ATTIVITA DI MONITORAGGIO DELLE EMISSIONI DAGLI IMPIANTI A

ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO DELLE EMISSIONI DAGLI IMPIANTI A BIOMASSE Ettore Guerriero CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it 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 CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Esigenza Produzione Energia da Biomasse La società civile ha 2 esigenze primarie: ØFonti energetiche rinnovabili per contribuire a sostenere uno sviluppo mondiale che incrementa quotidianamente la richiesta energetica. ØIl controllo delle emissioni di gas serra e in particolare di CO 2. CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Combustione Ideale Cx. Hy + O 2 CO 2 + H 2 O CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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, 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. CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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 CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Composizione Organica La composizione chimica media di una biomassa ad alto fusto consiste di circa in: Ø 25 -30% di lignina Ø 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. CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Composizione Media Biomasse Emicellulosa Lignina Cellulosa CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Microelementi nelle Biomasse Altri costituenti presenti nelle biomasse in quantità variabili sono i cosiddetti estratti: Øcomposti estratti con acqua calda (tannini e sali inorganici). Øcomposti a basso peso molecolare che possono essere separati attraverso solventi organici (terpeni, grassi, cere, fenoli) CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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 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’. CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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. CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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). CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

La combustione Incompleta CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

La Combustione Incompleta PCDD Cl. X PCDF Cl. X PCB Cl. X ACE CHR Ba. A FA Bb. Fa TRI Ba. P Be. P ANT PHE FL ACN Bj. Fa DBah. A IPY PER PY HCB Bghi. P PIC PAH CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it COR DBai. P Progetto SELVA 21. 06. 2012

La Combustione Incompleta Esempio di VOCs e SVOCs tossici HAP (Hazardous Air Pollutants) trovati nella combustione in open-burning CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Combustione Reale Emissioni (mg/k. Wh) GASOLIO METANO CIPPATO CO 10 150 250 SO 2 350 20 20 NOx 350 150 350 Polveri 20 0 150 COV 5 2 10 Rapporto sull’energia del Ministero dell’Ambiente Austriaco CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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 Zn. O 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) CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

La Legge delle 3 T 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. CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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 CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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) CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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, della. Temperatura e per il campionamento in discontinuo dei seguenti parametri: -Particolato -Metalli -Microinquinanti Organici(PCDD/F, PCB, PAH) -VOC Ugello Sonda in Box Condensatore vetro Tubo aspir. In vetro riscaldato Portafiltro Vetro Vaso di Condensazione CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Trappola Ingresso Temperatura Progetto SELVA 21. 06. 2012

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 CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

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 CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

FTIR per Monitoraggio Emissioni FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

Altri Parametri SME Analizzatore O 2 Analizzatore all’ossido di zirconio- analizzatore basato su celle elettrochimiche Analizzatore per la misura dei TOC basato sul Detector a Ionizzazione di Fiamma FID CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

POPPOP POPs…Grazie per l’attenzione. . . Ettore CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012

La Biomassa CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico http: //www. iia. cnr. it Progetto SELVA 21. 06. 2012