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POLITECNICO DI MILANO
DIIAR Sezione Ambientale
EMISSIONI
EMISSIONI DI
DI PARTICOLATO
PARTICOLATO
ULTRAFINE
ULTRAFINE EE NANOPOLVERI
NANOPOLVERI DALLA
DALLA
COMBUSTIONE
COMBUSTIONE DELLA
DELLA LEGNA
LEGNA
Stefano CERNUSCHI, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti
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)
S. Cernuschi - Emissioni di UF ed NP da combustione legna. ARPA Lombardia, 23 05 2011
2
Generalità
Emissioni da combustione
Primarie
Cormier et al.,
Env.
Env. Health Persp.
Persp. 2006
Polveri
primarie
Raffreddamento e
miscelazione con
atmosfera
Formazione nuove
particelle
Condensabili
(nucleazione speci semivolatili
per raffreddamento/diluizione
atmosferica)
Gas
caldi
3
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)
condensabile e conteggio particelle
4
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
Linea di prelievo e misura
Sonda +
camera di
residenza
Prelievo da
camino dei gas
prodotti
Emissione
gassosa
Sonda di
campionamento
Camera di residenza
(formazione componente condensabile)
Aria di
miscelazione
depurata
Flusso prelevato
(polveri primarie e
condensabili)
Apparato di
conteggio
delle
particelle
ELPI – IMPATTORE A
BASSA PRESSIONE
Conteggio da 0,007-10 µm
6
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
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 = 25  35
 alta: DR = 40  60
Aria ambiente
8
Caldaia a pellet
Concentrazioni in numero (particelle cm-3) - carico nominale
IQR
Numero totale particelle (cm-3)
1·109
media
min
Aria ambiente
max
mediana
FumiFumi
con diluizione
con
diluizione
1·108
4.5E+07
5.2E+07
3.8E+07
1·107
Media = 4,5·107
1·106
1·105
2.9E+04
PM10 = 9 - 12 mg m-3
1·104
Aria ambiente
15-20
25-35
40-50
Rapporto di diluizione
9
Caldaia a pellet
Frazioni dimensionali - carico nominale
0.007<dp<0.05 µm
0.05<dp<0.1 µm
0.1<dp<10 µm
Frazione in numero (%)
100%
74%
80%
73%
68%
60%
40%
28%
19%
19%
20%
7%
6%
5%
0%
15-20
25-35
40-50
10
Caldaia a pellet
Concentrazioni in numero (particelle cm-3) - variazione carico
IQR
1·109
Ambient air
average
min
max
median
Fullnominale
load
Carico
Reduced
load
Carico
ridotto
1·108
3.8E+07
2.2E+07
1·107
1·106
1·105
2.9E+04
PM10 = 45 - 50 mg m-3
1·104
Ambient air
30
30
11
Caldaia a pellet
Frazioni dimensionali - variazione carico
DR=30
0.007<dp<0.05 µm
0.05<dp<0.1 µm
0.1<dp<10 µm
100%
73%
80%
61%
60%
34%
\
40%
20%
20%
7%
5%
0%
Carico nominale
Carico ridotto (30%)
Carico caldaia
12
Caldaia a pellet
Distribuzioni dimensionali
Carico nominale
Carico ridotto
C = 5.6·107 cm-3
C = 2.7·107 cm-3
30
Moda
0.07 µm
25
Concentrazione in numero
[10 6 /cm 3 ]
[10 6 /cm 3 ]
30
20
15
10
5
0
0.01
0.10
1.00
10.00
Dp [µm]
25
Moda
0.21 µm
20
15
10
5
0
0.01
0.10
1.00
10.00
Dp [µm]
13
Caminetto chiuso
Concentrazioni in numero (particelle cm-3)
IQR
media
min
max
mediana
1.0E+09
1·109
8.1 107
1.0E+08
1·108
6.3 107
5.1 107
7.8 107
6.0 107
7.4 107
1.0E+07
1·107
1.0E+06
1·106
Campionamento a caldo
Campionamento a freddo
Media = 6,4·107
Media = 7·107
1.0E+05
1·105
1.0E+04
1·104
1.5 104
1·103
1.0E+03
A: alta diluzione
M: media diluizione
B: bassa diluizione
1·102
1.0E+02
aria ambiente
B
M
A
B
M
A
14
Caminetto chiuso
Frazioni dimensionali
0.007<Dp<0.05
0.05<Dp<0.1
0.1<Dp<10µm
100%
Campionamento a caldo
Campionamento a freddo
80%
A: alta diluzione
M: media diluizione
B: bassa diluizione
65%
60%
52%
39%
53%
51%
46%
43%
43% 43%
47%45%
40%
30%
30%
27%
19%
20%
19%
15%
11%
9%
8%
5%
0%
aria ambiente
B
M
A
B
M
A
15
Caminetto chiuso
Distribuzioni dimensionali
NT = 8,1·107 cm-3
Caldo
2
Bassa dil.
1
0
0.01
0.1
1
3
Caldo
2
Alta dil.
1
0
0.01
10
Moda
0,12 µm
Moda
0,02 µm
-1
8
-3
Moda
0,02 µm
dN/dDp [10 cm µm ]
-3
8
3
NT = 5,1·107 cm-3
4
Moda
0,12 µm
-1
dN/dDp [10 cm µm ]
4
0.1
Dp [µm]
4
Moda
0,12 µm
-1
-3
Moda
0,02 µm
dN/dDp [10 cm µm ]
Freddo
Bassa dil.
2
8
8
-3
-1
dN/dDp [10 cm µm ]
3
1
0
0.01
0.1
10
Dp [µm]
NT = 5,6·107 cm-3
4
1
1
10
Dp [µm]
NT = 6,9·107 cm-3
Moda
0,02 µm
Moda
0,08 µm
3
2
Freddo
Alta dil.
1
0
0.01
0.1
1
10
Dp [µm]
16
Caldaia a gasolio
Concentrazioni in numero (particelle cm-3) - carico nominale
IQR
media
min
max
mediana
1·109
Aria ambiente
Fumi a caldo
Fumi con diluizione
1·108
6.7E+07
2.2E+07
8.6E+06
1·107
Media = 3,3·107
1.3E+06
1·106
1·105
2.9E+04
PM10 = 2.1 - 2.8 mg m-3
1·104
Aria ambiente
0
A caldo
15-20
25-35
40-50
17
Caldaia a gasolio
Frazioni dimensionali - carico nominale
0.007<dp<0.05 µm
97%
Frazione in numero(%)
100%
80%
0.05<dp<0.1 µm
0.1<dp<10 µm
95%
93%
74%
60%
40%
23%
20%
3%
2% 0%
4%
7%
1%
1%
0%
A caldo
0
15-20
25-35
40-50
18
Caldaia a gasolio
Distribuzioni dimensionali - carico nominale
A caldo
Con diluizione
140
8
12
6
104
82
0
68
46
4
2
2
0
0.01
C = 1.2·107 cm-3
14
Moda
0.05 µm
0.10
1.00
10.00
[10 6 /cm 3 ]
[10 6 /cm 3 ]
C = 1.3·106 cm-3
Dp [µm]
Moda
0.02 µm
12
10
8
6
4
2
0
0.01
0.10
1.00
10.00
Dp [µm]
19
Concentrazioni in numero (particelle cm-3)
IQR
mediana
media
min
max
6·104
5·104
4·104
3·104
28751
2·104
1·104
4531
0
Aria ambiente
Fumi con diluizione
20
Frazioni dimensionali
0,007<dp<0,05
0,05<dp<0,1
0,1<dp<10µm
Frazione in numero (%
100%
80%
68%
60%
40%
21%
20%
11%
0%
15
21
Distribuzione dimensionale
C = 5·103 cm-3
[1 /cm 3 ]
3000
2500
2000
Moda
0.02 µm
1500
1000
500
0
0.01
0.10
1.00
10.00
Dp [µm]
22
Valutazione comparativa
Motori
Diesel
Particelle cm-3 (scala logaritmica)
81.000.000
67.000.000
52.000.000
43.000.000
Caldaie
45.000.000 51.000.000
Motori
benzina
17.000.000
21.000.000
4.000.000
Termovalorizzatori
1.300.000
500.000
270.000
70.000
32.000
18.000
4.500
14.000
11.000
90.000
42.000
7.000
10.000
co
in
a
in
ie
z
in
a
Be
nz
*
.d
i re
tta
.
nv
P
Be
nz
co
el
es
Di
Di
es
el
se
nz
a
n
FA
FA
P
a
gn
lo
Bo
es
cia
Br
no
M
ila
le
na
tu
ra
s
lio
Ga
so
in
et
to
Pe
lle
t
Ca
m
Ga
Ar
ia
am
bi
en
te
4.000
FAP = filtro antiparticolato
23
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
(PU = 90 - 99%, NP = 30-70%)
• gas naturale: 104 cm-3 ≈ aria ambiente
• legna: 4·107 - 8·107 cm-3 > 2000 - 4000 volte aria ambiente
• gasolio: 106 - 7·107 cm-3 > 100 - 3000 volte aria ambiente
• termovalorizzatori: 5·103 - 7·104 cm-3 ≈ aria ambiente, mediamente <
veicoli benzina cat. e diesel con FAP
• veicoli diesel senza FAP e benzina ID: 4·106 - 4·107 cm-3 ≈ utenze civili
gasolio e legna
24
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

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