Università di Cassino nel monitoraggio ambientale di termovalorizzatori/inceneritori

Il termovalorizzatore di San Vittore del Lazio: tra sviluppo del territorio e tutela ambientale Il ruolo dell Universit Università di Cassino nel monitoraggio ambientale di termovalorizzatori/inceneritori Giorgio Buonanno Prof. Associato di Fisica Tecnica Ambientale, Università di Cassino 1

Laboratorio LAMI DiMSAT Università di Cassino Centro SIT per: umidità, pressione, temperatura, mass a (PalMer), lunghezze (PalMer), acustica (PalMer), grandezze elettriche e misuratori di velocità (autovelox) Laboratorio accreditato SINAL per CDR, prove meccaniche su metalli e compositi, collettori solari e proprietà termofisiche, certificazione di prodotto su segnali stradali Laboratorio riconosciuto ai sensi del Dl 182/2000 per l effettuazione di verifiche metrico-legali (funzione di ispettore metrico bilance, contatori acqua, gas e energia elettrica, contatori energia termica, tassametri) Collaborazioni di ricerc a ventennali con INRIM, Torino 2

Il ruolo dell Università di Cassino Dal 2003 assume la responsabilità nel controllo del sistema di monitoraggio dell impianto di San Vittore del Lazio (FR); nel corso dei successivi 4 anni stipula diversi convenzioni di ricerca con la società E.A.L.L., proprietaria dell impianto; nel luglio 2006 ACEA spa diventa proprietaria dell impianto; da fine 2006 ACEA spa ha coinvolto l Università di Cassino nelle fasi di progettazione del potenziamento dell impianto previsto (applicazione migliori tecnologie possibili - BAT) nel 2006 coinvolgimento da parte delle Pubbliche Amministrazioni su impianti della Piana Fiorentina (FI), Pozzilli (IS) e Ottana (NU) 3

L inceneritore di San Vittore del Lazio (FR) CARATTERISTICHE PRINCIPALI Potenza termica nominale forno circa 52 MW t Potenza elettrica nominale 10 MW e (cessione rete GRTN): 80.000 MWh/y per complessive 8.000 h di esercizio Produzione nominale 54 t/h di vapore SH a temperatura di 415 C, e pressione di 42 bar in ingresso turbina Combustibile termovalorizzato: CDR: circa 90.000 t/y Rifiuti di combustione prodotti (% in peso combustibile conferito) Ceneri leggere: circa 6 % Ceneri Pesanti: circa 14 % 4

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) Art. 8. Decreto Legislativo 11 maggio 2005, n. 133 Attuazione della direttiva 2000/76/CE, in materia di incenerimento dei rifiuti. Condizioni di esercizio degli impianti di incenerimento e di coincenerimento OMISSIS 3. Gli impianti di incenerimento devono essere progettati, costruiti, equipaggiati e gestiti in modo tale che, dopo l'ultima immissione di aria di combustione, i gas prodotti dal processo di incenerimento siano portati, in modo controllato ed omogeneo, anche nelle condizioni piu' sfavorevoli, ad una temperatura di almeno 850 C per almeno due secondi. Tale temperatura e' misurata in prossimita' della parete interna della camera di combustione, o in un altro punto rappresentativo della camera di combustione indicato dall'autorita' competente. una misura impossibile 5

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) I valori numerici sottostimano i dati sperimentali chamber walls v=0,t H2 O, h eq T Modello di combustione nella fase gassosa second measurement plane L P S M outflow (FLUENT ) first measurement plane H N venturi plane E G F Modello di combustione nella fase solida secondary flow v,t A D C B secondary air flow v,t (FLIC) ashes exit 6 waste bed primary air flow. V, T 6/19

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) 1600 1200 Case 1 - forced Case 2 - forced Case 3 - forced Case 1 - mixed Case 2 - mixed Case 3 - mixed Experimental 1200 900 Case 1 - forced Case 2 - forced Case 3 - forced Case 1 - mixed Case 2 - mixed Case 3 - mixed Experimental T( C) T( C) 800 600 Second measurement plane 400 0 1 2 3 4 L(m) Ceiling of the chamber 300 0 2 4 6 L(m) 7

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) Velocity vectors: Forced convection Mixed convection 8

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) Temperature contours: Forced convection Mixed convection 15 9

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) 10

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) Particles position and temperature after 2 seconds: Forced convection Mixed convection Monodimensional model 11

Caratterizzazione camera di combustione (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) Installazione di un termometro ad infrarossi monocromatico (C0 2 ) Land CD1 Incinerator thermometer 12

Caratterizzazione delle polveri emesse dall impianto in termini di composizione (metalli pesanti SEM + campionatori gravimetrici) 13

Monitoraggio polveri ultrafini e nanopolveri (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) 1 nm = 10-3 μm = 10-9 m polveri grossolane (PM10) D eq <10 μm polveri fini (PM2.5.5) D eq <2.5 μm Polveri ultrafini - D eq < 0.1 μm Nanoparticelle D eq < 0.050 μm m (50 nm) 14

Monitoraggio polveri ultrafini e nanopolveri (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) Parametri fisici Parametri chimici Parametri biologici Dimensione Composizione Organo o tessuto coinvolto Forma Corrodibilità Condizioni di salute Area superficie esterna Variabilità individuale Concentrazione Velocità assunzione Radioattività Primary atmospheric particles: particelle emesse direttamente da una sorgente antropica (combustione, cave, mietitura) o naturale (erosione del terreno da parte del vento e aerosol marino generato da bolle d aria presenti nelle onde). Secondary atmospheric particles: particelle che si formano in atmosfera (a partire da NO x, SO 2 e composti organici) come risultato di reazioni chimiche che portano alla formazioni di sostanze non-volatili con conseguente condensazione nella fase solida, o liquida e, quindi, formazione di particelle. 15

Monitoraggio polveri ultrafini e nanopolveri (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) L aerosol atmosferico è caratterizzato da una distribuzione delle dimensioni delle particelle. Number distribution, surface area distribution, mass distribution vs. dimensione Nelle diverse rappresentazioni uno o più picchi (mode) possono essere osservati. Passando dalla number alla surface area alla mass distribution si osservano mode spostate verso dimensioni maggiori. Misure gravimetriche (PM10, PM2.5, PM1) 16

Monitoraggio polveri ultrafini e nanopolveri (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) L aerosol atmosferico tipicamente evolve nel seguente modo: 1. le particelle sono generate, in aggiunta a quelle direttamente emesse, per nucleazione di vapori supersaturi; 2. le piccole particelle crescono per coagulazione e/o condensazione in particelle più grandi; 3. le particelle si depositano su superfici (anche di particelle più grandi) per diffusione; 4. le particelle più grandi si depositano per sedimentazione o sono semplicemente lavate dall atmosfera per precipitazione. 17

Numero di particelle in atmosfera Un adulto inala circa 100.000.000.000 di particelle in città al giorno, 100 volte di più che in zone incontaminate 100 1000 part./cm 3 nelle remote zone continentali e aree marine 10.000 part./cm 3 nelle aree urbane 100.000 part./cm 3 lungo le strade e durante la formazione di nuove nanoparticelle, generalmente durante periodi di elevata radiazione solare 18

Nonostante la massa emessa di particelle dei motori diesel sia molto maggiore dei motori alimentati a benzina, durante percorsi autostradali i due tipi di motore presentano emissioni in numero simili. 19

The concentration of fine and ultrafine particles decay to about half of the maximum at a distance of 100-150 150 m at Brisbane Shi et al. observed a faster decline of particle number concentration than mass 20 concentration in Birmingham

21

Scanning Mobility Particle Spectrometer (CPC + DMA) Il classificatore elettrostatico (DMA) effettua l estrazione di una definita frazione dimensionale delle particelle Condensation Particle Counter (CPC) effettua il conteggio. In alternativa è possibile utilizzare un Water-based CPC Collaborazione con laboratorio cogestito da Università del Maryland e NIST 22

Modeling (Capaldo and Pandis, 2002, Kittelson, 2004) indicates that for typical urban conditions characteristic times and transit distances for 90% reduction of total number (mainly ultrafine) concentrations are on the order of a few minutes and 100-1000 m, respectively. Thus high ultrafine and nanoparticle concentrations from engines are expected to be found mainly on and near roadways a hotspot problem 23

Municipal waste incineration plant (23 MW) EMISSIONI MOTORI (3.1 10 14 part/km/veh) Kittelson et al., 2004 Gramotnev et al., 2003 Jamriska and Morawska, 2001 Farnlund et al., 2001 Corsmeier et al., 2005 EMISSIONI INCENERITORI Zimmermann et al., 2003 (1.1 10 17 part/h) DATI FLUSSO VEICOLARE Volume del traffico sui tratti elementari della rete autostrade per l Italia. Anni 2003-2004 (edizione Luglio 2005): 2500-3000 veicoli ogni ora sull A1 n. auto equiv. 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 ESP off EMISSIONI CONTATTO RUOTE- STRADA Dahl et al., 2006 1 ora di emissione di nanoparticelle dell inceneritore corrisponde al passaggio di circa 4000 veicoli per un tratto di 10 km (ESP on e soglia di rilevabilità > 15 nm) 400 200 0 ESP on 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 km 24

Supporto dell Università di Cassino nella progettazione nuovo impianto caldaia Ricircolo fumi (O2<10%) a camera di combustione elettrofiltro Econom. Bicarbonato di sodio Carboni attivi Reattore H2O al degasatore vapore saturo da corpo cilindrico / spillamento turbina F.M. Ammoniaca /Urea+idroli si (per sicurezza operatori) DeNOX SCR Preriscaldo condensato 220 C 215 C 170 C 168 C 166 C 190 C 140 C 25

Caratterizzazione acustica dell impianto (convenzione di ricerca con Univ. Cassino) 26

Progettazione, realizzazione e supervisione scientifica di un laboratorio per la caratterizzazione chimico-fisica del CDR Data inizio attivita : : 2 agosto 2006 (febbraio 2007) Analisi chimico-fisica e merceologica Un responsabile e un operatore Accreditamento SINAL entro due anni Inizio monitoraggio nanopolveri: : novembre 2007 27

Conclusioni Complessità nelle attività di monitoraggio (coordinamento monitoraggio macro e microinquinanti, caratterizzazione camera di combustione, laboratorio CDR, polveri, caratterizzazione acustica) Necessità di una gestione impiantistica competente Sistema di monitoraggio sinergico 28

Sono solito dire che, quando si è in grado di misurare ciò di cui si sta parlando ed esprimerlo in numeri, allora si sa effettivamente qualcosa di esso ma quando non si è in grado di fare ciò allora la conoscenza a riguardo è scarsa e insoddisfacente. Lord Kelvin (William Thomson), 1824 1907 29