ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO DELLE EMISSIONI DAGLI IMPIANTI A BIOMASSE

CNR Istituto sull’Inquinamento AtmosfericoCNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico

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Progetto SELVA21.06.2012

ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO

DELLE EMISSIONI DAGLI

IMPIANTI A BIOMASSE

Ettore Guerriero




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




Esigenza Produzione Energia da Biomasse

La società civile ha 2 esigenze primarie:




Combustione Ideale

CxHy + O2 CO2 + H2O




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.

Combustione Reale




Cernuschi S., “Tecnologie e prospettive della produzione di energie da biomasse”,, Milano 2006Obernberger I., et al., Biomass & Bioenergy, 30, 973-982, 2006

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.




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.

Composizione Organica




Composizione Media Biomasse

Cellulosa

EmicellulosaLignina




Microelementi nelle BiomasseAltri 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)




Il Processo di combustioneLe 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’.




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.

Processo di combustione

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.




Riassumendo i passi tipici della combustione della biomassa risultano:

1. riscaldamento del solido2. essiccamento3. pirolisi con rilascio di composti volatili e semivolatili4. combustione primaria in fase gas5. 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).

Processo di combustione




La combustione Incompleta




ClXClXClXClX

PHE ANTPY

BaA CHR TRI BjFaBbFa

BeP DBahAIPYPERBaP

PIC DBaiPDBaiPDBaiPDBaiPBghiPBghiPBghiPBghiPCORCORCORCOR

ACN FL FA

ACE


PCB

HCB

PAH

PCDD PCDF





Esempio di VOCs e SVOCs tossici HAP (Hazardous Air Pollutants) trovati nella combustione in open-burning




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

Combustione Reale




Il Particolato nella Combustione di Biomasa

Il particolato composto dalle ceneri volanti può essere suddiviso in due parti:-grossolanogrossolano (d > 1μm), contenente soprattutto Ca, Mg, Si, K e Al

-finefine (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)




La Legge delle 3TLe 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.




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

Monitoraggio Emissioni




PROGETTAZIONE DEL CONTROLLO: SOPRALLUOGO ISPETTIVO

In modo preliminareVerificare 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

Situazione criticaSituazione critica

Pianificazione Campagna Sperimentale

Ad ogni Campagna di Misura CARATTERIZZAZIONE delle grandezze chimico-fisiche dell’emissione ad ogni variazione del ciclo produttivo (regime-alimentazione)




PortafiltroVetro

Box riscaldato

Condensatore Trappola

Tubo aspir.In vetro

Vaso diCondensazione

IngressoTemperatura

Sonda in vetro

Ugellovetro

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

Sistema Monitoraggio Emissioni (SME)




Determinazione della temperatura

e pressione dei fumi

Determinazione della composizione

del gasDeterminazione dell’ umidità dei fumi

Misura del profilo di VELOCITÀ

Determinazione della PORTATA FUMI a camino in Nmc/h e del flusso

ISOCINETICO di campionamento ( 1 mc/h)

Assemblaggio della strumentazione e PROVA DI TENUTA

PRELIMINARI: sul campo UNI-EN 13284Caratterizzazione preliminare Punto Emissione




Mezzo Mobile SME

Lo SME permetterà di monitorare in tempo reale i composti in emissione nei punti prescelti dell’impianto

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




FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

FTIR per Monitoraggio Emissioni




Analizzatore O2

Analizzatore all’ossido di zirconio- analizzatore basato su celle elettrochimiche

Altri Parametri SME

Analizzatore per la misura dei TOC basato sul Detector a Ionizzazione di Fiamma FID




EttoreEttore

POPPOPPOPs…Grazie per l’attenzione...




La Biomassa

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