Valutazione sperimentale delle emissioni di nanopolveri (Dp<0,05 µm) da impianti di riscaldamento domestico Michele Giugliano DIIAR Sezione Ambientale Politecnico di Milano
L attenzione per la componente ultrafine del particolato e le motivazioni della ricerca Particelle di dimensioni ultrafini UFP (< 100 nm) e nanometriche NP (< 50) sono prodotte da una serie di processi naturali Al fondo naturale si è aggiunto il contributo delle attività antropiche, in seguito principalmente a: - processi industriali che impiegano elevate energie - processi di combustione fissi e mobili - nanotecnologie Lo sviluppo delle nanotecnologie e l attesa immissione di materiali nanostrutturati in ambiente hanno riproposto l attenzione per questo componente del particolato Sia alle emissioni che in ambiente la concentrazione in massa del particolato non traccia la concentazione in numero normalmente molto elevata per le UFP Emissioni da utenze per il riscaldamento residenziale poco esplorate e senza dispositivi per la depurazione Preoccupazioni specifiche di ordine sanitario
Le preoccupazioni di ordine sanitario 3 Traslocazione in organi extrapolmonari (?) Ultrafini < 0,1 µm Nanoparticelle < 0,05 µm Organi interessati dal PM fine e ultrafine
OBIETTI VI DELLO STUDIO Valutare le emissioni da impianti in scala reale, rappresentativi del parco caldaie e dei combustibili di normale utilizzo nelle aree urbane Valutare l effetto del regime di funzionamento dell impianto in termini di potenza e qualità della combustione Simulare l effetto del raffreddamento e della diluizione operato dall atmosfera sulle componenti semivolatili. I campionamenti a caldo, previsti normalmente dai protocolli di misura del particolato, possono sottostimare significativamente la misura
MATERIAL I A METODI Caldaia a pellet (100 kw di potenza nominale) Sistema avanzato di combustione a 2 stadi (griglia mobile e camera secondaria a vortice) con ricircolo dei gas per il controllo degli NO x e ciclone per l abbattimento di polveri grossolane) Alimentazione alla potenza nominale : 22 kg h -1 di pellet
MATERIALI E METODI Caldaia a metano o gasolio (150 kw di potenza nominale) Sistema convenzionale attrezzato con bruciatore intercambiabile. Alimentazione alla potenza nominale : 13 kg h -1 gasolio 17.5 m n3 h -1 metano BOILERS
MATERIALI E METODI Condizioni operative della linea di campionamento campionamento a caldo, alle condizioni di temperatura,umidità e ossigeno nel camino campioni raffreddati e diluiti con aria filtrata per valutare l effetto operato dall atmosfera sulla componente ultrafine e nanoparticolata Condizione operative dell impianto potenza nominale (pieno carico ed indice d aria ottimale) condizioni di carico non nominale e con eccesso d aria ridotto
Linea di campionamento misura a caldo MATERIALI E METODI Con una sonda riscaldata il campione affluisce direttamente al sistema di misura Stack Heated probe Flue gas PM2.5 cyclone T flue gas =150-180 C Particle measurement (ELPI)
Linea di campionamento misura a freddo MATERIALI E METODI (CTM039 USEPA) Temperatura del campione diluito:t~24-30 C Stack Flue gas Apparato di diluizione Dilution tunnel Dry and clean dilution air Strumento di misura ELPI DILUIZIONE Bassa DR=10-20 Media DR=20-35 Alta DR=35-50 Tempo di residenza: t~0.5-2 s
Strumento di misura MATERIALI E METODI Separazione in classi granulometriche e rilevamento del numero ELPI (Electrical low pressure impactor (ELPI, Dekati) con 12 piatti e filtro stage - Misure in tempo reale - Fasi e principi della misura : 1) Carica delle particelle 2) Separazione per impatto inerziale su fogli di alluminio spalmato di grasso antirimbalzo 3) Rilevamento elettrico nel range 0.007-10 µm
RISULTATI Caldaia a pellet Numero di particelle totali cm -3 (TN cm -3 ) Total number concentration (cm -3 ) 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 Campionamento A caldo TN > limite ELPI UFP% ~ 88% NP% = 64% 3 10 4 7 10 7 7 10 7 8 10 7 UFP% ~ 95% NP% = 17 27% ambient air low dilution medium dilution high dilution
RISULTATI Caldaia a pellets granulometria dn/ddp [10 7 cm -3 µm -1 ] 100 80 60 40 20 0 TN: 6.8 10 7 cm -3 0.01 0.1 1 10 Dp [µm] Bassa diluizione
RISULTATI Caldaia a gasolio Numero di particelle totali cm -3 (TN cm -3 ) Total number concentration (cm -3 ) 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 ambient air 3 10 4 non nominal hot sampling IQR average min max median 8 10 6 UFP% = 94-97% NP% = 25-37% hot sampling 2 10 6 low dilution 8 10 7 3 10 7 UFP% = 99% NP% = 97% medium dilution 1 10 7 high dilution
RISULTATI Caldaia a Gasolio Granulometria dn/ddp [10 7 cm -3 µm -1 ] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 TN: 1.8 10 6 cm -3 dn/ddp [10 7 cm -3 µm -1 ] 350 300 250 200 150 100 50 TN: 7.7 10 7 cm -3 0 0 0.01 0.1 1 10 Dp [µm] 0.01 0.1 1 10 Dp [µm] Campionamento a caldo Campionamento a freddo
RISULTATI Caldaia a metano Numero di particelle totali cm -3 (TN cm -3 ) Total number concentration (cm -3 ) 1.E+05 1.E+04 1.E+03 IQR average min max median 3 10 4 UFP% ~ 88% 6 10 3 NP% = 64% UFP% = 89% NP% = 68% ambient air low dilution
RISULTATI Caldaia a metano Granulometria dn/ddp [10 5 cm -3 µm -1 ] 2 1.5 1 0.5 0 TN: 6.4 10 3 cm -3 0.01 0.1 1 10 Dp [µm] Bassa diluizione
FATTORI DI EMISSIONE TN (Numero totale) CALDAIA A PELLET Diluizione Numero kg -1 combustibile Alta 3,8 10 14 Bassa 2,8 10 14 UFP Alta 3,6 10 14 (Ultrafini) Nessuna 2,6 10 14 NP (Nanoparticolato) Alta 9,9 10 13 Nessuna 5,1 10 13 PM2.5 = 8.6 12.2 mg m -3 4.5 6.4 g GJ -3
FATTORI DI EMISSIONE CALDAIA A GASOLIO Condizioni di campionamento N kg -1 combustibile TN (Numero totale) UFP (Ultrafini) NP (Nanoparticolato) Alta diluizione/nominale 17 10 13 Nessuna diluizione /non nominale e nominale 5,5 10 13 Alta diluizione/nominale 16 10 13 Nessuna diluizione /non nominale e nominale 5,3 10 13 Alta diluizione/nominale 15 10 13 Nessuna diluizione /non nominale e nominale 1,6 10 13 PM2.5 (nominale) 1.8 4.1 mg m -3 (0.6 1.2 g GJ -1 ) (non nominale) 4.0 9.5 mg m -3 (1.1 2.7 g/gj -1 )
FATTORI DI EMISSIONE CALDAIA A METANO Diluizione Numero kg -1 combustibile TN (Numero totale) UFP (Ultrafini) NP (Nanoparticolato) Bassa 1,1 10 11 Bassa 9,3 10 10 Bassa 6,9 10 10 PM2.5 : 0.7 1.0 mg m -3 ( 0.3 0.4 g GJ -1 )
CONFRONTI 10 16 10 15 10 15 10 14 10 14 10 14 10 14 10 13 10 13 3 10 12 10 15 10 11 10 14 10 12 Veicoli benzina Veicoli diesel 10 12 10 11 7 10 10 10 10 2 10 10 Pellet Caminetto Gasolio Gas naturale Termovalorizzatori Particelle kg -1 (scala logaritmica)
CONFRONTI Particelle cm -3 (scala logaritmica) 81.000.000 52.000.000 67.000.000 45.000.00051.000.000 1.300.000 Caldaie Motori Diesel Termovalorizzatori 43.000.000 21.000.000 500.000 70.000 32.000 18.000 42.000 14.000 4.500 11.000 7.000 10.000 4.000 Motori benzina 270.000 90.000 17.000.000 4.000.000 21 S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, S. Consonni Number concentration and chemical composition of ultrafine and nanoparticles fromwte plants Science of the Total Environment (2012)
CONCLUSIONI Le utenze per il riscaldamento residenziale possono essere importanti sorgenti di UFP UFP più del 90% delle particellle totali (TN) Le emissioni sono strettamente connesse al tipo de combustibile ed alla qualità della combustione: gas<< gasolio < pellet condizioni di funzionamento non nominale determinano incrementi del numero di particelle emesse e spostamento della moda della distribuzione verso granulometrie più elevate Le condizioni di campionamento (caldo/diluizione e raffreddamento) possono influenzare significativamente le emissioni con effetti di formazione di nuove particelle da componenti semivolatili (gasolio: nucleazione di idrocarburi semivolatili ed aerosol di acido solforico idratato)