ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO DELLE EMISSIONI DAGLI IMPIANTI A BIOMASSE

1. ATTIVITA’ DI MONITORAGGIO DELLE EMISSIONI DAGLI IMPIANTI A BIOMASSE EttoreGuerriero

2. 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

3. 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.

4. Combustione Ideale CxHy + O2 CO2 + H2O

5. 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.

6. 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

7. 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.

8. Composizione Media Biomasse Lignina Emicellulosa Cellulosa

9. 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)

10. 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 IncompetaPICs 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’.

11. 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.

12. Processo di combustione Riassumendo i passi tipici della combustione della biomassa risultano: 1. riscaldamento del solido 2. essiccamento 3. pirolisi con rilascio di composti volatili e semivolatili 4. combustione primaria in fase gas 5. 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).

13. La combustione Incompleta

14. La Combustione Incompleta FA FL ACN ANT PHE PY CHR BaA TRI BbFa ClX ClX BeP ClX BjFa ClX DBahA IPY BaP PER PIC BghiP BghiP BghiP BghiP DBaiP DBaiP DBaiP COR COR COR COR DBaiP PCDD PCDF PCB ACE HCB PAH

15. La Combustione Incompleta Esempiodi VOCs e SVOCs tossici HAP (Hazardous Air Pollutants) trovatinellacombustione in open-burning

16. Combustione Reale Rapporto sull’energia del Ministero dell’Ambiente Austriaco

17. Il ParticolatonellaCombustionediBiomasa • 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 precedenzaObernberger I., et al. (2006)

18. La Leggedelle 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.

19. MonitoraggioEmissioni 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

20. Pianificazione Campagna Sperimentale PROGETTAZIONE DEL CONTROLLO: SOPRALLUOGO ISPETTIVO In modo preliminare 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 Situazione critica Ad ogni Campagna di Misura CARATTERIZZAZIONE delle grandezze chimico-fisiche dell’emissione ad ogni variazione del ciclo produttivo (regime-alimentazione)

21. SistemaMonitoraggioEmissioni (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 Condensatore Ugellovetro Sonda in vetro Box riscaldato Trappola Tubo aspir.In vetro PortafiltroVetro Vaso diCondensazione IngressoTemperatura

22. CaratterizzazionepreliminarePuntoEmissione 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 composizione del gas Determinazione della temperatura e pressione dei fumi Determinazione dell’ umidità dei fumi Assemblaggio della strumentazione e PROVA DI TENUTA

23. 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

24. FTIR per MonitoraggioEmissioni FTIR (Fourier TransformInfraredSpectroscopy)

25. AltriParametri 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

26. POPPOPPOPs…Grazie per l’attenzione... Ettore

27. La Biomassa