EMISSIONI DI PARTICOLATO ULTRAFINE E NANOPOLVERI DALLA COMBUSTIONE DELLA LEGNA

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1 POLITECNICO DI MILANO DIIAR Sezione Ambientale EMISSIONI DI PARTICOLATO ULTRAFINE E NANOPOLVERI DALLA COMBUSTIONE DELLA LEGNA Stefano CERNUSCHI,, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti

2 Generalità Polveri ultrafini (UP) e nanoparticolato (NP) Dimensioni < 0,1 µm (UP) - 0,05 µm (NP) Principali implicazioni ambientali nanotecnologie, nanomateriali, esposizioni professionali Recente interesse emissioni da combustione estesi riferimenti per sorgenti veicolari motori diesel scarse informazioni per sorgenti fisse (riscaldamento, centrali di potenza, attività industriali) 2

3 Generalità Emissioni da combustione Primarie Cormier et al., Env. Health Persp Polveri primarie Raffreddamento e miscelazione con atmosfera Formazione nuove particelle Gas caldi Condensabili (nucleazione speci semivolatili per raffreddamento/diluizione atmosferica) 3

4 Generalità Emissioni da combustione fissa Forte dipendenza con tipologia combustibile tecnologia combustione sistema depolverazione condizioni di esercizio modalità di campionamento (caldo, freddo per diluizione componente condensabile) e conteggio particelle 4

5 Indagine sperimentale Progetto ULTRAPART (LEAP/Politecnico) Emissioni di UP/NP da impianti di combustione fissa impianti termici per riscaldamento civile alimentati con combustibili convenzionali (gasolio e gas naturale) e biomasse (pellet,, legna) impianti di termovalorizzazione di rifiuti urbani Misura della concentrazione in numero e delle caratteristiche dimensionali del particolato componente primaria prodotta durante la combustione componente condensabile formata all atto dell immissione in atmosfera 5

6 Linea di prelievo e misura Sonda + camera di residenza Prelievo da camino dei gas prodotti Sonda di campionamento Camera di residenza (formazione componente condensabile) Emissione gassosa Aria di miscelazione depurata Flusso prelevato (polveri primarie e condensabili) Apparato di conteggio delle particelle ELPI IMPATTORE A BASSA PRESSIONE Conteggio da 0, µm 6

7 Sorgenti indagate Caldaia a pellet di legna con depolveratore centrifugo assiale (100 kw) Caminetto chiuso a legna (11 kw) Caldaia a gasolio Caldaia a gas naturale (150 kw) 7

8 Assetto sperimentale Regime attività gasolio/pellet: carico nominale, carico ridotto caminetto: ciclo combustione carica presa fuoco combustione riduzione fiamma estinzione Tipologia prelievi a caldo a freddo con diluizione bassa: DR =15 20 media: DR = alta: DR = Aria ambiente 8

9 Caldaia a pellet Concentrazioni in numero (particelle cm -3 ) - carico nominale IQR media min max mediana Aria ambiente Fumi Fumi con diluizione con diluizione Numero totale particelle (cm -3 ) E E E Media = 4, PM 10 = 9-12 mg m -3 Aria ambiente Rapporto di diluizione 5.2E+07 9

10 Caldaia a pellet Frazioni dimensionali - carico nominale 100% 0.007<dp<0.05 µm 0.05<dp<0.1 µm 0.1<dp<10 µm Frazione in numero (%) 80% 60% 40% 20% 74% 73% 19% 19% 6% 7% 28% 68% 5% 0% Rapporto di diluizione 10

11 Caldaia a pellet Concentrazioni in numero (particelle cm -3 ) - variazione carico IQR average min max median Ambient air Carico Full nominale load Carico Reduced ridotto load Numero totale particelle (cm -3 ) E E E+04 PM 10 = mg m -3 Ambient air Rapporto di diluizione 11

12 Caldaia a pellet 100% DR=30 Frazioni dimensionali - variazione carico 0.007<dp<0.05 µm 0.05<dp<0.1 µm 0.1<dp<10 µm Frazione in numero (%) 80% 60% 40% 20% 0% 73% 61% \ 34% 20% 7% 5% Carico nominale Carico ridotto (30%) Carico caldaia 12

13 Caldaia a pellet Distribuzioni dimensionali Concentrazione in numero [10 6 /cm 3 ] Carico nominale Carico ridotto C = cm -3 C = cm Dp [µm] 0.07 µm Concentrazione in numero [10 6 /cm 3 ] Dp [µm] 0.21 µm 13

14 Caminetto chiuso E+09 Concentrazioni in numero (particelle cm -3 ) IQR media min max mediana Numero totale particelle (cm -3 ) E E E E E Campionamento a caldo Campionamento a freddo Media = 6, Media = E E+02 aria ambiente B M A B M A A: alta diluzione M: media diluizione B: bassa diluizione 14

15 Caminetto chiuso 100% Frazioni dimensionali 0.007<Dp< <Dp< <Dp<10µm Campionamento a caldo Campionamento a freddo Frazione in numero (%) 80% 60% 40% 65% 30% 39% 52% 43% 43% 51% 30% 46% 43% A: alta diluzione M: media diluizione B: bassa diluizione 47% 45% 53% 27% 20% 5% 9% 15% 19% 11% 8% 19% 0% aria ambiente B M A B M A Rapporto di diluizione 15

16 Caminetto chiuso Distribuzioni dimensionali dn/ddp [10 8 cm -3 µm -1 ] dn/ddp [10 8 cm -3 µm -1 ] ,02 µm N T = 8, cm -3 0,12 µm Caldo Bassa dil Dp [µm] 0,02 µm N T = 5, cm -3 0,12 µm Freddo Bassa dil Dp [µm] dn/ddp [10 8 cm -3 µm -1 ] dn/ddp [10 8 cm -3 µm -1 ] ,02 µm N T = 5, cm -3 0,12 µm Caldo Alta dil Dp [µm] 0,02 µm N T = 6, cm -3 0,08 µm Freddo Alta dil Dp [µm] 16

17 Caldaia a gasolio Concentrazioni in numero (particelle cm -3 ) - carico nominale IQR media min max mediana Aria ambiente Fumi a caldo Fumi con diluizione Numero totale particelle (cm -3 ) E E E E Media = 3, PM 10 = mg m E Aria ambiente A caldo Rapporto di diluizione 17

18 Caldaia a gasolio Frazioni dimensionali - carico nominale 0.007<dp<0.05 µm 0.05<dp<0.1 µm 0.1<dp<10 µm 100% 97% 95% 93% Frazione in numero(%) 80% 60% 40% 20% 0% 74% 23% 2% 4% 7% 3% 0% 1% 1% A caldo Rapporto di diluizione 18

19 Caldaia a gasolio Distribuzioni dimensionali - carico nominale Concentrazione in numero [10 6 /cm 3 ] A caldo C = cm µm Dp [µm] Concentrazione in numero [10 6 /cm 3 ] Con diluizione C = cm µm Dp [µm] 19

20 Caldaia a gas naturale Concentrazioni in numero (particelle cm -3 ) IQR mediana media min max Numero totale particelle (cm -3 ) Aria ambiente Fumi con diluizione 20

21 Caldaia a gas naturale Frazioni dimensionali 0,007<dp<0,05 0,05<dp<0,1 0,1<dp<10µm 100% Frazione in numero (% 80% 60% 40% 20% 68% 21% 11% 0% 15 Rapporto di diluizione 21

22 Caldaia a gas naturale Distribuzione dimensionale Concentrazione in numero [1 /cm 3 ] C = cm µm Dp [µm] 22

23 Valutazione comparativa Particelle cm -3 (scala logaritmica) Caldaie Motori Diesel Termovalorizzatori Motori benzina Aria ambiente Pellet Caminetto Gasolio Gas naturale Milano Brescia Bologna Diesel senza FAP Diesel con FAP Benzina conv. Benzina iniez. diretta * FAP = filtro antiparticolato 23

24 Conclusioni Emissioni di PU in linea con la qualità del combustibile, le modalità della combustione e la presenza di presidi di depurazione (ruolo importante delle maniche filtranti) Nei campionamenti a freddo e con diluizione (condizioni atmosferiche), la presenza di vapori semivolatili contribuisce per condensazione ad incrementare numero e massa di ultrafini (gasolio e legna) Livelli emissivi in numero Livelli emissivi in numero (PU = 90-99%, NP = 30-70%) gas naturale: 10 4 cm -3 aria ambiente legna: cm -3 > volte aria ambiente gasolio: cm -3 > volte aria ambiente termovalorizzatori: cm -3 aria ambiente, mediamente < veicoli benzina cat. e diesel con FAP veicoli diesel senza FAP e benzina ID: cm -3 utenze civili gasolio e legna 24

25 Ringraziamenti Progetto ULTRAPART finanziato da FederAmbiente Gruppo di lavoro Politecnico di Milano: M. Giugliano, S. Consonni, R. Tardivo, S. Ozgen, G. Ripamonti LEAP: G. Sghirlanzoni Stazione Sperimentale Combustibili: A. Mascherpa, G. Migliavacca, A. Brusoni, F. Pederzoli Supporto ed assistenza del personale tecnico impianti di termovalorizzazione indagati 25