Università degli Studi di Trento

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1 Università degli Studi di Trento Progetto Fuoco Le emissioni: quadro generale sulla misura degli inquinanti. Approfondimento sulle attività sperimentali di caratterizzazione delle emissioni 09/07/2009 Prof.sperimentali Paolo Baggio normativa e attività 1

2 Progetto fuoco Limiti di emissione 2

3 Stato attuale in materia di emissioni: TESTO UNICO 152 Il dlgs 152, parte quinta, definisce le norme in materia di tutela dell aria e delle riduzioni delle emissioni in atmosfera. Per tutti gli impianti che producono emissioni in atmosfera deve essere richiesta un autorizzazione. Gli impianti termici civili vengono suddivisi in due categorie (parte quinta,titolo I e titolo II) in base alle soglie di potenza termica nominale stabilita dall art. 269 L art.269, comma 14, definisce inoltre una serie di impianti non sottoposti ad autorizzazione, tra cui: impianti a combustione, compresi i gruppi elettrogeni a cogenerazione, di potenza termica nominale inferiore a 1MW alimentate a biomasse (allegato X), a gasolio come tale o in emulsione, a biodisel Quindi gli impianti di cui ci occupiamo non necessitano di autorizzazione!!! 3

4 Stato attuale: TESTO UNICO 152 Gli allegati alla parte V del testo unico stabiliscono i limiti delle concentrazioni da rispettare in base alla taglia, al tipo di combustibile utilizzato e alla finalità dell impianto. Per gli impianti termici che utilizzano biomasse (le cui caratteristiche devono rientrare nelle disposizioni dell allegato X alla parte quinta) devono rispettare i seguenti valori di emissioni, riferiti ad un ora di funzionamento dell impianto nelle condizioni più gravose. I valori sono riferiti ad un tenore dell 11% di ossigeno 0.035MW 4

5 QUADRO NORMATIVO NAZIONALE Requisiti tecnici per gli impianti di cui al Titolo II del Dlgs 152/2006, ovvero impianti termici civili non soggetti ad autorizzazione (Articolo 294 e Allegato IX alla parte quinta). Potenza termica nominale per singolo focolare (MW) >1,16 Misura in continuo della temperatura dei fumi [1]. OBBLIGATORIO Misura della pressione in camera combustione ed alla base del camino. OBBLIGATORIO di Misura in continuo in camera combustione (T, CO, O2). >1,50 >2,30 OBBLIGATORIO Misura in continuo sulle emissioni di: CO, CO2 (CO+H2)[2]. OBBLIGATORIO [1] L apparecchiatura deve essere comunque installata in tutti gli impianti. [2] Le apparecchiature devono comunque essere installate su tutti gli impianti di potenzialità superiore a 1,16 MW. In alternativa alla concentrazione di CO ed H2 può essere adottato un misuratore dell ossigen in eccesso o anche un misuratore dell opacità dai fumi. 5

6 QUADRO NORMATIVO NAZIONALE Parte quinta del Dlgs 152/2006: limiti di emissione per la conversione energetica di biomasse combustibili. Potenza termica nominale complessiva installata (MW) Inquinanti Polveri totali Carbonio (COT) organico totale Monossido di carbonio (CO) Ossidi di azoto come NO2) (espressi Ossidi di zolfo (espressi come SO2) (1) >0,15 3 >3 6 > 6 20 > 20 mg/nm3 (2) mg/nm3 (2) mg/nm3 (2) mg/nm3 (2) (3) (3) (3) (3) (3) (3) I limiti sono riferiti ad un ora di funzionamento a regime dell impianto. Il tenore di ossigeno di riferimento è l 11% in volume nell effluente gassoso anidro. (1) Agli impianti di potenza termica nominale complessiva pari o superiore a MW e non superiori a 0.15 MW si applica un valore limite di emissione per le polveri totali di 200 mg/nm3. (2) I valori limite sono riferiti al volume di effluente gassoso secco rapportato alle condizioni normali: 0 C e 0,1013 Mpa. (3) Valori medi giornalieri 6

7 Stato attuale: TESTO UNICO 152 Quindi, la legge italiana, per gli impianti termici funzionanti a biomassa, con una potenza termica nominale tra i 35 e 150 KW pone dei limiti di emissione solamente sulle poveri totali. Impianti compresi tra MW emissione sulle polveri totali < 200mg/Nm3 I piccoli impianti con potenza termica nominale inferiore ai 35kW non vengono ancora considerati dalla normativa italiana Andiamo allora a vedere cosa succede sul panorama europeo 7

8 Quadro di Riferimento delle Normative Europee UNI EN (2008) Bruciatori a pellet per piccole caldaie da riscaldamento. Definizioni, requisiti, metodi di prova e marcatura. UNI EN (2007) Apparecchi a lento rilascio di calore alimentato da combustibili solidi. Requisiti e metodi di prova.. UNI EN (2006) Stufe a combustibile solido. Requisiti e metodi di prova. UNI EN (2006) Inserti e caminetti aperti alimentati a combustibile solido. Requisiti e metodi di prova. UNI EN (2006) Apparecchi per il riscaldamento domestico alimentati con pellet di legno. Requisiti e Metodi di Prova. UNI EN (2006)Impianti di riscaldamento ad acqua calda- Requisiti e metodi di sicurezza. Parte2 :Requisiti specifici per impianti con apparecchi per il riscaldamento a combustibile solido, con caldaia incorporata, con potenza non maggiore di 35kW. UNI EN (2006) Termocucine a combustibili solidi. Requisiti e metodi di prova. UNI EN (2004) Caldaie domestiche indipendenti a combustibile solido. Potenza termica nominale non superiore a 50 kw. Requisiti e metodi di prova. UNI EN (2004) Caldaia per riscaldamento: caldaie per combustibili solidi con alimentazione manuale e automatica, con una potenza nominale fino a 300kW. 8

9 Limiti di emissione nelle Normative Europee Sono presenti solamente i limiti sulle emissioni di monossido di carbonio (CO) UNI EN (2006) Stufe a combustibile solido. UNI EN (2006) Termocucine a combustibili solidi. UNI EN (2006) Inserti e caminetti aperti alimentati a combustibile solido. UNI EN (2004) Caldaie domestiche indipendenti a combustibile solido. Potenza termica nominale non superiore a 50 kw. Le misure vanno effettuate a potenza termica nominale dell'impianto, la concentrazione media di monossido di carbonio nei fumi, riferita ad un tenore di ossigeno del 13% (O2), deve essere minore o uguale al valore dichiarato dal fabbricante e non deve comunque essere maggiore del 1,0% NOTA: UNI EN (2006), nel caso di inserti Kachelofen o Putzofen il limite di CO non deve essere maggiore dello 0,2%, riferito ad un tenore di ossigeno nei fumi del 13%) 9

10 Limiti di emissione nelle Normative Europee Sono presenti solamente i limiti sulle emissioni di monossido di carbonio (CO) UNI EN (2007) Apparecchi a lento rilascio di calore alimentato da combustibili solidi. Le misure vanno effettuate a potenza termica nominale dell'impianto, la concentrazione media di monossido di carbonio nei fumi, riferita ad un tenore di ossigeno del 13% (O2), deve essere minore o uguale al valore dichiarato dal fabbricante e non deve comunque essere maggiore dello 0,3% UNI EN (2006) Apparecchi per il riscaldamento domestico alimentati con pellet di legno. Le misure vanno effettuate a potenza termica nominale dell'impianto e con una prova a combustione lenta o ridotta. La concentrazione media di monossido di carbonio nei fumi, riferita ad un tenore di ossigeno del 13% (O2) e calcolata come media di due prove successive, non deve essere superiore a 0,04% (500 mg/m3) nelle prove effettuate a potenza nominale e 0,06 % (750 mg/m3) nelle prove a combustione lenta. 10

11 Limiti di emissione nelle Normative Europee UNI EN (2008) Bruciatori a pellet per piccole caldaie da riscaldamento. 11

12 Limiti di emissione nelle Normative Europee UNI EN (2004) Caldaia per riscaldamento: caldaie per combustibili solidi con alimentazione manuale e automatica, con una potenza nominale fino a 300kW. 12

13 Limiti di emissione nelle Normative Europee UNI EN (2004) Caldaia per riscaldamento: caldaie per combustibili solidi con alimentazione manuale e automatica, con una potenza nominale fino a 300kW. Deviazioni dall'austria: 13

14 Limiti di emissione nelle Normative Europee UNI EN (2004) Caldaia per riscaldamento: caldaie per combustibili solidi con alimentazione manuale e automatica, con una potenza nominale fino a 300kW. Deviazioni dalla Svizzera: 14

15 Limiti di emissione nelle Normative Europee UNI EN (2004) Caldaia per riscaldamento: caldaie per combustibili solidi con alimentazione manuale e automatica, con una potenza nominale fino a 300kW. Deviazioni dalla Germania: 15

16 Limiti di emissione nelle Normative Europee Metodologie di calcolo: Il contenuto di CO deve essere calcolato nel modo seguente: 1. il contenuto medio di monossido di carbonio (COavg) deve essere calcolato come media di tutti i dati di CO rilevati dalle letture degli strumenti durante il periodo di prova. 2. Il contenuto medio di monossido di carbonio (CO) deve essere poi riferito a condizioni normalizzate di contenuto di ossigeno in conformità con una delle seguenti equazioni: 16

17 Limiti di emissione nelle Normative Europee Metodologie di calcolo: Il valore medio in parti per volume (ppm) è convertito in valore in massa (mg). Si dovrebbero utilizzare i seguenti fattori di conversione f da ppm a mg: fco = 1,25 fogc = 1,64 (se il gas di riferimento è il propano) fno2 = 2,05 È necessario determinare la frazione di incombusti gassosi organici sotto forma di carbonio a legame organico (OGC) nei prodotti della combustione secchi. L'ossido di azoto (NOx) è determinato come NO2. Tutte le emissioni sono calcolate in riferimento ai fumi secchi alla % di ossigeno di riferimento della norma e in condizioni normalizzate (mg/m3) a 0 C e mbar. 17

18 Progetto fuoco Misura delle emissioni 18

19 Stato attuale in materia di misure delle emissioni: TESTO UNICO 152/2006 Gli allegati alla parte V del testo unico stabiliscono i Metodi di campionamento, analisi e valutazione delle emissioni 1) Per il campionamento, l'analisi e la valutazione delle emissioni previste dalle sezioni precedenti si applicano i metodi contenuti nelle seguenti norme tecniche e nei relativi aggiornamenti: UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. UNI 9970:1992 Misure alle emissioni. Determinazione degli ossidi di azoto in flussi gassosi convogliati. Metodo all'acido fenoldisolfonico. UNI EN 15058:2006 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di monossido di carbonio (CO) - Metodo di riferimento: spettrometria a infrarossi non dispersiva UNI 10393:1995 Misure alle emissioni. Determinazione del biossido di zolfo nei flussi gassosi convogliati. Metodo strumentale con campionamento estrattivo diretto. UNI EN 12619:2002 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa del carbonio organico totale in forma gassosa a basse concentrazioni in effluenti gassosi - Metodo in continuo con rivelatore a ionizzazione di fiamma UNI EN 13526:2002 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa del carbonio organico totale in forma gassosa in effluenti gassosi provenienti da processi che utilizzano solventi - Metodo in continuo con rivelatore a ionizzazione di fiamma UNI EN :2000 Emissioni da fonte fissa - Metodi manuali per la determinazione dell'hcl 19

20 Stato attuale in materia di misure delle emissioni: TESTO UNICO 152/2006 Gli allegati alla parte V del testo unico stabiliscono i Metodi di campionamento, analisi e valutazione delle emissioni 2) Per la determinazione delle concentrazioni delle polveri, le norme tecniche di cui al punto 1 non si applicano nelle parti relative ai punti di prelievo. 3) per la determinazione delle concentrazioni di ossido di azoto, monossido di carbonio, ossidi di zolfo e carbonio organico totale, è consentito anche l'utilizzo di strumenti di misura di tipo elettrochimico. 4) Per gli impianti di cui alla sezione II (impianti che utilizzano biomasse) o alla sessione III (impianti che utilizzano biogas), in esercizio ala data di entrata in vigore del presente decreto, possono essere utilizzati i metodi in uso ai sensi della normativa previgente. 20

21 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. Metodo gravimetrico: Il principio del metodo di campionamento consiste nell aspirare aria ad un flusso costante attraverso un sistema di ingresso dotato di potrafiltro e relativi filtri, in cui il materiale particellare sospeso (le polveri) vengono raccolte su filtri, condizionati e pesati precedentemente. Il valore della concentrazione di polveri è dato dalla determinazione della massa gravimetrica, ricavata dalla differenza tra il peso iniziale del filtro bianco e di quello campionato, divisa per il volume normalizzato. I filtri da utilizzare devono essere conformi a requisiti minimi garantiti dal produttore ( efficienza del filtro piano maggiore del 99,5% su un aerosol di prova con un diametro medio delle particelle di 0,3 um, alla portata massima prevista; il materiale del filtro non deve assorbire o reagire con i composti gassosi contenuti nel gas da campionare; i filtri devono rimanere stabili alla massima temperatura di campionamento prevista). Per i campionamenti di emissioni dalla combustione della legna si consiglia l'utilizzo di filtri in fibra di quarzo (sono da evitare i filtri in fibra di vetro che possono reagire con i composti acidi come SO3 che portano ad un aumento del peso). Anche i filtri in PTFE si sono dimostrati efficiente, sebbene la temperatura massima consentita del gas che passa attraverso il filtro non deve essere maggiore di 230 C. 21

22 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. Definizione: CAMPIONAMENTO ISOCINETICO Campionamento a una portata tale che la velocità VN e la direzione del gas che entra nell'ugello di campionamento sono le stesse della velocità Va e della direzione del gas nel condotto al punto di campionamento 22

23 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. Definizione: DIAMETRO IDRAULICO Dimensione caratteristica della sezione trasversale di un condotto definita da: Si consiglia di posizionare il piano di campionamento nelle sezioni di condotto verticali con almeno 5 dh di condotto diritto a monte del piano di campionamento e 2 dh a valle. Nel caso si sia in prossimità dell'uscita del condotto in atmosfera il piano di campionamento deve essere posizionato ad una distanza di 5 dh dall'uscita. 23

24 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. 24

25 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. 25

26 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN :2003 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri in basse concentrazioni - Metodo manuale gravimetrico. 26

27 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI 9970:1992 Misure alle emissioni. Determinazione degli ossidi di azoto in flussi gassosi convogliati. Metodo all'acido fenoldisolfonico. La presente norma descrive un metodo colorimetrico all'acido fenoldisolfonico per la determinazione degli ossidi di azoto (NOx) escluso il protossido di azoto (N2O), presenti nei flussi gassosi. Il metodo è applicabile per concentrazioni espresse come NO2, comprese tra 30 e 1000 mg/m3. Il metodo prevede istantaneo del gas. un campionamento Il campione viene introdotto in un pallone sotto vuoto (apparecchio 5.2) contenente una soluzione di acqua ossigenata in acido solforico diluito. Gli ossidi di azoto sono trasformati in acido nitrico dalla soluzione assorbente e lo ione nitrato viene poi fatto reagire con l'acido fenoldisolfonico ottenendo un composto di colore giallo misurato per via colorimetrica nell'intorno dei 410 nm. La concentrazione degli NOx nel campione si determina con la curva di taratura ottenuta per mezzo di campioni a contenuto noto di nitrati. 27

28 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN 15058:2006 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di monossido di carbonio (CO) - Metodo di riferimento: spettrometria a infrarossi non dispersiva La presente norma descrive la tecnica analitica a infrarossi non dispersiva (NDIR) per il campionamento e la determinazione del contenuto di monossido di carbonio nelle emissioni in atmosfera provenienti da condotti e camini. Il sistema NDIR è composto da una lampada IR che produce la radiazione che attraversa la camera di misura, il CO presente nel gas è in grado di assorbite la radiazione infrarossa (λco = 4 4,5 um), la misura dell'attenuazione di luce infrarossa nella camera di misura, in accordo con la legge di Lambert-Beer, permette di ricavare il valore della concentrazione di monossido di carbonio presente nel gas campionato. Questo sistema di misura viene consigliato per la misura di CO e CO2. 28

29 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN UNI EN 12619:2002 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa del carbonio organico totale in forma gassosa a basse concentrazioni in effluenti gassosi - Metodo in continuo con rivelatore a ionizzazione di fiamma UNI EN 13526:2002 Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa del carbonio organico totale in forma gassosa in effluenti gassosi provenienti da processi che utilizzano solventi - Metodo in continuo con rivelatore a ionizzazione di fiamma Le due norme specificano una serie di requisiti prestazionali minimi per uno strumento che utilizza la rilevazione ad ionizzazione di fiamma, unitamente ai procedimenti per la taratura e il funzionamento dello stesso, per la misura della concentrazione in massa del carbonio organico totale il forma gassosa (TOC) in emissioni di combustione da sorgente fissa. Il principio di misurazione è la determinazione di una corrente di ionizzazione risultante dalla combustione di composti organici in una fiamma ad idrogeno. Tale corrente dipende dal numero di atomi di carbonio dei composti organici che bruciano nella fiamma del gas combustibile, dalla forma del legame (catena lineare o ramificata) e dagli eteroatomi di legame. Il fattore di risposta è una funzione della progettazione specifica del rivelatore e delle condizioni operative regolate. Il vantaggio principale del FID è che esso risponde fortemente ai composti contenenti carbonio organico e in misura minore ai composti inorganici degli effluenti gassosi (come CO, CO2, NO, H2O). I FID richiedono un gas combustibile e aria di combustione. 29

30 Metodi di campionamento nelle norme UNI EN 30

31 Metodi di campionamento 152/2006 DL 152/2006: per la determinazione delle concentrazioni di ossido di azoto, monossido di carbonio, ossidi di zolfo e carbonio organico totale, è consentito anche l'utilizzo di strumenti di misura di tipo elettrochimico. Gli analizzatori a celle elettrochimiche si basano sul principio del diverso potenziale di riduzione delle diverse specie gassose. L'inconveniente delle celle elettrochimiche è il fatto che tendono a decalibrarsi; vanno quindi previste calibrazioni periodiche con bombole di riferimento e un calendario di manutenzione per la sostituzione delle celle starate. I vantaggi sono l'uilizzo di un unico strumento per la misura delle specie gassose previste dal D.L 152/2006 e il costo relativamente contenuto della strumentazione per l'analisi di gas dalla combustione della legna 31

32 Progetto fuoco Approfondimenti sperimentali 32

33 Attività sperimentali ATTIVITÀ SPERIMENTALI SVOLTE DAL DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE DELL'UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO 1) campagna sperimentale per caratterizzazione granulometrica del particolato emesso dalla combustione della legna da una caldaia a legna a fiamma rovesciata. Sistema sperimentale: strumento conta-particelle e sistema di diluizione a freddo per il campionamento del materiale particolato (PM). 2) campagne sperimentali per caratterizzazione dei gas emessi dalla combustione della legna da una caldaia a legna a fiamma rovesciata. Sistema sperimentale: strumenti a celle elettrochimiche per la misura delle concentrazioni di O2, CO, NO e SO2; strumento con sensori all'infrarosso (NDIR) per la misura di CO2 e CH4; gascromatografo per la misura di CO2, O2, N2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, H2, CO. 33

34 Approfondimenti sperimentali IMPIANTO PILOTA Caldaia a fiamma rovesciata con potenzialità termica compresa tra 11 kw e 25.9 kw. Serbatoio di accumulo. Termoconvettore in grado di dissipare il calore prodotto. Pompe per la circolazione del fluido, strumentazione di controllo ed dispositivi di sicurezza. 34

35 Campionamento polveri Strumentazione utilizzata Strumento conta-particelle: (modello GRIMM) misure di concentrazioni in massa o numero di particelle; 15 classi granulometriche ( range 0.23 e i 30 µm). Problematiche del campionamento: abbassare la temperatura dei fumi per poterli campionare con il conta-particelle; evitare la formazione di condense nella linea di prelievo. Soluzione operativa: allestimento di un sistema di diluizione con aria secca a temperatura ambiente ( sistema di diluizione a freddo ). 35

36 Campionamento polveri Sistema di diluizione a freddo 2 flussimetri (red-y) misura flussi Termocoppie k misure temperatura gel di silice aria di diluizione secca filtro aria di diluizione epurata dal particolato atmosferico 36

37 Campionamento polveri Misure di polveri totali (campionamento sperimentale) e confronto con DL 152/2006 e norme UNI EN NB le misure a regime, sono state effettuate quando si è raggiunta una fase di combustione costante; l'ultima misura è riferita a tutta la prova effettuata (sono comprese le fasi di combustione non costante). Il metodo di campionamento non è secondo normativa 37

38 Campionamento Gas Strumentazione utilizzata Analizzatore di combustione (modello MSI Compact - Dragër) misura T aria, T fumi celle elettrochimiche: misura O2, CO, NO, SO2 Analizzatore di combustione (modello MaMos200 - TCR Tecora) sensori infrarosso (NDIR): misura CO2 e CH4. Gascromatografo (modello Agilent3000) gascromatografo: misura CO2, O2, N2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, H2, CO. Termocoppie K: caratterizzazione del profilo di temperatura in camera di combustione, temperatura fumi al camino e temperatura della legna in camera id combustione. 38

39 Campionamento Gas Profilo di temperatura registrato da una termocoppie installata in camera di combustione 39

40 Campionamento Gas Profilo di temperatura registrato da una termocoppia installata all'interno di un ciocco di legna 40

41 Campionamento Gas Misura dei gas al camino Misura dei gas al camino - celle elettrochimiche Misura dei gas al camino gascromatografo 41

42 Campionamento Gas Considerazioni generali sulla combustione Analizzando le concentrazioni misurate di CO e NO in funzione della temperatura dei fumi si nota come, in caso di alte temperature ai fumi si ha un abbassamento delle concentrazione di CO e un aumento delle concentrazioni di NO. I due fenomeni presentano un andamento opposto in funzione della temperature. Questo fatto deve quindi spingere il progettista a cercare il giusto compromesso per minimizzare la produzione di CO e NOx. 42

43 Campionamento Gas Misura dei gas al camino confronto normativa UNI EN NB I limiti di emissione previsti nelle norme UNI sono da riferirsi UNI EN303-5 caldaie con potenza termica nominale fino a 300 kw UNI EN303-5 (Svizzera) caldaie con potenza termica nominale minore di 70 kw UNI EN303-5 (Germania) caldaie con potenza termica nominale maggiore di 15 kw UNI EN caldaie con potenza termica nominale minore di 50 kwuni EN

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