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ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO
DELLE EMISSIONI DAGLI
IMPIANTI A BIOMASSE
Ettore Guerriero
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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:
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Combustione Ideale
CxHy + O2 CO2 + H2O
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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
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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.
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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
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Composizione Media Biomasse
Cellulosa
EmicellulosaLignina
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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)
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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’.
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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.
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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
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La combustione Incompleta
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ClXClXClXClX
PHE ANTPY
BaA CHR TRI BjFaBbFa
BeP DBahAIPYPERBaP
PIC DBaiPDBaiPDBaiPDBaiPBghiPBghiPBghiPBghiPCORCORCORCOR
ACN FL FA
ACE
La Combustione Incompleta
PCB
HCB
PAH
PCDD PCDF
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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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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
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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)
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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.
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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
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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)
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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)
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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
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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
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FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
FTIR per Monitoraggio Emissioni
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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
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EttoreEttore
POPPOPPOPs…Grazie per l’attenzione...
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La Biomassa