidrati, ovvero molecole di zucchero
unite a formare lunghe catene polimeriche.
I due carboidrati più importanti sono la cellulosa e
l’emicellulosa.
I lunghi polimeri di cellulosa costituiscono le fibre
che danno alle piante la loro resistenza, mentre la
lignina ha funzione di collante per mantenere unite
queste fibre. L’emicellulosa ha il ruolo fondamentale
di tenere associate cellulosa e lignina.
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Composizione Media Biomasse
Emicellulosa
Lignina
Cellulosa
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Microelementi nelle Biomasse
Altri costituenti presenti nelle biomasse in quantità variabili
sono i cosiddetti estratti:
composti estratti con acqua calda (tannini e sali inorganici).
composti a basso peso molecolare che possono essere separati
attraverso solventi organici (terpeni, grassi, cere, fenoli)
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Il Processo di combustione
Le biomasse raggiungono gradualmente elevate temperature e si ha
sia durante la prima fase di essiccamento che successivamente un
rilascio sempre maggiore di molteplici composti volatili e semivolatili.
Queste specie sono presenti all’origine e molte altre si formano a
causa di trasformazioni chimiche che avvengono all’interno della
struttura della biomassa con la rottura di legami chimici presenti
definiti Prodotti di Combustione Incompeta PICs
I gas rilasciati incontrano quindi l’ossigeno dell’ambiente circostante e
la combustione avviene, almeno inizialmente, in fase gassosa.
Contestualmente durante le trasformazioni chimiche della biomassa,
si ha la formazione di un residuo carbonioso estremamente
deidrogenato, usualmente definito ‘char’.
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Processo di combustione
Il char non è più in grado di rilasciare composti volatili, ma il
suo consumo avviene per ossidazione eterogenea prodotta
dall’ossigeno che diffondendo all’interno della matrice porosa
della biomassa reagisce con il carbonio residuo.
Questa ossidazione eterogenea risulta favorita dalla prima
fase di volatilizzazione, in quanto il rilascio dei gas
incrementa la porosità del sistema e aumenta
contestualmente la superficie per unità di volume
migliorando in tal modo lo scambio tra gas e solido.
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Processo di combustione
Riassumendo i passi tipici della combustione della biomassa
risultano:
1.
2.
3.
4.
5.
riscaldamento del solido
essiccamento
pirolisi con rilascio di composti volatili e semivolatili
combustione primaria in fase gas
combustione secondaria eterogenea gas-solido
Tali aspetti risultano ancora più complicati se si considera la
presenza di composti inorganici che finiscono per modificare la
struttura stessa della biomassa ed interagire anche con le
reazioni chimiche di degrado (fenomeni catalitici indotti dai
metalli).
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La combustione Incompleta
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La Combustione Incompleta
PCDD
ClX
PCDF
Cl
PCB
Cl
ClX
X
X
ACE
PHE
FL
ACN
CHR
BaA
FA
BbFa
TRI
BaP
BeP
ANT
BjFa
DBahA
IPY
PER
PY
HCB
BghiP
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PIC
PAH
COR
DBaiP
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La Combustione Incompleta
Esempio di VOCs e
SVOCs tossici HAP
(Hazardous Air
Pollutants) trovati
nella combustione in
open-burning
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Combustione Reale
Emissioni
(mg/kWh)
GASOLIO
METANO
CIPPATO
CO
10
150
250
SO2
350
20
20
NOx
350
150
350
Polveri
20
0
150
COV
5
2
10
Rapporto sull’energia del Ministero
dell’Ambiente Austriaco
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Il Particolato nella Combustione di Biomasa
Il particolato composto dalle ceneri volanti può essere suddiviso in due
parti:
-grossolano (d > 1μm), contenente soprattutto Ca, Mg, Si, K e Al
-fine (d < 1μm), la cui composizione è molto variabile a seconda della
biomassa di partenza.
Nel caso di particelle di legno gli elementi rilasciati dal combustibile e
responsabili della formazione del particolato sono primariamente K, S e Cl.
Questi nucleano in fase gas e su questa particella originaria si hanno
reazioni di condensazione superficiale.
Un altro elemento in grado di originare particelle è lo zinco. Zn evapora
durante il processo e si ossida a formare ZnO solido.
Insieme con gli ossidi, le ceneri contengono altri metalli tossici il cui livello
può essere significativo, secondo quanto riportato in precedenza
Obernberger I., et al. (2006)
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La Legge delle 3T
Le condizioni ottimali per una completa combustione risiedono
nelle cosiddette 3 T (TTT):
Temperatura (elevata),
Tempo (lungo)
Turbolenza (efficace mescolamento).
Il problema maggiore è legato a un efficace mescolamento tra
l’aria e le parti solide.
Un’ulteriore attenzione va posta alla presenza di ceneri volanti
inorganiche, le quali possono adsorbire composti idrocarburici
formatisi nella fase di pirolisi e trasportarli nei fumi inibendo in
tal modo la loro ossidazione fungendo da vettori di inquinanti
nell’ambiente.
A valle di una buona conduzione della combustione devono sempre
essere presenti i sistemi di abbattimento.
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Monitoraggio Emissioni
Si prevede di valutare le emissioni al fine di l’analizzare il
comportamento dell’impianto al variare delle condizioni di combustione
e delle caratteristiche del combustibile medesimo
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Pianificazione Campagna Sperimentale
PROGETTAZIONE DEL CONTROLLO: SOPRALLUOGO ISPETTIVO
In modo preliminare
Situazione critica
Verificare la SICUREZZA DELLA PIATTAFORMA :
dimensioni, possibilità di movimentazione, ecc
Verifica dell’ ALIMENTAZIONE ELETTRICA : voltaggio
corretto e prese adatte
Verifica che i BOCCHELLI DI PRELIEVO siano posizionati
correttamente , che le loro chiusure siano facilmente
rimuovibili e che il tronchetto sia libero da incrostazioni e
determinazione delle DIMENSIONI del condotto
Verifica del sistema di TRASPORTO IN QUOTA della
strumentazione
Ad ogni Campagna di Misura
CARATTERIZZAZIONE delle grandezze chimico-fisiche
dell’emissione ad ogni variazione del ciclo produttivo
(regime-alimentazione)
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Sistema Monitoraggio Emissioni (SME)
Al fine di monitorare le emissioni l’IIA-CNR metterà a disposizione un
mezzo mobile che consentirà le misure a monte e valle sistemi di
abbattimento così costituito:
Sonda e sistema di campionamento per la caratterizzazione della Portata,
dellaTemperatura e per il campionamento in discontinuo dei seguenti
parametri:
-Particolato
-Metalli
-Microinquinanti Organici(PCDD/F, PCB, PAH)
-VOC
Ugello
vetro
Sonda in
vetro
Tubo aspir.
In vetro
Box Condensatore
riscaldato
Portafiltro
Vetro
Vaso di
Condensazione
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Trappola
Ingresso
Temperatura
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Caratterizzazione
preliminare
Punto Emissione
PRELIMINARI: sul campo
UNI-EN 13284
Determinazione della PORTATA FUMI a camino
in Nmc/h e del flusso ISOCINETICO di
campionamento (  1 mc/h)
Misura del profilo di
VELOCITÀ
Determinazione della
temperatura e
pressione dei fumi
Determinazione dell’
umidità dei fumi
Determinazione della
composizione del gas
Assemblaggio della strumentazione e PROVA DI TENUTA
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Mezzo Mobile SME
Per lo (SME) su Mezzo mobile si prevede la tecnica “estrattiva” in quanto gli
strumenti di analisi non sono localizzati all’interno dei camini o condotti fumi,
ma una piccola parte dei fumi (il campione) viene estratta e trasportata con
opportuno trattamento agli strumenti di analisi per la misura
Lo SME permetterà di monitorare in
tempo reale i composti in emissione nei
punti prescelti dell’impianto
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FTIR per Monitoraggio Emissioni
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
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Altri Parametri SME
Analizzatore O2
Analizzatore all’ossido di zirconio- analizzatore basato
su celle elettrochimiche
Analizzatore per la misura dei TOC basato sul Detector a
Ionizzazione di Fiamma FID
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POPPOP
POPs…Grazie per l’attenzione...
Ettore
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La Biomassa
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